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工业厂房防爆通风系统的标准简述
发布时间:2019-04-29 16:39

摘要:分析了引起金属粉尘爆炸的起因和爆炸机理。通过对比美国、欧盟与国内有关工业厂房防爆通风除尘系统的相关标准,揭示了厂房通风除尘系统存在的典型问题,并提出了通风系统防爆技术的改进措施。

关键词:工业厂房;通风除尘;金属粉尘;防爆标准;气溶胶

0引言

粉尘爆炸事故与工业化水平息息相关。据统计,美国在1913—1973年间,仅仅在工农业领域就发生过72起重大粉尘爆炸事故;联邦德国在1965—1980年间粉尘爆炸事故大大小小发生了768次;而英国和加拿大从20世纪开始也发生过多次粉尘爆炸事故,仅英国就243起,死伤204人。近年来,随着我国粉体相关工业向机械化、规模化发展,工业粉尘爆炸事故也屡发不断,给我国国民经济带来巨大损失和造成重大人员伤亡。如2014年昆山某金属制品有限企业铝合金轮毂抛光车间的粉尘爆炸事故,造成75人死亡,185人受伤。2011年5月20日,富士康集团某企业除尘系统因风管发生爆炸,导致抛光车间二次爆炸,造成人员3死15伤,其中2人重伤。此外,近10年内,由金属粉尘引发的大型爆炸事故还很多。2005年黑龙江发生煤粉爆炸,导致171人死亡;2005年12月,河北省栾城县一铝材厂因铝末粉尘引发爆炸,造成2人死亡,3人受伤;等等。

粉尘爆炸对人体造成的伤害主要包括:胸部、腹部、心血管、中枢神经。1987—1999年期间因烟花厂火药粉尘爆炸受伤的339位病人进行了调查研究,发现40.9%的人属于深度烧伤,其中13%的人会出现死亡。烧伤后7天内常见的并发症是急性呼吸窘迫综合征,之后可能会出现败血症,而败血症是造成人员死亡的主要原因。如此多的安全设计、施工、管理等规范约束条件下,粉尘爆炸事故为什么依旧高发不断?经过多年的实践和总结,欧美等发达国家虽然还会发生爆炸事故,但却有效地降低了粉尘爆炸事故的发生频率以及爆炸带来的危害。那么,对于我国,该怎样消除粉尘带来的安全隐患?为此,本研究将从爆炸机理和国内外标准角度出发,探讨通风除尘系统的设计和维护措施。

工业厂房

1金属粉尘爆炸机理

具有爆炸危险的可燃粉尘主要有9类:煤粉、金属粉尘(铝粉、镁粉、锌粉、硅铁粉、铁粉)、饲料粉尘(鱼粉、血粉)、农副产品粉尘(棉花、烟草、茶叶粉)、粮食粉尘(小麦面粉、淀粉、糖、奶粉)、林产品(纸粉、木粉)、合成材料(塑料、染料)金属粉尘、煤尘和木屑。其中金属粉尘引发的爆炸事故数量最多。本文以铝、镁粉尘为例,分析其爆炸机理。

粉尘发生爆炸必须满足4个条件:

1)粉尘颗粒足够小,并通过悬浮扩散达到一定浓度,形成粉尘云;

2)有足够的氧气(氧化剂);

3)存在点火源或加热源点,火源分为明火、电火花和摩擦、碰撞火花;

4)粉尘所在空间受限。与气体爆炸相似,粉尘爆炸也存在最低爆炸浓度和最高爆炸浓度,只有在最低浓度与最高浓度范围内,粉尘才会发生爆炸。不过粉尘爆炸浓度范围并不固定,且随着粉尘粒径与表面形态、悬浮状态、点火源的种类和强度等不同有很大变化。

悬浮在空气中的细小颗粒粉末,因比表面积非常庞大,使其容易被空气中的氧气氧化发生剧烈反应。颗粒粉尘的蓄热能力随粉尘浓度的增加而提升。当粉尘浓度达到一定时,粉尘的蓄热能力会

使温度逐渐升高至粉尘的最低着火点,铝、镁粉尘爆炸需要的最低着火能量一般为20~60MJ。如果存在足够的氧气,粉尘就会被点燃,发生爆炸。环境温度同样会影响粉尘蓄热温度,环境温度越高,蓄热温度越容易达到着火温度。为了防止粉尘发生爆炸,不仅要杜绝明火、电火花等点火源,同时也要监控与粉尘直接接触的设备与装置(如光源、加热源等),防止其表面温度达到粉尘爆炸的最低温度。

粉尘的爆炸过程如下:首先是部分的悬浮粉尘在点火源作用下迅速地干馏或汽化产生可燃气体,可燃气体与空气混合燃烧放出大量的热量,并以热传导和火焰辐射方式传给附近悬浮的粉尘,这些粉尘受热汽化后使燃烧反应能够继续下去,随着燃烧的剧烈进行和不断扩散,产生的热量也越来越多,这些热量不断地加热周围空气引起压力的急剧增大,从而形成爆炸。铝、镁被氧化产生热能的方程式如下:

铝粉氧化反应放热方程式为

4Al+3O2=2Al2O3+3290kJ(1)

镁粉氧化反应放热方程式为

2Mg+O2=2MgO+1226kJ(2)

有研究发现,铝镁合金粉尘的爆燃能力超过铝粉本身,而且铝镁合金点火所需的温度要低于纯的铝粉。当镁铝粉尘遇到水会发生化学反应,并产生可燃性气体氢气,镁铝粉尘与氢气共存的混合物会进一步使着火所需能量、粉尘爆炸最低浓度降低,提高了爆炸事故发生的可能性。反应方程式如下:

Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑(3)

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑(4)

昆山粉尘爆炸事故中,铝合金轮毂在抛光过程中产生了大量的铝镁粉尘,这些粉尘悬浮在空气中且增加到了一定浓度限值,遇到明火后发生爆炸,爆炸产生的冲击波使地面可燃性粉尘扬起形成粉尘云,并被其后的火焰引燃而发生连续性爆炸。此外,在昆山爆炸事故中,除尘系统的积尘罐已经锈蚀且受潮,事故发生的前天晚上还下雨,第二天早上上班,积尘罐中的铝镁粉尘遇到水发生反应,从而引起爆炸。国务院事故调查组总结的昆山爆炸事故原因:

1)企业厂房建筑设计不合理,未按二类危险品场所设计建设;

2)生产工艺路线过紧过密,2000m²的车间内布置了29条生产线;

3)通风除尘装置存在严重隐患,没有按规定为每个岗位设计独立的吸尘装置,除尘能力不足;4)电器设备未按防爆要求配置;

5)未按时清理管道积尘;

6)人员安全意识薄弱,未对工人进行安全培训;

7)违规超时作业。

2国内外相关标准

为了预防和控制粉尘爆炸,各国都建立了相关的粉尘爆炸标准体系。目前,国际上以德国VDI系列以及美国NFPA68系列粉尘防爆标准最为权威,此外,欧盟也制定了一套粉尘防爆标准体系,基本与德国VDI类似。

2.1我国粉尘防爆标准关于通风除尘的一般规定

我国关于工业厂房的粉尘防爆已经颁布了一系列标准,有国家标准、行业标准和卫生标准。这些标准对于通风系统中吸尘罩、流速、粉尘沉积、布袋除尘器、积尘罐、泄爆口和管道系统设置等方面进行了规定,如表1所示。

表1 我国粉尘防爆方面的通风卫生及防火标准

2.2国外粉尘防爆标准关于通风除尘的一般规定

国外涉及粉尘防爆方面较有影响力的标准主要有:美国材料与试验协会(ASTM)标准、美国消防协会(NFPA)标准、德国工程师协会(VDI)标准、欧盟EN标准等,如表2所示。

通过对比国内外的粉尘防爆标准可以发现,我国制定的标准体系较为系统,能够从通风系统角度出发,对于通风除尘系统的设计、运行和维护都作出了较为详尽的规定。国外制定的标准对于粉尘爆炸特性、防爆设备以及通风装置方面都作了规定,在通风系统方面,更加侧重于系统的泄爆能力,降低爆炸对围护结构和相邻空间的危害。国外制定标准过程中,能够依据大量的实验数据和现场调研,对于粉尘的可燃性特征参数、火花检测、防爆、隔爆、抑爆、泄爆都有明确规定,并提出了相应的检测技术。

表2 国外粉尘防爆方面的通风卫生标准

3思考及应对措施

3.1布袋除尘器系统的局限与防结露技术

我国规范规定:处理易燃易爆粉尘宜采用布袋除尘器系统。布袋除尘器是利用纤维织物的过滤

作用对含尘气体进行过滤,当含尘气体进入布袋除尘器后,颗粒大、密度大的粉尘在重力的作用下沉降下来,而细小粉尘在气体通过滤料时也被阻留,使空气得到净化。但布袋除尘器所过滤的粉尘仍具有引发爆炸事故的可能,例如,当细小铝镁等金属粉尘堆积在除尘器内部,遇到粉尘泄漏、清灰不当或阴雨天雨水进入除尘器内反应产生氢气后,就极易发生爆炸。所以收集的铝镁金属粉尘应该及时得到处理,并放置在干燥环境中。

当来流含尘气体相对湿度和温度较高时,需采取防结露措施,否则会出现“糊袋”现象并产生易燃、易爆的氢气。风管内表面刷层防结露涂料可以有效防止结露,此外,应该在风管内设置温湿度监控措施,计算机通过焓湿计算App连续检测气流的露点温度,并与风管内表面温度进行比较并判断是否应该进行停机处理。

3.2除尘管道粉尘沉积与局部爆炸

含尘气流低速流过管道时,粉尘可能会沉积在管道内,由于外界振动或气流运动,使沉积在管道内的粉尘再次悬浮于空气中,产生二次扬尘,增加了管道发生局部爆炸的可能。近几年出现的粉尘爆炸事故中,不少案例都是由于管道局部爆炸引发预防性防爆措施:避免爆炸性粉尘-空气混合物形成,确保粉尘浓度保持在爆炸范围以外粉尘的二次爆炸,才导致人员大量伤亡,如富士康粉尘爆炸事故。为了预防和避免粉尘在管道内沉积而发生局部爆炸,有以下几个建议:

1)在设计除尘管道尺寸时,要保证输送气体有较高的流速,根据不同粉尘种类查阅相关设计标准,如《铝镁粉加工粉尘防爆安全规程》中规定,铝及铝镁合金粉应大于23m/s,镁粉应大于18m/s。《采暖通风与空气调节设计规范》中对金属粉尘的除尘水平风管中最小流速作出了规定,例如对钢铁屑应大于23m/s,但是对于铝镁粉尘未作规定。

2)风管表面应采用特殊材料处理,如用纳米复合涂层进行风管内表面处理,在涂层中添加纳米相,可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性,而且将纳米颗粒加入到表面涂层中,可以达到减小摩擦系数的效果,形成自润滑材料,甚至获得超润滑功能,可以降低风管表面黏性,从而有效地减小了风管对粉尘颗粒的吸附作用,同时在涂层中加入金属纳米颗粒可以确保风管的导电性能。

3)保证除尘系统具有良好的密闭性,必要时在含有高浓度粉尘管道中充入二氧化碳等惰性气体,以减少管道内氧气的含量。

4)在除尘风管内设置氧气检测系统,定期对系统的氧气浓度进行记录分析,始终保证系统中的氧气处于安全浓度范围内。

5)风管沿程坡度往往对粉尘的沉积量有很大影响。应根据不同的金属管道材料、气流风速与特性、粉尘种类以及风管截面设计不同的风管坡度。

防爆型布袋除尘器

3.3CFD技术应用于粉尘通风系统

计算流体力学(CFD)技术在近20年内得到了快速的发展,除了计算机的广泛应用给CFD提供

了坚实的物质基础外,主要是因为无论理论分析还是实验方法都有较大的局限,如由于问题的复杂性,无法求分析解,因费用昂贵也无力进行实验,而此时CFD技术是个很好的选择,既降低成本,又能模拟较复杂的问题。含尘气流被排风罩吸入风管,在风管内高速流动并进入除尘设备的输送过程属于气固多相流模型。CFD在防爆系统设计中应用如下:

1)利用CFD技术对风管内气流的流动进行数值模拟,通过分析气流流速、压力、温度场,确定风管内容易发生粉尘局部爆炸和容易发生粉尘集聚的位置,并对这些部位加以监测控制。

2)利用CFD模拟多种除尘风量下风管内粉尘的飞扬、迁移和沉积规律,得到总沉积率和粉尘浓度分布,并对比不同工况下的粉尘排除效率,确定最佳设计风量和设计风速。

3)室内污染物分布不均匀,而标准是按照均匀分布的污染物来计算确定通风面积。利用CFD可以模拟在多个排风罩的吸气作用下车间内粉尘的空间浓度和速度分布,从而预测到车间的排风死角并对该区域进行单独控制,通过分析气流的运动轨迹和速度分布,可以判断车间的设备布局是否满足气流补风要求。

需要注意的是,昆山爆炸事故凸显出来的除尘能力不足问题,要求通风系统设计人员注意自然补风开口和气流通道的设计,确保一定的补风效果,避免风机和排风除尘管路系统、室内气流组织和补风开口设置不匹配,导致除尘系统的捕集灰尘效果恶化。

在CFD模拟结果分析的基础上,进一步完善工厂安全措施,建议使用带保护气套的粒子计数器,确保光学传感器在使用过程中不被颗粒物污染。此外,可以像德国那样建立公开的粉尘参数网络数据库,完善企业安全法规和安全评估,鼓励使用数字模拟技术等来预防粉尘爆炸的发生。

3.4既要注重系统设计,也要注重系统维护

防爆场合安全措施的基本原则是从源头控制粉尘,以防形成爆炸性混合物,为此除尘系统的设计至关重要。除尘系统设计应注意以下几点:

1)除尘管道材料应采用不产生火花的导体材料制作,且不能使用非导体衬里,管道应等电位连接并接地;

2)除尘管道应开设泄爆口,具体开设位置及尺寸应符合GB/T15605—2008《粉尘爆炸汇压指南》的规定;

3)若含尘气体来自相对较暖环境,而管道和收尘器的温度又相对较低时,应采取措施避免含尘气体中的水蒸气发生冷凝;

4)为避免粉尘在管道中沉积,应保证含尘气体有较高的流速;

5)风机的叶片应采用导电、不产生火花的材料制造且风机等其他配套电气设备应满足粉尘防爆要求;

6)排风罩口周边的设备布局方式会很大程度影响气流的补风效果,生产工艺布局过密相当于增加了系统的局部阻力,从而降低车间风量的排除速率,导致车间易爆粉尘含量上升。

除尘系统的维护也要注意以下几点:

1)应定期检查系统是否存在漏尘、漏风现象,并要及时处理问题;

2)应监控管道内悬浮空气含尘浓度及含氧量并定期清理管道积尘;

3)检修系统时,应使用防爆工具,不应敲击系统金属部件;

4)定期检查电动机是否出现老化现象,防止火花放电造成事故。

防爆型布袋除尘器

4结语

为了有效防止粉尘爆炸事故的发生,各企业应该把安全放在首位,积极改进生产工艺、提高设施设备水平、加大员工安全培训、加强安全维护等。生产车间员工也应该积极遵守安全生产操作规程,尽可能杜绝车间发生事故。作为暖通设计人员,要具有强烈的责任意识,一切以安全为基准,作出最佳的除尘设计、维护方案,选择性能优良的防爆除尘设备和风机,并且整个设计过程要严格遵守我国相关防爆规范、标准的要求。

 

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