浅谈粉尘爆炸的危害及治理

浅谈粉尘爆炸的危害及治理

1为减少切实事件,发生重新改造的爆炸灰尘是由自然力或机械力产生的，可以浮在空气中。国际上将颗粒径小于25μm的固体悬浮物定义为粉尘。随着粉料处理工业的日益发展,人们逐渐认识到许多粉尘是具有爆炸危险的,例如,煤粉、金属粉、面粉等。西方国家的历次事故表明,粉尘爆炸的频率是随着现代化工业生产的发展而增加的。第一次有关粉尘爆炸的报道是1785年意大利面粉厂爆炸。到20世纪,即使在那些重视粉尘爆炸的国家,这类事故也屡见不鲜。可燃粉尘云快速燃烧的火焰在未燃粉尘云中传播,快速释放能量,引起压力急骤升高的过程,称为粉尘爆炸。如压力增加至大于围包体的强度,则围包体被爆破。对于粉尘爆炸的机理,国外曾作过不少的研究。研究结果表明,粉尘爆炸必须具备下列条件:(1)可燃性粉尘悬浮于空气中,形成适当浓度的粉尘云;(2)有足够的空气或氧化剂;(3)有足够能量的点火源。通过容器的密闭爆炸试验可知,粉尘爆炸所产生的最大爆炸压力都较大(>0.5MPa),最大压力上升速度也很快。对于粉尘处理设备而言,大部分是按非抗爆容器设计的,能承受的压力极小,有时可以通过添加惰性气体如氮气或二氧化碳来预防粉尘和气体着火,但其用量相当大且作用有限。在工程实践中,最有效的方法是安装泄爆装置(如防爆门或爆破片),以便在爆炸初始或扩展阶段,将围包体内高温高压燃烧物通过开启的防爆门或爆破片向安全方向泄出,使围包体免遭破坏得到保护。2最大泄爆压力值的确定泄爆是指在爆炸初始或扩展阶段,将围包体内高温高压燃烧物,通过围包体强度最低的部分(即泄压口),向安全方向泄出,使围包体免遭破坏得到保护。粉尘泄爆时,围包体内的压力因泄爆而降低,但又因粉尘在继续爆炸而升高,二者综合的结果是减小了泄爆时的压力与压力上升速率,使爆炸压力上升到一最大值,即最大泄爆压力Pred(在所有粉尘浓度范围内泄爆压力最大的值即为最大泄爆压力Pred,可通过实验或经验数据来确定Pred),然后随时间延长不断降低,如果泄爆面积足够大,泄爆压力上升速率下降到零,甚至负值。如图1所示,曲线A是在无泄压装置、足够大的强度容器中,粉尘爆炸压力随时间变化的情况;强度为Ps的容器上开一小泄压口,其他条件不变,则压力与时间的关系如曲线B所示,最大泄爆压力超过了容器的强度,容器仍被破坏;如泄压口开得足够大,最大泄爆压力如曲线C所示,低于容器的强度,容器不会因粉尘爆炸而破坏。图1中Pstat为泄爆装置开启静压。泄爆设计就是要选取适当开启压力及泄压面积的泄爆装置,使得围包体发生粉尘爆炸时最大泄爆压力小于围包体强度。下面介绍当开启压力确定时如何对某一指定类型粉尘处理设备进行泄压面积的计算。3围包体泄压面积的影响根据GB/T15605-1995《粉尘爆炸泄压指南》,对于围包体耐压强度Pred等于或大于0.02MPa的泄压面积可采用以下公式计算:AV=aV2/3KstbPredc(1)其中a=0.000571exp(20Pstat);b=0.978exp(-1.05Pstat);c=-0.687exp(2.26Pstat);AV——泄压面积,m2;V——围包体体积,m3;Pred——最大泄爆压力,MPa;Pstat——开启静压,MPa;Kst——粉尘爆炸指数,MPa·m/s。如果容器泄爆口上的泄爆装置外安装泄爆管,则会引起最大泄爆压力增大。容器安装泄爆管后最大泄爆压力变化可按下式计算:当0<L<3m时P′red=0.83×(Pred)0.654(2)当3<L<6m时P′red=0.90×(Pred)0.4776(3)将按式(2)或式(3)计算的最大泄爆压力代入式(1),即可计算出带泄爆管的围包体泄压面积。式(1)适应于围包体长径比小于或等于5的工况。这是因为围包体长径比小于2时火焰基本上没有加速,大于2小于5时火焰传播有加速,围包体长径比大于5时,由于火焰在传播过程中火焰前沿的紊流大大加强了未燃区粉尘云的挠动,从而加剧了爆燃,在一定管径和足够长度管道中,就会发展到爆轰。爆轰时火焰传播速度可达2000m/s以上,压力可增至2MPa数量级甚至达到8MPa,因此破坏力很大。由式(1)分析可知,当围包体强度及粉尘爆炸指数一定时,可通过调整泄爆装置开启压力(粉尘爆燃时,刚能使围包体上的泄爆装置动作的压力)或泄压面积来控制最大泄爆压力。泄压面积一定时,低开启压力比高开启压力产生的最大泄爆压力小,因此如果达到同样大小的泄爆压力,则开启压力小的,所需泄压面积小。但开启压力大小要受工艺要求的制约,开启压力太小,稍受干扰(如大气流动对泄压装置产生吸力等)就会打开泄爆口,影响生产操作。下面通过举例来说明式(1)在泄压面积计算上的应用。某袋式除尘器(接有一根2m长的泄爆管)设计参数如下:V=4.2m3,L/D=4.95,Pred=0.163MPa,Kst=150MPa·m/s,Pstat=0.01MPa。根据以上参数可以计算出:a=0.000571exp(20Pstat)=0.000697b=0.978exp(-1.05Pstat)=0.9678c=-0.687exp(2.26Pstat)=-0.7027因其接有一根2m长的泄爆管,会引起最大泄爆压力增大,由式(2)可得:P′red=0.83×(Pred)0.654=0.253从而AV=aV2/3KstbPred′c=0.60m24爆破片及主要参数性能比较常用的泄爆装置主要有泄爆阀、防粉尘爆炸专用爆破片、泄爆门,不管采用何种泄爆装置,均应有准确的开启压力,应起动惯性小、开启时间尽可能短