郝龍瓊,魏光耀
(1.武漢鋼鐵集團開圣科技有限公司,武漢 430070;2.中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233000)
五金建筑材料加工過程中,常用到拋丸機對工件作表面處理,從而使工件表面變得光滑,便于后期的電鍍,保證五金建筑材料外觀呈現(xiàn)出良好的光澤。在拋光過程中會產(chǎn)生大量的粉塵,這些粉塵通過除塵設(shè)施吸出以減小對操作人員的健康危害。然而,不少企業(yè)發(fā)現(xiàn)拋丸機除塵系統(tǒng)會頻繁的起火甚至?xí)l(fā)生爆炸,粉塵燃爆事故給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失,嚴(yán)重時影響人身安全。
某建材加工廠頻繁起火的部位是拋丸機室外除塵系統(tǒng)的灰斗,該灰斗呈錐形,內(nèi)接觸面積S約為13m2。
一般認(rèn)為,拋丸機粉塵成分包含了拋丸用鋼砂、工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等物質(zhì)。為了準(zhǔn)確了解粉塵的組成及性質(zhì),某建材加工廠請專業(yè)檢測機構(gòu)對其頻繁起火的除塵器內(nèi)的粉塵進行了檢測,粉塵混合物的組成如表1。
表1 拋丸粉塵檢測數(shù)據(jù)
由檢測數(shù)據(jù)可知,該廠除塵器頻繁起火的主要原因是粉塵中含碳量比較高,易燃物碳粉在遇激發(fā)能源時被點燃,發(fā)生了火災(zāi)。
根據(jù)燃燒3要素及爆炸理論可推斷,拋丸機粉塵不僅會燃燒,而且在一定條件下還有發(fā)生爆炸的可能性。
1)存在可燃物
(1)拋丸粉塵含碳71%、含鐵26.2%,且80%的粉塵粒度為10μm,10%的粉塵粒度為5μm,10%的粉塵粒度介于100~1 000nm,粉塵本身具有燃爆特性。
隨著正畸技術(shù)發(fā)展,越來越多的成人錯頜畸形患者開始接受正畸治療。然而,成人患者的口腔情況相對復(fù)雜,大多數(shù)成人都存在齲壞的牙齒,隨著光固化復(fù)合樹脂在齲壞治療的廣泛應(yīng)用,許多固定矯正都需要將托槽直接黏結(jié)在有光固化復(fù)合樹脂充填治療的牙齒表面上。由于齲洞大小形狀不同,光固化充填的樹脂面也各不相同,往往是托槽底板一部分黏結(jié)在樹脂面上,一部分黏結(jié)在牙齒表面上,由于牙齒表面黏結(jié)托槽一定要進行酸蝕處理,且長期存在于口內(nèi)的樹脂充填物在黏結(jié)前也同樣需要進行相應(yīng)處理,故本實驗未進行無表面處理的光固化樹脂面抗剪切強度的陰性對照。
(2)拋丸粉塵含其他物質(zhì)2.8%(工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等),這些物質(zhì)也具有燃爆特性。
(3)管道內(nèi)壁不光滑,連接處采用了可燃材料,突變處粉塵積聚自燃,進而引燃可燃材料。
(4)濾袋為可燃材料,在遇激發(fā)能源時,被引燃。
2)具有激發(fā)能源
(1)拋丸粉塵在管道內(nèi)流動時,自身相互摩擦,塵粒與管道、設(shè)備內(nèi)壁的摩擦可以產(chǎn)生數(shù)千伏的靜電,靜電火花放電,其放電能量足以引燃粉塵。
(2)機修時,電焊或氣割產(chǎn)生的明火被吸入除塵器,引燃拋丸粉塵。
(3)拋丸過程中部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能,在生產(chǎn)運轉(zhuǎn)過程中,系統(tǒng)的溫度會逐漸升高;除塵器內(nèi)大量粉塵堆積,可燃粉塵與空氣中的氧接觸而發(fā)熱,此熱量經(jīng)過長時間積聚,可能使拋丸粉塵達(dá)到自燃溫度,從而發(fā)生自行燃燒。
在爆炸性粉塵環(huán)境中,產(chǎn)生爆炸必須同時存在下列條件:存在爆炸性粉塵混合物其濃度在爆炸極限以內(nèi),存在足以點燃爆炸性粉塵混合物的火花、電弧或高溫,密閉空間。
結(jié)合設(shè)備及操作條件分析,可能發(fā)生粉塵爆炸的原因有:
1)存在具有燃爆特性的細(xì)粉塵,且除塵時為負(fù)壓操作(吸入的空氣),當(dāng)通風(fēng)不暢時,粉塵與空氣的混合物濃度有可能達(dá)到爆炸極限。
2)存在明火、靜電、環(huán)境溫度升高等引發(fā)粉塵爆炸的激發(fā)能源。
3)拋丸機、除塵系統(tǒng)為相對密閉空間。
當(dāng)某一燃燒反應(yīng)在一定空間內(nèi)進行,如散熱困難,反應(yīng)溫度則不斷提高,而溫度提高又加快了反應(yīng)速度,這樣最后就發(fā)展成爆炸[1]。這種爆炸是由于熱效應(yīng)而引起的,稱為熱爆炸。粉塵爆炸的熱爆炸判據(jù)見式(1),粉塵爆炸下限用Cd表示。該式表明粉塵發(fā)生爆炸臨界狀態(tài)時,各參數(shù)之間應(yīng)滿足的關(guān)系[2]。
式中,A為頻率因子,/min;Cd為粉塵爆炸下限,g/m3;d為點火源為中心半徑為d的空間形成一個溫升的均溫系統(tǒng),m;Q為顆粒熱值,kJ/g;Cg為氧濃度,g/m3;E為活化能,kJ/mol;Dρ為顆粒粒徑,μm;ρs為粉塵密度,kg/m3;χ為傳熱系數(shù),W/(m2·K);S為反應(yīng)器與周圍環(huán)境相接觸的表面積,m2;R為氣體常數(shù),8.314;TA為環(huán)境溫度,K。
參數(shù)取值:A=2.4×1020/min;d=1m;Q=94.6kJ/g;E=2.8×102kJ/mol;Dρ=10μm(粉塵粒徑80%在10μm);ρs=1 370kg/m3;χ=185.5W/(m2·K);S=13m2;R=8.314。
由此可知,在粉塵成分和所處設(shè)備不變的情況下,粉塵爆炸下限Cd僅與顆粒粒徑Dρ、環(huán)境溫度TA、氧濃度Cg這3個變量相關(guān)。
1)爆炸下限Cd與溫度TA關(guān)系
假設(shè)氧濃度為正??諝庵醒鯕鉂舛戎?,即Cg=29.85g/m3,代入數(shù)據(jù)后,根據(jù)公式(1)可得出爆炸下限Cd與溫度TA的曲線圖,見圖1。由圖1可知,當(dāng)環(huán)境溫度TA升高時,爆炸下限Cd會下降,爆炸危險性增大,所以要控制系統(tǒng)的工作溫度。
2)爆炸下限Cd與氧濃度Cg關(guān)系
收塵器的溫度為室溫5℃以內(nèi),取值TA=30℃,則根據(jù)公式(1)得到爆炸下限Cd與氧濃度Cg關(guān)系曲線圖,見圖2。由圖2可知,系統(tǒng)中通入惰性氣體,如氮氣等會降低氧濃度Cg,爆炸下限Cd會上升,系統(tǒng)危險性降低。
3)爆炸下限Cd與通風(fēng)量的關(guān)系
防止爆炸所需的通風(fēng)量,按公式(2)計算
式中,L為通風(fēng)量,m3/h;q為從局部吸塵罩排出的可燃物量,g/h;Cd為粉塵爆炸下限,g/m3。
目前正常工作情況下,風(fēng)機的通風(fēng)量:室內(nèi)6 800m3/min,室外7 000~28 000m3/h;生產(chǎn)時間:連續(xù)生產(chǎn)6~7h/班;可燃物量:每班排出的積灰量為35kg。推算平均排放濃度Cp≈0.014g/m3,遠(yuǎn)小于可燃粉塵的爆炸下限。故因目前排風(fēng)量的關(guān)系,未發(fā)生粉塵爆炸事故。
當(dāng)排風(fēng)不暢,粉塵濃度達(dá)到爆炸極限時,遇激發(fā)能源可能發(fā)生粉塵爆炸。
由上述公式及數(shù)據(jù)分析可以看出,粉塵的爆炸下限與粉塵的性質(zhì)、粒徑、環(huán)境溫度、系統(tǒng)氧含量、通風(fēng)量等相關(guān)。要預(yù)防粉塵爆炸,必須通過控制以下幾個方面著手:
1)必須嚴(yán)格控制鋼砂質(zhì)量,嚴(yán)禁使用碳含量超標(biāo)的鋼砂及拋丸設(shè)備。
2)當(dāng)粉塵粒徑Dρ減小時,爆炸下限Cd會降低,因此生產(chǎn)過程中應(yīng)及時清除干凈積灰,避免細(xì)小顆粒沉積。
3)當(dāng)環(huán)境溫度TA升高時,爆炸下限Cd會下降,爆炸危險性增大,所以要對系統(tǒng)的工作溫度進行監(jiān)控。
4)系統(tǒng)中通入惰性氣體,如氮氣,會降低氧濃度Cg,爆炸下限Cd會上升,爆炸危險性降低。因此,在設(shè)備中充入惰性介質(zhì)、降低系統(tǒng)中的氧含量是防止設(shè)備爆炸的可靠方法。
5)保證通風(fēng)量,使設(shè)備內(nèi)的粉塵濃度達(dá)不到爆炸下限濃度,阻止粉塵爆炸環(huán)境的形成。
[1] 王振成,任新民.爆炸[M].西安:陜西人民教育出版社,1988.
[2] 趙江平,王振成.熱爆炸理論在粉塵爆炸機理研究中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2004(5).