涉爆粉塵企業(yè)除塵器粉塵爆炸泄壓面積計算方法研究

趙智聰 靳江紅研究員 王 慶教授

(1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院，北京 100070；2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所 工業(yè)防爆研究室，北京 100054)

0 引言

粉塵爆炸是一種快速的、帶化學(xué)反應(yīng)、受眾多因素影響的氣固兩相流體力學(xué)過程，其爆炸威力大，事故后果嚴重。涉爆粉塵企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，由于粉塵具有可燃性，在一定條件下能與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)進而燃燒和爆炸，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。比如，2010年河北省秦皇島驪驊淀粉股份有限公司發(fā)生的“2.24”淀粉粉塵爆炸事故，該起事故導(dǎo)致21人死亡、47人受傷，直接經(jīng)濟損失1 773萬元；2015年1月31日，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市根河市金河興安人造板有限公司發(fā)生粉塵爆炸事故，引發(fā)火災(zāi)，造成6人死亡、3人受傷，生產(chǎn)車間廠房嚴重損毀；2014年昆山鋁鎂合金粉塵爆炸事故，事故報告期內(nèi)造成97人死亡，163人受傷，直接經(jīng)濟損失3.51億元，該事故重要原因之一為除塵器未設(shè)置泄爆口，導(dǎo)致除塵器內(nèi)的粉塵爆炸沖擊波沿除塵風(fēng)管反沖至整個車間，導(dǎo)致嚴重的二次爆炸，最終造成特大人員傷亡。粉塵爆炸的五要素分別為可燃粉塵、粉塵云、引火源、助燃物和空間受限。除塵器中容易形成以上粉塵爆炸條件，是最容易發(fā)生粉塵爆炸的設(shè)備之一。因此，針對除塵器設(shè)計合理的爆炸泄壓面積具有重要意義。除塵器不同形狀規(guī)格較多，不同類型除塵器爆炸泄壓面積計算方法不同，故針對不同形狀的除塵器分別研究其爆炸泄壓面積的計算方法，可以為涉爆粉塵企業(yè)除塵器爆炸泄壓面積的設(shè)計提供參考。

1 泄壓面積計算所需參數(shù)說明

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《粉塵爆炸泄壓指南》(GB/T 15605-2008)，在計算泄壓面積時主要依據(jù)以下參數(shù)進行計算：設(shè)備的有效容積

V

；最大受控爆炸壓力

p

，即最大泄爆壓力；粉塵的爆炸特性參數(shù)，最大爆炸壓力

p

，爆炸指數(shù)

K

；設(shè)備的長徑比

L/D

；泄壓裝置的靜開啟壓力

p

；泄壓裝置的泄壓效率

E

。在這些參數(shù)中，最大受控爆炸壓力

p

為系統(tǒng)地改變可燃物濃度所測得的受控爆炸壓力

p

的最大值；受控爆炸壓力

p

為采取爆炸控制措施后，受保護圍包體內(nèi)發(fā)生爆炸的壓力峰值；泄壓裝置的靜開啟壓力

p

為按標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，通過壓力緩慢上升使泄壓裝置動作的內(nèi)外壓力差；最大爆炸壓力

p

、爆炸指數(shù)

K

應(yīng)按《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》(GB/T 16426-1996)規(guī)定的方法確定；在理想條件下，泄壓效率

E

=1；泄爆門泄壓效率的典型數(shù)據(jù)范圍為

E

=0.5～0.8。

2 除塵器泄壓面積計算

涉爆粉塵企業(yè)中常用除塵器主要為2種，分別是旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器。

2.1 旋風(fēng)除塵器泄壓面積計算

旋風(fēng)除塵器泄壓口設(shè)置有2種情況，泄壓口分別設(shè)置在出氣管道的頂部和除塵器主體的肩部(環(huán)繞分布在出氣管道周圍)。

當(dāng)旋風(fēng)除塵器的出氣口頂部作為泄壓口時，泄壓面積為出氣口的橫截面積。

當(dāng)泄壓口設(shè)置在除塵器主體的肩部時，旋風(fēng)除塵器肩部泄壓示意圖，如圖1。圖1中

V

、

V

、

V

表示對應(yīng)部分的容積，

L

表示除塵器底部到肩部泄壓口之間的距離。此時按泄壓面積計算公式計算旋風(fēng)除塵器的泄壓面積。

圖1 旋風(fēng)除塵器肩部泄壓示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shoulder pressure relief of cyclone dust collector

泄壓面積計算公式如式(1)-(4)所示。

如果0.01MPa≤

p

<0.15MPa，則：

A

=

B

·[1+

C

·lg(

L/D

)]

(1)

(2)

C

=(-4

.

305·lg

p

-3

.

547)

(3)

如果0.15MPa≤

p

<0.20MPa，則：

A

=

B

(4)

式中：

A

—泄壓面積，m。在進行泄壓面積計算時，默認

E

=1。當(dāng)

E

<1時，所需的泄壓面積為

A/E

。在計算除塵器的泄壓面積時，難點為長徑比

L/D

的計算。

L/D

與除塵器的形狀和泄壓口的位置有關(guān)，其值與除塵器表觀上的長徑比不一定相等。長徑比

L/D

的恰當(dāng)數(shù)值只能根據(jù)除塵器設(shè)計、除塵器內(nèi)有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x(火焰在泄壓前通過的距離)

L

，以及有效火焰體積(火焰在泄壓前通過的體積)

V

進行估算求得。長徑比

L/D

的簡易計算步驟如下：計算有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x

L

；計算有效火焰體積

V

；用有效火焰體積

V

除以有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x

L

得到有效橫截面積

A

；通過有效橫截面積

A

計算出有效直徑

D

，長徑比

L/D

=

L

/

D

。

2.2 布袋式除塵器泄壓面積計算

涉爆粉塵企業(yè)常用的布袋除塵器主要分為2種。一種由圓筒部分和椎體部分組成，其中圓筒部分為除塵器主體，椎體部分為灰斗；另一種由方形部分和椎體部分組成，方形部分為除塵器主體，錐體部分為灰斗。這2種類型的布袋除塵器都采用側(cè)面泄壓的方式(泄壓口靠近灰斗)。下面對這2種不同類型的布袋除塵器泄壓面積計算公式進行推導(dǎo)。

(1)圓筒形布袋除塵器側(cè)面泄壓，示意圖，如圖2。

注：H1為圓筒部分的高；E1為椎體部分的高；D1和F1表示圓筒和椎體底部圓形的直徑；I1為泄壓口下端到除塵器圓筒部分底部的距離圖2 圓筒形布袋除塵器側(cè)面泄壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of lateral pressure relief of cylindrical bag-type dust collector

故可推導(dǎo)出圓筒形布袋除塵器側(cè)面泄壓面積

A

的計算公式，見式(6)。

(6)

(2)方形布袋除塵器側(cè)面泄壓，示意圖，如圖3。

注：J、K、H2分別為除塵器長方體部分的長、寬和高；E2為泄壓口下邊界到除塵器頂部的距離圖3 方形布袋除塵器側(cè)面泄壓示意圖Fig.3 Schematic diagram of lateral pressure relief of square bag-type dust collector

故可推導(dǎo)出方形布袋除塵器側(cè)面泄壓面積

A

計算公式，見式(7)。

(7)

3 應(yīng)用實例

以某涉爆粉塵企業(yè)的布袋除塵器為例，進行泄壓面積計算。該除塵器主體為圓筒形，灰斗為錐體。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4。

圖4 某涉爆粉塵企業(yè)布袋除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of a bag-type dust collector in an explosion-related dust enterprise

通過現(xiàn)場測量得到除塵器尺寸數(shù)值分別為

H

=2m，

D

=1.85m，

E

=1m，

I

=0.607m，

F

=0.6m。該企業(yè)為面粉企業(yè)，測得粉塵爆炸特性參數(shù)(見表1)，設(shè)備泄壓參數(shù)，見表2。

表1 粉塵爆炸特性參數(shù)表Tab.1 Characteristic parameter table of dust explosion

表2 設(shè)備泄壓相關(guān)參數(shù)表Tab.2 Parameter table of equipment pressure relief

由于此除塵器類型為圓筒形布袋除塵器，故將以上參數(shù)代入式(6)，計算得出長徑比

L/D

=0.903,泄壓面積

A

=0.259m?！斗蹓m爆炸泄壓指南》(GB/T 15605-2008)中也給出了泄壓面積計算的例子。在該例中(計算所得參數(shù)用角標(biāo)0區(qū)分)：

V

=20m，

L

/D

=1，

p

red, max=0.05MPa，

p

max=0.9MPa，

K

max=20MPa·m/s，

p

stat=0.01Mpa，

E

F=1，計算得出的泄壓面積

A

=0.83m。在本應(yīng)用實例中：

P

=

P

stat，

E

=

E

F；

V

，

P

，

P

，

K

以及

L/D

均小于指南中所給示例對應(yīng)參數(shù)的值。故本應(yīng)用實例中計算得到的泄壓面積

A

應(yīng)小于指南中示例的泄壓面積

A

。從計算結(jié)果上看，本應(yīng)用實例中

A

=0.259m，小于指南中示例的泄壓面積

A

，并且二者處于同一量級。由此可以證明本應(yīng)用實例中泄壓面積計算結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)對旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器的泄壓面積計算進行分析，推導(dǎo)出2種除塵器泄壓面積的計算公式。

(2)對于不同類型的除塵器，泄壓面積的計算方法不同。應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，按不同方法計算長徑比，進而根據(jù)粉塵爆炸特性參數(shù)和設(shè)備泄壓參數(shù)求出除塵器的泄壓面積。

(3)針對除塵器設(shè)計合理的泄壓面積能有效減輕粉塵爆炸事故的后果。但影響粉塵爆炸后果的因素不僅有泄壓面積，還有除塵器所在環(huán)境等。對于其他因素對粉塵爆炸后果的影響還有待進一步研究。