淺析可燃性粉塵除塵系統(tǒng)工程設計預防措施

徐興文

摘要：可燃性粉塵產生火災或爆炸事故時有發(fā)生，事故涉及工業(yè)企業(yè)生產車間、高校試驗室、游樂園等場所，往往造成人員傷亡及較大的經濟損失。由于可燃性粉塵大多飄浮在空氣中，為改善環(huán)境及達到國家職業(yè)衛(wèi)生標準要求，現(xiàn)場一般配置有除塵器，而收集有大量可燃性粉塵的除塵器存在爆炸的風險。本文根據(jù)國標或行標對可燃性粉塵的防爆規(guī)范要求，結合已設計運行的可燃性粉塵除塵系統(tǒng)實際應用情況，從可燃性粉塵的識別，特性參數(shù)，爆炸條件，爆炸危險區(qū)域劃分和除塵系統(tǒng)吸氣罩，管道設計，除塵器和風機的防爆設計，維護保養(yǎng)，應急措施等方面作簡要分析。

關鍵詞：可燃性粉塵;爆炸條件;除塵系統(tǒng);防爆設計

目前，國家和企業(yè)對環(huán)境保護都很重視，企業(yè)員工的自我保護意識也在不斷提高，在產生粉塵工序常配備有除塵器收集處理粉塵，當收集的粉塵具有可燃性質時，集聚了大量可燃性粉塵的除塵器具有燃燒爆炸的可能，多個實際應用表明，從燃燒爆炸的產生條件設計相應預防措施，結合現(xiàn)場人員日常正確管理及時維護清理，是可以降低事故發(fā)生的可能或避免事故進一步擴大的。

一、基礎概念

1.1、可燃性粉塵

國際上將粒徑<75um懸浮在空氣中的固體懸浮物（依其自身重量可沉淀下來）稱作粉塵。2015年國家應急管理部發(fā)布《工貿行業(yè)重點可燃性粉塵目錄》將在空氣中能燃燒或燜燃，在常溫常壓下可與空氣形成爆炸性混合物的粉塵、纖維或飛絮定義為可燃性粉塵。由此可見，可燃性粉塵是粉塵中的一部分，而且包括纖維或飛絮。該目錄中明確了七類常見可燃性粉塵：金屬制品加工（鎂粉、鋁粉、鈦粉、鋅粉），另外鐵粉也是具有可燃性的;農副產品加工（面粉、糖粉、奶粉、煙葉粉、茶葉粉）;木制品/紙制品（木粉、紙漿粉）;紡織品加工（亞麻、棉花）;橡膠和塑料制品加工（樹脂粉、橡膠粉）;冶金/有色、建材行業(yè)煤粉制備（煤粉、活性炭粉）;其他（染料、靜電粉末涂料、乳化劑）。

1.2、可燃性粉塵爆炸的條件

燃燒的條件為：可燃物、助燃物（氧氣或空氣）、點火源（焊割火星或熔渣，非防爆燈具，非防爆電機，靜電，光照，撞擊或摩擦，自燃，反應放熱）;而爆炸條件在燃燒的基礎上增加粉塵云（粉塵擴散懸浮在助燃氣體中的高濃度可燃性粉塵與助燃氣體的混合物）和相對受限空間。當爆炸的5個條件同時滿足時，必然發(fā)生爆炸事故，可燃性粉塵爆炸有初始爆炸、二次爆炸和多次爆炸，通常二次和多次爆炸破壞力更大。

1.3、可燃性粉塵爆炸的特性參數(shù)

最大爆炸壓力Pmax：粉塵發(fā)生爆炸所能達到的最大壓力，大部分粉塵爆炸壓力為0.5-1.0MPa，而除塵器的耐壓在0.1-0.2MPa范圍。

粉塵云最小點火能量MIE：使粉塵云著火的火花源能量最小值，多數(shù)為10-100mJ范圍，越小越容易引燃。

粉塵云最低著火溫度MIC：粉塵云被點燃的最低溫度，越低越易引燃。

最大壓力上升速率dp/dt：粉塵發(fā)生爆炸時最大爆炸壓力的壓力P—時間t上升曲線的斜率的最大值，越大越難防護

爆炸指數(shù)Kst：密閉容器內，粉塵爆炸試驗中最大爆炸壓力上升速率與容器容積的立柱根的乘積為一常數(shù)，稱為粉塵的爆炸指數(shù)。單位：MPa·m/s

爆炸下限MEC或LEL：是指粉塵云在給定能量點火源作用下，能發(fā)生自持火焰?zhèn)鞑サ淖畹蜐舛龋瑔挝唬篻/m3。只有可燃性粉塵濃度達到爆炸下限才會發(fā)生爆炸，越低越易發(fā)生爆炸，鋁粉塵爆炸下限為60 g/m3。

最大允許氧濃度LOC：可使粉塵云爆炸的混合物中氧含量的最小體積濃度。越低越易產生火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

1.4、影響可燃性粉塵爆炸的因素

可燃性粉塵物化性質（燃燒熱值、氧化速度、帶電難易程度、所含揮發(fā)物），外部因素（粉塵粒度、分散度、濕度、點火源的性質、氧含量、湍流情況）。

1.5、粉塵爆炸危險場所區(qū)域劃分

爆炸危險區(qū)域場所是指存在或可能存在可燃性物質與空氣混合物的場所，爆炸危險區(qū)域場所根據(jù)GB50058標準按爆炸性粉塵環(huán)境出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間分為20、21、22區(qū)，20區(qū)為正常運行過程，可燃性粉塵連續(xù)出現(xiàn)或經常出現(xiàn)（產塵設備內部，除塵器過濾腔和集灰桶，風管內部）;21區(qū)為正常運行過程中很可能偶爾出現(xiàn)粉塵數(shù)量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物的區(qū)域（裝卸料，敞開產塵作業(yè)區(qū)域，除塵器的清灰口及清灰作業(yè)區(qū)域），21區(qū)在一級釋放源周圍1m直徑范圍內;22區(qū)為正常運行中可燃性粉塵一般不可能出爆炸性粉塵環(huán)境的區(qū)域，即使出現(xiàn)，持續(xù)時間也是短暫的（除塵風機腔，排氣筒內，風管的清灰口及清灰作業(yè)區(qū)域），22區(qū)的范圍按超出21區(qū)3m及二級釋放源周圍3m的距離確定。爆炸危險區(qū)域的劃分還應按可燃性粉塵的量、爆炸極限和通風條件確定。

二、可燃性粉塵除塵系統(tǒng)防爆設計

除塵系統(tǒng)是由吸塵罩或吸塵柜、風管、風機、除塵器及控制裝置組成的用于捕集氣固兩相流中固體顆粒物的裝置。

2.1吸氣罩

根據(jù)產塵設備的特點、現(xiàn)場工藝特征設計合適的吸氣罩，在設計時應遵循“通（粉塵能暢通地被吸走）、近（盡量靠近產塵點）、順（順著粉塵流向）、封（盡量封閉粉塵，減少擴散）、便（方便操作和維修）”的原則。吸氣罩的設計應符合GB16758或AQ/T4274的規(guī)定，下吸或側吸吸氣罩的控制風速不宜低于1m/s，避免橫向氣流干擾和粉塵沉積。吸塵罩或吸塵柜采用鋼質金屬材料制造，若采用其他材料則選用阻燃材料且采取防靜電措施，不得選用鋁質金屬材料。應采取措施防止吸入鐵片或螺釘、石子等物件。

2.2風管

風管應采用鋼質金屬材料，內表面應光滑并防銹，但不得使用鋁涂料。若采用其他材料則應選用阻燃材料且采取防靜電措施，不得選用鋁質金屬材料。連接除塵器的進出風管應采用圓型橫截面風管，宜采用焊接連接，如采用法蘭連接，應按照GB12158防靜電措施要求進行導電跨接。同時允許采用軟連接，其長度應盡可能短。管道系統(tǒng)不應使用絕緣管（如PVC管）。管道長度大于10m應按要求設置防爆裝置（泄爆、惰化、隔爆、抑爆，一種或多種組合）。水平風管每間隔6m處及風管彎管夾角大于45°的部位，宜設置清灰口，非清理狀態(tài)時清灰口應封閉，其設計強度大于風管的設計強度。對存在經由吸塵罩或吸塵柜吸入火花危險的風管，宜在風管上安裝火花探測報警和火花熄滅裝置。

風管的設計風速應滿足風管內不出現(xiàn)粉塵堵塞、管內壁不出現(xiàn)厚度大于1mm積塵的要求。通常按照風管內粉塵濃度不大于爆炸下限的50%計算，且應不低于20m/s。鋁鎂粉塵按照風管內的粉塵濃度不大于爆炸下限的25%計算，且不小于23m/s。風管應支撐牢固無明顯抖動，風管設計中應盡量減少彎頭和長度，盡量使得整個風管阻力最小。

2.3除塵器

除塵器是可燃性粉塵除塵系統(tǒng)中的關鍵設備，可燃性粉塵除塵可選用干式除塵器（濾筒、布袋、旋風）和濕式除塵器（水洗或水幕、自激式、文丘里），不得采用電除塵器或采用正壓吹送粉塵，也不得采用以沉降室為主的重力沉降除塵方式。

2.3.1可燃性粉塵除塵選用布袋或濾筒除塵器時，應按照粉塵爆炸特性采取預防和控制粉塵爆炸的措施，如泄爆、惰化、隔爆、抑爆、抗爆，推薦一種或多種措施并用，但不得單獨只采用隔爆。

泄爆是在除塵器殼體適當位置設計安裝泄爆片，在爆炸壓力尚未達到除塵器和風管耐壓強度時排出爆炸產物，保護除塵器和風管。泄爆面積計算，以及泄爆裝置的設計、選型和安裝應符合GB/T 15605的要求。其中泄爆面積計算時會涉及到參數(shù)有：粉塵成分、爆炸指數(shù)Kst、最大爆炸壓力Pmax、泄爆壓力Pstat、被保護設備體積V、最大泄爆壓力Pred.max、長徑比L/De、最大工作負壓。需要說明的是V是不含設備內的布袋或濾筒體積的。泄壓口應朝向安全位置，泄壓時火球可達到被保護設備體積的7倍，火焰噴出距離大于12m。周圍不應受到噴出火焰和壓力的危害，若室內除塵器泄壓，應通過長度須小于3m的泄壓導管向室外安全的方向泄壓或采用無焰泄爆。泄壓裝置安裝完成后的有效泄壓面積不應小于計算值。室外放置除塵器與廠房外墻的距離大于10米，且應遠離明火區(qū)域不小于25m。

惰化是向除塵器充入惰性氣體（N????2或CO2）或粉體（滑石粉），使粉塵失去爆炸性。實際應用時可在除塵器進風口風管中定時定量噴入滑石粉。

隔爆是在風管上設置隔爆閥，將火焰及爆炸波阻斷在一定的范圍內。主要目的是將除塵器內的爆炸火焰或壓力阻斷，避免傳到室內引起二次爆炸。在設計時隔爆和泄爆常同時并用。隔爆閥應設置在廠房建筑物的外部，并應安裝在主風管的水平管段上，距離上游彎頭距離至少3m，同時應注意安裝方向不得裝反。

抑爆是在風管和（或）除塵器上設置抑爆裝置，爆炸發(fā)生瞬間，通過物理、化學滅火介質撲滅火焰，使未爆粉塵不再參與爆炸。抑爆裝置啟動應與除塵系統(tǒng)的控制裝置保護裝置聯(lián)鎖設計。

抗爆是通過加強除塵器殼體壁厚與改進材質，將爆炸限制在除塵器內部，在除塵系統(tǒng)設計中較少用。除了應用上述措施中的一種或多種措施外，除塵器本體還應采取如下設計：

濾筒或布袋應具用防靜電和阻燃功能，與濾袋連接的金屬件（袋籠、花板、短管）和與濾筒連接的上下金屬端蓋及反吹機構應采取靜電跨接方式防靜電;其電阻應不大于0.03Ω。同時除塵器應設防靜電直接接地設施，接地電阻應不大于100Ω。

電器元件（脈沖電磁閥、電機、儀器儀表、傳感器、電柜）應選用粉塵防爆型，符合GB50058和GB12476標準，帶有粉塵防爆認證標識。不同場所環(huán)境所用專用防爆設備不得混用，常見很多粉塵防爆場所用II類氣體場所使用的防爆設備。另外還應注意電纜連接時嚴禁使用塑膠套管鉚釘連接，須用鍍鋅鋼管攻牙密封連接，連接處不少于5扣絲牙?？墒褂梅辣瑩闲越饘佘浌苓B接，接線處須使用防爆接線盒。

除塵器的風機葉片應采用導電、運轉時不產生火花的材料制造，軸承應防塵密封，不宜使用皮帶傳動。同時鋁鎂粉塵要求風機安裝在濾筒或布袋之后采用負壓抽吸，禁止采用正壓吹送的除塵系統(tǒng)，除塵應采用外濾方式，不同種類的可燃性粉塵不得合用同一除塵器。此外除塵器應規(guī)范安裝使用鎖氣卸灰、火花探測熄滅、壓差監(jiān)測、故障報警等裝置。

2.3.2可燃性粉塵除塵選用濕式除塵器時，應確保水量、水壓能去除進入除塵器的粉塵，設置水量、水壓監(jiān)測報警裝置。循環(huán)用水儲水箱、水質過濾箱及水質過濾裝置不應密閉，須有通風氣流，水質應清潔、箱內不應存在沉積泥漿，水不應結冰。循環(huán)水管內應無積塵。鋁鎂等金屬粉塵濕式除塵系統(tǒng)應當安裝與打磨拋光設備聯(lián)鎖的液位、流速監(jiān)測報警裝置，并保持作業(yè)場所和除塵器本體良好通風，防止氫氣積聚，設置排氫口或監(jiān)測氫氣濃度，及時規(guī)范清理沉淀的粉塵泥漿。

2.4除塵系統(tǒng)維護保養(yǎng)

除塵系統(tǒng)至少每半年進行一次維護檢修，干式除塵器應針對濾筒或濾袋的清灰、殘留粉塵及使用時間和壓差監(jiān)測更換，確?？刂蒲b置和防爆裝置、鎖氣卸灰裝置應處于正常和安全運行的狀態(tài)。濕式除塵器應監(jiān)測氫氣濃度，查看水量、水壓、水質、水管、泥漿情況是否正常。同時應檢查電氣線路和電氣設備并建立維護檢修擋案。每班至少清理粉塵作業(yè)區(qū)域、吸氣罩、集灰桶、預過濾網、濾袋或濾筒、水質過濾箱及濾網。每周至少清理鎖氣卸灰裝置、過濾腔、電氣線路及設備、監(jiān)測和控制裝置、循環(huán)用水儲水箱。每月至少清理主支風管、風機腔、防爆裝置、真空腔。需清理區(qū)域不得出現(xiàn)厚度大于0.8mm的積塵層。鋁鎂等金屬粉塵和鎂合金廢屑的收集、貯存應采取防水防潮、通風、氫氣監(jiān)測等必要的防火防爆措施。鋁粉塵貯存容器應采取防銹措施。含水鎂合金廢屑應當優(yōu)先采用機械壓塊處理方式，鋁鎂合金粉塵應當優(yōu)先采用大量水浸泡方式暫存。清理粉塵時嚴禁使用壓縮空氣吹掃，宜采用負壓吸塵方式清掃。清掃應形成臺賬記錄。清理或檢修時除塵器應處于關閉狀態(tài)。嚴禁使用鐵質工具清掃，物料清除，設備檢修應使用防爆工具（銅、鋁、木器、竹器）。清理粉塵時應穿防靜電鞋、防靜電服、防靜電手套，禁止在清理粉塵危險場所穿脫衣物、帽子，禁止穿戴化纖、絲綢衣物并避免劇烈的身體運動。清理粉塵時禁止使用任何電子設備。動火作業(yè)前應清除動火作業(yè)場所10m范圍內的可燃性粉塵并配備充足的滅火器材，對于金屬可燃性粉塵應選擇配備D型金屬滅火器。

2.5應急措施

企業(yè)應編制含有粉塵爆炸的應急救援預案。每半年至少組織一次全體職工進行滅火和應急救援預案演煉。發(fā)生火災或者粉塵爆炸事故后，粉塵涉爆企業(yè)應當立即啟動應急響應并撤離疏散全部作業(yè)人員至安全場所，不得采用可能引起揚塵的應急處置措施。

結語：正確的識別可燃性粉塵，了解其特性參數(shù)和爆炸條件，明確爆炸危險區(qū)域劃分是防爆設計的基礎，針對爆炸條件從吸氣罩，風管，除塵器和風機，維護保養(yǎng)，應急救援等方面作出相應設計和要求，實際應用證明可燃性粉塵除塵系統(tǒng)是可以長期安全、高效運行的。

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