生物質(zhì)粉塵爆炸及安全防范措施

＊張志遠(yuǎn) 高健 王鋒 張勇 李剛*

（1.國能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司 山東 262700 2.煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司 山東 264006）

1.背景

隨著“雙碳”目標(biāo)迫在眉睫，燃煤電廠作為我國主要碳排放源，僅依靠提高效率和降低能耗已不能滿足要求，需要發(fā)展低碳發(fā)電技術(shù)。生物質(zhì)在替代煤燃燒過程中產(chǎn)生的碳排放與其生長過程中吸收的CO2可視為相互抵消，因此燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是降低碳排放的一種有效方式[1]。

在生物質(zhì)加工為生物質(zhì)粉體燃料時會產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵具有水分低（15%左右）、揮發(fā)分高（70%～80%）、密度低等特點(diǎn)，在密閉空間里易發(fā)生爆炸，導(dǎo)致生物質(zhì)粉體燃料安全儲存變得困難[2]。英國Tilbury電廠和丹麥Avedore電廠都曾發(fā)生過重大爆炸事故[3]，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

為了避免生物質(zhì)在儲存過程中發(fā)生爆炸，確保操作者及現(xiàn)場人員生命安全，有必要對生物質(zhì)粉塵爆炸機(jī)理進(jìn)行研究，并提出具體的生物質(zhì)粉塵安全儲存預(yù)防和防范措施。

2.生物質(zhì)粉塵爆炸研究

(1)生物質(zhì)粉塵爆炸研究方法

粉塵爆炸是指可燃性粉塵快速燃燒的火焰在未燃燒粉塵云中傳播、快速釋放能量、引起壓力急劇升高的過程[4]。粉塵爆炸可以隨條件而轉(zhuǎn)化，是一種復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，為了探索粉塵爆炸發(fā)生過程的內(nèi)在機(jī)理，眾多學(xué)者通過軟件模擬、實(shí)驗(yàn)研究等方法對工業(yè)生產(chǎn)中的各類伴生粉塵進(jìn)行爆炸機(jī)理研究，并獲得大量研究成果[5-6]。目前，爆炸特性研究裝置主要有哈特曼管、20L爆炸球、1m3球等。

蒯念生等人[7]使用哈特曼管與20L球形爆炸儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火能量增加，粉塵云燃燒速率增加。孫會利等人[8]在20L球內(nèi)測定了四種體系的爆炸下限數(shù)值，結(jié)果表明兩相體系爆炸下限與粉塵濃度呈負(fù)相關(guān)。

任瑞娥等人[9]利用G-G恒溫爐測試了5種可燃粉塵的最低著火溫度。

(2)生物質(zhì)粉塵爆炸機(jī)理

生物質(zhì)粉塵爆炸機(jī)理可以概括為外界供給粉塵粒子熱能，導(dǎo)致粒子表面發(fā)生熱解產(chǎn)生氣體，與空氣混合后形成爆炸性氣體，在點(diǎn)火源作用下爆炸性氣體快速燃燒，引起溫度和壓力急劇升高的化學(xué)反應(yīng)[10]。柳繼昌等人[11]提出木屑等粉塵中的還原劑H、C、N、S等元素與氧化物共存時發(fā)生分解產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w與空氣混合放出大量熱量，產(chǎn)生劇烈燃燒，最后形成爆炸。梁瑞等人[12]提出粉塵顆粒受熱分解生成揮發(fā)分，該揮發(fā)分與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，在一定空間內(nèi)粉塵氧化速率持續(xù)增長形成爆炸，當(dāng)空間內(nèi)積聚的壓力過高時，粉塵顆粒很有可能由爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。影響生物質(zhì)粉塵爆炸的主要因素為溫度、濃度和生物質(zhì)粉塵自身能量。粉塵爆炸特性參數(shù)包括最低點(diǎn)火溫度（MIT）、最小爆炸濃度（MEC）和最小點(diǎn)火能量（MIE），通常被用來表征材料粉塵的爆炸敏感性，這些參數(shù)與發(fā)生點(diǎn)火/爆炸的可能性有關(guān)。其他參數(shù)，如最大爆炸壓力（MEP）、最大壓力上升速率和最大火焰前沿速度（FFVmax），與預(yù)期的點(diǎn)火/爆炸發(fā)生時的嚴(yán)重程度有關(guān)[13-14]。

曹衛(wèi)國等人[15]得出在溫度25℃噴粉壓力為0.70MPa工況下，小麥淀粉在40mJ的點(diǎn)火能量下發(fā)生爆炸。周曦禾等人[16]發(fā)現(xiàn)木粉的粉塵云著火溫度范圍為380℃～775℃，最小點(diǎn)火能為4.2～20.0mJ。崔忠文等人[17]認(rèn)為粉塵云著火溫度隨著濃度升高呈先降后增的規(guī)律，隨著粒徑增大著火溫度升高。張旭等人[18]得出楊木與松木的熱解低溫區(qū)活化能平均值分別為89.34 kJ/mol、86.66kJ/mol。張夢寧等人[19]發(fā)現(xiàn)溫度在30℃～300℃時，細(xì)胞分解和水分揮發(fā)失重較快，二者失重分別為38.88%、15.22%。

Saeed等人[20]使用改進(jìn)的哈特曼管和1m3的爆炸容器測試了不同生物質(zhì)樣品（黃松、稻殼、甘蔗渣麥稈），并與煤炭（哥倫比亞和英國/凱利）進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，生物質(zhì)具有更高的反應(yīng)性，并呈現(xiàn)出明顯更寬的可燃性限制。Abelha等人[17]通過在改裝的哈特曼管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了生物質(zhì)類型、焦化程度、顆粒耐久性、顆粒大小、含水率等參數(shù)對爆炸敏感性和嚴(yán)重程度的影響。結(jié)果顯示，在相同的粒度、水分含量和溫度條件下，托瑞生物質(zhì)顆粒粉塵的MIE和MEC值與白色木質(zhì)顆粒粉塵的MIE和MEC值相同。但是，相比于原始生物質(zhì)粉塵爆炸，托瑞德生物質(zhì)粉塵爆炸的嚴(yán)重程度降低。

Yuen，RKK等人[21]探究了濕木材熱解過程中的理化反應(yīng)過程并建立三維數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為初始含水率越低，引燃時間越短。M.JSpearpoint等人[22]采用實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的方法研究錐形量熱儀中木材樣品的著火情況，建立了特定情況下炭化固體在恒定輻射熱通量下的瞬態(tài)熱解模型。認(rèn)為實(shí)驗(yàn)?zāi)静牡难趸⒎N類、水含量不同是導(dǎo)致不同熱輻射通量下著火機(jī)理不同的原因。

3.生物質(zhì)安全安全防范措施

(1)生物質(zhì)安全儲存面臨的問題

在生物質(zhì)在儲存過程中，將產(chǎn)生大量的粉塵，如果不釆取措施治理，很容易造成粉塵爆炸，給個人及集體的生命財產(chǎn)造成極大的損失。生物質(zhì)粉體燃料在儲存過程中面臨的主要問題是生物質(zhì)顆粒本身的自熱性和外部熱源干擾。

當(dāng)生物質(zhì)以大量體積儲存時，會產(chǎn)生放熱的物理、生物和化學(xué)過程。由于有效的隔熱（更大的堆或筒倉按比例更好的隔熱）不能驅(qū)散這種熱，則導(dǎo)致熱的發(fā)展及其在堆（或筒倉）內(nèi)的局部潛在積累。當(dāng)化學(xué)氧化開始熱失控過程時，局部溫度可上升到臨界點(diǎn)，即實(shí)際點(diǎn)火溫度，從而導(dǎo)致自燃危險[23]。即使堆內(nèi)沒有氧氣，溫度發(fā)展也足以釋放易燃和有毒氣體，如揮發(fā)性有機(jī)化合物和CO[24]。任學(xué)勇等人[25]發(fā)現(xiàn)松木熱解產(chǎn)出氣體的主要順序?yàn)镃O2、H2O、CH4、CO，并且隨著加熱速率增加，氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率增加。

外部熱源是生物質(zhì)安全儲存面臨的另一個重要因素。因?yàn)樽詿徇^程通常是緩慢的，生物質(zhì)的點(diǎn)火誘導(dǎo)時間可以在幾天、幾周甚至幾個月內(nèi)發(fā)生。外部熱源存在導(dǎo)致誘導(dǎo)時間可以減少到幾個小時左右。外部熱源可以是太陽、炎熱的表面（尤其是在發(fā)出輻射熱量時）、因機(jī)械操作（如研磨）而產(chǎn)生的摩擦熱。錢松[26]對CSB統(tǒng)計(jì)的從1980年—2005年共281個粉塵爆炸事故案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)木材粉塵的主要點(diǎn)燃源為明火占42.9%。陳剛[27]等人通過對2005年—2020年國內(nèi)67起粉塵爆炸事故案例分析發(fā)現(xiàn)木材粉塵的主要點(diǎn)火源為明火花占比42.8%。

(2)生物質(zhì)爆炸預(yù)防措施

目前，主要從管理和工藝設(shè)計(jì)兩個方面預(yù)防生物質(zhì)儲倉粉塵爆炸問題。

①科學(xué)管理

在上崗前對工人進(jìn)行粉塵爆炸的相關(guān)知識培訓(xùn)，使他們了解粉塵爆炸的本質(zhì)，掌握預(yù)防粉塵爆炸的基本知識，培訓(xùn)考試結(jié)束后方可上崗，并嚴(yán)格規(guī)定在粉塵工作區(qū)間佩戴防塵口罩等防護(hù)用品。

嚴(yán)格遵守規(guī)章制度，加強(qiáng)勞動紀(jì)律，并定時對工人進(jìn)行考核，使工人各盡其責(zé)，按時檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時對機(jī)器進(jìn)行檢修和防護(hù)。在生物質(zhì)儲倉工作區(qū)間，嚴(yán)禁一切明火進(jìn)入，并針對不同粉塵危害等級的生物質(zhì)儲倉制定針對性的應(yīng)急預(yù)案。

②科學(xué)合理的工藝設(shè)計(jì)

科學(xué)合理的工藝設(shè)計(jì)有利于避免生物質(zhì)儲倉發(fā)生爆炸?？茖W(xué)合理的工藝設(shè)計(jì)包括6個方面。A.對庫區(qū)進(jìn)行合理的規(guī)劃，設(shè)置必要的消防通道；B.選用合適的防火材料，在具有爆炸風(fēng)險的機(jī)械設(shè)備和建筑物周圍設(shè)置特制的隔離帶和安全帶；C.生物質(zhì)儲倉的配電室和變電所與工作區(qū)保持一定的安全距離；D.全面考慮避雷、防靜電、接地和消防設(shè)計(jì)；E.采取Ar、CO2、He、N2、水蒸氣等惰性氣體保護(hù)措施；F.目前，10%直徑＜75μm的有機(jī)物質(zhì)可以被小于5mJ的火花點(diǎn)燃，為了避免靜電火花等這類低能點(diǎn)火源點(diǎn)燃粉塵，因此需要采取必要的消除火花源措施。

③爆炸抑制

粉塵爆炸抑制裝置是由滅火劑釋放系統(tǒng)和爆炸監(jiān)測系統(tǒng)組成，通過迅速噴灑滅火劑在粉塵爆炸初期熄滅火焰抑制粉塵爆炸。

A.爆炸監(jiān)測系統(tǒng)

為了迅速發(fā)出信號，爆炸監(jiān)測系統(tǒng)需要反應(yīng)迅速且動作準(zhǔn)確。爆炸監(jiān)測系統(tǒng)中常用的傳感器有壓力傳感器、光學(xué)傳感器和熱電傳感器三種類型。由于生物質(zhì)儲倉中含有大量的粉塵，對感光和感煙傳感器監(jiān)測影響較大，一般采用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

B.滅火劑釋放系統(tǒng)

當(dāng)粉塵爆炸監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出信號時，滅火劑釋放系統(tǒng)接受信號后立即快速釋放滅火劑。

④科學(xué)泄爆

泄爆是一種防止設(shè)備本身和周圍環(huán)境免遭破壞的防護(hù)技術(shù)措施，通過在易爆管道和設(shè)備上安裝泄爆口，在可燃粉塵空氣混合物發(fā)生爆炸的初始和發(fā)展階段，將高壓和高溫燃燒產(chǎn)物朝安全方向放泄出去。

為了減少爆炸損失，降低粉塵爆炸危害程度和減少人員傷亡，泄爆是一種有效的措施。在粉塵發(fā)生爆炸的過程中，通過泄爆口將壓力迅速釋放，因此降低了爆炸危害程度?？茖W(xué)泄爆需要考慮很多因素，主要包括泄爆位置、泄爆面積和泄爆材料等。

4.結(jié)論

燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)符合我國“雙碳”策略，由于生物質(zhì)顆粒本身的自熱性和外部熱源干擾使生物質(zhì)在密閉空間里易發(fā)生爆炸，難以安全存儲。采取科學(xué)管理、合理的工藝設(shè)計(jì)、爆炸抑制和科學(xué)泄爆措施對生物質(zhì)粉塵爆炸進(jìn)行預(yù)防。