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工業粉體爆炸防護技術與應用

                               陳林¹       陳曉紅²     張紅軍²

（¹北京澤華化學工程有限公司廣州分公司，廣州   510240 ² 北京澤華化學工程有限公司上海分公司，上海 200030） 

摘    要：介紹了工業粉體防護的爆炸防護技術，闡述了不同爆炸防護措施的應用及其所用的防爆設備，重點闡述了爆炸抑制系統的特點及在粉體防護中的應用。

關鍵詞：粉體；遏制；泄放；抑制；隔離; 爆炸抑制系統

     在工業生產中產生的許多粉末和灰塵在空氣中與氧氣混合后,在達到一定 的濃度時，如有火源存在，就會產生爆炸事故。在工業上，在處理、輸送或儲存某些原料時都是通過結構輕型的設備 ，但這些設備都不是設計成能抵抗由于粉塵在極短時間內爆炸所產生的高壓，所以必須 采取安全的防護措施來保護這些設備，以處理這些易燃的固體顆粒。

     常見的危險性原料，如塑料、墨粉、染料和調色劑、殺蟲劑、含碳粉、藥劑、谷物、食糖、可可粉、面粉、奶粉、淀粉和木屑等，通過它們的“最大爆炸壓力指數P_max值”和“爆燃指數K_st值”來評估后,發現都存在著重大的爆炸風險。這兩個指數是粉塵燃燒能量的一個評估指標，用來給所有的粉塵爆炸保護及預防應用方面確定合適的防護措施。

     在處理易燃易爆粉塵時存在風險的典型的設備有：反應器、磨粉機、烘箱、混合器、篩選機、研磨機、攪拌器、粉碎機、干燥機、過濾器、粉塵收集器、和旋風分離器。原料的處理設備如旋風分離器和斗式提升機都必須和儲存設備如低壓儲槽、儲存箱、料倉一起納入保護和預防的方案中。實驗室和實驗性工廠設備，比如罩體、手套盒、試驗密室在處理易燃粉塵時也都存在風險。

現在以美國BS&B安全系統有限公司的粉塵防爆和抑爆產品作為例子，來簡單闡述工業粉體爆炸保護和預防的技術以及應用。

     常用的防護措施或方案主要有四種：遏制、泄放、抑制、隔離。其中泄放分為正常情況下的壓力泄放和無火焰泄放；隔離分為機械隔離和化學隔離。主要防護設備包括：防爆板（Explosion Panel）、防爆門(Explosion Vent)、無焰泄放系統(Flameless Venting)、隔離閥(Explosion Isolation Valve)以及抑爆系統(Explosion Suppression Systems)。在實際應用中，并不是每一種防護措施單獨使用，往往采用多種防護措施進行組合運用，以達到更可靠更經濟的防護目的。

     在具體介紹粉體防護措施前，我們先來認識下粉體產生爆炸的要素和防護原理。首先，構成爆炸的三要素為：可燃物料、火源、氧化劑，缺一不可。

其次，我們要對處理的原材料進行危險性評估，以確定采取的防護措施.以下表格是對比較有代表性的原材料易爆指標評估的例子,其中“最大爆炸壓力指數P_max值”和“爆燃指數K_st值”越大，表示該原料危險性越大，越容易爆炸，越是要采取防護措施。

     對于評估過的易燃易爆物料，就應該選擇適當的防護措施，從前面我們知道有四種方案：遏制、泄放、抑制和隔離。從 下圖我們可以看出，沒有采取任何防護措施和采取了防護措施的爆炸事故所產生的爆炸壓力的大小。可以看出來，沒有采取任何防護措施任其發展的爆炸產生的爆炸壓力要遠遠大于采取防護措施的爆炸產生的爆炸壓力，危害性更大。通過比較，一個不采取任何防護措施的農業粉塵的爆炸通常會在小于1/4秒（該數值對于各種易燃粉塵而不同）的時間內達到高于8bar的爆炸壓力。 所以我們對危險性物料進行防護是必需的。

     下面我們對遏制、泄放、抑制和隔離四種防護措施和其組合措施，以及所采用的防爆設備逐一進行介紹：

      首先，對于遏制，就是在設計、制造粉體處理設備的時候采用增加設備厚度的方法以增大設備的抗壓強度，但是這種措施往往以高成本為代價，在金屬材料價格日益昂貴的今天，采用這種措施顯然是非常不經濟的。

其次，對于泄放，包括正常泄放和無焰泄放，是利用防爆板、防爆門、無焰泄放系統對所保護的設備在發生爆炸的時候采取的主動爆破，泄放爆炸壓力的辦法進行泄壓，以達到保護粉體處理設備的安全。防爆板通常用來保護戶外的粉體處理設備，如粉塵收集器、旋風收集器等，壓力泄放的時候并隨有火焰以及粉體的泄放，可能對人員和附近設備產生傷害和破壞；防爆門通常用來保護處理粉體的車間建筑，以達到整個車間避免產生粉體爆炸；對于處于室內的粉體處理設備，有時對泄放要求非常嚴格，不能產生火焰、物料泄放或者沒有預留泄放空間的情況下，通常會采用無焰泄放系統，以達到保護人員以及周圍設備的安全。

     第三，對于抑制，爆炸抑制系統是在爆燃現象發生的初期（初始爆炸）由傳感器器及時檢測到，通過發射器快速在系統設備中噴射抑爆劑，從而避免危及設備乃至裝置的二次爆炸，通常情況下爆炸抑制系統與爆炸隔離系統一起組合使用。抑制就是利用了爆炸需要的三要素以及原理。根據這個原理，爆炸需要完整的三個要素，并在適當的條件下產生爆炸。所以要抑制爆炸的發生，必須取消三要素中的一個要素。一種措施是往粉體處理設備內部注入惰性氣體如N₂、CO₂等代替空氣，從而降低氧化劑：氧氣O₂的含量，以達到抑制爆炸的目的；另一種措施是取消易燃易爆物料，但是這是不可能的，因為設備本身就是用來處理該物料的。所以以上兩種措施都是不可能或者很難做到的，所以我們一般采用最簡單的措施，就是取消其中的一個重要要素：火源，從而抑制爆炸的發生。這就要采用爆炸抑制系統，最簡單的爆炸抑制系統是由四個單元組成：監視器、傳感器、發射器和電源。

      四個單元各自的功能分別為：監視器可以提供可視或者可聽的警報，對整個系統的激活、密封故障、氣壓和電源故障進行監視，而且發射器的發射不是由監視器觸發，而是由傳感器直接觸發，從而大大縮短了抑爆系統的反應時間。傳感器由三個朝向不同方向的壓力傳感器組成，其中一個設定在低壓狀態，兩個設定在高壓狀態，必須同時有其中兩個壓力傳感器被激活時，整個系統才被觸發，從而避免誤操作的發生。發射器由抑爆劑筒、氣體罐（充滿低壓氮氣200Psi-300Psi）、電子控制器組成，而且抑爆劑（碳酸氫鈉粉末）和壓力氣體分開儲存，這樣避免使用者在檢查和維護的時候不處于受壓系統的危險之中。電源給整個系統供電，可以由交流電輸入轉換成24V直流電，也可以直接使用電池，另外還有三個繼電輸出端，一個顯示交流電的供應情況，一個顯示系統是否有故障，一個顯示系統是否在工作。這四個單元即可組成一個最簡單的抑爆系統，但是有時要保護的范圍很大，就需要增加發射筒，一個傳感器最多可以連接十個發射筒。

     粉體爆炸的形成和發展的過程是這樣的：在密閉的工業設備內部產生的許多粉末和灰塵與空氣中的氧氣混合，假如達到適當 的濃度，萬一產生了火花，就會由火花發展成小火球，如不抑制就會由小火球發展成大火球，并伴隨有高溫高壓的產生，當壓力升高到一定程度，超出了設備的抗壓強度，就會發生爆炸。在此過程中，升高的壓力會產生沖擊波，而且沖擊波的傳播速度遠大于火焰傳播的速度，利用這個原理，讓抑爆系統的傳感器及時探測到沖擊波，在火焰還沒有時間發展成爆燃的時候，發射器噴射出抑爆劑（碳酸氫鈉），將火焰噴滅，從而避免小火球演變成大火球，甚至形成爆炸，從而破壞設備，甚至危害到人身安全。

     抑爆系統通俗來說相當于一個自動滅火器，但是在這里要滅的不是熊熊烈火而是發生爆炸前期的小火球。當安裝在粉體設備上的傳感器探測到設備內部發生火花，使得燃料燃燒，形成小火球，即將要發展成大火球產生爆炸的瞬間，馬上發出一個指令給發射筒，發射筒馬上會向設備內部噴出滅火劑，把要引發爆炸的火花熄滅，從而抑制了爆炸的發生。

     第四，對于隔離，分為機械隔離和化學隔離兩種，往往和抑爆系統一起應用。

隔離就是把有爆炸危險的設備與相連的設備隔離開，從而避免爆炸的傳播，產生二次爆炸。一般在設備的物料入口安裝化學隔離，在設備的物料出口安裝機械隔離閥。化學隔離和抑爆系統中的發射筒相同，只是一般為45°安裝；機械隔離閥類似于常見的閘閥。

      在現代工業中，我們給粉體設備做防爆措施，不能只單獨考慮某一個設備，要從整體出發，要作為一個防爆系統工程來設計，所以往往需要采取多種方案組合應用。如泄放和機械隔離方案、泄放和化學隔離方案、無焰泄放和機械隔離方案、無焰泄放和化學隔離方案、抑制和機械隔離方案等等，也可能需要所有方案的集合體。

美國BS&B公司作為安全泄放技術領域的領導者，對于工業粉體爆炸防護系統承擔的義務和責任是全面的，包含：

?           爆炸預防和保護技術的設計和制造

?           支持、影響著該領域的規范和標準的發展

?           給業主、操作人員、設備制造商和工程顧問以及承包商提供工程建議和服務

?           給客戶提供全球網絡支持服務

?           以最好的工程經驗進行風險評估

     綜上所述，在工業高速發展的今天，伴隨的粉體爆炸事故日益增加，非常普遍，并且給工業帶來了巨大的損失，甚至遠遠超出了火災帶來的危害。根據國際標準如NFPA68、NAPA69、NFPA654規范的指導，為了工業的安全生產，為了人身和設備的安全，又由于爆炸的不確定性，我們務必提高安全防范意識，在設計、制造、使用帶危險性的粉體設備時，應當給工業粉體設備上保險：采取合適的防護措施進行防爆！

參考文獻：

1). NFPA 654: Standard for the Prevention of the Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing and Handling of Combustible Particulate Solids

2). NFPA 68:  Venting of Deflagrations

3). NFPA 69:  Explosion Prevention Systems

第一作者：陳林，澤華廣州分公司任職，中國區IPD產品經理，電話：020-61225153-202，郵箱：chenlin@zehua-chem.com