粉尘自动防爆系统研究

王勇

摘 要：爆炸性粉尘的种类多，有金属类也有非金属类，有无机类也有有机类；容易发生粉尘爆炸的设备多，加工和储存可燃粉料的设备都存在着粉尘爆炸的危险；容易发生粉尘爆炸的场所多，可燃粉料加工、包装和储存场所都有粉尘爆炸的危险。粉尘爆炸过程复杂，爆炸能量大，且能引起连续爆炸，中毒危险大，而爆炸前又毫无征兆，危害性极大。因此，粉尘防爆已成为工业企业防火工作中不可忽视的重要问题。通过分析粉尘爆炸危害，爆炸条件、预防对策，提出粉尘自动防爆系统的设计构想和科研课题。

关键词：粉尘爆炸 自动防爆 联动控制 研究

中图分类号：U463.82.06 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0029-02

1 研究背景

被破碎成细小颗粒的固体物质称作粉尘[1]。在日常生活特别是工业企业生产中，粉尘随处可见。粉尘爆炸是由于悬在空气中的可燃粉尘燃烧而形成的高气压所造成的。世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在1785年意大利的一个面粉厂，此后，伴随着工业化的进展，粉尘爆炸事故在世界各地不断发生，大量人员在粉尘爆炸事故中丧生，大量工厂被摧毁，巨额财产被侵吞。如：2010年2月24日16时12分，河北秦皇岛市抚宁县骊骅淀粉股份有限公司淀粉四车间发生粉尘爆炸，广房倒塌，事故共造成19人死亡，49人受伤，直接经济损失1773.5万元；1977年12月，发生在美国的一次粉尘爆炸造成65人死亡，80余人受伤。粉尘防爆逐渐被人们所重视，各国在这方面进行了大量的研究，但粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受很多物理因素的影响，至今尚无完善、有效的粉尘防爆措施。当前，正值我国大踏步走向工业化进程之时，也正逐步迈入粉尘爆炸多发期，粉尘防爆将成为我国工业化时代一个必须面对的严峻课题。

2 研究目的和意义

探索研究有效的粉尘自动防爆技术，攻克技术难题，实现粉尘防爆的自动化，提高粉尘爆炸的防控能力，最大限度地遏制粉尘爆炸事故，最大限度地降低粉尘爆炸危害，增强工业企业生产的安全性，保障人民群众生命财产安全，为经济社会的快速、健康发展保驾护航。

3 研究依据

3.1 粉尘爆炸的条件

（1）粉尘具有可燃性。具有可燃性是粉尘爆炸的首要条件。可燃性粉尘的种类很多，有金属类也有非金属类，有无机类也有有机类。

（2）要有一定的粉尘浓度。粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同，气体爆炸采用体积百分数表示，而粉尘浓度采用单位体积所含粉尘粒子的质量来表示，单位是g/m3或mg/L，如浓度太低，粉尘粒子间距过大，火焰难以传播。

（3）要有一定的氧含量。（含能粉尘除外）一定的氧含量是粉尘得以燃烧的基础。

（4）要有足够的起始能量。粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大1～2 个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在5mJ～50mJ量级范围。

（5）粉尘必须处于悬浮状态，即粉尘云状态。这样可以增加气固接触面积，加快反应速度。

（6）粉尘云要处在相对封闭的空间，压力和温度才能急剧升高，继而发生爆炸[1-4]。

3.2 粉尘爆炸的过程

（1）悬浮在空气中的可燃粉尘表面接受点火源的能量，迅速提高了表面温度。

（2）粉尘粒子表面的分子发生热分解或干馏作用，产生可燃气体从粉尘离子表面释放到气相中。

（3）释放出的可燃气体与空气（或氧气等助燃气体）混合形成爆炸性混合气体，随后被点火源点燃产生了火焰。

（4）依靠这种火焰产生的热量，又促使周围的粉尘发生分解，持续不断地在气相中释放出可燃气体，又与空气混合，使火焰不断传播，从而导致粉尘爆炸[1-4]。

3.3 粉尘爆炸的防控对策

（1）预防粉尘爆炸的对策。防止粉尘爆炸灾害的发生，原则上有避免粉尘飞扬，通风除尘，惰性气体保护，控制点火源，以及设置抑爆系统和采用防爆泄压措施等方法。

（2）抑制粉尘爆炸的对策。将粉尘爆炸抑制在初始状态的最好办法是设置抑爆系统。对于经常具有粉尘爆炸危险的小型密闭空间或设备，宜设置抑爆系统。抑爆系统主要由能检测初始爆炸发生的检测器、传感器、信号放大器和抑爆剂发射器组成。

（3）限制粉尘爆炸危害的对策。限制粉尘爆炸危害的对策主要是安装容器泄压装置、采用防爆建筑、密闭生产装置、采用生产系统自动保护设备、装设阻火阀门、采用抗压容器及抗爆设备等[3]。

4 粉尘自动防爆系统总体构想

4.1 粉尘自动防爆系统组成

粉尘自动防爆系统由粉尘浓度探测装置、温度探测装置、水喷雾系统、惰化系统、通风排尘系统、粉尘防爆控制器以及具有其它辅助功能的装置组成。

4.2 粉尘自动防爆系统工作原理

当安装在在具有粉尘爆炸危险的场所的粉尘浓度探测装置探测到粉尘的浓度处于爆炸浓度极限范围时，即将信号送到设置在控制室里的粉尘防爆控制器；或当安装在在具有粉尘爆炸危险的场所的温度探测装置探测到被保护区域的环境或设备温度达到粉尘引燃温度时，即将信号送到设置在控制室里的粉尘防爆控制器。粉尘防爆控制器接到粉尘浓度探测装置或温度探测装置传来的信号后，发出声光等报警信号，提醒工作人员，并自动或手动启动惰化系统（也称为抑爆系统）向应保护的设备或空间喷射惰化剂（也称抑爆剂），自动或手动启动机械通风排尘系统及水喷雾系统，除尘防爆，冷却降温；同时自动或手动停止正在运行的生产设备及电器设备，避免设备运转继续产生热量。从而达到控制粉尘浓度和起始能量，雾状水流扑集悬浮粉尘及灭火降温，破坏粉尘爆炸条件，实现粉尘防爆的自动控制。

5 粉尘自动防爆系统关键技术的实现

5.1 精确探测粉尘浓度

不同物质产生的粉尘有不同的爆炸浓度极限范围，精确探测粉尘浓度是实现粉尘自动防爆的前提条件。目前，国内外粉尘浓度探测技术已经趋于成熟，大量采用电荷感应技术研制的探头式粉尘浓度传感和探测产品均具有灵敏度高，线性度好的特点，不但能准确探测粉尘浓度，而且能把探测结果转换为准确电磁信号，通过电子线路传送到粉尘防爆控制器。

5.2 准确探测环境及设备温度

不同物质产生的粉尘有不同的爆炸起始能量温度，准确探测环境及设备温度，同样是实现粉尘自动防爆的前提条件。近年来，各种温度探测先进技术和产品不端涌现，温度探测精度越来越高，信号传送可靠性越来越强。准确探测环境及设备温度已经不存在技术难题。特别是火灾自动报警技术[5]的成功运用，更是为粉尘自动防爆系统的温度探测提供了较好的成功经验。可以说，准确探测环境及设备温度，甚至是火源、火点都不存在技术难题。

5.3 高效的自动惰化系统

惰化（亦称惰化剂保护）是防止飞扬粉尘达到爆炸极限范围的有效措施。惰化的作用是降低粉尘与空气混合物中氧气的浓度比例，使得粉尘与氧气之间的化学反应不能进行，从而消除爆炸危险[3]。高效的自动惰化系统是实现粉尘自动防爆的关键因素。常用的惰化剂（也称抑爆剂）主要有惰性气体类（如氮气、二氧化碳、烟道气等）；卤代烷类（如1211、1301、1202等）；灭火粉剂类（如磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸氢钠、磷酸氢钾等）。惰化系统的设计技术可以借鉴气体灭火系统的成功经验来实现。但要根据不同的粉尘种类选择相应的惰化剂，如活泼金属粉尘易与二氧化碳（CO2）、氮气（N2）等灭火剂发生化学反应，因此，应用卤代烷类及灭火粉剂类惰化剂。

5.4 高效的自动雾状水扑集系统

雾状水扑集系统适用于产生的粉尘不与水发生反应的场所，其作用是当粉尘飞扬或爆炸发生后，自动喷射雾状水流扑集粉尘和灭火[6]；或是环境及设备温度达到或接近粉尘爆炸的起始能量温度时，自动喷射雾状水流降温。高效的自动雾状水扑集系统也是粉尘自动防爆的关键因素，自动雾状水扑集系统可采用已经广泛应用的水喷雾灭火系统设计技术。

5.5 高效的通风排尘系统

高效的通风排尘系统是降低空间粉尘浓度的基本措施。通风排尘的方法有自然通风和机械通风[7]。通风排尘技术可借鉴建筑消防中的通风系统设计，但通风排尘系统中所采用的风机等设备必须采用不产生火花的防爆型设备或密闭型设备。同时，为了防止火焰在系统内传播或发生爆炸，造成危害，通风排尘系统所使用的管道必须进行静电接地和安装隔火闸门，通风排尘系统必须采用防爆阀门或阻火闸门。

5.6 可靠的智能粉尘防爆控制器

智能粉尘防爆控制器是用以接收、显示和传递粉尘浓度、温度等信号，并能发出联动控制信号和具有其它辅助功能的控制指示设备，是粉尘自动防爆系统的核心组件，是整个系统的大脑和心脏。粉尘防爆控制器在粉尘自动防爆系统中的作用，相当于火灾报警控制器[8]在整个消防系统中的作用，担负着为粉尘浓度探测装置、温度探测装置提供稳定的工作电源；监视探测器及系统自身的工作状态；接受、转换、处理粉尘浓度探测装置及温度探测装置传来的报警信号；进行声光报警；指示报警的具体部位及时间；同时执行启动惰化系统、雾状水扑集系统、停止正在运行的设备、切断电源等联动控制任务。因此，研发可靠的粉尘防爆控制器是实现粉尘自动防爆的核心条件。

6 结语

随着现代工业企业的高速发展，粉尘爆炸场所与日俱增，粉尘爆炸事故越来越多，破坏性越来越强，粉尘爆炸威胁日益扩大。研发粉尘自动防爆系统，实现工业企业生产的本质安全是经济社会发展的现实需要，刻不容缓。

参考文献

[1] 郭洪起.粉尘防爆技术[J].电气开关，1996（2）：43-48.

[2] 王震.浅析粉尘爆炸事故的预防和处置[J].黑龙江科技信息，2013（6）：65.

[3] 工业企业防火工程[J].沈阳航空工业学院专用教材，2002：188-194.

[4] 张应力，张莉.工业企业防火防爆[M].中国电力出版社，2003.

[5] 建设部，国家质监局.火灾自动报警系统设计规范[S].中国计划出版社，GB50116-2008.

[6] 景绒.建筑消防给水工程[M].中国人民公安大学出版社，1996：252-256.

[7] 蔡芸.通风与防排烟[M].警官教育出版社，1997：34-48.

[8] 杨在塘.电气防火工程[D].沈阳航空航天大学，2002：294-310.

[9] 国家质监局.国家标管委.粉尘防爆安全规程[S].中国标准出版社，GB15577-2007.