粉尘爆炸及安全防范措施

王若青

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

粉尘爆炸及安全防范措施

王若青

(中国石化工程建设有限公司，北京100101)

介绍了粉尘爆炸的条件、特性及其危害性,给出了针对其爆炸特点而采取的工程防范措施，用以推广煤化工行业粉尘处理系统的本质安全设计。

粉尘爆炸 安全 本质安全设计

粉尘爆炸涉及的范围很广，在煤炭、化工、医药加工、木材加工、粮食和饲料加工等工业领域内时有发生。在煤化工行业，无论是上游固体煤处理，还是下游的聚合物粉尘处理，都存在着粉尘爆炸的风险。粉尘环境下本质安全设计是安全生产的重要保障。

1 粉尘爆炸特性

粒径小于76 μm的固体悬浮物称为粉尘。

固体物质被粉碎后，其燃烧特性有很大的变化。原来不燃的物质可能变成可燃物质，原来难燃的物质可能变成易燃物质，在一定条件下就有可能发生爆炸。粉尘爆炸前无任何征兆，其后果却能使设备或建筑物毁于一旦。

1.1 进煤系统粉尘爆炸必须具备的条件[1]

a)粉尘本身必须是可燃性的。

b)粉尘必须悬浮在空气中，与空气形成混合物并达到爆炸极限范围。

粉尘爆炸下限一般为20～60 g/m3，爆炸上限为2～6 kg/m3。

c)有足够的点火能量。

加热、熔融蒸发或热解出可燃气体需较多的热量，粉尘爆炸的最小点燃能量一般为10 mJ至数百毫焦，相当于气体点燃能量的百倍左右。

1.2 粉尘爆炸的特点

a)多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点。

b)粉尘爆炸所需的最小点火能量较高，一般在几十毫焦耳以上。

c)与可燃性气体爆炸相比，粉尘爆炸压力上升较缓慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，破坏力强。

1.3 粉尘爆炸的危害

可燃粉尘与空气混合被点燃后的燃烧波传播速度常压下为1 m/s或更低。但在封闭的容器内，由于燃烧放出大量的气体使容器内气压剧增，燃烧波的传播速度加快，一般都在300 m/s以上，甚至可以达到1 000 m/s。这种速度会形成强大的冲击波，对周围事物造成极大的破坏；同时产生的冲击波沿通风管道或输送设备传播到其它部位，造成连环爆炸，产生非常严重的危害。

第一次爆炸气浪把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后的短时间内爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，与扬起的粉尘混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓度一般比一次爆炸时高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。

粉尘爆炸能呈现出跳跃式和爆炸连续性的特点，具有很大的破坏性。粉尘爆炸形成后，随着爆炸的连续，反应速度和爆炸压力也就持续加快和升高，并呈现跳跃式发展，产生爆震。特别是当在爆炸传播途中遇有障碍物或巷道拐弯处，压力会急剧升高。所以在一些粉尘爆炸事故中，不仅表现出了爆炸连续性的特点，而且表现出了离爆炸点越远，破坏性越严重的特点。二次爆炸比第一次爆炸坏性更为严重。

粉尘爆炸后能产生有毒气体，与气体爆炸相比，粉尘爆炸容易引起不完全燃烧，有些沉积粉尘还有引燃现象。因而在爆炸产物中含有大量的CO气体及自身分解产生的毒性气体HCl、HCN等容易使人员中毒。

2 粉体储存设备的防爆设施设计

粉体储存设备粉尘爆炸的可能性较高，爆炸威力较大，因此粉体储存设备的防爆设施设置尤为重要。下面介绍几种适于工程应用的粉尘防爆新技术[2]。

2.1 容器强化设计

容器设计不仅要考虑防止设备永久性形变，也要允许设备在爆炸时产生一定形变，容器设计尽量避免平坦的设备表面，设备焊接和设备加强也要特别注意。设备的自身强化会减少事故发生的破坏率，提供防爆被动保护设计。

2.2 惰性气体保护设计

在含氧的粉尘环境下，提供惰性气体保护，降低密闭空间的氧含量，达到抑爆的目的，充氮保护是粉尘环境安全的一种有效方式。

2.3 泄爆设施

粉尘爆炸产生的压力会对设备造成巨大损坏，设备碎片飞出还会造成二次伤害。安装泄爆设施可降低粉尘爆炸造成的损害，当工艺设备的强度不足以承受粉尘爆炸超压时，可通过泄爆口排放超压气体。

粉尘爆炸最大压力、泄爆状态下的粉尘爆炸最大压力、泄爆板开启压力等与容器强度之间的关系，可通过密闭容器内粉尘爆炸泄放曲线表示出来(图1)。

泄爆口的尺寸计算如下[3]：

C=(-4.305·lgPred-3.547)

图1 密闭容器内粉尘爆炸泄放曲线

式中：KSt——粉尘爆炸指数，MPa·m/s(试验测量)；

L——容器的长度，m；

Pmax——密闭容器内粉尘爆炸的最大压力，MPa(试验测量)；

Pstat——泄压装置打开的最大静压力，MPa；

Pred,max——小于等于容器的设计压力，MPa；

A——泄爆口面积，m2。

设备泄瀑设计详见GB/T15605-2008《粉尘爆炸泄压指南》，相应国际标准参考VDI 3637《Pressure venting of dust explosion》、NFPA 68《Stand on Explosion Protection by Deflagration Venting》。

2.4 抑爆设施

粉尘爆炸的特点是，当粉尘爆炸的点火能累积到一定程度，才能产生破坏性的超压，抑爆设施是通过超压检测或火焰探测对闪爆现象进行监控，监控信号启动高速灭火系统，在破坏性超压产生之前，启动灭火装置终止闪爆反应的设施。

抑爆设施的工作原理如图2所示。抑爆装置技术要求可参见GB/T18154-2000《监控式抑爆装置技术要求》。

图2 抑爆设施工作原理示意

2.5 设备的隔离和阻爆设计

生产和处理能导致爆炸的粉料时，若无抑爆装置，也无泄压措施，则所有的工艺设备应足以承受内部爆炸产生的超压，各工艺设备之间的连接部分(如管道、法兰等)，也应与设备本身有相同的强度；高强度设备与低强度设备之间的连接部分，则应安装快速闸阀对不同设计压力的系统进行隔离。

3 粉尘爆炸的基本控制措施

保证粉尘环境下安全生产是一项系统工程，由于粉尘爆炸事故扑救极为困难，因此，建设项目本质安全设计是预防粉尘爆炸的关键，防范粉尘爆炸应采取多方面的工程设施。

3.1 控制点火能的工程措施

a)按粉尘爆炸危险场所电力设计应按GB50058-92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的有关规定执行，粉尘爆炸危险场所用电气设备应符合GB 12476.1～10《可燃性粉尘环境用电气设备》的相关规定执行。

b)粉体设备排放粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等管外空间应处于防雷接闪器的保护范围，防雷设计应按照GB50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》、GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》中有关规定执行。

c)在设备布置上应充分考虑粉体设备与高温明火设备隔离，对于可燃粉尘环境应禁止明火。

d)直接用于盛装起电粉体的设备、输送粉体的管道(带)等，应采用金属或防静电材料制成；所有金属管道连接处(如法兰)，应进行跨接；不应采用直接接地的金属导体或筛网与高速流动的粉末接触的方法消除静电。

粉体设备防静电设计应按照GB 50813-2012《石油化工分体料仓防静电燃爆设计规范》执行。

e)存在可燃粉尘的场所，其输送、转动设备应安装轴承温度联锁装置。在故障情况下，高温联锁信号应能及时切断电机电源。

3.2 控制粉尘扩散的工程措施

粉体卸料系统应首选密闭卸料设计，并增设防止粉料聚集的措施。根据设备布置情况设置相对独立的除尘系统，产尘点应安装吸尘罩，风管中不应有粉尘沉降，安装除尘器并正确使用维护。

3.3 二次爆炸的预防

工艺设备的接头、检查门、挡板、泄爆口盖等均应封闭严密，不能完全防止粉尘泄漏的特殊地点(如粉料进出工艺设备处)，应采取有效的除尘措施；手工装粉料场所，应采取有效的防尘措施；粉体打包的场所，应定期清扫粉尘。所有可能积累粉尘的生产车间和贮存室，都应及时清扫；不应使用压缩空气进行吹扫。

3.4 灭火措施

应根据粉尘的物理化学性质，正确选用灭火剂；灭火时，应防止粉尘扬起形成粉尘云。

3.5 个体防护和救援

应按GB 11651-2008《劳动防护用品选用规则》的有关规定，使用劳动保护用品；在工艺流程中使用惰性气体或可能释放出有毒气体的场所，应配备可保证作业人员安全的呼吸保护装置；在作业场所内，生产人员不应贴身穿着化纤制品衣裤。

3.6 应急预案

企业应编制含有粉尘爆炸的应急救援预案并报相关部门备案；应组织全体职工进行预案演练。

4 结语

粉尘爆炸的危害严重，但是从提高技术要求和加强安全管理两方面入手，可将粉尘爆炸的风险降低到可接受范围，能够实现装置的安全生产。

[1] 蔡凤英，谈宗山，孟赫，等. 化工安全工程[M]. 北京：科学出版社，2001.

[2] NFPA 654 Standard for Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids[S].

DustExplosionandSafetyPrecautions

Wang Ruoqing

(SINOPEC Engineering Construction Co. Ltd., Beijing, 100101)

Given the particular engineering precautions against explosion characteristics taken for the promotion of intrinsically safe design of coal chemical industry dust handling system, dust explosion conditions, characteristics and damages are introduced in this paper.

dust explosion; safety; intrinsic safety design

2015-12-16

王若青，高级工程师，中国石化工程建设有限公司化工工艺室从事安全设计工作。