港口散粮输送系统粉尘防爆工艺设计探讨

2021-12-23高志航张永建季苏丹胡晨杨

粮食与食品工业 2021年6期

高志航，张永建，李成，季苏丹，张淑，冯捷，胡晨杨

1.无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)2.郑州瑞谷粮食工程有限公司 (郑州 450001)

近年来国家对环保提出了新的要求，习总书记提出：“大气污染防治是一个最突出的问题，要坚持标本兼治和专项治理并重、常态治理和应急减排协调、本地治污和区域协调相互促进，多策并举，多地联动”。粮食行业港口、码头的粉尘污染是环保部门重点监控对象，粉尘的产生，尘肺职业病的高发，以及粉尘爆炸的危险，时刻危害着人民生命财产的安全并给国家及企事业单位带来不可估量的经济损失。因此在做粮食港口、码头工艺流程设计时需严格依据相关国家规范及行业导则进行设计，从源头处理好粉尘污染问题。

1 粮食粉尘特性及爆炸原理

粮食属于有机物质，并且大部分原粮如小麦、稻谷等粮粒表面长有麦毛、稻芒等，粮食在收货、干燥、运输等环节中都会有各种各样的无机杂质混入，如泥沙、灰土、石子、铁屑等。在水平及垂直的输送过程中，料流的落差、抛洒以及输送设备工作面对粮食的冲击、摩擦、挤压等，都会使原粮中麦毛、稻芒、轻糠、灰土等有机和无机微细颗粒离开物料流飞扬到空气中，从而形成一定浓度的粉尘。

港口散粮输送系统中产生的粉尘，可随人的呼吸进入人体肺部对人体健康有害。长期暴露在粉尘环境中作业的工人，大大增加了尘肺病的患得机率。裹杂着有机物的粉尘，最大的潜在危害是其具有燃烧爆炸特性。

粉尘爆炸的四要素：存在可燃性的粉尘，具有足够助燃物质——氧气，具有足够能量点火源，有密闭空间[1]。当密闭空间内的粉尘悬浮在空气中形成一定浓度的粉尘云，遇到足够的热量或温度的点火源，且空气中氧气含量也达到一定浓度时，粉尘极有可能发生燃烧释放大量热并引起气体压力的激增和无法控制的膨胀效应，并在密闭的空间里产生爆炸。强大的冲击波冲出密闭空间将环境内积聚在各表面的降尘扬起，在新的空间再次达到粉尘爆炸浓度范围，造成破坏力更强的二次爆炸甚至有可能发生连续性爆炸。因此在港口散粮输送系统工艺设计中必须严格遵守国家规范及行业导则，采取减少粉尘云、点火源的产生等必要的防止粉尘爆炸的措施，同时对存在粉尘爆炸危险的工艺设备应采用泄爆、抑爆和隔爆、抗爆中的一种或多种控爆方式。

2 粮食粉尘爆炸危险区域的划分

根据GB 15577和GB 17440粮食粉尘爆炸危险区域划分为20区、21区和22区。

(1)20区

粮食粉尘持续或频繁地或长期出现，其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物或形成无法控制的极厚的粉尘层的区域，包括立筒仓内、灰间、封闭式设备内部(斗式提升机、带式输送机、埋刮板输送机、清理筛、除尘器、溜管、风管)等。

(2)21区

在正常操作条件下，可能出现数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物的区域，包括工作塔及筒上层和筒下层、敞开式输送廊道(距粉尘释放源1 m内)、地下输粮廊道、地上封闭式输粮廊道、散装粮储存用房式仓、散粮发放塔、卸粮地沟等。

(3)22区

在正常运行时，粮食粉尘偶尔或设备故障时出现并且只是短时间存在的区域，例如：工作塔及筒上层和筒下层的溜管层、敞开式输送廊道(距粉尘释放源1 m外)的范围。

粉尘防爆危险区域的划分并非一成不变，当清扫良好没有积尘及通风状态良好时，散粮输送系统的工作塔及筒仓上层、筒仓下层可视为非危险区域。同一场所不同作业时段，也可划分为不同的危险场所，筒仓进仓时仓内粉尘较大，划分为20区，当出仓时粉尘相对较小，划分为21区。但在工艺设计中对该区域内防爆设施的配备应以最不利条件设置。

3 工艺设计中的粉尘防爆措施

港口散粮输送系统包括筒仓、工作塔、输送廊道等建构筑物以及散粮卸船、输送设备、清理、计量、除尘系统、真空清扫等工艺设备。在工艺设计上应从总图布局、工艺流程、设备选型及布置、通风除尘、控爆方式、电气控制等方面充分考虑，严格遵守国家规范及行业导则，遵循整体设防的原则，以消除或降低粉尘爆炸的隐患。

3.1 散粮卸船设备

目前港口散粮卸船的设备普遍采用门机抓斗卸船和连续式卸船机。门机抓斗可装卸多种物料，通用性强，卸船时散粮经抓斗卸至接料斗，再通过接料斗下方的输送设备至筒仓，由于门机抓斗本身不具备除尘功能，宜采用配置了独立除尘系统的抑尘式接料斗控制粉尘，使抓斗卸船作业达到港口环保标准。

连续式卸船机专用性较强，较多用于散粮专用港口。卸船时散粮经密闭的管道或设备直接送至输送设备至筒仓，设备密封性好，并配置独立的通风除尘装置，卸船作业时无粉尘溢出，作业环境安全、环保。

工艺设计时综合分析港口功能，选用既满足散粮卸船又抑制粉尘扩散的卸船设备。

3.2 输送设备

3.2.1带式输送机

带式输送机是一种生产技术成熟、使用极为广泛的连续式输送设备，可用于水平输送或倾斜输送，具有运行稳定、效率高、节能降耗、密封性好、防破碎等特点，并能适应港口码头湿度大的环境。带式输送机产尘浓度高的地方在机头卸料口和机尾进料口。

散粮与输送带一起匀速运动，到达机头卸料口时，由于粮流有一定水平初速度，在下落过程中受重力作用，粮流做类平抛运动，此时散粮受到重力和空气阻力的双重作用；落下的散粮直接撞击于溜槽壁，随着粮流的内部的挤压作用及速度方向的改变，再加上粮流携带的诱导风的作用，夹带于粮流中的粉尘被扬起。另外，输送带在卸料后会粘附部分细小粉尘，粘附粉尘的输送带与机头清扫器相对运动，使粘附在输送带上的细小粉尘扬起。含尘气流与散粮运动造成周围空气扰动的相互作用，使溜槽内压力增加趋于正压，导致悬浮在空气中的粉尘向下道设备和卸料口的空隙处运动，易溢出机体外。

当散粮以一定速度落入机尾进料口导料槽时，同时携带诱导风，粮流直接冲击导料槽使其内部携带的粉尘被扬起，粉尘与诱导风混合后的含尘空气充斥整个导料槽腔体。当散粮中杂质越多或越干燥，形成的含尘空气浓度越高，污染性和危险性就越高。

在机头卸料口及机尾进料口设置合理的吸风口和吸风量，保持机体内负压状态，可有效控制机体内的粉尘浓度，降低粉尘污染性和危险性。长距离输送的带式输送机一般采用重锤式重力张紧，此装置应采用封闭式并采取合适的除尘方式，避免回程皮带灰尘的飞扬。

考虑原粮特性、破碎要求、输送能力、能耗、投资及运维经济性、粉尘防爆、环保等因素，港口散粮输送系统的工艺设计建议选用气垫带式输送机。

气垫带式输送机用气垫取代了托辊支撑装置，减少了运转部件，既减少了摩擦损耗又降低了运转部件故障与皮带摩擦产生高温导致粉尘燃烧爆炸的风险。气垫带式输送机应按GB/T 13561.3配置防胶带跑偏装置、机头机尾轴温检测装置、张紧限位装置、液力耦合器油温报警装置、失速检测装置、防堵开关、止逆装置等安全防护装置，某些项目(如安全性要求高、投资及运维费用充足等)可以考虑配置皮带测温装置，以便作业人员提前发现设备运行故障，及时排查处理防患于未然。

3.2.2斗式提升机

斗式提升机是散粮从低处往高处输送的首选设备，以其占地面积小、输送倾角大、作业效率高、运维成本低、运行稳定等特点，广泛应用于港口码头、粮油及饲料加工等行业。

斗式提升机在运行过程中由于物料与物料、畚斗、筒体、机头抛料罩等存在相互冲击摩擦，加上皮带运转带动的空气流动，悬浮的粉尘颗粒存在于机筒内各个位置并不断积累形成粉尘云，当粉尘达到一定的浓度时，任何(火星、静电、高温等)有足够能量的点火源都可能会引起粉尘爆炸。纵观国内外港口散粮输送系统中的多起爆炸事故多是由斗式提升机发生粉尘爆炸引起。在港口散粮输送系统工艺设计中应尽量避免不必要的反复提升，如有可能应采用长距离倾斜带式输送机完成提升输送作业，取消垂直斗式提升机，以减少产尘点、粮食破碎和可能的点火源。

经一些资料和多次的现场测试表明，在整个系统的工艺设计布局、工艺流程、进料与出料端吸风除尘设计、安全防护装置设计、泄爆口设计等，可有效降低粉尘浓度及粉尘爆炸风险。

(1)按GB 17440易发生粉尘爆炸的设备宜布置在室外，在室内布置时，宜布置在建筑物内较高的位置，并靠近外墙。需根据整个项目功能需求、环境因素、建构筑物形式、工艺流程等综合考虑合理布置。

(2)按GB/T 13561.3进入斗式提升机的物料应预先清除金属等异物。在物料进入斗式提升机前设置磁选器去除磁性金属杂质，避免在运行过程中金属杂质与设备的某些部位发生摩擦或撞击产生火花，降低粉尘爆炸的风险。在进料口及出料口设置闸门，闸门的开闭与设备控制系统连锁，防止前道或后道设备检修时的工具、焊渣、火星等落入筒体造成粉尘爆炸隐患。

(3)对斗式提升机进行吸风主要目的是让斗式提升机内保持负压状态使粉尘不外溢，同时吸走产尘点产生的粉尘。

斗式提升机产尘浓度最高的地方在机座处，其次在机头处。在畚斗下行过程中，必然有一定量的空气随之以同样的速度下行，其空气主要来自于机筒的缝隙处。由于底座处被物料充满，当空气运行到斗式提升机的底座处时，就无法顺利通过，这就造成了此处处于正压状态，粉尘浓度很容易升高。

在机座的下行筒体和机头出料口分别设置吸风口和合适的吸风量，可有效控制斗式提升机内的粉尘浓度，同时使斗式提升机的机内保持负压状态，含尘空气无法向外扩散，有效地保护了外界的环境不受污染，既减少粉尘爆炸的发生，又保持了清洁的工作环境。

(4)带式斗式提升机应按GB/T 13561.3配置防胶带跑偏装置、机头机座轴温检测装置、张紧限位装置、液力耦合器油温报警装置、失速检测装置、防堵开关、止逆装置等安全防护装置，以便作业人员提前发现设备运行故障，及时排查处理防患于未然。

(5)泄爆口是应用于斗式提升机发生粉尘爆炸时一种控爆方式。泄爆面积及泄爆压力满足GB/T 15605等标准的相关规定，泄爆口的法兰和泄爆膜(盖)应符合相应的标准。泄爆口的设置及安装等满足GB 15577等标准的相关规定。

3.2.3埋刮板输送机

埋刮板输送机具有密封性好、布置灵活、多点加料、多点卸料等优点广泛应用于港口码头、粮油及饲料加工等行业。但是也存在能耗大、破碎物料、机头机尾积料、回料等不足之处，工艺设计时根据实际情况选用。

埋刮板输送机产尘点及处理方式类似于带式输送机。应按GB/T 13561.3配置机头机尾轴温检测装置、液力耦合器油温报警装置、失速检测装置、防堵开关、断链保护装置等安全防护装置，以便作业人员提前发现设备运行故障，及时排查处理防患于未然。

3.3 清理和计量设备

粮食以抛料的形式进入清理设备、计量设备内部，伴随设备的旋转、振动等形成粉尘云，应根据不同型号规格的设备配置不同的捕尘口和适宜的吸风量，在保证设备运转达到工艺效果的同时，更好的捕捉飞扬的粉尘，控制机体内的粉尘浓度，使得设备机体内保持负压状态防止粉尘外溢。

3.4 通风除尘系统工艺设计

空气的流动形成风，通风是有目的的组织空气流动以完成某种功能的技术方法。通风除尘是利用通风的方法排除生产中产生的含尘空气，并同时对含尘空气进行净化和粉尘收集，处理后的尾气达到含尘空气排放标准的一种技术方法。通风除尘技术是保证港口散粮输送系统有一个良好的生产操作环境和环境保护的方法，更是可燃性粉尘防爆技术措施中最有效、最经济的方法。

通风除尘系统是由吸尘罩、通风管道、风机和除尘器等四部分连接组成。吸尘罩应根据含尘气流的流动规律设计合理的结构形状，确保高效地捕捉粉尘，控制粉尘及含尘气流的飞扬。通风管道一般遵循合理、经济、美观的原则，满足功能的前提下，管道的布置力求整齐、美观。风机是整个系统中有效地组织空气流动的动力源。在粮食行业通风除尘系统中常用中低压离心式通风机。通风除尘系统中的除尘器是将粉尘从气流中分离出来的设备，是保证空气排放达到环保要求的关键设备。粮食行业考虑粉尘特性、除尘效率、作业环境、经济性等一般选取机械式除尘器、过滤式除尘器、机械式和过滤式组合的方式。

生产工艺确定后，收集并分析尘源产生的原因、粉尘特性、尘源分布和数量、尘源吸风量和阻力、设备布置、建构筑物等基础资料。依据GB 13561.1、GB 17440、GB 15577、GB 16297、GB 17918等相关国家或粮食行业其他标准规范进行设计，选取适合的吸尘罩、风网组合、除尘器类型及级数、风机等，确定风网管道走向、除尘器、风机的布置，选取并配置压差表、温度传感器、隔爆阀、泄爆口、无焰泄爆器、泄压导管等合理的安全防护装置，编辑风网布置图、轴测图及标注主要工艺参数。

3.5 其他设备

对港口散粮输送系统中工艺设计时选取的其他设备如螺旋输送机、抑尘料斗、伸缩软管、真空清扫系统、通风熏蒸系统等，应严格按照GB 17440、GB 15577、GB 13561.1等相关国家或粮食行业其他标准规范进行设计。

4 其他措施

港口散粮输送系统中的筒仓、工作塔、输送廊道等建构筑物以及压缩空气站、控制室、变配电室等的设计应符合GB 50016、GB 17440、GB 15577、GB 17918等有关要求和规定。

港口散粮输送系统中电气设施应符合GB 12476.1、GB 3836.1的规定，选用适合不同粮食粉尘爆炸危险区域的粉尘防爆型电气设备按GB 12158对工艺设备及电机接地，对工艺管道施工增加静电跨接。对每个输送线路内各个设备设置电气连锁、检修连锁、紧急停机等。在每个出入口、人员作业通道口等设置防爆型人体静电释放器，要求进出粉尘爆炸危险区域的人员必须消除自身静电。

企业应建立完善的安全生产制度，包括3E安全管理体系、8S管理制度、定期运维制度、定期监测制度、动火作业管理制度、压缩空气使用规范、真空清扫使用规范、防范粉尘爆炸安全作业制度、粉尘爆炸事故应急预案等规范制度。