生物质粉尘爆炸及安全防范措施

2023-02-22张志远高健王锋张勇李刚

当代化工研究 2023年1期

＊张志远高健王锋张勇李刚*

（1.国能寿光发电有限责任公司山东 262700 2.烟台龙源电力技术股份有限公司山东 264006）

1.背景

随着“双碳”目标迫在眉睫，燃煤电厂作为我国主要碳排放源，仅依靠提高效率和降低能耗已不能满足要求，需要发展低碳发电技术。生物质在替代煤燃烧过程中产生的碳排放与其生长过程中吸收的CO2可视为相互抵消，因此燃煤电厂耦合生物质发电是降低碳排放的一种有效方式[1]。

在生物质加工为生物质粉体燃料时会产生大量粉尘，这些粉尘具有水分低（15%左右）、挥发分高（70%～80%）、密度低等特点，在密闭空间里易发生爆炸，导致生物质粉体燃料安全储存变得困难[2]。英国Tilbury电厂和丹麦Avedore电厂都曾发生过重大爆炸事故[3]，经济损失严重。

为了避免生物质在储存过程中发生爆炸，确保操作者及现场人员生命安全，有必要对生物质粉尘爆炸机理进行研究，并提出具体的生物质粉尘安全储存预防和防范措施。

2.生物质粉尘爆炸研究

(1)生物质粉尘爆炸研究方法

粉尘爆炸是指可燃性粉尘快速燃烧的火焰在未燃烧粉尘云中传播、快速释放能量、引起压力急剧升高的过程[4]。粉尘爆炸可以随条件而转化，是一种复杂的物理化学现象，为了探索粉尘爆炸发生过程的内在机理，众多学者通过软件模拟、实验研究等方法对工业生产中的各类伴生粉尘进行爆炸机理研究，并获得大量研究成果[5-6]。目前，爆炸特性研究装置主要有哈特曼管、20L爆炸球、1m3球等。

蒯念生等人[7]使用哈特曼管与20L球形爆炸仪器进行实验，发现随着点火能量增加，粉尘云燃烧速率增加。孙会利等人[8]在20L球内测定了四种体系的爆炸下限数值，结果表明两相体系爆炸下限与粉尘浓度呈负相关。

任瑞娥等人[9]利用G-G恒温炉测试了5种可燃粉尘的最低着火温度。

(2)生物质粉尘爆炸机理

生物质粉尘爆炸机理可以概括为外界供给粉尘粒子热能，导致粒子表面发生热解产生气体，与空气混合后形成爆炸性气体，在点火源作用下爆炸性气体快速燃烧，引起温度和压力急剧升高的化学反应[10]。柳继昌等人[11]提出木屑等粉尘中的还原剂H、C、N、S等元素与氧化物共存时发生分解产生大量可燃气体，可燃气体与空气混合放出大量热量，产生剧烈燃烧，最后形成爆炸。梁瑞等人[12]提出粉尘颗粒受热分解生成挥发分，该挥发分与空气中的氧气发生氧化反应，在一定空间内粉尘氧化速率持续增长形成爆炸，当空间内积聚的压力过高时，粉尘颗粒很有可能由爆炸转变为爆轰。影响生物质粉尘爆炸的主要因素为温度、浓度和生物质粉尘自身能量。粉尘爆炸特性参数包括最低点火温度（MIT）、最小爆炸浓度（MEC）和最小点火能量（MIE），通常被用来表征材料粉尘的爆炸敏感性，这些参数与发生点火/爆炸的可能性有关。其他参数，如最大爆炸压力（MEP）、最大压力上升速率和最大火焰前沿速度（FFVmax），与预期的点火/爆炸发生时的严重程度有关[13-14]。

曹卫国等人[15]得出在温度25℃喷粉压力为0.70MPa工况下，小麦淀粉在40mJ的点火能量下发生爆炸。周曦禾等人[16]发现木粉的粉尘云着火温度范围为380℃～775℃，最小点火能为4.2～20.0mJ。崔忠文等人[17]认为粉尘云着火温度随着浓度升高呈先降后增的规律，随着粒径增大着火温度升高。张旭等人[18]得出杨木与松木的热解低温区活化能平均值分别为89.34 kJ/mol、86.66kJ/mol。张梦宁等人[19]发现温度在30℃～300℃时，细胞分解和水分挥发失重较快，二者失重分别为38.88%、15.22%。

Saeed等人[20]使用改进的哈特曼管和1m3的爆炸容器测试了不同生物质样品（黄松、稻壳、甘蔗渣麦秆），并与煤炭（哥伦比亚和英国/凯利）进行了比较。结果显示，生物质具有更高的反应性，并呈现出明显更宽的可燃性限制。Abelha等人[17]通过在改装的哈特曼管中进行实验，研究了生物质类型、焦化程度、颗粒耐久性、颗粒大小、含水率等参数对爆炸敏感性和严重程度的影响。结果显示，在相同的粒度、水分含量和温度条件下，托瑞生物质颗粒粉尘的MIE和MEC值与白色木质颗粒粉尘的MIE和MEC值相同。但是，相比于原始生物质粉尘爆炸，托瑞德生物质粉尘爆炸的严重程度降低。

Yuen，RKK等人[21]探究了湿木材热解过程中的理化反应过程并建立三维数学模型，认为初始含水率越低，引燃时间越短。M.JSpearpoint等人[22]采用实验和理论结合的方法研究锥形量热仪中木材样品的着火情况，建立了特定情况下炭化固体在恒定辐射热通量下的瞬态热解模型。认为实验木材的氧化、种类、水含量不同是导致不同热辐射通量下着火机理不同的原因。

3.生物质安全安全防范措施

(1)生物质安全储存面临的问题

在生物质在储存过程中，将产生大量的粉尘，如果不釆取措施治理，很容易造成粉尘爆炸，给个人及集体的生命财产造成极大的损失。生物质粉体燃料在储存过程中面临的主要问题是生物质颗粒本身的自热性和外部热源干扰。

当生物质以大量体积储存时，会产生放热的物理、生物和化学过程。由于有效的隔热（更大的堆或筒仓按比例更好的隔热）不能驱散这种热，则导致热的发展及其在堆（或筒仓）内的局部潜在积累。当化学氧化开始热失控过程时，局部温度可上升到临界点，即实际点火温度，从而导致自燃危险[23]。即使堆内没有氧气，温度发展也足以释放易燃和有毒气体，如挥发性有机化合物和CO[24]。任学勇等人[25]发现松木热解产出气体的主要顺序为CO2、H2O、CH4、CO，并且随着加热速率增加，气体产物的产率增加。

外部热源是生物质安全储存面临的另一个重要因素。因为自热过程通常是缓慢的，生物质的点火诱导时间可以在几天、几周甚至几个月内发生。外部热源存在导致诱导时间可以减少到几个小时左右。外部热源可以是太阳、炎热的表面（尤其是在发出辐射热量时）、因机械操作（如研磨）而产生的摩擦热。钱松[26]对CSB统计的从1980年—2005年共281个粉尘爆炸事故案例进行分析发现木材粉尘的主要点燃源为明火占42.9%。陈刚[27]等人通过对2005年—2020年国内67起粉尘爆炸事故案例分析发现木材粉尘的主要点火源为明火花占比42.8%。

(2)生物质爆炸预防措施

目前，主要从管理和工艺设计两个方面预防生物质储仓粉尘爆炸问题。

①科学管理

在上岗前对工人进行粉尘爆炸的相关知识培训，使他们了解粉尘爆炸的本质，掌握预防粉尘爆炸的基本知识，培训考试结束后方可上岗，并严格规定在粉尘工作区间佩戴防尘口罩等防护用品。

严格遵守规章制度，加强劳动纪律，并定时对工人进行考核，使工人各尽其责，按时检查设备运行状态，及时对机器进行检修和防护。在生物质储仓工作区间，严禁一切明火进入，并针对不同粉尘危害等级的生物质储仓制定针对性的应急预案。

②科学合理的工艺设计

科学合理的工艺设计有利于避免生物质储仓发生爆炸。科学合理的工艺设计包括6个方面。A.对库区进行合理的规划，设置必要的消防通道；B.选用合适的防火材料，在具有爆炸风险的机械设备和建筑物周围设置特制的隔离带和安全带；C.生物质储仓的配电室和变电所与工作区保持一定的安全距离；D.全面考虑避雷、防静电、接地和消防设计；E.采取Ar、CO2、He、N2、水蒸气等惰性气体保护措施；F.目前，10%直径＜75μm的有机物质可以被小于5mJ的火花点燃，为了避免静电火花等这类低能点火源点燃粉尘，因此需要采取必要的消除火花源措施。

③爆炸抑制

粉尘爆炸抑制装置是由灭火剂释放系统和爆炸监测系统组成，通过迅速喷洒灭火剂在粉尘爆炸初期熄灭火焰抑制粉尘爆炸。

A.爆炸监测系统

为了迅速发出信号，爆炸监测系统需要反应迅速且动作准确。爆炸监测系统中常用的传感器有压力传感器、光学传感器和热电传感器三种类型。由于生物质储仓中含有大量的粉尘，对感光和感烟传感器监测影响较大，一般采用压力传感器进行监测。

B.灭火剂释放系统

当粉尘爆炸监测系统发出信号时，灭火剂释放系统接受信号后立即快速释放灭火剂。

④科学泄爆

泄爆是一种防止设备本身和周围环境免遭破坏的防护技术措施，通过在易爆管道和设备上安装泄爆口，在可燃粉尘空气混合物发生爆炸的初始和发展阶段，将高压和高温燃烧产物朝安全方向放泄出去。

为了减少爆炸损失，降低粉尘爆炸危害程度和减少人员伤亡，泄爆是一种有效的措施。在粉尘发生爆炸的过程中，通过泄爆口将压力迅速释放，因此降低了爆炸危害程度。科学泄爆需要考虑很多因素，主要包括泄爆位置、泄爆面积和泄爆材料等。