拋丸機粉塵燃爆事故原因分析及對策措施

郝龍瓊，魏光耀

（1.武漢鋼鐵集團開圣科技有限公司，武漢 430070；2.中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233000）

五金建筑材料加工過程中，常用到拋丸機對工件作表面處理，從而使工件表面變得光滑，便于后期的電鍍，保證五金建筑材料外觀呈現(xiàn)出良好的光澤。在拋光過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵通過除塵設施吸出以減小對操作人員的健康危害。然而，不少企業(yè)發(fā)現(xiàn)拋丸機除塵系統(tǒng)會頻繁的起火甚至會發(fā)生爆炸，粉塵燃爆事故給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，嚴重時影響人身安全。

1 研究對象

1.1 拋丸機設備

某建材加工廠頻繁起火的部位是拋丸機室外除塵系統(tǒng)的灰斗，該灰斗呈錐形，內(nèi)接觸面積S約為13m2。

1.2 粉塵成分組成

一般認為，拋丸機粉塵成分包含了拋丸用鋼砂、工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等物質(zhì)。為了準確了解粉塵的組成及性質(zhì)，某建材加工廠請專業(yè)檢測機構對其頻繁起火的除塵器內(nèi)的粉塵進行了檢測，粉塵混合物的組成如表1。

表1 拋丸粉塵檢測數(shù)據(jù)

由檢測數(shù)據(jù)可知，該廠除塵器頻繁起火的主要原因是粉塵中含碳量比較高，易燃物碳粉在遇激發(fā)能源時被點燃，發(fā)生了火災。

根據(jù)燃燒3要素及爆炸理論可推斷，拋丸機粉塵不僅會燃燒，而且在一定條件下還有發(fā)生爆炸的可能性。

2 粉塵燃燒原因分析

1）存在可燃物

（1）拋丸粉塵含碳71%、含鐵26.2%，且80%的粉塵粒度為10μm，10%的粉塵粒度為5μm，10%的粉塵粒度介于100～1 000nm，粉塵本身具有燃爆特性。

隨著正畸技術發(fā)展，越來越多的成人錯頜畸形患者開始接受正畸治療。然而，成人患者的口腔情況相對復雜，大多數(shù)成人都存在齲壞的牙齒，隨著光固化復合樹脂在齲壞治療的廣泛應用，許多固定矯正都需要將托槽直接黏結在有光固化復合樹脂充填治療的牙齒表面上。由于齲洞大小形狀不同，光固化充填的樹脂面也各不相同，往往是托槽底板一部分黏結在樹脂面上，一部分黏結在牙齒表面上，由于牙齒表面黏結托槽一定要進行酸蝕處理，且長期存在于口內(nèi)的樹脂充填物在黏結前也同樣需要進行相應處理，故本實驗未進行無表面處理的光固化樹脂面抗剪切強度的陰性對照。

（2）拋丸粉塵含其他物質(zhì)2.8%（工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等），這些物質(zhì)也具有燃爆特性。

（3）管道內(nèi)壁不光滑，連接處采用了可燃材料，突變處粉塵積聚自燃，進而引燃可燃材料。

（4）濾袋為可燃材料，在遇激發(fā)能源時，被引燃。

2）具有激發(fā)能源

（1）拋丸粉塵在管道內(nèi)流動時，自身相互摩擦，塵粒與管道、設備內(nèi)壁的摩擦可以產(chǎn)生數(shù)千伏的靜電，靜電火花放電，其放電能量足以引燃粉塵。

（2）機修時，電焊或氣割產(chǎn)生的明火被吸入除塵器，引燃拋丸粉塵。

（3）拋丸過程中部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，在生產(chǎn)運轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)的溫度會逐漸升高；除塵器內(nèi)大量粉塵堆積，可燃粉塵與空氣中的氧接觸而發(fā)熱，此熱量經(jīng)過長時間積聚，可能使拋丸粉塵達到自燃溫度，從而發(fā)生自行燃燒。

3 粉塵爆炸原因分析

在爆炸性粉塵環(huán)境中，產(chǎn)生爆炸必須同時存在下列條件：存在爆炸性粉塵混合物其濃度在爆炸極限以內(nèi)，存在足以點燃爆炸性粉塵混合物的火花、電弧或高溫，密閉空間。

結合設備及操作條件分析，可能發(fā)生粉塵爆炸的原因有：

1）存在具有燃爆特性的細粉塵，且除塵時為負壓操作（吸入的空氣），當通風不暢時，粉塵與空氣的混合物濃度有可能達到爆炸極限。

2）存在明火、靜電、環(huán)境溫度升高等引發(fā)粉塵爆炸的激發(fā)能源。

3）拋丸機、除塵系統(tǒng)為相對密閉空間。

3.1 粉塵爆炸判據(jù)

當某一燃燒反應在一定空間內(nèi)進行，如散熱困難，反應溫度則不斷提高，而溫度提高又加快了反應速度，這樣最后就發(fā)展成爆炸［1］。這種爆炸是由于熱效應而引起的，稱為熱爆炸。粉塵爆炸的熱爆炸判據(jù)見式（1），粉塵爆炸下限用Cd表示。該式表明粉塵發(fā)生爆炸臨界狀態(tài)時，各參數(shù)之間應滿足的關系［2］。

式中，A為頻率因子，/min；Cd為粉塵爆炸下限，g/m3；d為點火源為中心半徑為d的空間形成一個溫升的均溫系統(tǒng)，m；Q為顆粒熱值，kJ/g；Cg為氧濃度，g/m3；E為活化能，kJ/mol；Dρ為顆粒粒徑，μm；ρs為粉塵密度，kg/m3；χ為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；S為反應器與周圍環(huán)境相接觸的表面積，m2；R為氣體常數(shù)，8.314；TA為環(huán)境溫度，K。

參數(shù)取值：A＝2.4×1020/min；d＝1m；Q＝94.6kJ/g；E＝2.8×102kJ/mol；Dρ＝10μm（粉塵粒徑80%在10μm）；ρs＝1 370kg/m3；χ＝185.5W/（m2·K）；S＝13m2；R＝8.314。

由此可知，在粉塵成分和所處設備不變的情況下，粉塵爆炸下限Cd僅與顆粒粒徑Dρ、環(huán)境溫度TA、氧濃度Cg這3個變量相關。

3.2 數(shù)據(jù)分析

1）爆炸下限Cd與溫度TA關系

假設氧濃度為正常空氣中氧氣濃度值，即Cg＝29.85g/m3，代入數(shù)據(jù)后，根據(jù)公式（1）可得出爆炸下限Cd與溫度TA的曲線圖，見圖1。由圖1可知，當環(huán)境溫度TA升高時，爆炸下限Cd會下降，爆炸危險性增大，所以要控制系統(tǒng)的工作溫度。

2）爆炸下限Cd與氧濃度Cg關系

收塵器的溫度為室溫5℃以內(nèi)，取值TA＝30℃，則根據(jù)公式（1）得到爆炸下限Cd與氧濃度Cg關系曲線圖，見圖2。由圖2可知，系統(tǒng)中通入惰性氣體，如氮氣等會降低氧濃度Cg，爆炸下限Cd會上升，系統(tǒng)危險性降低。

3）爆炸下限Cd與通風量的關系

防止爆炸所需的通風量，按公式（2）計算

式中，L為通風量，m3/h；q為從局部吸塵罩排出的可燃物量，g/h；Cd為粉塵爆炸下限，g/m3。

目前正常工作情況下，風機的通風量：室內(nèi)6 800m3/min，室外7 000～28 000m3/h；生產(chǎn)時間：連續(xù)生產(chǎn)6～7h/班；可燃物量：每班排出的積灰量為35kg。推算平均排放濃度Cp≈0.014g/m3，遠小于可燃粉塵的爆炸下限。故因目前排風量的關系，未發(fā)生粉塵爆炸事故。

當排風不暢，粉塵濃度達到爆炸極限時，遇激發(fā)能源可能發(fā)生粉塵爆炸。

3.3 粉塵爆炸分析結論

由上述公式及數(shù)據(jù)分析可以看出，粉塵的爆炸下限與粉塵的性質(zhì)、粒徑、環(huán)境溫度、系統(tǒng)氧含量、通風量等相關。要預防粉塵爆炸，必須通過控制以下幾個方面著手：

1）必須嚴格控制鋼砂質(zhì)量，嚴禁使用碳含量超標的鋼砂及拋丸設備。

2）當粉塵粒徑Dρ減小時，爆炸下限Cd會降低，因此生產(chǎn)過程中應及時清除干凈積灰，避免細小顆粒沉積。

3）當環(huán)境溫度TA升高時，爆炸下限Cd會下降，爆炸危險性增大，所以要對系統(tǒng)的工作溫度進行監(jiān)控。

4）系統(tǒng)中通入惰性氣體，如氮氣，會降低氧濃度Cg，爆炸下限Cd會上升，爆炸危險性降低。因此，在設備中充入惰性介質(zhì)、降低系統(tǒng)中的氧含量是防止設備爆炸的可靠方法。

5）保證通風量，使設備內(nèi)的粉塵濃度達不到爆炸下限濃度，阻止粉塵爆炸環(huán)境的形成。

［1］ 王振成，任新民.爆炸［M］.西安：陜西人民教育出版社，1988.

［2］ 趙江平，王振成.熱爆炸理論在粉塵爆炸機理研究中的應用［J］.中國安全科學學報，2004（5）.