粉塵自動防爆系統研究

王勇

摘 要：爆炸性粉塵的種類多，有金屬類也有非金屬類，有無機類也有有機類；容易發生粉塵爆炸的設備多，加工和儲存可燃粉料的設備都存在著粉塵爆炸的危險；容易發生粉塵爆炸的場所多，可燃粉料加工、包裝和儲存場所都有粉塵爆炸的危險。粉塵爆炸過程復雜，爆炸能量大，且能引起連續爆炸，中毒危險大，而爆炸前又毫無征兆，危害性極大。因此，粉塵防爆已成為工業企業防火工作中不可忽視的重要問題。通過分析粉塵爆炸危害，爆炸條件、預防對策，提出粉塵自動防爆系統的設計構想和科研課題。

關鍵詞：粉塵爆炸 自動防爆 聯動控制 研究

中圖分類號：U463.82.06 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0029-02

1 研究背景

被破碎成細小顆粒的固體物質稱作粉塵[1]。在日常生活特別是工業企業生產中，粉塵隨處可見。粉塵爆炸是由于懸在空氣中的可燃粉塵燃燒而形成的高氣壓所造成的。世界上第一次有記載的粉塵爆炸發生在1785年意大利的一個面粉廠，此后，伴隨著工業化的進展，粉塵爆炸事故在世界各地不斷發生，大量人員在粉塵爆炸事故中喪生，大量工廠被摧毀，巨額財產被侵吞。如：2010年2月24日16時12分，河北秦皇島市撫寧縣驪驊淀粉股份有限公司淀粉四車間發生粉塵爆炸，廣房倒塌，事故共造成19人死亡，49人受傷，直接經濟損失1773.5萬元；1977年12月，發生在美國的一次粉塵爆炸造成65人死亡，80余人受傷。粉塵防爆逐漸被人們所重視，各國在這方面進行了大量的研究，但粉塵爆炸是一個非常復雜的過程，受很多物理因素的影響，至今尚無完善、有效的粉塵防爆措施。當前，正值我國大踏步走向工業化進程之時，也正逐步邁入粉塵爆炸多發期，粉塵防爆將成為我國工業化時代一個必須面對的嚴峻課題。

2 研究目的和意義

探索研究有效的粉塵自動防爆技術，攻克技術難題，實現粉塵防爆的自動化，提高粉塵爆炸的防控能力，最大限度地遏制粉塵爆炸事故，最大限度地降低粉塵爆炸危害，增強工業企業生產的安全性，保障人民群眾生命財產安全，為經濟社會的快速、健康發展保駕護航。

3 研究依據

3.1 粉塵爆炸的條件

（1）粉塵具有可燃性。具有可燃性是粉塵爆炸的首要條件。可燃性粉塵的種類很多，有金屬類也有非金屬類，有無機類也有有機類。

（2）要有一定的粉塵濃度。粉塵爆炸所采用的化學計量濃度單位與氣體爆炸不同，氣體爆炸采用體積百分數表示，而粉塵濃度采用單位體積所含粉塵粒子的質量來表示，單位是g/m3或mg/L，如濃度太低，粉塵粒子間距過大，火焰難以傳播。

（3）要有一定的氧含量。（含能粉塵除外）一定的氧含量是粉塵得以燃燒的基礎。

（4）要有足夠的起始能量。粉塵爆炸所需的最小點火能量比氣體爆炸大1～2 個數量級，大多數粉塵云最小點火能量在5mJ～50mJ量級范圍。

（5）粉塵必須處于懸浮狀態，即粉塵云狀態。這樣可以增加氣固接觸面積，加快反應速度。

（6）粉塵云要處在相對封閉的空間，壓力和溫度才能急劇升高，繼而發生爆炸[1-4]。

3.2 粉塵爆炸的過程

（1）懸浮在空氣中的可燃粉塵表面接受點火源的能量，迅速提高了表面溫度。

（2）粉塵粒子表面的分子發生熱分解或干餾作用，產生可燃氣體從粉塵離子表面釋放到氣相中。

（3）釋放出的可燃氣體與空氣（或氧氣等助燃氣體）混合形成爆炸性混合氣體，隨后被點火源點燃產生了火焰。

（4）依靠這種火焰產生的熱量，又促使周圍的粉塵發生分解，持續不斷地在氣相中釋放出可燃氣體，又與空氣混合，使火焰不斷傳播，從而導致粉塵爆炸[1-4]。

3.3 粉塵爆炸的防控對策

（1）預防粉塵爆炸的對策。防止粉塵爆炸災害的發生，原則上有避免粉塵飛揚，通風除塵，惰性氣體保護，控制點火源，以及設置抑爆系統和采用防爆泄壓措施等方法。

（2）抑制粉塵爆炸的對策。將粉塵爆炸抑制在初始狀態的最好辦法是設置抑爆系統。對于經常具有粉塵爆炸危險的小型密閉空間或設備，宜設置抑爆系統。抑爆系統主要由能檢測初始爆炸發生的檢測器、傳感器、信號放大器和抑爆劑發射器組成。

（3）限制粉塵爆炸危害的對策。限制粉塵爆炸危害的對策主要是安裝容器泄壓裝置、采用防爆建筑、密閉生產裝置、采用生產系統自動保護設備、裝設阻火閥門、采用抗壓容器及抗爆設備等[3]。

4 粉塵自動防爆系統總體構想

4.1 粉塵自動防爆系統組成

粉塵自動防爆系統由粉塵濃度探測裝置、溫度探測裝置、水噴霧系統、惰化系統、通風排塵系統、粉塵防爆控制器以及具有其它輔助功能的裝置組成。

4.2 粉塵自動防爆系統工作原理

當安裝在在具有粉塵爆炸危險的場所的粉塵濃度探測裝置探測到粉塵的濃度處于爆炸濃度極限范圍時，即將信號送到設置在控制室里的粉塵防爆控制器；或當安裝在在具有粉塵爆炸危險的場所的溫度探測裝置探測到被保護區域的環境或設備溫度達到粉塵引燃溫度時，即將信號送到設置在控制室里的粉塵防爆控制器。粉塵防爆控制器接到粉塵濃度探測裝置或溫度探測裝置傳來的信號后，發出聲光等報警信號，提醒工作人員，并自動或手動啟動惰化系統（也稱為抑爆系統）向應保護的設備或空間噴射惰化劑（也稱抑爆劑），自動或手動啟動機械通風排塵系統及水噴霧系統，除塵防爆，冷卻降溫；同時自動或手動停止正在運行的生產設備及電器設備，避免設備運轉繼續產生熱量。從而達到控制粉塵濃度和起始能量，霧狀水流撲集懸浮粉塵及滅火降溫，破壞粉塵爆炸條件，實現粉塵防爆的自動控制。

5 粉塵自動防爆系統關鍵技術的實現

5.1 精確探測粉塵濃度

不同物質產生的粉塵有不同的爆炸濃度極限范圍，精確探測粉塵濃度是實現粉塵自動防爆的前提條件。目前，國內外粉塵濃度探測技術已經趨于成熟，大量采用電荷感應技術研制的探頭式粉塵濃度傳感和探測產品均具有靈敏度高，線性度好的特點，不但能準確探測粉塵濃度，而且能把探測結果轉換為準確電磁信號，通過電子線路傳送到粉塵防爆控制器。

5.2 準確探測環境及設備溫度

不同物質產生的粉塵有不同的爆炸起始能量溫度，準確探測環境及設備溫度，同樣是實現粉塵自動防爆的前提條件。近年來，各種溫度探測先進技術和產品不端涌現，溫度探測精度越來越高，信號傳送可靠性越來越強。準確探測環境及設備溫度已經不存在技術難題。特別是火災自動報警技術[5]的成功運用，更是為粉塵自動防爆系統的溫度探測提供了較好的成功經驗。可以說，準確探測環境及設備溫度，甚至是火源、火點都不存在技術難題。

5.3 高效的自動惰化系統

惰化（亦稱惰化劑保護）是防止飛揚粉塵達到爆炸極限范圍的有效措施。惰化的作用是降低粉塵與空氣混合物中氧氣的濃度比例，使得粉塵與氧氣之間的化學反應不能進行，從而消除爆炸危險[3]。高效的自動惰化系統是實現粉塵自動防爆的關鍵因素。常用的惰化劑（也稱抑爆劑）主要有惰性氣體類（如氮氣、二氧化碳、煙道氣等）；鹵代烷類（如1211、1301、1202等）；滅火粉劑類（如磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸氫鈉、磷酸氫鉀等）。惰化系統的設計技術可以借鑒氣體滅火系統的成功經驗來實現。但要根據不同的粉塵種類選擇相應的惰化劑，如活潑金屬粉塵易與二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）等滅火劑發生化學反應，因此，應用鹵代烷類及滅火粉劑類惰化劑。

5.4 高效的自動霧狀水撲集系統

霧狀水撲集系統適用于產生的粉塵不與水發生反應的場所，其作用是當粉塵飛揚或爆炸發生后，自動噴射霧狀水流撲集粉塵和滅火[6]；或是環境及設備溫度達到或接近粉塵爆炸的起始能量溫度時，自動噴射霧狀水流降溫。高效的自動霧狀水撲集系統也是粉塵自動防爆的關鍵因素，自動霧狀水撲集系統可采用已經廣泛應用的水噴霧滅火系統設計技術。

5.5 高效的通風排塵系統

高效的通風排塵系統是降低空間粉塵濃度的基本措施。通風排塵的方法有自然通風和機械通風[7]。通風排塵技術可借鑒建筑消防中的通風系統設計，但通風排塵系統中所采用的風機等設備必須采用不產生火花的防爆型設備或密閉型設備。同時，為了防止火焰在系統內傳播或發生爆炸，造成危害，通風排塵系統所使用的管道必須進行靜電接地和安裝隔火閘門，通風排塵系統必須采用防爆閥門或阻火閘門。

5.6 可靠的智能粉塵防爆控制器

智能粉塵防爆控制器是用以接收、顯示和傳遞粉塵濃度、溫度等信號，并能發出聯動控制信號和具有其它輔助功能的控制指示設備，是粉塵自動防爆系統的核心組件，是整個系統的大腦和心臟。粉塵防爆控制器在粉塵自動防爆系統中的作用，相當于火災報警控制器[8]在整個消防系統中的作用，擔負著為粉塵濃度探測裝置、溫度探測裝置提供穩定的工作電源；監視探測器及系統自身的工作狀態；接受、轉換、處理粉塵濃度探測裝置及溫度探測裝置傳來的報警信號；進行聲光報警；指示報警的具體部位及時間；同時執行啟動惰化系統、霧狀水撲集系統、停止正在運行的設備、切斷電源等聯動控制任務。因此，研發可靠的粉塵防爆控制器是實現粉塵自動防爆的核心條件。

6 結語

隨著現代工業企業的高速發展，粉塵爆炸場所與日俱增，粉塵爆炸事故越來越多，破壞性越來越強，粉塵爆炸威脅日益擴大。研發粉塵自動防爆系統，實現工業企業生產的本質安全是經濟社會發展的現實需要，刻不容緩。

參考文獻

[1] 郭洪起.粉塵防爆技術[J].電氣開關，1996（2）：43-48.

[2] 王震.淺析粉塵爆炸事故的預防和處置[J].黑龍江科技信息，2013（6）：65.

[3] 工業企業防火工程[J].沈陽航空工業學院專用教材，2002：188-194.

[4] 張應力，張莉.工業企業防火防爆[M].中國電力出版社，2003.

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[6] 景絨.建筑消防給水工程[M].中國人民公安大學出版社，1996：252-256.

[7] 蔡蕓.通風與防排煙[M].警官教育出版社，1997：34-48.

[8] 楊在塘.電氣防火工程[D].沈陽航空航天大學，2002：294-310.

[9] 國家質監局.國家標管委.粉塵防爆安全規程[S].中國標準出版社，GB15577-2007.