粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)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(wú)機(jī)類也有有機(jī)類；容易發(fā)生粉塵爆炸的設(shè)備多，加工和儲(chǔ)存可燃粉料的設(shè)備都存在著粉塵爆炸的危險(xiǎn)；容易發(fā)生粉塵爆炸的場(chǎng)所多，可燃粉料加工、包裝和儲(chǔ)存場(chǎng)所都有粉塵爆炸的危險(xiǎn)。粉塵爆炸過(guò)程復(fù)雜，爆炸能量大，且能引起連續(xù)爆炸，中毒危險(xiǎn)大，而爆炸前又毫無(wú)征兆，危害性極大。因此，粉塵防爆已成為工業(yè)企業(yè)防火工作中不可忽視的重要問(wèn)題。通過(guò)分析粉塵爆炸危害，爆炸條件、預(yù)防對(duì)策，提出粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想和科研課題。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸 自動(dòng)防爆 聯(lián)動(dòng)控制 研究

中圖分類號(hào)：U463.82.06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（b）-0029-02

1 研究背景

被破碎成細(xì)小顆粒的固體物質(zhì)稱作粉塵[1]。在日常生活特別是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中，粉塵隨處可見(jiàn)。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(fā)生在1785年意大利的一個(gè)面粉廠，此后，伴隨著工業(yè)化的進(jìn)展，粉塵爆炸事故在世界各地不斷發(fā)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(cái)產(chǎn)被侵吞。如：2010年2月24日16時(shí)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(chē)間發(fā)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(jīng)濟(jì)損失1773.5萬(wàn)元；1977年12月，發(fā)生在美國(guó)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(guó)在這方面進(jìn)行了大量的研究，但粉塵爆炸是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，受很多物理因素的影響，至今尚無(wú)完善、有效的粉塵防爆措施。當(dāng)前，正值我國(guó)大踏步走向工業(yè)化進(jìn)程之時(shí)，也正逐步邁入粉塵爆炸多發(fā)期，粉塵防爆將成為我國(guó)工業(yè)化時(shí)代一個(gè)必須面對(duì)的嚴(yán)峻課題。

2 研究目的和意義

探索研究有效的粉塵自動(dòng)防爆技術(shù)，攻克技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)粉塵防爆的自動(dòng)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(qiáng)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的安全性，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速、健康發(fā)展保駕護(hù)航。

3 研究依據(jù)

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(wú)機(jī)類也有有機(jī)類。

（2）要有一定的粉塵濃度。粉塵爆炸所采用的化學(xué)計(jì)量濃度單位與氣體爆炸不同，氣體爆炸采用體積百分?jǐn)?shù)表示，而粉塵濃度采用單位體積所含粉塵粒子的質(zhì)量來(lái)表示，單位是g/m3或mg/L，如濃度太低，粉塵粒子間距過(guò)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(chǔ)。

（4）要有足夠的起始能量。粉塵爆炸所需的最小點(diǎn)火能量比氣體爆炸大1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，大多數(shù)粉塵云最小點(diǎn)火能量在5mJ～50mJ量級(jí)范圍。

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

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

3.2 粉塵爆炸的過(guò)程

（1）懸浮在空氣中的可燃粉塵表面接受點(diǎn)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(fā)生熱分解或干餾作用，產(chǎn)生可燃?xì)怏w從粉塵離子表面釋放到氣相中。

（3）釋放出的可燃?xì)怏w與空氣（或氧氣等助燃?xì)怏w）混合形成爆炸性混合氣體，隨后被點(diǎn)火源點(diǎn)燃產(chǎn)生了火焰。

（4）依靠這種火焰產(chǎn)生的熱量，又促使周?chē)姆蹓m發(fā)生分解，持續(xù)不斷地在氣相中釋放出可燃?xì)怏w，又與空氣混合，使火焰不斷傳播，從而導(dǎo)致粉塵爆炸[1-4]。

3.3 粉塵爆炸的防控對(duì)策

（1）預(yù)防粉塵爆炸的對(duì)策。防止粉塵爆炸災(zāi)害的發(fā)生，原則上有避免粉塵飛揚(yáng)，通風(fēng)除塵，惰性氣體保護(hù)，控制點(diǎn)火源，以及設(shè)置抑爆系統(tǒng)和采用防爆泄壓措施等方法。

（2）抑制粉塵爆炸的對(duì)策。將粉塵爆炸抑制在初始狀態(tài)的最好辦法是設(shè)置抑爆系統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常具有粉塵爆炸危險(xiǎn)的小型密閉空間或設(shè)備，宜設(shè)置抑爆系統(tǒng)。抑爆系統(tǒng)主要由能檢測(cè)初始爆炸發(fā)生的檢測(cè)器、傳感器、信號(hào)放大器和抑爆劑發(fā)射器組成。

（3）限制粉塵爆炸危害的對(duì)策。限制粉塵爆炸危害的對(duì)策主要是安裝容器泄壓裝置、采用防爆建筑、密閉生產(chǎn)裝置、采用生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)設(shè)備、裝設(shè)阻火閥門(mén)、采用抗壓容器及抗爆設(shè)備等[3]。

4 粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)總體構(gòu)想

4.1 粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)組成

粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)由粉塵濃度探測(cè)裝置、溫度探測(cè)裝置、水噴霧系統(tǒng)、惰化系統(tǒng)、通風(fēng)排塵系統(tǒng)、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(dòng)防爆系統(tǒng)工作原理

當(dāng)安裝在在具有粉塵爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所的粉塵濃度探測(cè)裝置探測(cè)到粉塵的濃度處于爆炸濃度極限范圍時(shí)，即將信號(hào)送到設(shè)置在控制室里的粉塵防爆控制器；或當(dāng)安裝在在具有粉塵爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所的溫度探測(cè)裝置探測(cè)到被保護(hù)區(qū)域的環(huán)境或設(shè)備溫度達(dá)到粉塵引燃溫度時(shí)，即將信號(hào)送到設(shè)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(cè)裝置或溫度探測(cè)裝置傳來(lái)的信號(hào)后，發(fā)出聲光等報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員，并自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)惰化系統(tǒng)（也稱為抑爆系統(tǒng)）向應(yīng)保護(hù)的設(shè)備或空間噴射惰化劑（也稱抑爆劑），自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械通風(fēng)排塵系統(tǒng)及水噴霧系統(tǒng)，除塵防爆，冷卻降溫；同時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)停止正在運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備及電器設(shè)備，避免設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)繼續(xù)產(chǎn)生熱量。從而達(dá)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(shí)現(xiàn)粉塵防爆的自動(dòng)控制。

5 粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

5.1 精確探測(cè)粉塵濃度

不同物質(zhì)產(chǎn)生的粉塵有不同的爆炸濃度極限范圍，精確探測(cè)粉塵濃度是實(shí)現(xiàn)粉塵自動(dòng)防爆的前提條件。目前，國(guó)內(nèi)外粉塵濃度探測(cè)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，大量采用電荷感應(yīng)技術(shù)研制的探頭式粉塵濃度傳感和探測(cè)產(chǎn)品均具有靈敏度高，線性度好的特點(diǎn)，不但能準(zhǔn)確探測(cè)粉塵濃度，而且能把探測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確電磁信號(hào)，通過(guò)電子線路傳送到粉塵防爆控制器。

5.2 準(zhǔn)確探測(cè)環(huán)境及設(shè)備溫度

不同物質(zhì)產(chǎn)生的粉塵有不同的爆炸起始能量溫度，準(zhǔn)確探測(cè)環(huán)境及設(shè)備溫度，同樣是實(shí)現(xiàn)粉塵自動(dòng)防爆的前提條件。近年來(lái)，各種溫度探測(cè)先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品不端涌現(xiàn)，溫度探測(cè)精度越來(lái)越高，信號(hào)傳送可靠性越來(lái)越強(qiáng)。準(zhǔn)確探測(cè)環(huán)境及設(shè)備溫度已經(jīng)不存在技術(shù)難題。特別是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)[5]的成功運(yùn)用，更是為粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)的溫度探測(cè)提供了較好的成功經(jīng)驗(yàn)。可以說(shuō)，準(zhǔn)確探測(cè)環(huán)境及設(shè)備溫度，甚至是火源、火點(diǎn)都不存在技術(shù)難題。

5.3 高效的自動(dòng)惰化系統(tǒng)

惰化（亦稱惰化劑保護(hù)）是防止飛揚(yáng)粉塵達(dá)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(xué)反應(yīng)不能進(jìn)行，從而消除爆炸危險(xiǎn)[3]。高效的自動(dòng)惰化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)粉塵自動(dòng)防爆的關(guān)鍵因素。常用的惰化劑（也稱抑爆劑）主要有惰性氣體類（如氮?dú)狻⒍趸肌煹罋獾龋畸u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(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)可以借鑒氣體滅火系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但要根據(jù)不同的粉塵種類選擇相應(yīng)的惰化劑，如活潑金屬粉塵易與二氧化碳（CO2）、氮?dú)猓∟2）等滅火劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，應(yīng)用鹵代烷類及滅火粉劑類惰化劑。

5.4 高效的自動(dòng)霧狀水撲集系統(tǒng)

霧狀水撲集系統(tǒng)適用于產(chǎn)生的粉塵不與水發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所，其作用是當(dāng)粉塵飛揚(yáng)或爆炸發(fā)生后，自動(dòng)噴射霧狀水流撲集粉塵和滅火[6]；或是環(huán)境及設(shè)備溫度達(dá)到或接近粉塵爆炸的起始能量溫度時(shí)，自動(dòng)噴射霧狀水流降溫。高效的自動(dòng)霧狀水撲集系統(tǒng)也是粉塵自動(dòng)防爆的關(guān)鍵因素，自動(dòng)霧狀水撲集系統(tǒng)可采用已經(jīng)廣泛應(yīng)用的水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

5.5 高效的通風(fēng)排塵系統(tǒng)

高效的通風(fēng)排塵系統(tǒng)是降低空間粉塵濃度的基本措施。通風(fēng)排塵的方法有自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)[7]。通風(fēng)排塵技術(shù)可借鑒建筑消防中的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但通風(fēng)排塵系統(tǒng)中所采用的風(fēng)機(jī)等設(shè)備必須采用不產(chǎn)生火花的防爆型設(shè)備或密閉型設(shè)備。同時(shí)，為了防止火焰在系統(tǒng)內(nèi)傳播或發(fā)生爆炸，造成危害，通風(fēng)排塵系統(tǒng)所使用的管道必須進(jìn)行靜電接地和安裝隔火閘門(mén)，通風(fēng)排塵系統(tǒng)必須采用防爆閥門(mén)或阻火閘門(mén)。

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(hào)，并能發(fā)出聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)和具有其它輔助功能的控制指示設(shè)備，是粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)的核心組件，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦和心臟。粉塵防爆控制器在粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)中的作用，相當(dāng)于火災(zāi)報(bào)警控制器[8]在整個(gè)消防系統(tǒng)中的作用，擔(dān)負(fù)著為粉塵濃度探測(cè)裝置、溫度探測(cè)裝置提供穩(wěn)定的工作電源；監(jiān)視探測(cè)器及系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)；接受、轉(zhuǎn)換、處理粉塵濃度探測(cè)裝置及溫度探測(cè)裝置傳來(lái)的報(bào)警信號(hào)；進(jìn)行聲光報(bào)警；指示報(bào)警的具體部位及時(shí)間；同時(shí)執(zhí)行啟動(dòng)惰化系統(tǒng)、霧狀水撲集系統(tǒng)、停止正在運(yùn)行的設(shè)備、切斷電源等聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)。因此，研發(fā)可靠的粉塵防爆控制器是實(shí)現(xiàn)粉塵自動(dòng)防爆的核心條件。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的高速發(fā)展，粉塵爆炸場(chǎng)所與日俱增，粉塵爆炸事故越來(lái)越多，破壞性越來(lái)越強(qiáng)，粉塵爆炸威脅日益擴(kuò)大。研發(fā)粉塵自動(dòng)防爆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的本質(zhì)安全是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，刻不容緩。

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