粉塵防爆技術在密煉小藥品配料系統中的應用

劉金一

（軟控股份有限公司，山東 青島 266000）

粉塵防爆技術在密煉小藥品配料系統中的應用

劉金一

（軟控股份有限公司，山東 青島 266000）

針對在小藥品自動配料系統中使用的危險物料，從爆炸原理分析到提出具體防爆技術措施，希望給橡膠行業企業和人員提供參考和借鑒，并引起足夠重視。。

粉塵；密煉；爆炸；防爆技術；應用

1 粉塵爆炸現象以及意義

在橡膠廠密煉生產工序中，要對生膠混煉所需的各種配合劑、助劑等進行稱量、配料工作，通常有手動配料和自動配料兩種方式，然而這些物料大多數是各種化學品和金屬氧化物，俗稱為“小藥品”，以粉末或顆粒形態使用，有一部分在外界活動干預下容易飛揚與空氣混合形成粉塵，具備條件后發生燃燒甚至爆炸，這類物料稱為易燃易爆危險物料，其中以硫磺最為典型。粉塵防爆技術在國外以及高端橡膠企業中已經成熟應用，但在大部分國內特別是中低端橡膠企業中還沒有廣泛應用，也沒有引起足夠重視，一些工廠仍在無知或者冒險使用危險物料。要想在密煉工序小藥品稱量配料系統中安全地操作使用硫磺等物料，就必須應用防爆技術和措施，這已經是勢在必行了。

2 粉塵爆炸特性和機理

2.1 爆炸機理

粉塵粒子從點燃源獲得能量后表面受熱而發生熔融和氣化，揮發出熾熱微小質子顆粒或火花，這些揮發性物質在空氣中流動，形成粉塵的點火源。粉塵顆粒細小，與空氣混合后表面積大，與空氣充分接觸形成粉塵云，加之粉塵層的存在，隨著粉塵粒子表面溫度急劇上升，使粉塵粒子加速分解和氣化。當與空氣混合后即形成氣相點火，這樣粉塵中既有氣相也有固相，兩相同時燃燒時更加劇烈，當粉塵濃度達到或超過爆炸下限時遇到點火源即可發生燃燒，在初始燃燒階段，由于每個顆粒燃燒迅速進行，而且相互作用促進，瞬間產生大量的燃燒產物，粉塵與空氣混合較充分，粉塵即可爆炸，以一定速率的壓力波的形式釋放能量，此時會將周圍的粉塵吹起，形成了飛揚的粉塵云，這些粉塵云被初始爆炸產生的能量再次點燃，發生二次爆炸，同時產生空氣湍流，二次爆炸范圍大，威力比初始爆炸大得多。粉塵爆炸受到點火源的形成，最小點火能量（溫度）和粉塵濃度等多方面因素影響。其中最小點火能量和溫度標志粉塵顆粒表面初始燃燒的難易程度。

2.2 粉塵爆炸要素

由于在配料等生產操作中，物料會飛揚與空氣充分混合而呈懸浮狀態，懸浮粉塵發生爆炸必須具備以下三個基本要素：

（1） 粉塵：與本身易燃易爆特性和狀態有關。合適的粉塵濃度，即粉塵顆粒間距既保證火焰可以自由流動而延伸到相鄰粉塵粒表面，又不至于顆粒之間過于緊密而造成局部缺氧；相對密閉的空間，能夠確保壓力達到一定強度。

（2） 空氣：具備足夠量的氧氣

（3） 著火源：為了保持粉塵的著火溫度，必須有足夠的最小著火能量的供應。

如圖1所示。

圖1 爆炸三要素

粉塵粒度越細，適合于爆炸的粉塵濃度越低；隨著粉塵粒度的減小，粉塵濃度的增大，其爆炸產生的壓力和升壓速率都隨之增高，用于表征粉塵爆炸特性的參數和數值如表1，本文以硫磺為例，硫磺爆炸特性表如表1。

3 爆炸性粉塵環境及危險區域劃分

由粉塵和空氣混合物存在的同一區域稱為危險性環境（區域），根據國際電工委員會（IEC）關于危險環境劃分規定：在大氣條件下，粉塵或纖維狀的可燃物質與空氣形成混合物在點燃后燃燒傳至未全部未然混合物的環境為爆炸性粉塵環境。根據易燃易爆粉塵/空氣混合物出現的頻率、持續時間和強度把危險區域劃分為不同的等級區域，分為20區、21區和22區。

20區：Zone 20，在正常運行過程中可燃性粉塵連續出現存在或經常出現，其數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物/或可能形成無法控制的粉塵層的場所或容器內。

表1 硫磺爆炸特性表

21區：Zone 21，在正常運行過程中可燃性粉塵斷續出現，可能出現粉塵數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物但未劃入20區的場所。該區域一般包括與充入排放粉塵點直接相鄰的場所，出現粉塵層和正常操作情況下可能產生可燃燒濃度的可燃性粉塵與空氣混合物的場所。

22區：Zone 22，在異常條件下，可燃性粉塵云偶爾出現并且只是短時間存在、或可燃性粉塵偶爾堆積或可能存在粉塵層并產生可燃新粉塵與空氣混合物的場所。如果不能保證排除可燃性粉塵堆積時，應劃分到高一級區域即21區。

此處的“正常運行”是指設備的正常開車、運轉、停車，易燃易爆物品裝卸、補料、投送、搬運、稱量以及封閉容器的開關，設備正常的檢修維護，各種閥類及配件設備等都在其設計參數內工作的狀態。

易燃易爆物料在自動配料系統使用過程中，存在搬運、解扎口、投料、篩分過濾、攪拌、氣吹、給料流動、卸料、除塵、裝袋封口等諸多操作，顆粒極易飛揚并與周圍空氣混合，根據橡膠工廠生產情況將自動配料區域劃分危險等級如圖2。

20區范圍：所有的容器內部并與物料直接接觸的區域，包括除塵器箱體和灰斗內部、風機排風出口1 m范圍、排風管道內部、補料口和儲料倉、給料器內部及抽風罩、卸料口及通道 、打包熱封口處等。

21區范圍：補料口外1 m范圍內、卸料口外1 m范圍內、料筐物流輸送線1 m范圍內、灰斗排廢口外1 m范圍內。

圖2 典型配料危險區域劃分

22區范圍：風機排風出口1 m之外2 m之內范圍，其他21區1 m之外范圍。

22區之外區域可視為安全區域。

4 防爆技術和措施

粉塵的爆炸除了與自身的物理化學特性、易燃易爆性、外界條件等直接有關外，還與外作用力、人為干預、受限空間、粉塵擴散以及不同的生產工藝操作有關系，在大量的設計、使用和維修甚至付出慘痛事故的經驗教訓基礎上，總結針對易燃易爆危險物料的防爆技術及措施。

粉塵的防爆技術可分為預防性技術和控制性技術兩類。

4.1 預防性技術

就是要消除引起爆炸的三個基本要素的一個或多個。

4.1.1 消除點火源

（1）禁止明火焰產生：如電氣焊、吸煙等

（2）使用符合危險區域等級的電器類設備，以防止高溫和電氣火花產生，這些設備包括：馬達、照明燈具、取暖器、接線盒、開關、繼電器等低壓電器類，還包括各種傳感器、儀表、指示燈、按鈕、屏蔽電纜等。

（3）避免撞擊與摩擦：禁止使用金屬工具敲擊、增加非金屬類防撞條、使用自潤滑或無需潤滑的軸承等、在補料口和吸塵口增加金屬篩網過濾或者磁性除鐵裝置。

（4）避免陽光直照和聚焦：配料設備要盡量與其他周圍環境隔離開，采用隔離材質四周圍封，成為獨立區域后有條件廠家要增加良好的通風和氣溫調節裝置，如空調等。對于原料存放區域要控制好溫度和濕度，防止發生氧化和自然，如硫磺。

（5）靜電消除、接地和防雷：有效接地的目的是為了將靜電及時釋放，消除局部電位差，防止靜電積累、放電。設備整體與工廠接地連接到一起，設備內部的各個單機部套之間以及單機部套局部之間也要進行有效的防靜電連接。防靜電連接以使用金屬導線為主。接地電阻一般要求在1～2 Ω范圍之內。對于設備中采用非金屬絕緣材質較多的情況下，可適當的增加空氣的濕度，使其表面結成水膜來排除靜電，一般保持相對濕度70%為宜。設備內部20區的位置可重點噴射電離子的方法以中和多余的靜電，使用簡單方便。操作區域工人要穿著防靜電工作服、手套和鞋子等。

（6）配置火花探測、粉塵濃度探測和溫度探測。及時檢測火花的產生、粉塵濃度的變化以及溫度異常和報警。

4.1.2 消除可燃物質和濃度

（1）保持設備和工作間的整潔、正確按時清掃：在粉塵易泄漏位置增加抽塵口，配備粉塵除塵凈化系統；設備區域地面和四周墻面等定期清理，可配備真空移動式吸塵清掃裝置。

（2）采用外殼防護等級高的設備和配件：尤其是電器設備，其外殼要達到一定的防水防塵等級才能有效的防止爆炸，一般選擇IP65等級以上為宜。

（3）在原料的儲運過程中應以減少產塵和揚塵點，控制粉塵擴散，降低粉塵濃度到10mg/m3較為安全。原材料盡量采用顆粒、片狀形態，避免粉末狀。減少人工操作，采用自動解包投料、自動包裝袋收集、AGV搬運等智能化、高度自動化設備來替代重復性、繁重體力勞動操作。

（4）對于有氣力輸送裝置的系統，負壓系統比正壓系統粉塵更不容易泄漏、更安全。

（5）內腔相對封閉的容頂部或側面設置多處透氣性呼吸口，使內部空氣流動起來，減少粉塵的聚集和憋壓。

4.1.3 消除氧化劑

（1）在設備內部通入惰性氣體，并持續保持一定壓力：一般在儲倉、給料器和解包站等內部封閉或近似封閉的空間，如氮氣、二氧化碳等。

4.2 控制性技術

是指在爆炸或燃燒發生后，預防性技術措施難以奏效的情況時而采取的將爆炸危害程度降至安全水平的措施，使爆炸不致于造成人員傷亡和經濟損失最低，爆炸后設備在短時間內可恢復使用的技術，主要包括：抗暴、抑爆、隔爆、泄爆。

（1）抗爆：即提高設備的耐壓能力，設備本身結構能夠承受爆炸壓力，結構不發生爆裂或損毀，考慮到爆炸發生時時間短，瞬間會有很大的沖擊力，防爆設備應遵守壓力容器規范進行設計、制造和檢驗。在設計時采用ANSYS有限元受力分析，結合三維建模，可最大程度的仿真模擬實物情況，以提高設計的正確率和精準度。

（2）抑爆：在爆炸發生后的初始階段，通過物理化學作用撲滅火焰，從而避免爆炸繼續發展。目前大多數抑爆措施是結合工廠內的消防系統共同完成的，在設備內部安裝熔斷性噴灑頭，噴灑頭通過管道與消防水管聯通，當發生爆炸燃燒時，熔斷器自動熔斷，消防水自動噴灑而撲滅火焰，這種屬于被動式。隨著傳感器技術的發展，使用溫度、煙塵、火焰探測傳感器在爆炸發生時及時檢測報警，通過電控單元開啟滅火裝置，通過高壓噴灑滅火劑，這種屬于主動式智能型。其原理如圖3。

圖3 自動噴淋滅火原理圖

（3）隔爆：將爆炸限定在一定區域內，阻止爆炸繼續傳播，防止造成更大損失的措施。在配料系統中都有除塵通風管道，爆炸最容易沿著管道傳播的后續其他設備中，在管道或設備的前后端設置防火閥，是一種緊急切斷閥，它由紅外線火焰傳感器檢測，并連鎖啟動自復位彈簧閥而實現，能夠阻止爆炸波向其他場所蔓延傳播。如圖4。

圖4 自動防火閥

（4）泄爆：封閉空間內的粉塵發生爆炸時，在爆炸壓力還沒有升到容器外殼的極限耐壓強度之前，將爆炸壓力和產物通過泄爆口或膜片泄除釋放到外界或安全區域，使容器不被破壞的技術措施。粉塵爆炸產生的壓力最高達1 MPa，泄爆措施可以將爆炸壓力限定在結構件材料所能承受的范圍內。安裝泄爆膜是比較有效和經濟的措施，以爆炸發生頻率較高的除塵器為例，其帶泄爆膜的典型結構如圖5。

圖5 泄爆膜裝置

泄爆膜的設計關鍵在于泄爆面積的計算和具體尺寸型號的選擇，泄爆面積太小不起作用，太大浪費成本。根據GB/T15605—1995《粉塵爆炸泄壓指南》 ，對于圍包體耐壓強度Pred等于或大于0.02 MPa的泄壓面積可采用以下公式計算:

其中：

a=0.000 571exp（20Pstat）；

b=0.978exp（-1.05Pstat）；

c=-0.687exp（2.26Pstat）；

Av——泄壓面積， m2；

V——圍包體體積， m3；

Pred——最大泄爆壓力，MPa；

Pstat——開啟靜壓，MPa；

Kst——粉塵爆炸指數，MPa.m/s。

如果容器泄爆口上的泄爆裝置外安裝泄爆管，則會引起最大泄爆壓力增大。容器安裝泄爆管后最大泄爆壓力變化可按下式計算:

當0＜L ＜3 m時

當3＜L ＜6 m時

將按式（2）或式（3）計算的最大泄爆壓力代入式（1），即可計算出帶泄爆管的圍包體泄壓面積。

計算出泄壓面積后，選擇泄爆膜的面積至少不小于泄壓面積即可。

5 結論

以上防爆技術和措施要針對不同物料和生產因素選擇使用，或單獨或組合，對于出口設備還要符合當地標準規范，如歐盟的CE、ATEX認證，美國的UL認證等。橡膠企業采用防爆技術能夠提升安全等級，降低事故發生概率，縮小安全成本和損失，改善生產工藝，優化設備布局和空間，提高生產效率等，橡機制造企業應用防爆技術能夠提高產品安全性能，增強可靠性，擴展產品功能和適應物料種類，提升產品檔次，是高端制造的一項重要措施。

［1］ 楊倫，謝一華.氣力輸送工程.北京：機械工業出版社，2006，1.

［2］ 吳全龍.粉塵爆炸泄壓面積計算.化工技術與裝備，2005，26（6）.

［3］ GB/T15605—1995 粉塵爆炸泄壓指南.

Application of dust anti-explosion technology in small chemical dosing system

Application of dust anti-explosion technology in small chemical dosing system

Liu Jinyi
(MESNAC Co.,LTD., Qingdao 266000, Shandong, China)

This article focus on the dangerous material used in small chemical doing system, analyse explosion principle and put forward specifi c anti-explosion measures, we hope to supply some reference and guidance, and what’s more draw enough attentions.

dust; mixing; plosion; anti-explosion technology; application

TB496

1009-797X（2016）19-0034-05

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.19.004

（R-01）

劉金一（1982-），男，工程師，2004年畢業于青島科技大學，長期從事橡膠機械研發設計和項目管理工作。

2016-06-28