涉爆粉塵企業除塵器粉塵爆炸泄壓面積計算方法研究

趙智聰 靳江紅研究員 王 慶教授

(1.首都經濟貿易大學 管理工程學院，北京 100070；2.北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所 工業防爆研究室，北京 100054)

0 引言

粉塵爆炸是一種快速的、帶化學反應、受眾多因素影響的氣固兩相流體力學過程，其爆炸威力大，事故后果嚴重。涉爆粉塵企業在生產過程中會產生大量粉塵，由于粉塵具有可燃性，在一定條件下能與空氣發生氧化反應進而燃燒和爆炸，造成人員傷亡和財產損失。比如，2010年河北省秦皇島驪驊淀粉股份有限公司發生的“2.24”淀粉粉塵爆炸事故，該起事故導致21人死亡、47人受傷，直接經濟損失1 773萬元；2015年1月31日，內蒙古自治區呼倫貝爾市根河市金河興安人造板有限公司發生粉塵爆炸事故，引發火災，造成6人死亡、3人受傷，生產車間廠房嚴重損毀；2014年昆山鋁鎂合金粉塵爆炸事故，事故報告期內造成97人死亡，163人受傷，直接經濟損失3.51億元，該事故重要原因之一為除塵器未設置泄爆口，導致除塵器內的粉塵爆炸沖擊波沿除塵風管反沖至整個車間，導致嚴重的二次爆炸，最終造成特大人員傷亡。粉塵爆炸的五要素分別為可燃粉塵、粉塵云、引火源、助燃物和空間受限。除塵器中容易形成以上粉塵爆炸條件，是最容易發生粉塵爆炸的設備之一。因此，針對除塵器設計合理的爆炸泄壓面積具有重要意義。除塵器不同形狀規格較多，不同類型除塵器爆炸泄壓面積計算方法不同，故針對不同形狀的除塵器分別研究其爆炸泄壓面積的計算方法，可以為涉爆粉塵企業除塵器爆炸泄壓面積的設計提供參考。

1 泄壓面積計算所需參數說明

根據標準《粉塵爆炸泄壓指南》(GB/T 15605-2008)，在計算泄壓面積時主要依據以下參數進行計算：設備的有效容積

V

；最大受控爆炸壓力

p

，即最大泄爆壓力；粉塵的爆炸特性參數，最大爆炸壓力

p

，爆炸指數

K

；設備的長徑比

L/D

；泄壓裝置的靜開啟壓力

p

；泄壓裝置的泄壓效率

E

。在這些參數中，最大受控爆炸壓力

p

為系統地改變可燃物濃度所測得的受控爆炸壓力

p

的最大值；受控爆炸壓力

p

為采取爆炸控制措施后，受保護圍包體內發生爆炸的壓力峰值；泄壓裝置的靜開啟壓力

p

為按標準的測試方法，通過壓力緩慢上升使泄壓裝置動作的內外壓力差；最大爆炸壓力

p

、爆炸指數

K

應按《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》(GB/T 16426-1996)規定的方法確定；在理想條件下，泄壓效率

E

=1；泄爆門泄壓效率的典型數據范圍為

E

=0.5～0.8。

2 除塵器泄壓面積計算

涉爆粉塵企業中常用除塵器主要為2種，分別是旋風除塵器和布袋除塵器。

2.1 旋風除塵器泄壓面積計算

旋風除塵器泄壓口設置有2種情況，泄壓口分別設置在出氣管道的頂部和除塵器主體的肩部(環繞分布在出氣管道周圍)。

當旋風除塵器的出氣口頂部作為泄壓口時，泄壓面積為出氣口的橫截面積。

當泄壓口設置在除塵器主體的肩部時，旋風除塵器肩部泄壓示意圖，如圖1。圖1中

V

、

V

、

V

表示對應部分的容積，

L

表示除塵器底部到肩部泄壓口之間的距離。此時按泄壓面積計算公式計算旋風除塵器的泄壓面積。

圖1 旋風除塵器肩部泄壓示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shoulder pressure relief of cyclone dust collector

泄壓面積計算公式如式(1)-(4)所示。

如果0.01MPa≤

p

<0.15MPa，則：

A

=

B

·[1+

C

·lg(

L/D

)]

(1)

(2)

C

=(-4

.

305·lg

p

-3

.

547)

(3)

如果0.15MPa≤

p

<0.20MPa，則：

A

=

B

(4)

式中：

A

—泄壓面積，m。在進行泄壓面積計算時，默認

E

=1。當

E

<1時，所需的泄壓面積為

A/E

。在計算除塵器的泄壓面積時，難點為長徑比

L/D

的計算。

L/D

與除塵器的形狀和泄壓口的位置有關，其值與除塵器表觀上的長徑比不一定相等。長徑比

L/D

的恰當數值只能根據除塵器設計、除塵器內有效火焰傳播距離(火焰在泄壓前通過的距離)

L

，以及有效火焰體積(火焰在泄壓前通過的體積)

V

進行估算求得。長徑比

L/D

的簡易計算步驟如下：計算有效火焰傳播距離

L

；計算有效火焰體積

V

；用有效火焰體積

V

除以有效火焰傳播距離

L

得到有效橫截面積

A

；通過有效橫截面積

A

計算出有效直徑

D

，長徑比

L/D

=

L

/

D

。

2.2 布袋式除塵器泄壓面積計算

涉爆粉塵企業常用的布袋除塵器主要分為2種。一種由圓筒部分和椎體部分組成，其中圓筒部分為除塵器主體，椎體部分為灰斗；另一種由方形部分和椎體部分組成，方形部分為除塵器主體，錐體部分為灰斗。這2種類型的布袋除塵器都采用側面泄壓的方式(泄壓口靠近灰斗)。下面對這2種不同類型的布袋除塵器泄壓面積計算公式進行推導。

(1)圓筒形布袋除塵器側面泄壓，示意圖，如圖2。

注：H1為圓筒部分的高；E1為椎體部分的高；D1和F1表示圓筒和椎體底部圓形的直徑；I1為泄壓口下端到除塵器圓筒部分底部的距離圖2 圓筒形布袋除塵器側面泄壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of lateral pressure relief of cylindrical bag-type dust collector

故可推導出圓筒形布袋除塵器側面泄壓面積

A

的計算公式，見式(6)。

(6)

(2)方形布袋除塵器側面泄壓，示意圖，如圖3。

注：J、K、H2分別為除塵器長方體部分的長、寬和高；E2為泄壓口下邊界到除塵器頂部的距離圖3 方形布袋除塵器側面泄壓示意圖Fig.3 Schematic diagram of lateral pressure relief of square bag-type dust collector

故可推導出方形布袋除塵器側面泄壓面積

A

計算公式，見式(7)。

(7)

3 應用實例

以某涉爆粉塵企業的布袋除塵器為例，進行泄壓面積計算。該除塵器主體為圓筒形，灰斗為錐體。結構示意圖，如圖4。

圖4 某涉爆粉塵企業布袋除塵器結構示意圖Fig.4 Structure diagram of a bag-type dust collector in an explosion-related dust enterprise

通過現場測量得到除塵器尺寸數值分別為

H

=2m，

D

=1.85m，

E

=1m，

I

=0.607m，

F

=0.6m。該企業為面粉企業，測得粉塵爆炸特性參數(見表1)，設備泄壓參數，見表2。

表1 粉塵爆炸特性參數表Tab.1 Characteristic parameter table of dust explosion

表2 設備泄壓相關參數表Tab.2 Parameter table of equipment pressure relief

由于此除塵器類型為圓筒形布袋除塵器，故將以上參數代入式(6)，計算得出長徑比

L/D

=0.903,泄壓面積

A

=0.259m。《粉塵爆炸泄壓指南》(GB/T 15605-2008)中也給出了泄壓面積計算的例子。在該例中(計算所得參數用角標0區分)：

V

=20m，

L

/D

=1，

p

red, max=0.05MPa，

p

max=0.9MPa，

K

max=20MPa·m/s，

p

stat=0.01Mpa，

E

F=1，計算得出的泄壓面積

A

=0.83m。在本應用實例中：

P

=

P

stat，

E

=

E

F；

V

，

P

，

P

，

K

以及

L/D

均小于指南中所給示例對應參數的值。故本應用實例中計算得到的泄壓面積

A

應小于指南中示例的泄壓面積

A

。從計算結果上看，本應用實例中

A

=0.259m，小于指南中示例的泄壓面積

A

，并且二者處于同一量級。由此可以證明本應用實例中泄壓面積計算結果的合理性和準確性。

4 結論

(1)對旋風除塵器和布袋除塵器的泄壓面積計算進行分析，推導出2種除塵器泄壓面積的計算公式。

(2)對于不同類型的除塵器，泄壓面積的計算方法不同。應根據其結構的不同，按不同方法計算長徑比，進而根據粉塵爆炸特性參數和設備泄壓參數求出除塵器的泄壓面積。

(3)針對除塵器設計合理的泄壓面積能有效減輕粉塵爆炸事故的后果。但影響粉塵爆炸后果的因素不僅有泄壓面積，還有除塵器所在環境等。對于其他因素對粉塵爆炸后果的影響還有待進一步研究。