生物質粉塵爆炸及安全防范措施

＊張志遠 高健 王鋒 張勇 李剛*

（1.國能壽光發電有限責任公司 山東 262700 2.煙臺龍源電力技術股份有限公司 山東 264006）

1.背景

隨著“雙碳”目標迫在眉睫，燃煤電廠作為我國主要碳排放源，僅依靠提高效率和降低能耗已不能滿足要求，需要發展低碳發電技術。生物質在替代煤燃燒過程中產生的碳排放與其生長過程中吸收的CO2可視為相互抵消，因此燃煤電廠耦合生物質發電是降低碳排放的一種有效方式[1]。

在生物質加工為生物質粉體燃料時會產生大量粉塵，這些粉塵具有水分低（15%左右）、揮發分高（70%～80%）、密度低等特點，在密閉空間里易發生爆炸，導致生物質粉體燃料安全儲存變得困難[2]。英國Tilbury電廠和丹麥Avedore電廠都曾發生過重大爆炸事故[3]，經濟損失嚴重。

為了避免生物質在儲存過程中發生爆炸，確保操作者及現場人員生命安全，有必要對生物質粉塵爆炸機理進行研究，并提出具體的生物質粉塵安全儲存預防和防范措施。

2.生物質粉塵爆炸研究

(1)生物質粉塵爆炸研究方法

粉塵爆炸是指可燃性粉塵快速燃燒的火焰在未燃燒粉塵云中傳播、快速釋放能量、引起壓力急劇升高的過程[4]。粉塵爆炸可以隨條件而轉化，是一種復雜的物理化學現象，為了探索粉塵爆炸發生過程的內在機理，眾多學者通過軟件模擬、實驗研究等方法對工業生產中的各類伴生粉塵進行爆炸機理研究，并獲得大量研究成果[5-6]。目前，爆炸特性研究裝置主要有哈特曼管、20L爆炸球、1m3球等。

蒯念生等人[7]使用哈特曼管與20L球形爆炸儀器進行實驗，發現隨著點火能量增加，粉塵云燃燒速率增加。孫會利等人[8]在20L球內測定了四種體系的爆炸下限數值，結果表明兩相體系爆炸下限與粉塵濃度呈負相關。

任瑞娥等人[9]利用G-G恒溫爐測試了5種可燃粉塵的最低著火溫度。

(2)生物質粉塵爆炸機理

生物質粉塵爆炸機理可以概括為外界供給粉塵粒子熱能，導致粒子表面發生熱解產生氣體，與空氣混合后形成爆炸性氣體，在點火源作用下爆炸性氣體快速燃燒，引起溫度和壓力急劇升高的化學反應[10]。柳繼昌等人[11]提出木屑等粉塵中的還原劑H、C、N、S等元素與氧化物共存時發生分解產生大量可燃氣體，可燃氣體與空氣混合放出大量熱量，產生劇烈燃燒，最后形成爆炸。梁瑞等人[12]提出粉塵顆粒受熱分解生成揮發分，該揮發分與空氣中的氧氣發生氧化反應，在一定空間內粉塵氧化速率持續增長形成爆炸，當空間內積聚的壓力過高時，粉塵顆粒很有可能由爆炸轉變為爆轟。影響生物質粉塵爆炸的主要因素為溫度、濃度和生物質粉塵自身能量。粉塵爆炸特性參數包括最低點火溫度（MIT）、最小爆炸濃度（MEC）和最小點火能量（MIE），通常被用來表征材料粉塵的爆炸敏感性，這些參數與發生點火/爆炸的可能性有關。其他參數，如最大爆炸壓力（MEP）、最大壓力上升速率和最大火焰前沿速度（FFVmax），與預期的點火/爆炸發生時的嚴重程度有關[13-14]。

曹衛國等人[15]得出在溫度25℃噴粉壓力為0.70MPa工況下，小麥淀粉在40mJ的點火能量下發生爆炸。周曦禾等人[16]發現木粉的粉塵云著火溫度范圍為380℃～775℃，最小點火能為4.2～20.0mJ。崔忠文等人[17]認為粉塵云著火溫度隨著濃度升高呈先降后增的規律，隨著粒徑增大著火溫度升高。張旭等人[18]得出楊木與松木的熱解低溫區活化能平均值分別為89.34 kJ/mol、86.66kJ/mol。張夢寧等人[19]發現溫度在30℃～300℃時，細胞分解和水分揮發失重較快，二者失重分別為38.88%、15.22%。

Saeed等人[20]使用改進的哈特曼管和1m3的爆炸容器測試了不同生物質樣品（黃松、稻殼、甘蔗渣麥稈），并與煤炭（哥倫比亞和英國/凱利）進行了比較。結果顯示，生物質具有更高的反應性，并呈現出明顯更寬的可燃性限制。Abelha等人[17]通過在改裝的哈特曼管中進行實驗，研究了生物質類型、焦化程度、顆粒耐久性、顆粒大小、含水率等參數對爆炸敏感性和嚴重程度的影響。結果顯示，在相同的粒度、水分含量和溫度條件下，托瑞生物質顆粒粉塵的MIE和MEC值與白色木質顆粒粉塵的MIE和MEC值相同。但是，相比于原始生物質粉塵爆炸，托瑞德生物質粉塵爆炸的嚴重程度降低。

Yuen，RKK等人[21]探究了濕木材熱解過程中的理化反應過程并建立三維數學模型，認為初始含水率越低，引燃時間越短。M.JSpearpoint等人[22]采用實驗和理論結合的方法研究錐形量熱儀中木材樣品的著火情況，建立了特定情況下炭化固體在恒定輻射熱通量下的瞬態熱解模型。認為實驗木材的氧化、種類、水含量不同是導致不同熱輻射通量下著火機理不同的原因。

3.生物質安全安全防范措施

(1)生物質安全儲存面臨的問題

在生物質在儲存過程中，將產生大量的粉塵，如果不釆取措施治理，很容易造成粉塵爆炸，給個人及集體的生命財產造成極大的損失。生物質粉體燃料在儲存過程中面臨的主要問題是生物質顆粒本身的自熱性和外部熱源干擾。

當生物質以大量體積儲存時，會產生放熱的物理、生物和化學過程。由于有效的隔熱（更大的堆或筒倉按比例更好的隔熱）不能驅散這種熱，則導致熱的發展及其在堆（或筒倉）內的局部潛在積累。當化學氧化開始熱失控過程時，局部溫度可上升到臨界點，即實際點火溫度，從而導致自燃危險[23]。即使堆內沒有氧氣，溫度發展也足以釋放易燃和有毒氣體，如揮發性有機化合物和CO[24]。任學勇等人[25]發現松木熱解產出氣體的主要順序為CO2、H2O、CH4、CO，并且隨著加熱速率增加，氣體產物的產率增加。

外部熱源是生物質安全儲存面臨的另一個重要因素。因為自熱過程通常是緩慢的，生物質的點火誘導時間可以在幾天、幾周甚至幾個月內發生。外部熱源存在導致誘導時間可以減少到幾個小時左右。外部熱源可以是太陽、炎熱的表面（尤其是在發出輻射熱量時）、因機械操作（如研磨）而產生的摩擦熱。錢松[26]對CSB統計的從1980年—2005年共281個粉塵爆炸事故案例進行分析發現木材粉塵的主要點燃源為明火占42.9%。陳剛[27]等人通過對2005年—2020年國內67起粉塵爆炸事故案例分析發現木材粉塵的主要點火源為明火花占比42.8%。

(2)生物質爆炸預防措施

目前，主要從管理和工藝設計兩個方面預防生物質儲倉粉塵爆炸問題。

①科學管理

在上崗前對工人進行粉塵爆炸的相關知識培訓，使他們了解粉塵爆炸的本質，掌握預防粉塵爆炸的基本知識，培訓考試結束后方可上崗，并嚴格規定在粉塵工作區間佩戴防塵口罩等防護用品。

嚴格遵守規章制度，加強勞動紀律，并定時對工人進行考核，使工人各盡其責，按時檢查設備運行狀態，及時對機器進行檢修和防護。在生物質儲倉工作區間，嚴禁一切明火進入，并針對不同粉塵危害等級的生物質儲倉制定針對性的應急預案。

②科學合理的工藝設計

科學合理的工藝設計有利于避免生物質儲倉發生爆炸。科學合理的工藝設計包括6個方面。A.對庫區進行合理的規劃，設置必要的消防通道；B.選用合適的防火材料，在具有爆炸風險的機械設備和建筑物周圍設置特制的隔離帶和安全帶；C.生物質儲倉的配電室和變電所與工作區保持一定的安全距離；D.全面考慮避雷、防靜電、接地和消防設計；E.采取Ar、CO2、He、N2、水蒸氣等惰性氣體保護措施；F.目前，10%直徑＜75μm的有機物質可以被小于5mJ的火花點燃，為了避免靜電火花等這類低能點火源點燃粉塵，因此需要采取必要的消除火花源措施。

③爆炸抑制

粉塵爆炸抑制裝置是由滅火劑釋放系統和爆炸監測系統組成，通過迅速噴灑滅火劑在粉塵爆炸初期熄滅火焰抑制粉塵爆炸。

A.爆炸監測系統

為了迅速發出信號，爆炸監測系統需要反應迅速且動作準確。爆炸監測系統中常用的傳感器有壓力傳感器、光學傳感器和熱電傳感器三種類型。由于生物質儲倉中含有大量的粉塵，對感光和感煙傳感器監測影響較大，一般采用壓力傳感器進行監測。

B.滅火劑釋放系統

當粉塵爆炸監測系統發出信號時，滅火劑釋放系統接受信號后立即快速釋放滅火劑。

④科學泄爆

泄爆是一種防止設備本身和周圍環境免遭破壞的防護技術措施，通過在易爆管道和設備上安裝泄爆口，在可燃粉塵空氣混合物發生爆炸的初始和發展階段，將高壓和高溫燃燒產物朝安全方向放泄出去。

為了減少爆炸損失，降低粉塵爆炸危害程度和減少人員傷亡，泄爆是一種有效的措施。在粉塵發生爆炸的過程中，通過泄爆口將壓力迅速釋放，因此降低了爆炸危害程度。科學泄爆需要考慮很多因素，主要包括泄爆位置、泄爆面積和泄爆材料等。

4.結論

燃煤電廠耦合生物質發電技術符合我國“雙碳”策略，由于生物質顆粒本身的自熱性和外部熱源干擾使生物質在密閉空間里易發生爆炸，難以安全存儲。采取科學管理、合理的工藝設計、爆炸抑制和科學泄爆措施對生物質粉塵爆炸進行預防。