工业粉体爆炸防护技术与应用

                               陈林¹       陈晓红²     张红军²

（¹北京泽华化学工程有限公司广州分公司，广州   510240 ² 北京泽华化学工程有限公司上海分公司，上海 200030） 

摘    要：介绍了工业粉体防护的爆炸防护技术，阐述了不同爆炸防护措施的应用及其所用的防爆设备，重点阐述了爆炸抑制系统的特点及在粉体防护中的应用。

关键词：粉体；遏制；泄放；抑制；隔离; 爆炸抑制系统

     在工业生产中产生的许多粉末和灰尘在空气中与氧气混合后,在达到一定 的浓度时，如有火源存在，就会产生爆炸事故。在工业上，在处理、输送或储存某些原料时都是通过结构轻型的设备 ，但这些设备都不是设计成能抵抗由于粉尘在极短时间内爆炸所产生的高压，所以必须 采取安全的防护措施来保护这些设备，以处理这些易燃的固体颗粒。

     常见的危险性原料，如塑料、墨粉、染料和调色剂、杀虫剂、含碳粉、药剂、谷物、食糖、可可粉、面粉、奶粉、淀粉和木屑等，通过它们的“最大爆炸压力指数P_max值”和“爆燃指数K_st值”来评估后,发现都存在着重大的爆炸风险。这两个指数是粉尘燃烧能量的一个评估指标，用来给所有的粉尘爆炸保护及预防应用方面确定合适的防护措施。

     在处理易燃易爆粉尘时存在风险的典型的设备有：反应器、磨粉机、烘箱、混合器、筛选机、研磨机、搅拌器、粉碎机、干燥机、过滤器、粉尘收集器、和旋风分离器。原料的处理设备如旋风分离器和斗式提升机都必须和储存设备如低压储槽、储存箱、料仓一起纳入保护和预防的方案中。实验室和实验性工厂设备，比如罩体、手套盒、试验密室在处理易燃粉尘时也都存在风险。

现在以美国BS&B安全系统有限公司的粉尘防爆和抑爆产品作为例子，来简单阐述工业粉体爆炸保护和预防的技术以及应用。

     常用的防护措施或方案主要有四种：遏制、泄放、抑制、隔离。其中泄放分为正常情况下的压力泄放和无火焰泄放；隔离分为机械隔离和化学隔离。主要防护设备包括：防爆板（Explosion Panel）、防爆门(Explosion Vent)、无焰泄放系统(Flameless Venting)、隔离阀(Explosion Isolation Valve)以及抑爆系统(Explosion Suppression Systems)。在实际应用中，并不是每一种防护措施单独使用，往往采用多种防护措施进行组合运用，以达到更可靠更经济的防护目的。

     在具体介绍粉体防护措施前，我们先来认识下粉体产生爆炸的要素和防护原理。首先，构成爆炸的三要素为：可燃物料、火源、氧化剂，缺一不可。

其次，我们要对处理的原材料进行危险性评估，以确定采取的防护措施.以下表格是对比较有代表性的原材料易爆指标评估的例子,其中“最大爆炸压力指数P_max值”和“爆燃指数K_st值”越大，表示该原料危险性越大，越容易爆炸，越是要采取防护措施。

     对于评估过的易燃易爆物料，就应该选择适当的防护措施，从前面我们知道有四种方案：遏制、泄放、抑制和隔离。从 下图我们可以看出，没有采取任何防护措施和采取了防护措施的爆炸事故所产生的爆炸压力的大小。可以看出来，没有采取任何防护措施任其发展的爆炸产生的爆炸压力要远远大于采取防护措施的爆炸产生的爆炸压力，危害性更大。通过比较，一个不采取任何防护措施的农业粉尘的爆炸通常会在小于1/4秒（该数值对于各种易燃粉尘而不同）的时间内达到高于8bar的爆炸压力。 所以我们对危险性物料进行防护是必需的。

     下面我们对遏制、泄放、抑制和隔离四种防护措施和其组合措施，以及所采用的防爆设备逐一进行介绍：

      首先，对于遏制，就是在设计、制造粉体处理设备的时候采用增加设备厚度的方法以增大设备的抗压强度，但是这种措施往往以高成本为代价，在金属材料价格日益昂贵的今天，采用这种措施显然是非常不经济的。

其次，对于泄放，包括正常泄放和无焰泄放，是利用防爆板、防爆门、无焰泄放系统对所保护的设备在发生爆炸的时候采取的主动爆破，泄放爆炸压力的办法进行泄压，以达到保护粉体处理设备的安全。防爆板通常用来保护户外的粉体处理设备，如粉尘收集器、旋风收集器等，压力泄放的时候并随有火焰以及粉体的泄放，可能对人员和附近设备产生伤害和破坏；防爆门通常用来保护处理粉体的车间建筑，以达到整个车间避免产生粉体爆炸；对于处于室内的粉体处理设备，有时对泄放要求非常严格，不能产生火焰、物料泄放或者没有预留泄放空间的情况下，通常会采用无焰泄放系统，以达到保护人员以及周围设备的安全。

     第三，对于抑制，爆炸抑制系统是在爆燃现象发生的初期（初始爆炸）由传感器器及时检测到，通过发射器快速在系统设备中喷射抑爆剂，从而避免危及设备乃至装置的二次爆炸，通常情况下爆炸抑制系统与爆炸隔离系统一起组合使用。抑制就是利用了爆炸需要的三要素以及原理。根据这个原理，爆炸需要完整的三个要素，并在适当的条件下产生爆炸。所以要抑制爆炸的发生，必须取消三要素中的一个要素。一种措施是往粉体处理设备内部注入惰性气体如N₂、CO₂等代替空气，从而降低氧化剂：氧气O₂的含量，以达到抑制爆炸的目的；另一种措施是取消易燃易爆物料，但是这是不可能的，因为设备本身就是用来处理该物料的。所以以上两种措施都是不可能或者很难做到的，所以我们一般采用最简单的措施，就是取消其中的一个重要要素：火源，从而抑制爆炸的发生。这就要采用爆炸抑制系统，最简单的爆炸抑制系统是由四个单元组成：监视器、传感器、发射器和电源。

      四个单元各自的功能分别为：监视器可以提供可视或者可听的警报，对整个系统的激活、密封故障、气压和电源故障进行监视，而且发射器的发射不是由监视器触发，而是由传感器直接触发，从而大大缩短了抑爆系统的反应时间。传感器由三个朝向不同方向的压力传感器组成，其中一个设定在低压状态，两个设定在高压状态，必须同时有其中两个压力传感器被激活时，整个系统才被触发，从而避免误操作的发生。发射器由抑爆剂筒、气体罐（充满低压氮气200Psi-300Psi）、电子控制器组成，而且抑爆剂（碳酸氢钠粉末）和压力气体分开储存，这样避免使用者在检查和维护的时候不处于受压系统的危险之中。电源给整个系统供电，可以由交流电输入转换成24V直流电，也可以直接使用电池，另外还有三个继电输出端，一个显示交流电的供应情况，一个显示系统是否有故障，一个显示系统是否在工作。这四个单元即可组成一个最简单的抑爆系统，但是有时要保护的范围很大，就需要增加发射筒，一个传感器最多可以连接十个发射筒。

     粉体爆炸的形成和发展的过程是这样的：在密闭的工业设备内部产生的许多粉末和灰尘与空气中的氧气混合，假如达到适当 的浓度，万一产生了火花，就会由火花发展成小火球，如不抑制就会由小火球发展成大火球，并伴随有高温高压的产生，当压力升高到一定程度，超出了设备的抗压强度，就会发生爆炸。在此过程中，升高的压力会产生冲击波，而且冲击波的传播速度远大于火焰传播的速度，利用这个原理，让抑爆系统的传感器及时探测到冲击波，在火焰还没有时间发展成爆燃的时候，发射器喷射出抑爆剂（碳酸氢钠），将火焰喷灭，从而避免小火球演变成大火球，甚至形成爆炸，从而破坏设备，甚至危害到人身安全。

     抑爆系统通俗来说相当于一个自动灭火器，但是在这里要灭的不是熊熊烈火而是发生爆炸前期的小火球。当安装在粉体设备上的传感器探测到设备内部发生火花，使得燃料燃烧，形成小火球，即将要发展成大火球产生爆炸的瞬间，马上发出一个指令给发射筒，发射筒马上会向设备内部喷出灭火剂，把要引发爆炸的火花熄灭，从而抑制了爆炸的发生。

     第四，对于隔离，分为机械隔离和化学隔离两种，往往和抑爆系统一起应用。

隔离就是把有爆炸危险的设备与相连的设备隔离开，从而避免爆炸的传播，产生二次爆炸。一般在设备的物料入口安装化学隔离，在设备的物料出口安装机械隔离阀。化学隔离和抑爆系统中的发射筒相同，只是一般为45°安装；机械隔离阀类似于常见的闸阀。

      在现代工业中，我们给粉体设备做防爆措施，不能只单独考虑某一个设备，要从整体出发，要作为一个防爆系统工程来设计，所以往往需要采取多种方案组合应用。如泄放和机械隔离方案、泄放和化学隔离方案、无焰泄放和机械隔离方案、无焰泄放和化学隔离方案、抑制和机械隔离方案等等，也可能需要所有方案的集合体。

美国BS&B公司作为安全泄放技术领域的领导者，对于工业粉体爆炸防护系统承担的义务和责任是全面的，包含：

•           爆炸预防和保护技术的设计和制造

•           支持、影响着该领域的规范和标准的发展

•           给业主、操作人员、设备制造商和工程顾问以及承包商提供工程建议和服务

•           给客户提供全球网络支持服务

•           以最好的工程经验进行风险评估

     综上所述，在工业高速发展的今天，伴随的粉体爆炸事故日益增加，非常普遍，并且给工业带来了巨大的损失，甚至远远超出了火灾带来的危害。根据国际标准如NFPA68、NAPA69、NFPA654规范的指导，为了工业的安全生产，为了人身和设备的安全，又由于爆炸的不确定性，我们务必提高安全防范意识，在设计、制造、使用带危险性的粉体设备时，应当给工业粉体设备上保险：采取合适的防护措施进行防爆！

参考文献：

1). NFPA 654: Standard for the Prevention of the Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing and Handling of Combustible Particulate Solids

2). NFPA 68:  Venting of Deflagrations

3). NFPA 69:  Explosion Prevention Systems

第一作者：陈林，泽华广州分公司任职，中国区IPD产品经理，电话：020-61225153-202，邮箱：chenlin@zehua-chem.com