郭紅衛(wèi)

(河南安科院安全科技服務(wù)有限公司，鄭州 450004)

0 引言

谷物粉塵爆炸一直是威脅糧食加工儲(chǔ)存企業(yè)安全生產(chǎn)的重要危險(xiǎn)源之一。粉塵爆炸是一種快速的、帶化學(xué)反應(yīng)、受眾多因素影響的氣固兩相流體力學(xué)過(guò)程，其爆炸威力大，事故后果嚴(yán)重。如2010 年河北省秦皇島驪驊淀粉股份有限公司“2·24”淀粉粉塵爆炸事故導(dǎo)致21人死亡、47 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1 773 萬(wàn)元。啤酒生產(chǎn)過(guò)程中存在著麥芽粉塵、大米粉塵等可燃性谷物粉塵，該類粉塵具有粒徑小、數(shù)量大、多為堆積狀態(tài)、有機(jī)物含量高（30%～70%）、易燃易爆等特點(diǎn)。粉塵爆炸主要發(fā)生在密閉設(shè)備中，一般先在密閉情況下爆炸發(fā)展，然后再破壞或泄壓。粉塵爆炸保護(hù)措施主要有：泄爆、抑爆、隔爆、提高設(shè)備耐壓能力或多種保護(hù)方案并用。粉塵爆炸泄壓技術(shù)是啤酒生產(chǎn)企業(yè)保護(hù)可燃粉塵處理設(shè)備、提高粉塵防爆本質(zhì)安全化程度、降低爆炸危害后果的行之有效的方法。因此，泄爆技術(shù)的應(yīng)用研究對(duì)啤酒生產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 啤酒企業(yè)谷物加工工藝及設(shè)備泄爆要求

1.1 谷物加工工藝

麥芽、大米等原料脫殼破碎是啤酒生產(chǎn)的第一步生產(chǎn)工藝，大致生產(chǎn)工藝流程為：原料→斗式提升機(jī)→料倉(cāng)→磁選器→振動(dòng)篩→制粉機(jī)→料倉(cāng)→產(chǎn)品生產(chǎn)車間。工藝流程設(shè)置了原料除塵器和粉碎原料除塵器。

1.2 谷物加工設(shè)備泄爆要求

GB 17440-2008 《糧食加工、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》及GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》等規(guī)定了對(duì)糧食加工、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)存在粉塵爆炸危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備的泄爆要求[1，2]。

（1）輸送設(shè)備

斗式提升機(jī)應(yīng)在機(jī)殼垂直段、機(jī)頭的適當(dāng)位置設(shè)泄爆口，泄爆面積應(yīng)符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關(guān)規(guī)定，機(jī)頭頂部泄爆口應(yīng)通過(guò)導(dǎo)管引出室外，若不滿足需采用不產(chǎn)生火焰或火星的無(wú)焰泄放防爆裝置。

（2）除塵設(shè)備

脈沖袋式除塵器應(yīng)安設(shè)專用泄爆口，泄爆口位置、泄爆面積應(yīng)符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關(guān)規(guī)定。GB/T 17919-2008《粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所用除塵器防爆導(dǎo)則》規(guī)定安裝于室內(nèi)的除塵器，泄爆口應(yīng)通過(guò)導(dǎo)管引出室外，且長(zhǎng)度小于3 m，若不滿足需采用無(wú)焰泄放防爆裝置[3]。

（3）料倉(cāng)

物料最高料位不應(yīng)超過(guò)泄爆口下邊緣，GB 17918-2008《港口散糧裝卸系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》中要求料倉(cāng)采用倉(cāng)頂設(shè)置泄壓裝置，泄爆面積應(yīng)符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關(guān)規(guī)定，采用無(wú)焰泄放防爆裝置[4]。

2 粉塵爆炸泄壓技術(shù)應(yīng)用

2.1 爆炸泄壓技術(shù)

爆炸泄壓是一種限制爆炸壓力的防護(hù)方法，它通過(guò)在設(shè)備壁面安裝或設(shè)置泄壓裝置，在爆炸壓力尚未達(dá)到設(shè)備的破壞壓力之前打開(kāi)預(yù)先設(shè)計(jì)的泄壓口，泄放內(nèi)部爆炸壓力，釋放未燃混合物與燃燒產(chǎn)物，防止壓力上升超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度以保護(hù)容器的控爆技術(shù)，簡(jiǎn)稱泄爆或泄壓。

除塵器、斗式提升機(jī)和料倉(cāng)等設(shè)備，一般會(huì)選擇防爆板作為爆炸泄壓設(shè)備。防爆板作為一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的泄壓設(shè)備，作用是在發(fā)生粉塵爆炸后，系統(tǒng)爆炸壓力達(dá)到防爆板的設(shè)定開(kāi)啟壓力(Pstat一般取0.01 MPa)時(shí)，防爆板打開(kāi)泄壓。壓力泄放的時(shí)候伴隨有火焰以及粉體的泄放，可能對(duì)人員和附近設(shè)備產(chǎn)生傷害和破壞。位于室內(nèi)的粉體處理設(shè)備，通常采用泄壓導(dǎo)管的方式將泄壓口引到建筑物外；當(dāng)室內(nèi)粉體處理設(shè)備周圍環(huán)境不具備安裝泄壓導(dǎo)管的規(guī)定條件時(shí)，通常會(huì)采用無(wú)焰泄放系統(tǒng)，以達(dá)到保護(hù)人員以及周圍設(shè)備的安全。

2.2 泄壓面積計(jì)算

泄壓面積指泄壓裝置泄壓開(kāi)口的幾何面積，標(biāo)準(zhǔn)的防爆板被認(rèn)為是幾乎無(wú)慣性的的泄壓裝置，其幾何面積等于其有效泄壓面積。

2.2.1 泄壓面積計(jì)算公式

式中：

V——容器容積，0.1 m3≤V≤10 000 m3；

Pstat——泄壓裝置的靜開(kāi)啟壓力，0.01 MPa ≤Pstat≤0.1 MPa ；

Pred，max——最 大 泄 爆 壓 力，0.01 MPa ≤Pred，max≤0.2 MPa；

Pred，max＞Pmax，Pmax應(yīng)為泄壓裝置的靜開(kāi)啟壓力允差范圍的上限；

Pmax——最大爆炸壓力，對(duì)于1 MPa·m/s ≤Kmax≤30 MPa·m/s 的粉塵，Pmax應(yīng)取0.5 MPa ≤Pmax≤ 1 MPa；對(duì) 于30 MPa·m/s ＜Kmax≤80 MPa·m/s 的粉塵，Pmax應(yīng)取0.5 MPa ≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE——長(zhǎng)徑比，L/DE≤20；長(zhǎng)徑比受以下條件限制：不應(yīng)使泄壓面積大于容器或筒倉(cāng)的截面積；

EF——泄壓效率，EF=1。如果泄壓效率EF=1，A就是所需的泄壓面積。對(duì)于泄壓效率小于1 的泄壓裝置，所需的泄壓面積為A/EF。

注：如果最大爆炸壓力、粉塵爆炸指數(shù)或靜開(kāi)啟壓力數(shù)值小于規(guī)定的應(yīng)用范圍，則采用相應(yīng)的參數(shù)范圍最小值后，仍可以使用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 谷物粉塵泄壓面積計(jì)算

(1)谷物粉塵的最大爆炸壓力Pmax和爆炸指數(shù)Kmax

依據(jù)《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄(2015 年版）》（安監(jiān)總廳管四[2015]84 號(hào)），以大米粉塵為例，其爆炸性參數(shù)為：中位徑＜63um ，爆炸下限60 g /m3，最大爆炸壓力（Pmax）為0.74 MPa，爆炸指數(shù)（Kmax）為5.7 MPa·m/s。

(2)靜開(kāi)啟壓力Pstat設(shè)定

靜開(kāi)啟壓力Pstat指通過(guò)壓力緩慢上升使泄壓裝置開(kāi)啟的壓力。谷物粉塵泄壓設(shè)計(jì)，通常設(shè)定Pstat為0.01 MPa。

(3)最大泄爆壓力Pred，max設(shè)定

最大泄爆壓力Pred，max指在規(guī)定的測(cè)試條件下，系統(tǒng)改變粉塵的濃度所測(cè)得泄爆壓力Pred中的最大值。谷物粉塵泄壓設(shè)計(jì)，通常設(shè)定Pred，max為0.02 MPa。

(4)有效火焰體積Veff計(jì)算

對(duì)于料倉(cāng)而言，泄壓口設(shè)置在頂部，如果料倉(cāng)是圓筒形或矩形，火焰在泄出前可能從容器的一端通過(guò)整個(gè)容器的長(zhǎng)度才到達(dá)泄壓口，因此容器的體積可視為有效火焰體積。

對(duì)于脈沖袋式除塵器而言，有效火焰體積為錐體容積的1/3 加上圓筒底部到爆破片上邊沿的高度容積。

對(duì)于斗式提升機(jī)而言，有效火焰體積等于3/4 機(jī)頭體積+3/4 機(jī)座體積+2/3 機(jī)筒體積。

(5)有效長(zhǎng)徑比Leff/Deff計(jì)算

有效長(zhǎng)徑比指任何形狀的容器或筒倉(cāng)泄壓時(shí)，有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLeff與有效直徑Deff的比值。

對(duì)于料倉(cāng)而言，泄壓口設(shè)置在頂部，如果料倉(cāng)是圓筒形或矩形，可以直接從容器的物理尺寸中計(jì)算有效長(zhǎng)徑比。

對(duì)于脈沖袋式除塵器而言，有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLeff指錐體高度的1/3 加圓筒底部到爆破片上邊沿的高度；根據(jù)計(jì)算公式(4)即可計(jì)算其有效長(zhǎng)徑比。

對(duì)于斗式提升機(jī)而言，有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLeff指從方形箱體底部到泄壓裝置的上邊界的垂直距離，根據(jù)管道泄壓宜每隔6 m 設(shè)置一個(gè)徑向泄壓口，Leff通常取值為6 m。根據(jù)計(jì)算公式(4)即可計(jì)算其有效長(zhǎng)徑比。

(6)泄壓面積A計(jì)算

將以上參數(shù)代入計(jì)算公式(1)即可計(jì)算谷物粉塵泄壓面積。

2.3 防爆板的選用

防爆板是非重閉式壓力泄放裝置，它在一定的開(kāi)啟壓力下破裂打開(kāi)泄壓口。谷物粉塵防爆板通常要求抗脈動(dòng)壓能力強(qiáng)，抗疲勞性能好，可承受粒料的輕微撞擊，因此建議采用正拱開(kāi)縫型防爆板，防爆板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮開(kāi)啟壓力滿足要求，泄放面積大于計(jì)算泄壓面積，能防止碎片飛出等因素。另外在防爆板上建議增加電訊號(hào)傳感器，通過(guò)信號(hào)線連接到控制室，防爆板動(dòng)作時(shí)得到爆破片破裂的信號(hào)。

2.4 泄壓導(dǎo)管設(shè)計(jì)

為了安全泄出壓力波、火焰和燃燒產(chǎn)物，在泄壓裝置下游安裝的泄壓導(dǎo)管應(yīng)將泄壓口引到建筑物外不危及人員或使與安全有關(guān)的設(shè)備操作受到限制的安全位置，導(dǎo)管短且直，長(zhǎng)度應(yīng)小于3 m；泄壓導(dǎo)管的截面積應(yīng)不小于泄壓口面積，其強(qiáng)度應(yīng)不低于被保護(hù)粉體設(shè)備的強(qiáng)度；泄壓導(dǎo)管與泄壓面的軸線之間的夾角不應(yīng)超過(guò)20。；泄壓導(dǎo)管不應(yīng)關(guān)閉，但允許用輕的物體覆蓋，以防止雨雪進(jìn)入，這些覆蓋物應(yīng)能被很低的開(kāi)啟壓力（≤0.01 MPa）打開(kāi)，并應(yīng)不影響泄壓過(guò)程或危及人和物的安全。

3 結(jié)論

1）粉塵爆炸泄壓技術(shù)是保護(hù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)谷物粉塵處理設(shè)備、緩解谷物粉塵爆炸危害的重要措施之一，在啤酒企業(yè)粉塵防爆改造方面普遍采用。

2）只有正確的設(shè)計(jì)安裝泄壓裝置才能達(dá)到預(yù)期的泄爆效果，并避免泄壓帶來(lái)的火焰和壓力的危害以及對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3）爆炸泄壓不能預(yù)防爆炸，在采用了爆炸泄壓方法的情況下，企業(yè)也應(yīng)采取或完善粉塵爆炸預(yù)防措施，避免谷物粉塵與空氣混合物的濃度達(dá)到其爆炸極限以及點(diǎn)火源的形成，從而預(yù)防粉塵爆炸的發(fā)生。