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近年來,，國內(nèi)外煤礦、電力,、紡織,、糧食等粉塵爆炸事故屢見不鮮，嚴重危及著人類生命和生產(chǎn)安全,，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失,。由于人們對粉塵防爆認識不足，重視不夠致使一些工廠的粉塵爆炸事故屢屢發(fā)生,，這些粉塵爆炸事故大多發(fā)生在除塵系統(tǒng),，而除塵器又是除塵系統(tǒng)中最危險的區(qū)域。
隨著環(huán)保意識的加強,，人們對企業(yè)向大氣排放的污染氣體的要求也越來越嚴,，而袋式除塵器正是煙塵,、粉塵污染的克星，是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備,。袋式防塵器最大優(yōu)點是除塵效率高,，在實際應(yīng)用中可達到99．9%，粉塵排放濃度可達10mg/m3以下,，甚至達到1 mg/m3,。正是因為袋式除塵器這些優(yōu)點，已在眾多企業(yè)中得到應(yīng)用,。但隨著袋式除塵器普及,，袋式除塵器粉塵爆炸事故也呈上升趨勢,，因此袋式除塵器防爆設(shè)計已提及到日程上,。
1 發(fā)生粉塵爆炸條件及機理［1,2］
粉塵爆炸發(fā)生需要3個條件：①空氣中粉塵達到一定的濃度，即處于爆炸上下限內(nèi),，一般爆炸下限最為人們關(guān)注,；②有足夠能量的點火源；③足夠的空氣或氧氣混合接觸,。
粉塵爆炸是一個非常復(fù)雜的過程,，受很多因素的影響，所以爆炸機理至今尚不十分清楚,，一般認為粉塵爆炸經(jīng)過以下發(fā)展過程：粉塵爆炸首先是粉塵粒子從點燃源獲得能量后(熱傳導(dǎo),、熱輻射)表面受熱，另外粉塵粒子獲得能量后內(nèi)外相繼受熱而產(chǎn)生熔融和氣化迸發(fā)出熾熱微小質(zhì)子顆?；蚧鸹?，會形成粉塵的點火源。由于粉塵表面積大,，與空氣能夠充分接觸,，加之粉塵層的存在，故粉塵粒子表面溫度急劇上升,，使粉塵粒子加速分解或氣化,。當(dāng)與空氣混合接觸時即可形成氣相點火，這樣粉塵中既有氣相也有固相,，兩相同時存在燃燒時更加劇烈,。而且，靜電的積聚摩擦也形成點火源,。當(dāng)粉塵濃度與空氣混合達到爆炸下限時遇到點火源即可燃燒,，在初始燃燒時，由于粉塵與空氣混合較充分,，粉塵即可爆炸,，并以壓力波的方式釋放能量,，所以常常把機械裝置中的粉塵吹出來，把地面上的粉塵層吹起,，形成了飛揚的粉塵云,，這些粉塵云再被初始爆炸的灼熱殘余物瞬間再次點燃，接著發(fā)生第2次爆炸,，同時可產(chǎn)生空氣湍流,。這次爆炸由于把大量沉積的粉塵再次吹起，其爆炸的威力比初始爆炸大得多,，粉塵的爆炸受到點火源的形成,、最小點火能量和粉塵濃度等多種因素的影響?？蓮谋ㄟ^程看出：粉塵顆粒直徑的大小是引爆難易程度的決定者,，引燃源是起爆的關(guān)鍵因素，而引燃粉塵云造成二次爆炸是最大危害,。
2 防爆技術(shù)
防爆技術(shù)可分為預(yù)防性技術(shù)措施和設(shè)計性措施,。預(yù)防性措施是指使粉塵的濃度低于爆炸下限和粉塵的大量堆積，及消除有效引燃源,；設(shè)計性措施是指預(yù)防爆炸發(fā)生的措施難以奏效時而采取的將爆炸危害程度降至安全水平的措施,，使爆炸不至于造成人員傷亡，爆炸后設(shè)備短時間內(nèi)可恢復(fù)使用的技術(shù),，它包括：抗暴,、抑爆、隔爆,、泄爆等,。
袋式除塵器內(nèi)作為集塵收集地，使粉塵的濃度時刻低于爆炸下限,，經(jīng)濟上不劃算,，也很難做到；但不讓大量粉塵堆積是可以做到的,。有效引燃源要區(qū)分下列2種引燃源：普通引燃源(例如焊接,、磨削、熏煙產(chǎn)生的引燃源)和機械故障引起的引燃源(機械火花,、高溫表面,、無焰燃燒聚熱、靜電火花),。其中各類運動摩擦引然源是最常發(fā)生的,，粉塵爆炸的多半事故都是由它引起的。另外經(jīng)調(diào)查和試驗,，在粉塵云中主要是發(fā)生電暈放電,，在工業(yè)生產(chǎn)中尚未發(fā)生過閃電式放電,。此外，工業(yè)性生產(chǎn)設(shè)備也難以發(fā)生這種閃電式放電,，除非形成的粉塵云的容器容積大于60 m3或直徑大于3m,，才有這種可能。
抗爆就是結(jié)構(gòu)本身能夠承受爆炸壓力,，結(jié)構(gòu)本身不發(fā)生爆裂,。抗爆結(jié)構(gòu)有耐爆炸壓力及耐爆炸沖擊壓力2種,，耐爆炸壓力設(shè)計應(yīng)遵守壓力容器設(shè)計制造規(guī)范,，而耐爆炸沖擊壓力可適當(dāng)放寬。一般地：耐爆炸沖擊壓力為1．5倍的耐爆炸壓力,。
抑爆就是將設(shè)備內(nèi)可燃物質(zhì)爆炸撲滅在初始階段,，從而避免過高爆炸壓力的措施，一個成功的抑爆系統(tǒng)能夠在爆炸壓力1×104Pa時動作,，抑制后設(shè)備內(nèi)最大壓力低于1×105Pa,。抑爆分為2種，一種為被動式,，如水袋和阻燃粉末裝置，這類裝置就是爆炸壓力上升到一定范圍內(nèi),，自動破裂拋撒出水或阻燃粉末,；一種由探測初始爆炸傳感器，控制單元及帶高壓驅(qū)動的高速噴灑(HRD)抑爆器組成的智能抑爆裝置,。
隔爆就是要為防止1個容器內(nèi)發(fā)生的爆炸沿連接管道傳播到后續(xù)容器,，從而導(dǎo)致系統(tǒng)爆炸，造成更大的損失,，然而實際中危害最大的爆炸就是因為隔爆裝置不能工作或沒有設(shè)計,。它一般可在管道上安裝火焰探頭，觸發(fā)相應(yīng)機構(gòu),，實現(xiàn)爆炸阻斷,。
粉塵爆炸會產(chǎn)生高達0．7—1MPa的壓力，而泄爆措施可以將上升的壓力限制在構(gòu)件材料強度所能承受的范圍內(nèi),，粉塵爆
炸具有圖1所示的特征,，其中的曲線a表示密閉容器內(nèi)發(fā)生爆炸的情況，Pmax表示最大爆炸壓力,，Pn表示最大爆炸壓力上升速率,；曲線b表示有泄爆發(fā)生的情況，Pred表示最大爆炸壓力和Pn表示最大爆炸壓力上升速率,。由此可見,，泄爆對于減輕爆炸危害有著及其重要的作用,。
圖1 粉塵爆炸曲線圖
3 袋式除塵器的防爆措施[3]
3．1 控制袋式除塵器內(nèi)的粉塵堆積量
工業(yè)可燃性粉塵危險濃度一般為：20—6000g/m3。通常袋式除塵器是工藝系統(tǒng)最后部分,，含塵氣體經(jīng)過管道送入袋式除塵器被捕集形成粉塵層,，并通過脈沖反吹清灰落入灰斗。在這些過程中,，粉塵在袋式除塵器中濃度很有可能處于上述危險濃度范圍之內(nèi),。因此，要加強系統(tǒng)通風(fēng)量,，特別是清灰要及時,，使袋式除塵器和管道中的粉塵濃度低于危險范圍的下限。及時把漏斗的灰塵運走,，對袋式除塵器的安全正常運行等方面至關(guān)重要,，袋式除塵器處理的粉塵多是易燃型粉塵，如果漏斗灰塵不及時運走,，會使粉塵中熱量積累,，容易使粉塵發(fā)生自燃。堆積的粉塵并不是一個嚴實的整體,，其中是有空氣的,，堆積的粉塵其實是空氣與粉塵的混合膠體，這將會成為二次粉塵爆炸源泉,，為安全埋下隱患,。采用雙層氣動卸灰閥，可以保證及時排灰,，減少漏風(fēng)率,，并可避免不嚴密處粉塵外溢，防止粉塵二次污染,。
3．2 清除點火源
在袋式除塵器內(nèi)點火源主要是以下幾種：普通引燃源,、沖擊或摩擦產(chǎn)生的火化、靜電火化及外殼溫度等,。①普通引燃源主要是由外界的火源直接帶進來,，特別是氣割火焰和電焊火花，因為袋式除塵器一般均為焊件,，對于氣割火焰和電焊火花主要是在修理儀器時產(chǎn)生的,，所以可通過加強管理，提高工人防爆意識等方面進行控制,，在進行儀器修理時還要清除修理部位周圍的粉塵,。②沖擊或摩擦產(chǎn)生的火花通常是由螺母或鐵塊等金屬物件吸入袋式除塵器發(fā)生碰撞引起的火花，其消除方法主要是：在吸塵罩處設(shè)置適當(dāng)?shù)慕饘倬W(wǎng),，電磁除鐵裝置,，防止金屬進入收塵管道和袋式除塵器中,，維修后應(yīng)及時取出落入管道中金屬物質(zhì)。其次通風(fēng)機最好布置在袋式除塵器后潔凈空氣側(cè),，防止金屬異物與風(fēng)機高速旋轉(zhuǎn)葉片碰撞產(chǎn)生火花,，并可防止易燃易爆粉塵與高速旋轉(zhuǎn)葉片摩擦發(fā)熱燃燒。最后管網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)速要合理,，過高風(fēng)速可使粉塵加速對管道的磨損,，試驗表明磨損率同風(fēng)速成立方關(guān)系，從而給除塵器內(nèi)部帶來更多的金屬物質(zhì),。③靜電產(chǎn)生的機理現(xiàn)在還沒有弄清出,，但可以采取必要措施防靜電。選用與帶電序列中相近的物質(zhì),，或與帶電序列相反的物質(zhì)組合起來使用,，盡量減少接觸電位差，那么就可以最大程度的抑制靜電的產(chǎn)生,。所帶的正負電荷自行中和,，達到消除靜電的目的。其次接地是最主要,、最普遍的泄漏措施之一,。設(shè)備、容器,、管道等應(yīng)保持等電位,。根據(jù)實際情況，采用分散或集中的接地系統(tǒng)進行可靠接地,，其接地電阻要求在1—2Ω范圍之內(nèi)。此外增加導(dǎo)電性,，用導(dǎo)體或?qū)щ娢镔|(zhì)代替高絕緣性物質(zhì),。特別是采用抗靜電濾料，這主要是試驗表明濾料是產(chǎn)生靜電最集中的部位,，另外,，堆積于濾袋上的粉塵層使空間電場強度增大，有可能擊穿空氣而發(fā)生火花放電,。最后可以采用提高環(huán)境濕度的辦法來泄漏靜電,，也可以在生產(chǎn)過程中直接摻水。④保持除塵器外殼的溫度不能過高,，由于大量粉塵被外殼內(nèi)壁吸附,，外殼溫度過高使的粉塵表面受熱，獲得能量后產(chǎn)生熔融和氣化迸發(fā)出熾熱微小質(zhì)子顆?；蚧鸹?，也形成粉塵的點火源,。所以控制好環(huán)境溫度不可把袋式除塵器放置屋外。
3．3 安裝泄爆膜
對于袋式除塵器來說,，最有效也最經(jīng)濟防爆措施是安裝泄爆膜,，安裝泄爆膜關(guān)鍵在于泄爆面積的計算，泄爆面積太小不起作用,，太大又會增加成本,。在國際上最常用泄爆面積計算方法是Kst諾摸圖法、St諾摸圖法,。袋式除塵器泄爆位置也很重要,，主要靠近易爆發(fā)生點，泄爆效果更好,。如圖2袋式除塵器結(jié)構(gòu)簡圖所示,。
圖2 袋式除塵器結(jié)構(gòu)簡圖
3．4 隔爆和抑爆
隔爆裝置可以采用一種緊急關(guān)斷閥，它是由紅外線火焰?zhèn)鞲衅骺焖賳託鈩邮綇椈砷y而實現(xiàn)的,。能夠觸發(fā)安裝在距離傳感器足夠遠的緊急關(guān)斷閥,，防止火焰或爆炸波及爆炸物向其它場所傳播形成二次爆炸，從而爆炸事故控制的特定區(qū)域,，避免事態(tài)的惡化,，造成更嚴重的后果。如果為小型袋式除塵器易采用被動式有壓水袋或阻燃粉末裝置,，粉塵為親水物質(zhì)易采用有壓水袋,，其它采用阻燃粉末裝置；如果為大型袋式除塵器易采用智能高壓噴灑裝置,。
3．5 其它
粉塵爆炸絕大多數(shù)都是人員的疏忽造成的,，加強人員的管理是最根本和重要的。①對操作人員進行理論及實踐知識的培訓(xùn),，使操作人員意識到粉塵爆炸危險性及如何有效地防塵防爆,；②加強勞動紀律，在工作中必須時刻注意袋式除塵器運行情況,；③絕對禁止在袋式除塵器工作時間對其進行電焊,、氣割等操作和火進入或靠近工作區(qū)。
附：
煤磨系統(tǒng)爆炸原因及防范措施
我廠自1994年底投產(chǎn)以來,，煤磨系統(tǒng)分別于1995,、1997、1998三年發(fā)生了4次爆炸事故,，造成了煤磨系統(tǒng)的設(shè)備損壞,，嚴重影響了生產(chǎn)，并造成重大的經(jīng)濟損失。本文就爆炸原因進行分析,、并提出防范措施,。
1 煤磨系統(tǒng)工藝流程及設(shè)備概況
煤磨系統(tǒng)工藝流程見圖1。
圖1 煤磨系統(tǒng)工藝流程
該系統(tǒng)采用Φ2.8m×5m+3m的風(fēng)掃磨,，設(shè)計能力16～17t/h,，使用PPDC96-6(M)袋式除塵器，Φ2500粗粉分離器,。設(shè)有2臺CO氣體分析儀,，分別監(jiān)測袋除塵器進、出口以及窯頭,、窯尾煤粉倉的CO濃度,。袋除塵器及2煤粉倉各配有1套CO2自動滅火裝置。在粗粉分離器,、袋除塵器入口管道,、袋除塵器上設(shè)計安裝了防爆閥。煤磨烘干使用窯尾預(yù)熱器廢氣,，正常運行時,，系統(tǒng)在氧含量較低(6%～10%)的惰性氣氛下運行，而且流程簡捷,。從設(shè)計總體上來說,，應(yīng)該是非常安全的。
2 第一次爆炸現(xiàn)象及原因的初步分析
1995年初,，正處在生產(chǎn)調(diào)試時期,，發(fā)生了第一次爆炸事故，使系統(tǒng)所有的防爆閥被炸開,，袋除塵器箱體變形,，袋籠也嚴重變形而全部報廢，布袋全部被燒,，現(xiàn)場大火經(jīng)努力撲救才熄滅,。當(dāng)時認為主要原因是運行操作時煤磨的出口氣體溫度過高所致。由于煤磨的烘干能力差,，烘干后煤粉水分高達3%～4%，嚴重影響窯的煅燒,，甚至使窯頭,、窯尾的喂煤秤無法正常使用。為了提高烘干能力,，降低煤粉水分,，將煤磨出口氣體溫度由一般水泥廠控制的70℃左右，提高到80～85℃。
這次爆炸同時暴露了我廠煤磨系統(tǒng)的一些嚴重問題:
1)袋除塵器安裝3個防爆閥,，防爆閥的閥蓋在爆炸的沖擊下打開并沖過了檢修平臺欄桿,，由于袋除塵器的檢修平臺欄桿的設(shè)計不合理，爆炸后,，閥蓋在重力的作用下回扣時,，卻被檢修平臺欄桿所阻擋。防爆閥不能重新閉合,，使爆炸發(fā)生后,，不能及時、有效地為袋除塵器隔絕空氣,，從而加劇了袋除塵器內(nèi)煤粉及布袋的燃燒,。見圖2。
圖2 爆炸前后檢修平臺設(shè)計示意
2)袋除塵器的CO2滅火裝置沒能及時,、自動啟動,，延誤了滅火時機。當(dāng)現(xiàn)場手動開啟時,，又由于防爆閥沒有能及時重新閉合,，滅火效果差。
3)防爆閥數(shù)量少,，使爆炸的能量不能得到有效的釋放,，袋除塵器設(shè)備受爆炸沖擊力較大而受損嚴重。
針對以上情況,，作了相應(yīng)的改進,，加寬了檢修平臺，調(diào)試好了袋除塵器CO2滅火裝置的自控系統(tǒng),，在磨頭,、磨尾的風(fēng)管上增加了2個防爆閥，并降低運行時煤磨出口氣體溫度至70～75℃,。
3 對4次爆炸事故的進一步分析
1997,、1998年接連發(fā)生了3次爆炸，由于采取上述措施,，設(shè)備沒有大的破壞,，只是袋除塵器的布袋被燒，更換布袋后煤磨就又能運行了,。
通過對這4次系統(tǒng)爆炸情況的對比分析發(fā)現(xiàn):
1)自控系統(tǒng)不能預(yù)防和阻止爆炸的發(fā)生
我廠煤磨的自控系統(tǒng)使用的是ABB公司的集散型自動控制系統(tǒng),。就煤磨系統(tǒng)來說，其檢測點多,，反應(yīng)迅速,，自動化程度高。但煤磨爆炸非常突然，爆炸之前,，中控室自控系統(tǒng)所監(jiān)測到的系統(tǒng)參數(shù)沒有一點異常,，爆炸的瞬間，系統(tǒng)所有的參數(shù)都是無征兆地突變,，爆炸的整個過程又非常短促,，自控系統(tǒng)根本就來不及作出及時的反應(yīng)。所以我廠煤磨的自控系統(tǒng)不能夠預(yù)防和阻止爆炸的發(fā)生,。事實上,，我廠的自控系統(tǒng)的掃描周期將近1s，參數(shù)的趨勢曲線的數(shù)據(jù)為15s一個平均值,，而爆炸的發(fā)生為毫秒級,。因此中控室顯示和記錄的系統(tǒng)參數(shù)的變化及報警清單中參數(shù)的報警先后順序，無法準確地反映爆炸時系統(tǒng)的真實情況,，不可能從中分析出爆炸發(fā)生的詳細過程,。
2)爆炸均發(fā)生在停磨的瞬間
實際上，在煤磨的運轉(zhuǎn)過程中從未發(fā)生爆炸,。4次爆炸都發(fā)生在正常停磨操作過程中,，而且都發(fā)生在煤磨電動機停的一瞬間。
我廠煤磨停磨操作如下:關(guān)閉熱風(fēng)閥,，停小高溫風(fēng)機,，同時打開冷風(fēng)閥，用冷風(fēng)掃磨,，使出磨氣體溫度由正常運行時的70℃慢慢降到55℃以下,，最后停煤磨主電動機組。從止熱風(fēng),、開冷風(fēng)到停磨這個過程有5～10min,。
煤粉發(fā)生爆炸要滿足以下兩個條件:①煤粉與空氣混合，其濃度要在45～2000g/m3之間,，才能形成爆炸性混合物,，否則，只能發(fā)生燃燒而不能發(fā)生爆炸,；②一旦溫度過高或有火花才會引爆,。
在停煤磨時，為了降低系統(tǒng)溫度,，加入新鮮的冷空氣,，不可避免形成爆炸性混合物。停磨的一瞬間,，由于某種原因偶爾產(chǎn)生火花(由于機械摩擦、電氣、靜電等)或自燃引爆了混合物,，從而發(fā)生爆炸,。
我廠煤磨系統(tǒng)每次爆炸前，CO濃度都正常,，而且較低,，基本上可以排除是因煤粉自燃而發(fā)生爆炸的可能。而且煤磨系統(tǒng)做了很好的接地處理,，使用防爆電動機,，除塵器使用的是防靜電布袋。因此,，在防止靜電,、電氣火花的產(chǎn)生方面沒有什么更好、更進一步的措施,。
4 改造措施及效果
我廠煤磨冷風(fēng)閥原設(shè)計為Φ400mm,，而熱風(fēng)管道為Φ800mm，當(dāng)止熱風(fēng),、開冷風(fēng)的停磨操作時,，磨尾負壓會增大許多，此時磨內(nèi)的通風(fēng)很小,，這樣勢必增加停磨時煤磨系統(tǒng)內(nèi)的煤粉濃度,，并使停磨后較長時間處在危險的爆炸濃度中。從這一點出發(fā),，我廠在1998年煤磨大修時,，在磨頭增加1個Φ600mm的大冷風(fēng)閥，修改煤磨作業(yè)指導(dǎo)書,，停磨時,，2冷風(fēng)閥都完全打開，從而保證在停磨操作時,，磨內(nèi)有較大的通風(fēng)量,，大大降低了磨停時的煤粉濃度，減少了處在危險的爆炸濃度中的時間,，減少了發(fā)生爆炸的概率,。自從加了大冷風(fēng)閥以后，煤磨再也沒有發(fā)生爆炸事故,。
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