什么是粉尘爆炸?

Question

如题所述

Answer 1

粉尘爆炸是指在粉尘浓度处于爆炸极限范围内时，遇到热源（如明火或高温），粉尘与空气混合物迅速点燃，火焰在混合空间内瞬间传播，化学反应速度极快，同时释放大量热能，形成高温和高压，系统的能量转化为机械功、光和热辐射，具有极强的破坏力。
常用的防护措施主要分为四种：遏制、泄放、抑制和隔离。泄放措施包括正常情况下的压力泄放和无火焰泄放；隔离措施包括机械隔离和化学隔离。主要的防护设备有防爆板、防爆门、无焰泄放系统、隔离阀和抑爆系统。
在实际应用中，通常不会单独使用一种防护措施，而是多种措施组合使用，以达到更可靠、更经济的效果。在介绍粉体防护措施之前，我们先来了解粉体产生爆炸的要素和防护原理。
粉体爆炸的三要素为：可燃物料、火源、氧化剂，缺一不可。我们需要对处理的原材料进行危险性评估，如岩估，以确定采取的防护措施。对于易燃易爆物料，应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。
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差异很大。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秒的时间内达到高于8bar的爆炸压力。因此，对危险性物料进行防护是必需的。
下面我们逐一介绍遏制、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。首先，对于遏制，即在设计、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，但这种措施往往以高成本为代价。
其次，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。
第三，抑制是利用了爆炸需要的三要素以及原理。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，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。
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！