除尘器

可燃性粉尘通风工程实施要点探讨

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2018-12-18 15:07:24

摘要:鉴于近期国内外重特大粉尘爆炸事故频发,本文主要从粉尘性质、防爆区域的划分出发,并结合可燃性粉尘特性参数和通风参数对工业厂房内的通风除尘设备的选择、设备防爆选型以及通风系统整体效果、验收、维护等问题作了相应阐述,旨在为可燃性粉尘通风除尘工程设计主体、流程监督管理等梳理分析,对通风工程实施各个环节要点进行总结和探讨,为相关企业的通风除尘工程的实施提供建议和参考。

关键词:可燃粉尘;通风除尘;工程要点

0引言

2014年8月2日7时34分,位于江苏省苏州市昆山市昆山经济技术开发区的昆山中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故,共计造成146人死亡,114人受伤,直接经济损失已达3.51亿元。

近期粉尘爆炸事故呈高发态势,昆山粉尘爆炸事故不是偶然,从该起特别重大事故暴露出来的一系列问题:

1)可燃性粉尘定性定量问题,企业如何确定生产过程中产生的粉尘是可燃可爆的;

2)防爆区域划分问题;粉尘防爆20区、21区、22区的问题,涉及电气电路、非电气防爆、照明灯具、设备布置、布局、静电防护等问题。

3)通风设计参数问题——通风速度、通风压力、通风阻力;该类型参数的设置对于可燃粉尘要求及标准,如不能满足标准将带来极大火灾爆炸风险。

4)通风设备——通风风机、电机、通风风管、局部排风罩防范火源、防止火花产生的问题;

5)除尘方式选择——湿法除尘或干法除尘;根据粉尘性质,如是湿法处理,特别是对于金属颗粒物的处理,要注意氢气处理问题并注重过滤效率;对于干法除尘而言,要注意除尘箱体、滤筒等是相对受限空间问题,还有除尘过滤材料问题在过滤滤尘过程中产生的静电释放以及静电导除问题;

6)通风设计归口单位,通风除尘工程、特别是涉及新建、改造的可燃可爆炸风险域的局部通风设计,归口部门是安全监督管理部门的安全专篇设计,还是住房和城乡建设部的车间设计、通风设计以及通风设计出图、验收、签章的流程管理问题,应权属监管,明确职责。

粉尘处理在许多工业设施中构成潜在的爆炸危险。类似于气体爆炸,粉尘爆炸的后果通常是严重的,然而,爆炸的发生是有条件的。以下就是围绕以上问题进行分析、探索及分析。

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01粉尘分类及防爆区域划分

1 可燃性粉尘分类

可燃性粉尘(爆炸性粉尘)指与空气混合后可能阴燃、闷燃、爆燃现象的粉尘。在相关企业的实际生产过程中,企业工作人员对可燃性粉尘的认识很不全面,仅仅认为使用明火无法点燃,就认为该粉尘为非可燃粉尘。所以在企业实际通风除尘工程中,可燃性粉尘火灾爆炸危险性是被严重低估的,通风工程在设计之初就无防火防爆概念、更无法涉及防火防爆设计规范。

国家安全监管总局出台的《工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015版)》明确了45种可燃性粉尘,包括:金属制品加工粉尘、农副产品加工粉尘、木制品/纸制品加工粉尘、纺织品加工粉尘、橡胶和塑料制品加工粉尘、冶金/有色/建材行业煤粉制备粉尘和其他粉尘,可见,可燃性粉尘的种类繁多,涉及的成分广泛,因此有必要对粉尘的爆炸危险性进行评估。

2 可燃性粉尘特性参数

当可燃粉尘悬浮在助燃气体中,混合达到爆炸极限并有足以引起粉尘爆炸的点火源时,粉尘便会发生爆炸,因此,可燃粉尘是具有一定危险的颗粒[3]。粉尘爆炸可以是一次或者二次爆炸。然而,绝大部分企业都对粉尘燃烧、爆炸特性一无所知。从粉尘颗粒的物化机理特性来看,可燃性粉尘云爆炸特性主要通过最大爆炸压力、压力上升速率、爆炸指数、爆炸极限、最小点火能、最低着火温度、最大允许氧浓度等七方面来描述,如表1。这些参数在泄爆、抑爆、隔离、惰化等防爆工程设计方面是基础元素。

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3 爆炸风险区域划分

粉尘燃烧需要三条件即可燃物、助燃物及点火源,爆炸是在燃烧的条件下增加两个条件,一是粉尘扩散形成粉尘云,二是在相对受限空间,也就是爆炸需要五个条件。相对来说,粉尘爆炸也可以认为是一种快速的粉尘颗粒燃烧,基于此需要对工厂、车间、工位的危险区域进行划分。爆炸性危险场所是指存在或可能存在可燃性物质与空气混合物的场所。很多企业对可燃性粉尘的防爆区域的划分不是很了解,即使部分企业划分防爆区域但有较多地方不到位,首先就是电气线路布线、静电防护等电力环节与设计爆炸风险区域等级脱节的问题。其次电力装置没有按照安装规范要求并实施防爆装置的安装等。根据GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》,可燃性粉尘和易燃性纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所,按其危险程度的大小可分为20、21、22三个区域等级。20区:在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现,其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部;21区:在正常运行过程中,可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区的场所,该区域包括与充入排放粉尘点直接相邻的场所、出现粉尘层和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物的场所;22区:在异常条件下,可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时间存在、或可燃性粉尘偶尔堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。但对于通风系统中一些重要区域如除尘器箱体、集尘仓、清灰电机等划分区域常常存在偏差,因此在系统设计的时候要予以重点关注。

02设备防爆选型问题

在粉尘爆炸性环境内,电气设备须根据爆炸危险区域的分区、可燃性物质和可燃性粉尘的分级、可燃性物质的引燃温度、可燃性粉尘云和可燃性粉尘层的最低引燃温度进行选择。爆炸性粉尘环境内电气设备的选型根据设备防护级别选择,国内外以及制定了包括GB12476、GB3836、GB50058、IEC61241、EN61241、IEC60079、EN 60079等详细标准。应严格根据现行标准以及所在的爆炸风险区域进行防爆电气选型。

近年对于非电气防爆也提上议程,我国的防爆技术标准是在IEC(国际电工委员会)相关标准的基础上借鉴并依据国内的现状而进行了本土化修订;GB3836系列24个标准正是当时IEC60079系列标准(已更新)的等效采用,针对的是电气设备在气体爆炸环境的防爆标准。这里有两个关键词就是:“电气设备”和“气体爆炸环境”,那么于此对应的两个概念便是:“非电气设备”和“粉尘爆炸环境”。

非电气设备是指通过机械方式实现其预定功能的设备,参照 EN 13463-3,国内制定了GB 25286.1-2010 爆炸性环境用非电气设备。电气设备的不稳定状况导致诸如“电火花”、“热表面”等点火源,GB 25285.1-2010《爆炸性环境 爆炸预防和防护 第1部分:基本原则和方法》指出了13种可能的点火源,其中包括绝“热压缩和冲击波”“机械产生的火花”“静电”“热辐射”、“火焰和热气体”等其他点燃源引发爆炸的可能应当归列于非电气防爆问题。

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03通风参数设计

通风参数设计主要包括通风速度、通风阻力、除尘效率的计算等内容,特别要注意这些参数的设计对可燃粉尘爆炸风险影响问题。

1 通风风速与阻力

关于通风合理风速的计算和确定,具体需要考虑的问题如下:

1)较多工厂为降低投资成本,一方面风管设计为粗糙的砖砌结构,沿程阻力较大;另一方面为风速流速设计偏低,导致大量粉尘在管道沉积,留下严重的安全隐患。部分工厂为降低爆炸风险进行除尘器改造,配备诸如单向阀亦等爆炸保护装置,降低除尘系统产生系统爆炸的可能性,但安装单向阀后的除尘管道阻力增大,原有的除尘器风机的功率可能就无法保证除尘效率,因此需要重新复核设计。

2)在通风管道系统的设计过程中的变径、三通、弯头等未按照相关设计标准设计,T字型三通较多,管道盲端较多,导致局部阻力增大,在这些环节过程中随着沉积粉尘的大量堆积而再次扬起在造成风流风速突变,将加剧管道中含尘气流的紊乱,达到粉尘爆炸极限。以铝镁粉尘为例,AQ4273-2016《粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规范》指出铝镁制品抛光、打磨加工的除尘器进风管,其设计风速按照风管内的粉尘浓度不大于爆炸下限的25%计算,且不小于23m/s。即使设计风速高于23m/s,由于工厂的实际情况,变径、三通、弯头等数量偏多,可能导致实际风管的局部风速低于最低值,除尘效率下降,造成管道内粉尘堆积,爆炸风险增加。

3)通风除尘系统中,应将风机布置在末端,但工程中发现风机在局部吸收罩前端,如风机在前端,风机后续风管将产生正压,正压含尘气流在风管中的传输流动将造成极大风险。

2 除尘器类型与选择

通风除尘系统与工艺设计密切相关。设计通风除尘系统时,必须对产生可燃性粉尘的工艺过程进行详细了解,如装置的数量、原料输配的方式等,对于一些工艺复杂的要在在工艺流程图与平面布置图上标(点)出。除尘技术可分为干式除尘和湿式除尘两大类等。依据不同粉尘燃烧特性进行科学的除尘方式选择,并配套相应的防爆措施。根据《工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015版)》对可燃性粉尘的种类划分,表2指出了各类粉尘的除尘方式选择及配套防爆措施推荐。爆炸传播受多种参数的影响,正确配置爆炸隔离装置是确保有效阻止爆炸的关键。同时也要对特殊粉尘的除尘方式进行特殊设计,例如对金属粉尘的处理。

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注:表中“*”为必须配备,“√”为推荐配置,“#”需综合具体粉尘特性、工艺特点、用量大小等情况确定选择。

目前在可燃粉尘领域应用广泛的是湿式除尘与布袋除尘器,对除尘装置的合理选择必须结合工艺工况及粉尘的性质来选择最佳方案。需要注意以下几点:

1)对于工作环境的通风除尘净化设计,工作区域内的粉尘浓度必须满足工业企业卫生设计标准和职业健康安全标准,尽可能降低工作面浓度。

2)含尘气体的排放浓度必须满足国家或地方的排放标准。

3)含尘气体的浓度及粉尘的粒径、物理性质等属性问题。处理几微米以下的粉尘时,要选用过滤式除尘装置;处理粉尘的粒径粗大、含尘量高时,要同时采用惯性除尘器或旋风除尘器等作预处理装置;温度较高或湿度较大含尘气体不适宜袋式除尘。

4)除尘设备的位置布局设计等问题。除尘器是粉尘收集器,从某种程度上,粉尘的收集加剧了粉尘爆炸风险,因此对其布置室内或是室外应该进行风险评估,GB/T17919-2008《粉尘爆炸危险场所用收尘器防爆导则》指出收尘器宜布置在室外,在设计中考虑除尘器于室外运行气候参数,暴晒将增加除尘器内部温度、气温过低的北方还需要考虑结露结冰的问题。湿度过大,对于合金粉尘将产生铝热,同时对于风险较高的除尘装置,其泄爆、抑爆装置或除尘器的安全附件必须满足行业标准和粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规范。铝镁粉尘的爆炸指数随着粒径的表小而急剧升高,若使用干式除尘器则需要配备粉尘爆炸保护措施的管道包括泄爆、抑爆、隔爆等装置,方能降低爆炸风险。AQ4273-2016《粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规范》指出对于铝镁制品机械加工粉尘推荐选用湿式除尘器,采用水洗或水幕除尘工艺。图1为NFPA484指出的五种湿式除尘器的湿式除尘方式,其中方式a、b、c、d属于水洗式,含尘气流导入水中,在水位上升空间制作循环涡流板,使得含尘空气和水充分混合,以达到高效除尘的目的。而方式c原理类似于目前国内常用的水幕除尘,含尘气流于水幕接触时间不长,导致对部分粒径较小粉尘特别是对2微米以下的细微粉尘除尘效率相对较低,d方式对于小粒径的除尘效率将会更高,对于铝镁制品机械加工进行除尘器改造,并非仅仅将干式除尘改为湿式除尘,还要考虑湿式除尘效率问题,否则由于铝镁粉尘自身遇湿发热的特性,反而造成导入式爆炸风险。当然,为追求更高的安全系数,可以推荐湿式除尘器在前,干式除尘器在后的分级除尘,提高除尘效率,彻底降低爆炸风险。

五种湿式除尘器的除尘方式.webp.jpg

04通风除尘系统

1 部件设计以及系统性设计问题

一个完整的通风除尘系统包括吸尘罩、通风管道、除尘器、风机四大部分。局部排风罩可实现粉尘产生点直接捕集防止在作业场所的扩散沉积,充分利用完善的局部排风罩,可实现用最小的风量获得最佳的控尘效果。通风管道设计满足高效低阻的要求,避免粉尘沉积。除尘器选型、设计正确,满足防爆要求。风机由于连续运转,要考虑过热表面形成着火源风险。四大部件联接成通风整体系统,设计联接环节过程也需要考虑静电导除、整体承受日常运行的风流负压压力以及粉尘爆炸产生的正压压力。

厂房内常见的的问题是通风除尘系统与工艺设计关系不够紧密,甚至有些没有考虑到实际的工艺情况,所以实际的生产过程中才会遇到诸多棘手的问题。例如局部排气气罩设计需考虑欲捕集污染物的特性,然而更多的工厂没有按照自己的工艺情况,没有根据自身产生的污染物的特性,一味的选择上吸气式排风罩,导致地结果是污染物吸收的效率低,能耗却很大。事实上高温或较细的粉尘,宜设置上吸式排风罩,若粉尘颗粒较大,则需考虑其逸散方向与重力问题,宜设置侧吸式排风罩,具体的设计方式,还需要根据工艺情况进行匹配,甚至可适当调整现有的工艺,提高除尘效率。

车间的通风除尘系统划分完毕,并且各系统的除尘点和风量确定之后,就应立即绘制出通风除尘系统图,并进行详细的压力损失计算。应采用调整管径的办法使系统和各并联管段的压力损失达到所要求的平衡状态,不仅能保证各并联支管的风量要求,而且可以装设调节阀门、还需要考虑隔离单向阀设计问题。待通风除尘系统管道压力损失平衡计算和管径确定之后,应按国家规定的工程设计深度绘制出施工平面图、剖面图、系统图和相应的施工安装图,并编制施工说明和施工安装说明。设计应该有审核图纸环节以及行政主管部门,关于可燃性粉尘的通风除尘设计应该按照安全设计专篇流程进行,由具有设计资质单位对通风除尘工程进行专项设计。专篇设计要通过安全专家会议评审通过予以实施。

通风除尘系统.jpg

2 施工安装及验收问题

按照设计图纸,进行通风除尘工程安装,也必须具有相应的设备施工安装资质,因为这里面也有几个突出的问题,一是风管走向、固定、穿墙等问题,可燃粉尘风管宜独立设置、安装应该有一定的倾角和坡度,以利于清灰。固定风管、特别是有弯头地方,不要使用过多的软联接、即不不利于风管内部清灰,也不利于外部清灰,也不利于风流稳定;同时也要防止粉尘爆炸通过弯头、软连接的地方泄放到车间室内,造成车间二次爆炸;二是除尘器与管道联接处等是否根据可燃粉尘特性进行防静电处理进行跨接;三是干式或湿式除尘器内部安装是否到位,袋过滤除尘的喷吹口安装位置是否到位,湿式除尘器如有铝热反应的是否要确保安装过程中氢气导除通道畅通,专家或第三方进行验收合格后才能投入使用。

3 运行监测、维护、监督检查问题

安装验收完成之后,还存在运行效果监测、防爆检测达标的问题。一方面是环保达标排放浓度的问题,另一方面是职业卫生现场浓度以及除尘系统整体防爆的问题。任何设备、任何系统在日常运行过程中都有一个维护、清理、保养的过程,在该过程中,同样要注意可燃粉尘的特殊性,安装维护、清理、保养的除尘系统安全规程进行操作。可燃粉尘通风除尘工程是交叉领域的工程,设计安全部门、环保部门、消防部门,因此,政府主管部门应该联合安全、环保、消防三家业务监督部门、制定运行监测、防爆检测的规程、标准,培育第三方机构、完成安全、环保、消防三方面的检测。

05结语

随着现代化工业的发展,可燃性粉尘的产物日益增多,涉及到可燃性粉尘的场所,都应该严格采取规范的通风除尘设计、安装、运行、维护流程,定量可燃性粉尘燃烧等级,规范防爆区域划分、精确通风参数设计、甄选通风除尘设备、关注通风除尘工程生命周期流程管理,每个环节都安标立规,环环相扣、最终实现可燃粉尘通风除尘工程的长治久安。

(本文作者:张小良、何锐、宋慧娟、曹新光,上海应用技术大学工业安全及爆炸防护研究所,《工业安全及环保》杂志)

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