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运用本质安全原理预防煤粉爆炸
运用本质安全原理预防煤粉爆炸
中国安全网 - 安全资讯 来源:
作者苏丹李化高聪黄卫星
【摘要】旨在将本质安全原理与粉尘爆炸(以煤粉爆炸为例)的风险控制联系起来。
利用20L球形爆炸装置的标准测试方法测试煤粉及煤粉-CaCO3混合物的爆炸下限、最大爆炸压力、压力上升速度等爆炸特性。
基于本质安全基本原理和试验结果,讨论预防煤粉爆炸的各种基本方法,并重点阐述本质安全原理与粉尘爆炸影响因素、不同的预防方法、过程设备的选择等之间的关系,对已制定的爆炸风险控制措施进行完善和补充。
【关键词】本质安全;粉尘爆炸;煤粉爆炸;爆炸预防
0引言
粉尘爆炸是可燃物尘粒与空气中的氧充分接触,在特定条件下,瞬时完成的剧烈氧化反应,反应放出大量热,形成急剧增高的压力波。
粉尘爆炸一般规模大,且易发生二次爆炸,释放的能量相对可燃气体和液体蒸气要大得多,人员伤亡和财产损失往往也大得多。
随着现代工业的发展,粉末技术得到广泛应用,预防和抑制粉尘爆炸就更为重要。
对于煤矿、冶金、火电厂等生产和加工煤的行业,了解煤粉爆炸特性及其预防抑制措施十分重要。
目前,国内外关于粉尘爆炸的研究主要包括爆炸机理和应用技术两方面。
由于粉尘爆炸非常复杂,综合数学理论还未成熟,实际应用还存在着困难,更多的是通过实验测试爆炸参数等基本研究[1]。
我国正处于重化工业的快速发展时期,安全生产形势十分严峻,实现本质安全及通过追求生产流程诸要素的安全可靠和谐统一,使各种危险因素始终处于受控制状态显得尤为重要。
笔者结合本质安全原理,根据煤粉爆炸特性实验结果,讨论并提出其爆炸危险及预防措施。
1本质安全
本质安全的正式概念是在20世纪70年代后期由英国化工安全专家TrevorKletz提出的:
“预防事故的最佳方法不是依靠更加可靠的附加安全设施,而是通过消除危险或降低危险程度以取代那些安全装置,从而降低事故发生的可能性和严重性”[2]。
不同国家不同行业对本质安全的理解不尽相同,笔者认为,本质安全是保证生产安全的主动方法,不需要额外的设备或程序干涉就能消除危险。
过程工业预防损失的措施主要从以下3方面考虑:
1)本质安全;
2)工程安全;
3)程序安全。
本质安全是指在安全的生产环境下使用安全的物料消除危险,它利用物料或过程本身的性质来消除危险;
工程安全,又叫附加安全,包括附加安全装置(如爆炸泄放装置、自动抑制系统等),该类装置只在过程发生扰乱时才运行;
程序安全,又叫管理控制,利用安全技术(规章)和程序(如高温作业许可证等)来减小风险。
本质安全区别于其他两种安全的根本在于消除危险的来源,而不是有了危险再设法减轻其影响。
对于理想的本质安全,是不需要任何工程上或程序上的安全装置的。
表1是.Amyotte等提出的本质安全的基本原理[3]。
风险控制措施的首选顺序是本质安全,工程安全,然后是程序安全。
实际生产中,本质安全可能不能独立地将爆炸风险降低到可以接受的程度,还需要工程上的装置,如安全阀、爆破片,以及程序上的安全装置如接地、压焊等。
但是,应用本质安全可以减少对工程和程序装置的依赖。
尽管本质安全逐渐被视为生产安全的一个重要组成部分,但还没有得到普遍的应用,要加强本质安全原理的应用还需要更多的研究和努力[4]。
2实验简介
实验设备20升爆炸球装置如图1所示。
实验用2MPa的高压空气将储粉罐内的煤粉经机械两向阀和分散嘴喷至预先抽成真空的20L球形装置内部,形成一定浓度的粉尘云;同时开始计算机采样,并用点火装置点火引爆气粉混合物;最后,对采样结果进行分析、计算,完成实验。
实验用煤粉的工业分析如表2所示。
实验中对煤样进行了研磨,采用标准金属筛进行分筛,得到4种粒径范围的煤粉样品,如表3所示。
用成都精新粉体测试设备有限公司的JL1166系列对煤粉的粒度进行分析测试,由于设备测量范围的限制,1号煤粉没能进行粒度分析,2~4号煤粉的粒度分析结果如图2所示,中位粒径D50如表4所示。
3粉尘爆炸的预防
3.1最小化原理
可燃粉尘与空气混合物,仅在其爆炸范围内才能引燃,若粉尘浓度能保持在爆炸范围之外,就能防止粉尘爆炸。
但若粉尘浓度超过了爆炸上限,随着粉尘的逐渐沉降,其浓度下降,最终会处于爆炸范围内,且爆炸十分猛烈,因此,爆炸上限对于预防粉尘爆炸没有太大的意义。
根据本质安全的最小化原理,尽可能地将粉尘浓度减到最小,使其浓度保持在爆炸下限以下,就能预防爆炸的发生。
实验采用2KJ能量的点火头测试了4种煤样的爆炸下限,结果如图3所示。
(爆炸与否通常以爆炸压力来判定,此次实验采用升压超过0.06MPa作为煤粉发生爆炸的判据。
)
针对以上4种煤样,只要将其浓度控制在各自爆炸下限以内,理论上就可以移除“粉尘爆炸五边形”(燃料、氧化剂、点火源、粉尘与空气混合以及粉尘云的限制)中的燃料边从而起到预防粉尘爆炸的作用。
粉末加工/生产行业,应用湿法不产生粉尘或尽量将粉尘减到最少,可以通过限制粉尘悬浮的形成(如用吸尘器代替清扫)消除工作场所的粉尘沉积,从而防止二次爆炸的发生。
点火能量也是影响爆炸的重要因素。
实验室以2号煤粉为例,选用400g/m3和600g/m3两个浓度,分别用1kJ、2kJ、5kJ和10kJ的点火头点火,观察了不同能量点火头对煤粉爆炸特性的影响。
实验结果如图4所示。
可以看出,点火能量越大,煤粉爆炸越剧烈。
因此,根据最小化原理,消除点火源,即能量最小化,使其达不到最小点燃能量或最低点火温度也是防止粉尘爆炸的重要措施。
常采取的措施有:
严禁明火照明,使用防爆灯具及防爆电气设备;防止机械由于摩擦、故障等原因产生火花或异常高温;防止静电蓄积,出现静电火花;防止使用手工工具产生摩擦火花;使用恒温器以防室内温度过高等。
3.2替代原理
替代原理在粉尘爆炸的应用有几种形式,包括工作程序的替代(如前面的用吸尘器替代扫帚清扫粉尘积聚)、生产过程的替代、危险物料的替代。
由Amyotteetal.提出的用石油焦部分替代煤粉就属于危险物料替代,替代后的混合燃料有大量的经济效益,同时对于本质安全也是有益的[5]。
若没有合适的物料替代,也可以考虑用粒度尺寸大的替代尺寸小的来减少粉尘爆炸风险。
从图3可以看出,随着煤粉粒度的增大,其爆炸下限增大。
选用10kJ能量的点火头,在相同的浓度等条件下测得,
随着煤粉粒径增加,最大爆炸压力Pmax和最大压力上升速率(dP/dt)max均降低,如图5所示。
这是因为大尺寸颗粒较小尺寸颗粒比表面积小,燃烧活性部位少,分散困难,危险性更小。
因此,在生产允许的情况下,用大尺寸粒度的粉尘代替小尺寸粒度来预防粉尘爆炸是本质安全的典型应用。
3.3适度原理
适度原理通常是指通过降低温度或压力来减少过程中的能量,爆炸性粉尘的使用不可避免时,应考虑物料本身和环境的适度,即爆炸性粉尘能否在安全的形式和环境下使用。
实验室用碳酸钙粉(CaCO3)作为固体惰性剂研究了其对煤粉爆炸的影响。
图6是惰化剂浓度对惰化效果的影响,实验测量8g的3号煤样与不同质量的400目的CaCO3组成的混合物用5kJ点火能点燃产生的最大爆炸压力。
可以看出,当CaCO3含量超过80%时基本不会爆炸。
惰性剂的加入对爆炸下限也有一定的影响,实验用3号煤样与不同质量的3000目的CaCO3混合,在2kJ点火能作用下的爆炸下限,结果如图7所示,当CaCO3含量大于40%时测得未爆炸,认为其不具爆炸性。
可见,通过加入CaCO3,使其与煤粉混合可以减少粉尘爆炸的风险,这是因为当CaCO3粉-煤粉混合粉尘云发生爆炸时,CaCO3粉吸收了爆炸火焰热量,从而使系统冷却降温,火焰熄灭,同时CaCO3粒子还能够隔开煤粉粒子起到屏蔽热辐射、热传导的作用,使火焰温度到达某一点后不继续上升,煤粒子不能挥发出需要的气体热分解产物,火焰不能继续燃烧[6]。
惰性剂的组成、粒度尺寸、可燃气体的存在、点火能量及设备尺寸等都是影响惰化效果的因素[3],还需要进一步的研究。
这里讨论的是惰性剂与粉尘在被点燃之前已经很好混合的情况,Amyotte将这种方法描述为“隋化”,主要在于预防粉尘爆炸的发生;而另一种方法“抑制”,惰性剂是在粉,尘/空气混合物被点燃时注入,主要在于减轻粉尘爆炸的后果。
于是,惰化可以定义为本质安全方法(适度原理),而抑制则属于工程措施[7]。
3.4简化原理
简化原理同样可以应用于粉尘爆炸风险控制,主要在工程设计阶段运用。
一般地,尽早将本质安全原理应用到工程设计中,能降低危险的发生几率及后果,能减少工程上和程序上的安全装置。
可通过压力或抗震设计等,加强过程设备抵抗扰乱的能力,使得设备更加本质安全,如道化学公司的过程设备设计使得设备能够承受可能出现的最大爆炸压力,而不需要额外的压力泄放系统[8]。
Amyotte认为,通过简化原理达到本质安全的关键在于保持清洁,给出危险物料的明确信息以及掌握如何正确处理它们。
4结论
1)实验结果表明:
增加煤粉粒度,减小煤粉浓度、点火能及加入惰性物质能够消除或减小爆炸风险。
另外温度、湿度、可燃性气体存在[9-10]等因素对粉尘爆炸也有影响,还需要进一步的实验研究。
2)理想的本质安全在特定的条件和环境中才有可能实现。
因此,还需要在工程上和程序上采取一些安全装置,只是应注意,需求的数量尽可能减少。
可以说,现实本质安全+工程安全+程序安全=更高水平的(较理想的)本质安全。
参考文献
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信息来源:
中国安全科学学报200811(责任编辑:
袁辉)
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- 运用 本质 安全 原理 预防 爆炸