安全管理网

运用本质安全原理预防煤粉爆炸

  
评论: 更新日期:2015年10月05日

  
  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400 g/m3和600 g/m3两个浓度,分别用1 kJ、2 kJ、5 kJ和10 kJ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Amyotte et al.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10 kJ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8 g的3号煤样与不同质量的400目的CaCO3组成的混合物用5 kJ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2 kJ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
  [1] R.K.耳克霍夫.工业生产粉尘爆炸预防和缓解——近期研究与发展综述[J].中国安全科学学报,1995,5(6):5~10
  [2] Lutz William K.Advancing inherent safety into methodology[J].Process Safety Progress,1997,16(2):86~88
  [3] Paul R.Amyotte,Michael J.Pegg,Faisal I.Khan.et al.Moderation of dust explosions[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2007,20:675—687
  [4] Edwards.D.W.Are we too risk-averse for inherent safety? An examination of current status and barriers to adoption[J].Process Safety and Environmental Protection,2005,83(B2):90—100
  [5] Amyotte,P.R.,Basu,A.and Khan,F.I.Reduction of dust explosion hazard by fuel substitution in power plants[J].Process Safety and Environmental Protection,2003,81:457—462
  [6] 谭迎新,王志杰.固体惰性介质对煤粉爆炸压力的影响研究[J].中国安全科学学报,2007,17(12):76~79
  [7] Paul R.Amyotte.Solid inertants and their use in dust explosion prevention and mitigation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19:161—173
  [8] Overton,T.,King,G.M.Inherehtly safer technology:an evolutionary approach[J].Process Safety Progress,2006,25:116-119
  [9] Olivier Dufaud,Laurent Perrin,Mamadou Traore.Dust/vapour explosions:Hybrid behaviours? [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2008,21:481—484
  [10] Kenneth L.Cashdollar.Coal dust explosibility[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9:65-67


 

网友评论 more
创想安科网站简介会员服务广告服务业务合作提交需求会员中心在线投稿版权声明友情链接联系我们