工业爆炸:防患于未然

在世界范围,仅仅在过去两年内便已发生了多起木粉尘爆炸事件,并且往往产生灾难性的结果。在这种情况下,掌握和了解必要的爆炸管理和缓解措施是避免任何灾难事故的核心要素。—David Grandaw,IEP Technologies 

工业爆炸事故对于任何加工和处理可燃性精细粉尘的人来说都是很大的威胁。多数的有机材料在固体形态下会燃烧,如果同样的材料在适当的条件下以粉尘形态出现,便可能引发爆炸。

 

木质粉尘也不例外。就世界范围而言,仅在过去的两年内已经发生了数起木粉尘爆炸事件,部分事故造成了人员死亡。有时,可燃性粉尘爆炸通常会在特定的工艺容器内发生。

但更多时候,初始爆炸会继而引发二次爆炸,从而带来灾难性的后果。

 

因此,处理木质粉尘的企业必须每天应对这一风险。制定一套全面完整的计划来防止正常情况下爆炸事件的发生,以及缓解和抑制不利或干扰条件下爆炸所产生的影响力,对于保障任何处理木粉尘的生产厂家的安全作业而言都是至关重要的。

通常情况下,爆炸的发生需要具备五个元素:

1)燃料,在这种情况下指的是可燃性粉尘

2)引火源

3)氧化剂,通常是指空气中的氧气

4)限制性,这会导致在爆炸的初始阶段聚积压力。

5)粉尘被分散到气流中

 

在处理干燥型木粉尘的工厂内,与粉尘爆炸息息相关的典型工艺设备包括安装在砂光设备上的除尘装置、锯机和镂铣机、旋风分离器、料仓、机械和气动输送设备,以及粒料粉碎设备等。

无论是在正常作业期间,或是在干扰条件下,上述所有设备的工艺流程都可能使木质粉尘以悬浮形式出现。一旦悬浮的粉尘形成尘云,仅需一个点火源便能引发爆燃(deflagration)。爆燃产生的压力以声速运行。

一个典型的粉尘爆炸顺序如下:

- 尘云的点燃

- 爆燃压力造成工艺容器和装置的破裂

- 从该工艺容器形成的冲击波释放了在工艺区的水平面上聚积的灰尘,例如管道、传送带甚至灯具,使其在工艺区形成悬浮状态

- 从初始工艺容器中逸出的火球会点燃工艺区新形成的悬浮灰尘,继而造成足以摧毁整个大楼的二次爆炸的发生。

- 火焰通过互相连接的导管、槽口或输送装置向上游和/或下游连接的设备传播和蔓延,继而造成额外的爆炸。

 

爆炸风险管理

要管理这种爆炸危险,就必须对工艺设备在正常、异常和干燥条件下的情况了如指掌。美国国家防火协会(NFPA)建议做一个过程危害性分析(process hazard analysis,简称PHA)。PHA包括对正在处理的粉尘的可燃性进行评估,鉴定尘云会在流程的哪个阶段产生,以及确定潜在的火源。

PHA应当制定一份评估方案,主要是对潜在的爆燃事件的后果进行评估,其中包括主爆炸和二次爆炸的情况。确定需采用的爆炸预防和缓解措施以降低风险事件的发生也是PHA的一个重要组成部分。

一旦了解工艺设备或装置内存在的爆炸风险,便需要采取第一道防御手段。这些举措旨在最大程度减少潜在的着火源。典型的着火源包括轴承故障/过热、静电放电、金属异物、砂带或刳刨工具断裂、或其它产品和通风设备发生机械故障。

常用的引火预防技术包括磁性分离器、静电粘结和接地,按照区域划分原则选择正确的电气设备,以及严格遵循安全的高温作业步骤。火花和余烬探测系统通常被安装在除尘以及气动输送生产线上。这些设备主要检测穿过装置的燃烧余烬,然后沿着下游位置喷射水分以便在余烬达到下游的空气分离器之前将它们熄灭。分流阀通常会与火花探测系统结合使用,目的是中止气流或重新将其引导到安全区域。

对于防爆计划来说,最大程度减少水平表面上聚积的残留粉尘层是一个重要组成部分。保洁工作对于防止工艺设备外部聚积粉尘而言是很重要的,它能够降低工艺容器或装置内的爆炸演变为足以破坏或摧毁工厂的二次爆炸的风险。

 

爆炸缓解

点火控制、对残留灰尘进行适当的保洁处理、持续培训专人管理粉尘爆炸风险等都是防止爆炸事故在正常工件条件下发生的核心要素。

遗憾的是,在任何容器或装置内都可能发生引发爆炸事故的异常状况。这也是为什么NFPA要求在这些容易遭受爆炸威胁的容器和装置内应用爆炸缓解技术的原因所在。NFPA 69防爆系统规范列出了一系列旨在应对爆炸威胁的抑制方法。

其中某些方式,如遏制手段(建造的工艺装置具有足够的坚固性,以承受爆炸压力),惰化(在贫氧环境中操作),以及稀释手段(注入一种非可燃性物质,以打造出不会爆炸的混合物)在木屑颗粒行业并不具备很高的可行性。相比较之下,最常用的遏制手段包括泄爆、爆炸抑制以及隔爆。

 

防爆泄放

爆炸泄放是最广泛使用的一种用于缓解粉尘爆炸的手段,它要求在容器壁上安装一个或几个防爆泄压口。泄压口由一块薄膜组成,薄膜选用的建构材料要比容器壁稍弱。在粉尘爆炸的初期阶段,泄压口断裂并且将爆炸的超压、火焰,燃烧和未燃烧的材料,以及其它燃烧副产物等从泄压口移至安全的位置。

防爆泄压口的设计原则是确保爆炸的压力上升不超过工艺容器的冲击压力。这些泄压口需根据NFPA 68:爆燃泄压爆炸防护标准列出的步骤和要求进行设计的。

NFPA提供了一个用于预估泄压火球尺寸的方程式,有了这个信息,便能够计算出在泄压容器前方需要设计的安全距离,以此能够保护工人、设备和建筑结构不会受到喷射火球所爆燃泄放口的热效应会持续延伸。因此,必须将一个用于确定工人安全区域的安全要素纳入设计方案中。

无焰泄放口可以保护室内设备免受粉尘爆炸的侵袭,具体方式是结合使用一款防爆泄压排气口和一款用于捕获火焰以及保留颗粒的捕夹。无焰通气孔会排出热气体和超压。因此,在无焰口周围必须建立一道安全警戒线,以保护工人免受这些排放物带来的风险

与爆炸泄放口一样,无焰泄放口的设计遵循NFPA68中列出的程序进行。为了确保无焰泄放口能够有效地保护工艺容器,室体积与容器体积的比率(即,房间的体积的比率设计在该排出容器位于该容器的体积)也必须保持在低于无焰通气制造商的建议。

由于任何阻塞在捕夹中的灰尘或污垢都会损害泄放口的正常操作,因此必须定期清洗捕夹,以确保表面始终不含灰尘或污垢。某些泄放口制造商提供低惯性、防火的织料覆盖物来保持捕夹表面的洁净。

 

爆炸抑制

爆炸抑制系统在点火后很快就能检测到初期的粉尘爆炸态势,同时快速喷射一款化学灭火剂来应对设备内部形成的火球,并且在具有破坏性的超压情况形成之前将爆燃熄灭。

一款典型的爆炸抑制系统是由一个(或多个)抑爆器、一个(或多个)爆炸压力检测器、一个(或多个)火焰检测器和和控制面板等核心部件组成的。抑爆系统是根据“NFPA 69:防爆系统标准”中罗列的要求进行设计的。通常情况下,抑爆系统还包括对可能出现火焰传播的互连管道进行防爆隔离。

爆炸抑制的主要优点是:火焰不会从受保护的容器和装置中喷射出来,并且也大大减少了二次燃热事件的发生概率和风险性。

 

爆炸隔离

爆炸隔离装置通过将管道、斜槽或输送装置与其它设备进行连接的方式来防止工艺容器和装置内的爆燃进一步扩散和蔓延,因为这可能会引发后续的爆炸。爆炸隔离装置的工作方式是缓解连接设备之间的火焰传播和压力重叠。隔离装置可以为能动型,也可以为被动型。

能动器件配置了检测元件,包括爆炸压力检测器和/或火焰检测器,以及一套控制元件。检测器检测爆炸压力或火焰,并且发送信号给控制单元,以便快速和高效地利用该装置。这类能动型的爆炸隔离装置的工作方式是向连接管道快速喷射碳酸氢钠等化学灭火剂,以缓解火焰传播态势。

一种机械隔离方案包括选用高速闸阀。在能动型高速闸式阀的探测器检测到爆炸压力或火焰后的毫秒内,控制元件快速利用机械屏障—穿过连接管道关闭闸阀。

除了主动隔离方案,也可以选择被动型的隔离装置来减缓火焰传播。可配置挡板或浮块的被动阀通过来自暴燃的气流得到自激活。因此它不需要探测器或控制元件。这款被动型的隔离装置通常用于分离粉尘处理设备,并且具有相对较低的灰尘负荷。

无论如何,木材加工厂内的粉尘爆炸事故是可以避免的。了解工厂内究竟哪里可能发生这类爆炸事件、实施点火预防系统、采用严格的保洁措施、以及为员工提供合适的培训都是将这类爆炸事故扼杀在摇篮中的关键要素。综上所述,采用一系列高效的防爆措施,例如泄爆、爆炸抑制和爆炸隔离等手段能够最大程度降低工厂内的工艺设备在初期阶段发生爆炸的风险,从而防止其演变为灾难性事件。

 

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