拋丸機粉塵燃爆事故原因分析及對策措施

郝龍瓊，魏光耀

（1.武漢鋼鐵集團開圣科技有限公司，武漢 430070；2.中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233000）

五金建筑材料加工過程中，常用到拋丸機對工件作表面處理，從而使工件表面變得光滑，便于后期的電鍍，保證五金建筑材料外觀呈現(xiàn)出良好的光澤。在拋光過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵通過除塵設(shè)施吸出以減小對操作人員的健康危害。然而，不少企業(yè)發(fā)現(xiàn)拋丸機除塵系統(tǒng)會頻繁的起火甚至?xí)l(fā)生爆炸，粉塵燃爆事故給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，嚴(yán)重時影響人身安全。

1 研究對象

1.1 拋丸機設(shè)備

某建材加工廠頻繁起火的部位是拋丸機室外除塵系統(tǒng)的灰斗，該灰斗呈錐形，內(nèi)接觸面積S約為13m2。

1.2 粉塵成分組成

一般認(rèn)為，拋丸機粉塵成分包含了拋丸用鋼砂、工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等物質(zhì)。為了準(zhǔn)確了解粉塵的組成及性質(zhì)，某建材加工廠請專業(yè)檢測機構(gòu)對其頻繁起火的除塵器內(nèi)的粉塵進行了檢測，粉塵混合物的組成如表1。

表1 拋丸粉塵檢測數(shù)據(jù)

由檢測數(shù)據(jù)可知，該廠除塵器頻繁起火的主要原因是粉塵中含碳量比較高，易燃物碳粉在遇激發(fā)能源時被點燃，發(fā)生了火災(zāi)。

根據(jù)燃燒3要素及爆炸理論可推斷，拋丸機粉塵不僅會燃燒，而且在一定條件下還有發(fā)生爆炸的可能性。

2 粉塵燃燒原因分析

1）存在可燃物

（1）拋丸粉塵含碳71%、含鐵26.2%，且80%的粉塵粒度為10μm，10%的粉塵粒度為5μm，10%的粉塵粒度介于100～1 000nm，粉塵本身具有燃爆特性。

隨著正畸技術(shù)發(fā)展，越來越多的成人錯頜畸形患者開始接受正畸治療。然而，成人患者的口腔情況相對復(fù)雜，大多數(shù)成人都存在齲壞的牙齒，隨著光固化復(fù)合樹脂在齲壞治療的廣泛應(yīng)用，許多固定矯正都需要將托槽直接黏結(jié)在有光固化復(fù)合樹脂充填治療的牙齒表面上。由于齲洞大小形狀不同，光固化充填的樹脂面也各不相同，往往是托槽底板一部分黏結(jié)在樹脂面上，一部分黏結(jié)在牙齒表面上，由于牙齒表面黏結(jié)托槽一定要進行酸蝕處理，且長期存在于口內(nèi)的樹脂充填物在黏結(jié)前也同樣需要進行相應(yīng)處理，故本實驗未進行無表面處理的光固化樹脂面抗剪切強度的陰性對照。

（2）拋丸粉塵含其他物質(zhì)2.8%（工件表面的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆等），這些物質(zhì)也具有燃爆特性。

（3）管道內(nèi)壁不光滑，連接處采用了可燃材料，突變處粉塵積聚自燃，進而引燃可燃材料。

（4）濾袋為可燃材料，在遇激發(fā)能源時，被引燃。

2）具有激發(fā)能源

（1）拋丸粉塵在管道內(nèi)流動時，自身相互摩擦，塵粒與管道、設(shè)備內(nèi)壁的摩擦可以產(chǎn)生數(shù)千伏的靜電，靜電火花放電，其放電能量足以引燃粉塵。

（2）機修時，電焊或氣割產(chǎn)生的明火被吸入除塵器，引燃拋丸粉塵。

（3）拋丸過程中部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，在生產(chǎn)運轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)的溫度會逐漸升高；除塵器內(nèi)大量粉塵堆積，可燃粉塵與空氣中的氧接觸而發(fā)熱，此熱量經(jīng)過長時間積聚，可能使拋丸粉塵達(dá)到自燃溫度，從而發(fā)生自行燃燒。

3 粉塵爆炸原因分析

在爆炸性粉塵環(huán)境中，產(chǎn)生爆炸必須同時存在下列條件：存在爆炸性粉塵混合物其濃度在爆炸極限以內(nèi)，存在足以點燃爆炸性粉塵混合物的火花、電弧或高溫，密閉空間。

結(jié)合設(shè)備及操作條件分析，可能發(fā)生粉塵爆炸的原因有：

1）存在具有燃爆特性的細(xì)粉塵，且除塵時為負(fù)壓操作（吸入的空氣），當(dāng)通風(fēng)不暢時，粉塵與空氣的混合物濃度有可能達(dá)到爆炸極限。

2）存在明火、靜電、環(huán)境溫度升高等引發(fā)粉塵爆炸的激發(fā)能源。

3）拋丸機、除塵系統(tǒng)為相對密閉空間。

3.1 粉塵爆炸判據(jù)

當(dāng)某一燃燒反應(yīng)在一定空間內(nèi)進行，如散熱困難，反應(yīng)溫度則不斷提高，而溫度提高又加快了反應(yīng)速度，這樣最后就發(fā)展成爆炸［1］。這種爆炸是由于熱效應(yīng)而引起的，稱為熱爆炸。粉塵爆炸的熱爆炸判據(jù)見式（1），粉塵爆炸下限用Cd表示。該式表明粉塵發(fā)生爆炸臨界狀態(tài)時，各參數(shù)之間應(yīng)滿足的關(guān)系［2］。

式中，A為頻率因子，/min；Cd為粉塵爆炸下限，g/m3；d為點火源為中心半徑為d的空間形成一個溫升的均溫系統(tǒng)，m；Q為顆粒熱值，kJ/g；Cg為氧濃度，g/m3；E為活化能，kJ/mol；Dρ為顆粒粒徑，μm；ρs為粉塵密度，kg/m3；χ為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；S為反應(yīng)器與周圍環(huán)境相接觸的表面積，m2；R為氣體常數(shù)，8.314；TA為環(huán)境溫度，K。

參數(shù)取值：A＝2.4×1020/min；d＝1m；Q＝94.6kJ/g；E＝2.8×102kJ/mol；Dρ＝10μm（粉塵粒徑80%在10μm）；ρs＝1 370kg/m3；χ＝185.5W/（m2·K）；S＝13m2；R＝8.314。

由此可知，在粉塵成分和所處設(shè)備不變的情況下，粉塵爆炸下限Cd僅與顆粒粒徑Dρ、環(huán)境溫度TA、氧濃度Cg這3個變量相關(guān)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

1）爆炸下限Cd與溫度TA關(guān)系

假設(shè)氧濃度為正?？諝庵醒鯕鉂舛戎?，即Cg＝29.85g/m3，代入數(shù)據(jù)后，根據(jù)公式（1）可得出爆炸下限Cd與溫度TA的曲線圖，見圖1。由圖1可知，當(dāng)環(huán)境溫度TA升高時，爆炸下限Cd會下降，爆炸危險性增大，所以要控制系統(tǒng)的工作溫度。

2）爆炸下限Cd與氧濃度Cg關(guān)系

收塵器的溫度為室溫5℃以內(nèi)，取值TA＝30℃，則根據(jù)公式（1）得到爆炸下限Cd與氧濃度Cg關(guān)系曲線圖，見圖2。由圖2可知，系統(tǒng)中通入惰性氣體，如氮氣等會降低氧濃度Cg，爆炸下限Cd會上升，系統(tǒng)危險性降低。

3）爆炸下限Cd與通風(fēng)量的關(guān)系

防止爆炸所需的通風(fēng)量，按公式（2）計算

式中，L為通風(fēng)量，m3/h；q為從局部吸塵罩排出的可燃物量，g/h；Cd為粉塵爆炸下限，g/m3。

目前正常工作情況下，風(fēng)機的通風(fēng)量：室內(nèi)6 800m3/min，室外7 000～28 000m3/h；生產(chǎn)時間：連續(xù)生產(chǎn)6～7h/班；可燃物量：每班排出的積灰量為35kg。推算平均排放濃度Cp≈0.014g/m3，遠(yuǎn)小于可燃粉塵的爆炸下限。故因目前排風(fēng)量的關(guān)系，未發(fā)生粉塵爆炸事故。

當(dāng)排風(fēng)不暢，粉塵濃度達(dá)到爆炸極限時，遇激發(fā)能源可能發(fā)生粉塵爆炸。

3.3 粉塵爆炸分析結(jié)論

由上述公式及數(shù)據(jù)分析可以看出，粉塵的爆炸下限與粉塵的性質(zhì)、粒徑、環(huán)境溫度、系統(tǒng)氧含量、通風(fēng)量等相關(guān)。要預(yù)防粉塵爆炸，必須通過控制以下幾個方面著手：

1）必須嚴(yán)格控制鋼砂質(zhì)量，嚴(yán)禁使用碳含量超標(biāo)的鋼砂及拋丸設(shè)備。

2）當(dāng)粉塵粒徑Dρ減小時，爆炸下限Cd會降低，因此生產(chǎn)過程中應(yīng)及時清除干凈積灰，避免細(xì)小顆粒沉積。

3）當(dāng)環(huán)境溫度TA升高時，爆炸下限Cd會下降，爆炸危險性增大，所以要對系統(tǒng)的工作溫度進行監(jiān)控。

4）系統(tǒng)中通入惰性氣體，如氮氣，會降低氧濃度Cg，爆炸下限Cd會上升，爆炸危險性降低。因此，在設(shè)備中充入惰性介質(zhì)、降低系統(tǒng)中的氧含量是防止設(shè)備爆炸的可靠方法。

5）保證通風(fēng)量，使設(shè)備內(nèi)的粉塵濃度達(dá)不到爆炸下限濃度，阻止粉塵爆炸環(huán)境的形成。

［1］ 王振成，任新民.爆炸［M］.西安：陜西人民教育出版社，1988.

［2］ 趙江平，王振成.熱爆炸理論在粉塵爆炸機理研究中的應(yīng)用［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2004（5）.