鋅粉料倉的泄爆設計及優(yōu)化

楊明

美施威爾（上海）有限公司 （上海 200070）

近年來可燃性粉塵爆炸事故頻發(fā)，尤其是以鎂粉、鋁粉、鋅粉為代表的金屬粉塵，其爆炸壓力持續(xù)時間長，釋放的能量大，具有極強的破壞性。2014年江蘇省昆山市發(fā)生的特別重大鋁粉塵爆炸事故,造成75人死亡、185人受傷。粉塵處理遍及化工、醫(yī)藥、食品、冶金、礦山等多個行業(yè)。相關裝置除選用防爆裝置外，還需要采取必要的防護措施，避免二次爆炸事故，減輕粉塵爆炸帶來的危害。因此，粉塵泄爆設計越來越得到國內(nèi)外相關企業(yè)的重視。

本文以某鋅粉項目為實例，介紹了鋅粉料倉在垂直落料和切線進料兩種工況下的泄爆設計及對比。重點介紹了泄爆壓力下料倉設計強度的確定，泄爆面積的計算和爆破片的選用，泄壓導管的長度、直徑、壁厚及支撐的優(yōu)化設計，以及防塵蓋的優(yōu)選。在工程的整個設計過程中積累了一些經(jīng)驗和個人看法，供大家討論，以期為粉料項目中的泄爆設計提供一定的參考。

1 設計方案

1.1 項目概況

涂料鋅粉在現(xiàn)代化建設和制造行業(yè)中得到越來越廣泛的應用，如鳥巢頂棚鋼結(jié)構(gòu)的防腐就是使用鋅粉噴涂。某世界知名涂料鋅粉企業(yè)在中國當?shù)剡M行工廠搬遷重建項目，計劃年生產(chǎn)超細涂料鋅粉25萬t。項目產(chǎn)品以金屬鋅錠為原料，采用高效的“熔化蒸餾法+離心分級法”制成涂料鋅基料。生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 超細涂料鋅粉生產(chǎn)工藝流程

該項目于2013年初開始施工，2015年建成投產(chǎn)。生產(chǎn)車間總高25 m，共5層，為頂部封閉的半敞開鋼架結(jié)構(gòu)。熔爐、冷凝器、包裝線位于車間一層，旋風分離器、振動輸送裝置、分級機、氣力輸送裝置、螺旋輸送裝置等位于2～4層，料倉集中布置在頂層。整個生產(chǎn)車間配備防靜電除塵系統(tǒng)。

1.2 鋅粉爆炸危險特性分析

可燃性粉塵爆炸的條件包括5方面：（1）粉塵具有可燃性；（2）有助燃物；（3）粉塵必須懸浮在空氣或助燃氣體中，混合形成粉塵云并且達到粉塵爆炸的濃度極限；（4）有能夠引起粉塵爆炸的點火源；（5）密閉空間。

該項目產(chǎn)品為超細鋅粉，粒徑集中分布在2～9 μm之間。鋅粉為可燃性導電粉塵。粉塵顆粒越小越易燃燒，爆炸也越強烈。在裝置局部區(qū)域或容器內(nèi)，鋅粉與空氣易形成混合物，當濃度達到爆炸極限時，如遇高熱、明火、靜電火花、強烈撞擊等將發(fā)生火災爆炸。此外，鋅粉與水反應生成易燃易爆氣體——氫氣，如遇火源、高熱，極易發(fā)生火災。因此，生產(chǎn)車間和成品倉庫要做好防水防潮處理。

該項目中超細鋅粉的一些物理特性如表1所示，爆炸特性如表2所示。

表1 超細鋅粉基本物理特性

表2 超細鋅粉爆炸特性

根據(jù)可燃性粉塵云環(huán)境出現(xiàn)的頻率、持續(xù)時間及粉塵層厚度，把粉塵爆炸危險場所劃分為20，21，22三個區(qū)域。該項目生產(chǎn)車間被劃為22區(qū)，且由于鋅粉是導電性粉塵，根據(jù)GB 12476.2—2010《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設備》的規(guī)定，必須使用種類2（粉塵）防爆電氣設備，即要滿足21區(qū)用電設備要求。

1.3 鋅粉料倉和泄爆裝置介紹

1.3.1 鋅粉料倉

10臺容量為60 t的鋅粉料倉（帶椎體的圓筒形容器，外形尺寸完全相同，具體參數(shù)如表3所示）集中布置在車間頂層。根據(jù)鋅粉堆積密度、安息角和現(xiàn)場結(jié)構(gòu)條件，經(jīng)反復推算，確定料倉全容積為25 m3（包括底部活化料斗的容積）。料倉頂部配備袋式除塵器和泄壓導管。其中1～7號為半成品料倉，進料方式為氣力輸送沿筒體切線進料；8～10號為成品料倉，進料方式為垂直重力落料。料倉立面圖如圖2所示。

表3 料倉的外形尺寸參數(shù)

預防容器內(nèi)發(fā)生粉塵爆炸的積極措施是用阻燃性氣體部分替代空氣，從而抑制可燃粉塵與空氣形成爆炸混合物，但其用氣量大且作用有限。另外，不利的方面是大量的氣體引入勢必導致粉塵飛揚加劇，更有利于粉塵云的形成。該項目向料倉內(nèi)沖入50 kPa的低壓氮氣，使料倉內(nèi)部形成一定的惰性環(huán)境，從而在一定程度上抑制爆炸的發(fā)生。

圖2 鋅粉料倉立面圖

防止容器內(nèi)粉塵爆炸造成更大危害的一種措施是增加容器強度，使其可承受爆炸引起的超壓。常溫常壓下，密閉容器中粉塵的最大爆炸壓力可升至0.7～1.2 MPa，因此，對于容積較大的容器來說，單靠增加強度是非常不經(jīng)濟的。該項目中鋅粉料倉的工作壓力很低（p＜0.01 MPa），則容器自身的設計壓力也較低。綜合考慮料倉泄爆承壓和泄爆面積的大小，設計壓力需要增大。

1.3.2 爆破片

在工程實踐中，最有效的粉塵爆炸防護措施是壓力泄放，即安裝爆炸泄放裝置。泄爆是指在爆炸初始階段，通過打開預先設計的泄壓口，釋放高溫高壓燃燒產(chǎn)物和未燃混合物，防止容器內(nèi)壓力上升超過其本身設計強度以保護容器。

容器內(nèi)泄爆裝置通常包括爆破片、泄爆門、爆炸泄壓閥[1]。由于爆破片具有結(jié)構(gòu)設計更合理、密封性好、泄爆壓力穩(wěn)定、泄爆阻力小等優(yōu)點，在工程中得到廣泛使用。爆破片可以裝在容器頂部，也可以裝在容器側(cè)面。該項目中鋅粉料倉采用爆破片泄壓，考慮到生產(chǎn)車間內(nèi)的安全性，采取料倉頂部泄壓方式，并最終由泄壓導管引至車間房頂外部。

1.4 泄爆面積的計算

1.4.1 粉塵泄爆過程

粉塵爆炸時，容器內(nèi)部壓力升高。當達到泄爆裝置靜開啟壓力（pstat）時，壓力因泄爆而降低，但又因粉塵的持續(xù)爆炸而升高。二者疊加的結(jié)果是減小了粉塵泄爆壓力的上升速率，同時泄爆壓力上升達到最大值，即最大泄爆壓力（pred）。隨后容器內(nèi)壓力會隨時間持續(xù)降低[1]。容器的設計強度ps≥pred，對于料倉類低壓容器，一般取ps＝pred。如果密閉容器的強度足夠大，且沒有采用泄爆裝置，則粉塵爆炸壓力隨時間急速上升，最終達到最大爆炸壓力pmax。通常，每種粉塵相對應的pmax值是通過在20 L的球型容器內(nèi)測試所得的最大爆炸壓力。爆炸指數(shù)KSt可由密閉容器內(nèi)最大泄爆壓力上升速率和容器容積來確定，即：

KSt的值可作為粉塵爆炸猛烈程度的劃分依據(jù)。根據(jù)理論分析和以往大量的工程經(jīng)驗，容器內(nèi)粉塵泄爆的近似過程曲線如圖3所示，曲線2表示密閉容器內(nèi)的近似泄壓過程，曲線1表示粉塵的近似爆炸壓力變化。

圖3 容器內(nèi)粉塵泄爆的近似過程曲線

泄爆設計的實質(zhì)是根據(jù)工藝要求對泄爆裝置設定適當?shù)撵o開啟壓力、計算泄爆面積，最終確保容器的設計強度不小于粉塵的最大泄爆壓力。下面分別介紹該項目垂直落料和切線進料兩種方式的泄爆面積計算和料倉設計強度的確定。

1.4.2 垂直落料料倉泄爆面積計算

8～10號料倉的鋅粉進料方式是通過料倉頂部DN200（碳鋼，內(nèi)徑為203 mm，壁厚為8 mm）垂直管嘴的自由落體進料。持續(xù)的重力落料勢必會造成筒體內(nèi)大量鋅粉揚塵，有利于形成粉塵云，增大了爆炸的可能性。根據(jù)BS EN 14491：2012"Dust explosion ventingprotective systems"和 GB/T 15605—2008《粉塵爆炸泄壓指南》5.2章節(jié)，對于垂直重力進料，可用以下公式計算泄爆面積：

式中：L/D為料倉的長徑比；料倉的計算容積V=25+1=26 m3（需算入除塵器的有效容積1 m3）。

實際計算中，料倉的長徑比要取有效長徑比Leff/Deff。爆炸火焰在泄出前可能從底部貫穿整個料倉到達泄爆口，由于火焰在錐體中不能充分伸展，所以有效長度Leff=1/3錐體高+筒體高，有效體積Veff=1/3錐體容積+筒體容積，有效截面積Aeff=Veff/Leff，有效直徑 Deff=(4Aeff/π)0．5，有效長徑比 L/D=Leff/Deff。取表 3 中數(shù)值代入以上公式，求得：L/D=Leff/Deff=1。

其余參數(shù)解釋和數(shù)值見前文和表2所述：pmax=0．7 MPa；KSt=2．7 MPa·m·s－1；在工藝要求范圍內(nèi)，爆破片靜開啟壓力 pstat=0．01 MPa。根據(jù)公式（1）～（4），在項目實際允許范圍內(nèi)，試計算出垂直落料時不同的最大泄爆壓力下對應的泄壓面積，如表4所示。

表4 垂直落料時的數(shù)據(jù)對比

根據(jù)料倉頂部人孔、除塵器和各管嘴實際有效面積分布，爆破片實際面積不能大于0.70 m2。同時考慮到料倉的設計強度和經(jīng)濟性，8～10號料倉泄爆面積取 0.68 m2為宜。從公式（1）～（4）可以看出，對于垂直落料，最大泄爆壓力與泄爆面積成反比、長徑比與泄爆面積成正比、靜開啟壓力與泄爆面積成正比。

1.4.3 沿切線進料料倉泄爆面積計算

1～7號料倉的鋅粉進料是利用氮氣密相氣力輸送，沿料倉筒體切線處DN150（碳鋼，內(nèi)徑為154 mm，壁厚為7 mm）的管嘴進入料倉。鋅粉進入料倉后，沿切線做圓周運動后逐漸落入倉底，其對產(chǎn)生揚塵的影響比較小，不利于形成粉塵云。根據(jù)BSEN 14491：2012 和 GB/T 15605—2008 附錄 A.2，對于切向氣力輸送進料，可用以下公式計算泄爆面積：

式中：DF為進料管管徑，150 mm；DZ為當量直徑，mm；料倉的計算容積 V=26 m3；L/D=Leff/Deff=1。0．01 MPa≤pred≤0．1 MPa 時，k=1；0．1 MPa＜pred≤0．17 MPa時，k=2。

在工藝要求范圍內(nèi)，爆破片靜開啟壓力pstat取0．01 MPa。根據(jù)公式（5）～（8），對于切線進料，料倉最大泄爆壓力與泄爆面積成反比、長徑比與泄爆面積成正比。在項目實際允許范圍內(nèi)，試計算出沿切線進料時不同的最大泄爆壓力下對應的泄壓面積，如表5所示。

表5 沿切線落料時的數(shù)據(jù)對比

由于10臺料倉的外形尺寸完全相同，考慮料倉的設計強度、經(jīng)濟性和料倉頂部的實用面積，沿筒體切線進料的1～7號料倉和垂直重力落料的8～10號料倉的泄爆面積統(tǒng)一取0.68 m2。從爆破片供貨商提供的型號來看，相同泄爆面積下，圓形爆破片的價格遠高于長方形爆破片。最終，該項目采用尺寸為1 118 mm×610 mm,面積為0.68 m2的長方形爆破片。

1.4.4 泄壓導管對料倉設計強度的影響

為了防止泄爆時噴出的火焰對周圍人員和環(huán)境產(chǎn)生危害，并防止可能產(chǎn)生的二次爆炸，一般在泄爆口外需安裝泄壓導管，將爆炸引至安全地帶，泄壓導管應盡量短而直。該項目10臺料倉集中布置在車間頂層，因此泄壓導管可以穿過屋頂泄放至室外。由圖2（料倉的立面布置圖）可以看到，車間頂層樓面至屋頂?shù)膬艨諡?900 mm，因此泄壓導管長度取4 000 mm比較合適。泄壓導管超出屋頂上沿300 mm，既滿足空間尺寸要求又符合泄爆安全的要求。此外，還應做好屋頂開孔后的防水設計，避免雨水漏入車間。

安裝泄壓導管后，勢必在泄爆過程中增加了氣體流動的阻力，減弱了未燃燒粉塵混合物從泄爆口排出的速度，從而導致容器內(nèi)最大泄爆壓力的增加，因此需要加強容器強度[1]。根據(jù)BSEN 14491：2012中5.6章節(jié)和GB/T 15605—2008中7.2章節(jié)部分，安裝泄壓導管后的最大泄爆壓力可由下式計算求得：

式中：無泄壓導管的泄爆面積A=0．68 m2；料倉的計算容積V=26 m3；泄壓導管長度l=4 m。

公式（9） 的適用范圍：0．1 m3≤V≤10 000 m3；0．01 MPa≤pstat≤0．02 MPa；0．01 MPa≤pred≤0．2 MPa，且 pred≥pstat。

項目各參數(shù)符合公式（9）的適用范圍，代入求得2種進料方式下安裝泄壓導管的最大泄爆壓力，如表6所示。

表6 安裝泄壓導管后最大泄爆壓力對比

1.4.5 設計強度和靜開啟壓力的優(yōu)化

在最大泄爆壓力和泄爆面積的計算過程中，通過反復代入數(shù)值計算，最終在滿足料倉強度和經(jīng)濟性要求的前提下得到最優(yōu)結(jié)果。考慮泄壓導管后料倉的設計強度（ps）需要增加，其數(shù)值等于pred。垂直落料時料倉 ps=0．200 MPa，切線進料時 ps=0．099 MPa。計算結(jié)果最終確定為0．099 MPa的原因是：設計強度 ps＜0．1 MPa，不在 GB 150—2011《壓力容器》規(guī)定的壓力范圍內(nèi)，故料倉不屬于壓力容器，僅需滿足NB/T47003.2—2009《固體料倉》設計要求即可。

靜開啟壓力過低，會造成爆破片的開啟變得比較敏感。因此在工藝條件允許的范圍內(nèi)應盡可能地提高靜開啟壓力。從切線進料的計算公式可以看出，泄爆面積與靜開啟壓力沒有直接關系，因此可以適當提高靜開啟壓力，以減少非正常起跳次數(shù)。最終將1～7號料倉爆破片的靜開啟壓力調(diào)整為0.02 MPa。

1.4.6 反沖力

爆炸泄放過程中會產(chǎn)生反沖力，對容器本身和其承重支架產(chǎn)生很大的附加載荷。但該項目鋅粉料倉為垂直向上泄爆，有利于反沖力的均勻分布。而且經(jīng)設計確認，料倉壁厚和承重主梁均有一定余量。故對項目中泄爆反沖力不作考慮。

1.5 泄壓導管及防塵蓋的優(yōu)化設計

泄壓導管外形尺寸和截面積的變化對泄爆過程的影響很大,因此對泄壓導管的設計進行優(yōu)化顯得尤為重要。鋅粉料倉的泄壓導管長度已確定為4000 mm，還需要對導管的外形尺寸、壁厚、支架及防塵蓋進行設計和優(yōu)化。

1.5.1 外形尺寸的設計和優(yōu)化

爆破片安裝在料倉泄爆出口和泄壓管進口的法蘭面之間，其尺寸為1 118 mm×610 mm，因此要采用長方形法蘭進行連接。如果下游采用與爆破片截面相同的泄壓導管，理論上是可以的，但從實際使用和工程設計經(jīng)驗來看，4 m高長方形導管的強度、焊接密封性、美觀性等都沒有常規(guī)的圓形導管好。同時，泄壓導管截面積的擴大更有利于泄爆過程中最大泄爆壓力的降低，泄放效果更好。因此對泄壓導管的外形和尺寸進行優(yōu)化設計：料倉泄爆口后先連接一段“方變圓”短節(jié)，將截面從1118 mm×610 mm的長方形過渡為直徑為1 000 mm的圓形，橫截面積從0.68 m2擴大為0.79 m2；然后再連接直徑為1000 mm的圓形導管，總長度控制為4000 mm。泄壓導管外形如圖4所示。

圖4 泄壓導管外形

1.5.2 壁厚的計算確認

根據(jù)GB 50316—2008《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》中的直管計算厚度要求，壁厚計算公式如下：

式中：ts為直管計算壁厚，mm；p 為設計壓力，MPa；Do為管道外徑，mm；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力，MPa；Ej為焊接接頭系數(shù)，取0.6；Y為溫度系數(shù)，T≤482℃時取0.4；tsd為直管設計厚度，mm；C為厚度附加量之和，mm；C1為厚度減薄附加量，mm；C2為腐蝕或磨蝕附加量，mm。

泄壓導管材料為碳鋼，設計壓力取值與料倉設計壓力相同（p=0.2 MPa），外徑 Do=1000 mm，料倉設計溫度為120℃時，[σ]t=130 MPa，代入求得ts=1.3 mm。由于鋅粉對金屬的磨蝕性比較大，取C1=1 mm，C2=2.5 mm。最后計算得出導管設計厚度tsd=4.8 mm,取整后選取6 mm的碳鋼板預制泄壓導管和“方變圓”短節(jié)，同時保證焊縫強度達到焊接評定要求。

1.5.3 泄壓導管支架的設計

正常操作狀態(tài)下，泄壓導管的荷載完全支撐在料倉頂部，經(jīng)計算確認承重沒有問題。設計中在屋頂下結(jié)構(gòu)梁處為泄壓導管添加框型導向支架，預留10 mm間隙，限制其橫向位移。另外，該處不能設置承重支架，否則會影響料倉稱重模塊的測量精度。

1.5.4 防塵蓋的優(yōu)選

通常情況下，泄壓管的頂部會設置防塵蓋，一般采用鐵皮、塑料、橡膠等材質(zhì)。泄壓管上方防塵蓋既要滿足防塵、防雨的要求，又要保證泄爆通道暢通，不阻擋泄爆。該項目最終選用了帶泄爆功能的防塵罩，開啟壓力為0.005 MPa，可在保證密封性的同時確保安全泄爆。

2 經(jīng)驗總結(jié)

通過對切線進料和垂直落料2類鋅粉料倉的泄爆設計和學習，總結(jié)出幾點經(jīng)驗：

（1）之前的一些文獻對切線進料容器的泄爆設計介紹比較少。本文對料倉切線進料進行了泄爆面積計算，可以看出切線進料時最大泄爆壓力低于垂直進料時的情況。同樣工況下，料倉切線進料比垂直進料的安全性更高，相同泄爆面積下料倉的設計壓力低。

（2）對于切線進料常壓料倉，其設計強度小于0.1 MPa，避開GB 150—2011的管轄范圍，不屬于壓力容器。從公式上看，其靜開啟壓力與泄爆面積沒有直接關系，可適當提高靜開啟壓力，防止爆破片非正常開啟。

（3）通過泄爆面積的計算可以得出：長徑比與泄爆面積成正比、靜開啟壓力與泄爆面積成反比、垂直落料時靜開啟壓力與泄爆面積成正比。

（4）安裝泄壓導管，料倉最大泄爆壓力升高，需要增加料倉設計強度或增加泄爆面積。泄壓導管和防塵蓋的優(yōu)化對整個泄爆設計也很重要。

3 結(jié)束語

粉塵項目中，密閉容器中可燃性粉塵的泄爆設計尤為重要，關系到整個項目的安全。本文對切線進料和垂直落料兩種進料方式下的容器泄爆設計和泄壓導管的優(yōu)化設計作了一定的總結(jié)歸納，可為類似粉料項目的相關設計提供參考。

[1]吳全龍,陳磊,卓大立.粉塵爆炸泄壓面積計算 [J].化工裝備技術(shù),2005,6,26(6):33-35.