啤酒企業谷物粉塵爆炸泄壓技術應用研究

郭紅衛

(河南安科院安全科技服務有限公司，鄭州 450004)

0 引言

谷物粉塵爆炸一直是威脅糧食加工儲存企業安全生產的重要危險源之一。粉塵爆炸是一種快速的、帶化學反應、受眾多因素影響的氣固兩相流體力學過程，其爆炸威力大，事故后果嚴重。如2010 年河北省秦皇島驪驊淀粉股份有限公司“2·24”淀粉粉塵爆炸事故導致21人死亡、47 人受傷，直接經濟損失1 773 萬元。啤酒生產過程中存在著麥芽粉塵、大米粉塵等可燃性谷物粉塵，該類粉塵具有粒徑小、數量大、多為堆積狀態、有機物含量高（30%～70%）、易燃易爆等特點。粉塵爆炸主要發生在密閉設備中，一般先在密閉情況下爆炸發展，然后再破壞或泄壓。粉塵爆炸保護措施主要有：泄爆、抑爆、隔爆、提高設備耐壓能力或多種保護方案并用。粉塵爆炸泄壓技術是啤酒生產企業保護可燃粉塵處理設備、提高粉塵防爆本質安全化程度、降低爆炸危害后果的行之有效的方法。因此，泄爆技術的應用研究對啤酒生產企業安全生產具有重要的現實意義。

1 啤酒企業谷物加工工藝及設備泄爆要求

1.1 谷物加工工藝

麥芽、大米等原料脫殼破碎是啤酒生產的第一步生產工藝，大致生產工藝流程為：原料→斗式提升機→料倉→磁選器→振動篩→制粉機→料倉→產品生產車間。工藝流程設置了原料除塵器和粉碎原料除塵器。

1.2 谷物加工設備泄爆要求

GB 17440-2008 《糧食加工、儲運系統粉塵防爆安全規程》及GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》等規定了對糧食加工、儲運系統存在粉塵爆炸危險的機械設備的泄爆要求[1，2]。

（1）輸送設備

斗式提升機應在機殼垂直段、機頭的適當位置設泄爆口，泄爆面積應符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關規定，機頭頂部泄爆口應通過導管引出室外，若不滿足需采用不產生火焰或火星的無焰泄放防爆裝置。

（2）除塵設備

脈沖袋式除塵器應安設專用泄爆口，泄爆口位置、泄爆面積應符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關規定。GB/T 17919-2008《粉塵爆炸危險場所用除塵器防爆導則》規定安裝于室內的除塵器，泄爆口應通過導管引出室外，且長度小于3 m，若不滿足需采用無焰泄放防爆裝置[3]。

（3）料倉

物料最高料位不應超過泄爆口下邊緣，GB 17918-2008《港口散糧裝卸系統粉塵防爆安全規程》中要求料倉采用倉頂設置泄壓裝置，泄爆面積應符合GB/T 15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》的相關規定，采用無焰泄放防爆裝置[4]。

2 粉塵爆炸泄壓技術應用

2.1 爆炸泄壓技術

爆炸泄壓是一種限制爆炸壓力的防護方法，它通過在設備壁面安裝或設置泄壓裝置，在爆炸壓力尚未達到設備的破壞壓力之前打開預先設計的泄壓口，泄放內部爆炸壓力，釋放未燃混合物與燃燒產物，防止壓力上升超過設計強度以保護容器的控爆技術，簡稱泄爆或泄壓。

除塵器、斗式提升機和料倉等設備，一般會選擇防爆板作為爆炸泄壓設備。防爆板作為一種簡單經濟的泄壓設備，作用是在發生粉塵爆炸后，系統爆炸壓力達到防爆板的設定開啟壓力(Pstat一般取0.01 MPa)時，防爆板打開泄壓。壓力泄放的時候伴隨有火焰以及粉體的泄放，可能對人員和附近設備產生傷害和破壞。位于室內的粉體處理設備，通常采用泄壓導管的方式將泄壓口引到建筑物外；當室內粉體處理設備周圍環境不具備安裝泄壓導管的規定條件時，通常會采用無焰泄放系統，以達到保護人員以及周圍設備的安全。

2.2 泄壓面積計算

泄壓面積指泄壓裝置泄壓開口的幾何面積，標準的防爆板被認為是幾乎無慣性的的泄壓裝置，其幾何面積等于其有效泄壓面積。

2.2.1 泄壓面積計算公式

式中：

V——容器容積，0.1 m3≤V≤10 000 m3；

Pstat——泄壓裝置的靜開啟壓力，0.01 MPa ≤Pstat≤0.1 MPa ；

Pred，max——最 大 泄 爆 壓 力，0.01 MPa ≤Pred，max≤0.2 MPa；

Pred，max＞Pmax，Pmax應為泄壓裝置的靜開啟壓力允差范圍的上限；

Pmax——最大爆炸壓力，對于1 MPa·m/s ≤Kmax≤30 MPa·m/s 的粉塵，Pmax應取0.5 MPa ≤Pmax≤ 1 MPa；對 于30 MPa·m/s ＜Kmax≤80 MPa·m/s 的粉塵，Pmax應取0.5 MPa ≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE——長徑比，L/DE≤20；長徑比受以下條件限制：不應使泄壓面積大于容器或筒倉的截面積；

EF——泄壓效率，EF=1。如果泄壓效率EF=1，A就是所需的泄壓面積。對于泄壓效率小于1 的泄壓裝置，所需的泄壓面積為A/EF。

注：如果最大爆炸壓力、粉塵爆炸指數或靜開啟壓力數值小于規定的應用范圍，則采用相應的參數范圍最小值后，仍可以使用式(1)進行計算。

2.2.2 谷物粉塵泄壓面積計算

(1)谷物粉塵的最大爆炸壓力Pmax和爆炸指數Kmax

依據《工貿行業重點可燃性粉塵目錄(2015 年版）》（安監總廳管四[2015]84 號），以大米粉塵為例，其爆炸性參數為：中位徑＜63um ，爆炸下限60 g /m3，最大爆炸壓力（Pmax）為0.74 MPa，爆炸指數（Kmax）為5.7 MPa·m/s。

(2)靜開啟壓力Pstat設定

靜開啟壓力Pstat指通過壓力緩慢上升使泄壓裝置開啟的壓力。谷物粉塵泄壓設計，通常設定Pstat為0.01 MPa。

(3)最大泄爆壓力Pred，max設定

最大泄爆壓力Pred，max指在規定的測試條件下，系統改變粉塵的濃度所測得泄爆壓力Pred中的最大值。谷物粉塵泄壓設計，通常設定Pred，max為0.02 MPa。

(4)有效火焰體積Veff計算

對于料倉而言，泄壓口設置在頂部，如果料倉是圓筒形或矩形，火焰在泄出前可能從容器的一端通過整個容器的長度才到達泄壓口，因此容器的體積可視為有效火焰體積。

對于脈沖袋式除塵器而言，有效火焰體積為錐體容積的1/3 加上圓筒底部到爆破片上邊沿的高度容積。

對于斗式提升機而言，有效火焰體積等于3/4 機頭體積+3/4 機座體積+2/3 機筒體積。

(5)有效長徑比Leff/Deff計算

有效長徑比指任何形狀的容器或筒倉泄壓時，有效火焰傳播距離Leff與有效直徑Deff的比值。

對于料倉而言，泄壓口設置在頂部，如果料倉是圓筒形或矩形，可以直接從容器的物理尺寸中計算有效長徑比。

對于脈沖袋式除塵器而言，有效火焰傳播距離Leff指錐體高度的1/3 加圓筒底部到爆破片上邊沿的高度；根據計算公式(4)即可計算其有效長徑比。

對于斗式提升機而言，有效火焰傳播距離Leff指從方形箱體底部到泄壓裝置的上邊界的垂直距離，根據管道泄壓宜每隔6 m 設置一個徑向泄壓口，Leff通常取值為6 m。根據計算公式(4)即可計算其有效長徑比。

(6)泄壓面積A計算

將以上參數代入計算公式(1)即可計算谷物粉塵泄壓面積。

2.3 防爆板的選用

防爆板是非重閉式壓力泄放裝置，它在一定的開啟壓力下破裂打開泄壓口。谷物粉塵防爆板通常要求抗脈動壓能力強，抗疲勞性能好，可承受粒料的輕微撞擊，因此建議采用正拱開縫型防爆板，防爆板設計時應考慮開啟壓力滿足要求，泄放面積大于計算泄壓面積，能防止碎片飛出等因素。另外在防爆板上建議增加電訊號傳感器，通過信號線連接到控制室，防爆板動作時得到爆破片破裂的信號。

2.4 泄壓導管設計

為了安全泄出壓力波、火焰和燃燒產物，在泄壓裝置下游安裝的泄壓導管應將泄壓口引到建筑物外不危及人員或使與安全有關的設備操作受到限制的安全位置，導管短且直，長度應小于3 m；泄壓導管的截面積應不小于泄壓口面積，其強度應不低于被保護粉體設備的強度；泄壓導管與泄壓面的軸線之間的夾角不應超過20。；泄壓導管不應關閉，但允許用輕的物體覆蓋，以防止雨雪進入，這些覆蓋物應能被很低的開啟壓力（≤0.01 MPa）打開，并應不影響泄壓過程或危及人和物的安全。

3 結論

1）粉塵爆炸泄壓技術是保護啤酒生產企業谷物粉塵處理設備、緩解谷物粉塵爆炸危害的重要措施之一，在啤酒企業粉塵防爆改造方面普遍采用。

2）只有正確的設計安裝泄壓裝置才能達到預期的泄爆效果，并避免泄壓帶來的火焰和壓力的危害以及對周圍環境的影響。

3）爆炸泄壓不能預防爆炸，在采用了爆炸泄壓方法的情況下，企業也應采取或完善粉塵爆炸預防措施，避免谷物粉塵與空氣混合物的濃度達到其爆炸極限以及點火源的形成，從而預防粉塵爆炸的發生。