可燃金屬粉塵安全風速推導

江相軍

(深圳市城市公共安全技術研究院有限公司，廣東 深圳 518046)

0 引言

隨著我國經濟發展和工業規模的擴大，越來越多生產工藝會涉及粉塵問題，稍有不慎，就可能引發粉塵火災爆炸事故，從而造成嚴重后果。如2016年4月的江門市安諾特炊具制造有限公司發生的電弧噴涂粉塵爆炸事故，就造成現場5名工人受傷，生產設備損毀嚴重。因此，系統分析影響粉塵火災爆炸的影響因素，預防粉塵火災爆炸事故的發生至關重要。

目前，很多學者對粉塵火災爆炸事故的影響因素進行研究，如：關文玲等基于正交實驗系統研究面粉爆炸特性；聶百勝等分析瓦斯煤塵爆炸特性及抑爆方法研究進展情況；吉喆等針對面粉加工企業生產過程中的粉塵，提出防爆技術措施與建議；王巍研究濾袋表面過濾風速對粉塵排放濃度的影響；陳茂源探究鋁粉粉塵除塵管道內的沉積特性；焦婉瑩分析風速對呼吸性粉塵和全塵運移規律的影響。這些研究對預防粉塵火災爆炸事故具有實際意義，但關于可燃金屬性粉塵管道風速對粉塵火災爆炸事故的影響研究不多。

本文從金屬粉塵本身固有球形顆粒自由沉降速度出發，推導不同金屬粉塵在管道中應具備的安全風速，解決除塵系統管道積塵問題，對預防粉塵爆炸事故具有重大意義。

1 可燃粉塵安全風速的推導概述

1.1 可燃粉塵安全風速標準要求

目前對可燃粉塵風速有要求的標準規范主要有4個：一是《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規程》(GB 17269-2003)，該標準適用于將鋁鎂金屬加工成顆粒狀鋁鎂粉企業，并不適用于鋁鎂制品機械加工企業；二是適用性比較廣的《粉塵防爆安全規程》(GB 15577-2018)只要求風管中不應有粉塵沉積，并未對風速作具體要求；三是《鋁鎂制品機械加工粉塵防爆安全技術規范》(AQ 4272-2016)，它要求風管的設計風速按照風管內粉塵濃度不大于爆炸下限的25%計算；四是更具代表意義的《粉塵爆炸危險場所用除塵系統安全技術規范》(AQ 4273-2016)，它要求鋁鎂制品除塵器進風管設計風速不小于23m/s，而對于其他種類粉塵設計風速，以風管內的粉塵濃度不大于爆炸下限的50%計算。然而，在除塵系統設計階段，風管風速的計算難度較大，不易得出確切有效數值。若以每班產生的粉塵量計算所需風量，對于設計、設備選型是有一定參考的，但計算出的所需風量卻無法確保粉塵不在管道內積聚，因此，管道風速不僅取決于管道風量，還取決于管道管徑。

1.2 可燃粉塵安全風速的依據

按照懸浮氣力輸送基本理論，當輸送風量足夠大、速度足夠快，豎向風速大于粉塵的懸浮速度，粉塵即可懸浮輸送。由于粉塵顆粒之間以及粉塵顆粒與管壁之間的摩擦、碰撞和粘著等作用，為使粉塵完全懸浮輸送，輸送風速需大于沉降或懸浮速度。有研究表明，輸送風速可以按懸浮速度的某一倍數來定，一般取2.4～4.0倍，對于大密度(為便于討論，本文所述密度為金屬密度，而非金屬粉塵堆積密度)粘結性物料，輸送風速為沉降速度的5～10倍，即可保證物料正常輸送。

1.3 可燃粉塵安全風速的簡化計算

沉降速度是物質固有屬性，是物料流體力學特性的參數，輸送金屬粉塵的管道安全風速，可通過金屬粉塵沉降速度來進行推導。表面光滑的鋼性球形顆粒，在靜止的流體中的自由沉降速度

μ

(即顆粒相對于流體的流動速度，又稱為“終端速度”)的表達式為：

(1)

式中：

μ

—顆粒沉降速度，m/s；

d

—顆粒直徑，m；

ρ

—顆粒密度；

ρ

—流體密度；

g

—重力加速度，m/s；

ξ

—阻力系數，量綱為1。對于特定的粉塵，

g

、

d

、

ξ

為常數，金屬粉塵的密度

ρ

及氣流密度

ρ

，直接影響金屬粉塵自由沉降速度即：

(2)

同樣地，因為氣流密度

ρ

是已知數值，且遠小于金屬密度

ρ

(如空氣密度1.29kg/m，鋁粉塵是2 700kg/m，是1比3 483的比例關系)，式(2)可繼續簡化為：

(3)

因此，在特定系統中，顆粒密度直接決定該顆粒的沉降速度，繼而決定了該顆粒的安全風速(最低輸送風速)。

1.4 鋁鎂粉安全風速的實證計算

在《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規程》(GB 17269-2003)中，為避免鋁粉、鎂粉在輸送管道內沉積，對安全風速規定如下：鋁粉的安全風速不低于23m/s，鎂粉的安全風速不低于18m/s。由于二者密度存在差異，鎂粉的安全風速明顯小于鋁粉的安全風速。

在粉塵粒徑分布相近、沉降速度倍數相同的前提下(下同)，由已知的鎂粉風速18m/s，結合式(3)推導計算鋁粉安全風速大小，其中，鎂粉密度為1 738kg/m、鋁粉密度為2 700kg/m，代入式(3)得出下述表達式：

(4)

計算得出鋁粉的安全風速

u

為22.44m/s，與《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規程》(GB 17269-2003)中，規定鋁粉塵的安全風速不低于23m/s基本一致，由此證明上述公式(4)的合理性。

1.5 鋅粉安全風速的推導結果

由式(3)，計算推導電弧噴涂(噴鋅)粉塵所需的安全風速，已知鋅粉密度為7 140kg/m：①由鎂粉密度1 738kg/m、風速18m/s，得出鋅粉安全風速為36.5m/s；②由鋁粉密度2 700kg/m、風速23m/s，得出鋅粉安全風速為37.4m/s。綜合上述，鋅粉塵的安全風速宜不低于37m/s。

在《流體輸配管網》中，關于鋼丸(密度7 800kg/m)在管道的參考安全風速為30～40m/s，這也印證推導的鋅粉安全風速不低于37m/s是科學的、可行的。

2 安全風速推導的實際應用

由于鋅具有良好的電化學保護特性，薄膜電容器普遍采用電熱噴鋅工藝。深圳某電容器有限公司，專業從事薄膜電容器研發與制造，近年來持續開展的粉塵涉爆行業安全生產專項整治，企業多次按標準規范改造除塵系統，仍然未能解決除塵系統風管管道內積塵問題。通過實地調研，指導企業選配高壓風機，改變管道管徑來提高管道風速至37m /s。經過近半年的跟蹤觀察，企業管道積塵問題明顯改善，充分體現本文提出的粉塵安全風速的應用價值。

3 結論

在電弧噴涂(噴鋅)工藝中，為防止高溫熔融霧化后的鋅粉塵，積聚在管道內而形成爆炸危險源，必須具有較高的管道風速，經研究與分析表明：

(1)鋅粉塵密度遠大于鋁、鎂粉塵密度，在除塵系統中，管道安全風速不宜低于37m/s，而不是通常所要求的23m/s。在風量一定的前提下，可通過選配高壓風機、減少管道管徑，來達到管道安全風速。

(2)通過公式推導，不僅能應用于鋅粉除塵系統有關安全風速的計算，也可應用于其他涉爆粉塵如鐵粉、銅粉等安全風速的計算。