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摘要：布袋式除尘器既具有比较好的除尘效果，还对周围环境产生比较小的污染，因此被广泛应用到各类除尘工作当中。但是，如果设计不合理，施工过程中很容易引起粉尘爆炸，严重威胁人们的安全和生活。因此，有必要做好布袋除尘器的防爆设计，以保证布袋除尘器的最佳应用效果以及安全性。
关键词：粉尘爆炸；袋式除尘器；防爆；控制措施
1粉尘爆炸概述
粉尘爆炸指的是当受限空间内可燃粉尘浓度达到爆炸极限时，遭遇热源或者明火后，导致火焰迅速蔓延至整个空间。该过程中发生快速化学反应并伴随大量的热量，在空间内形成非常大的压力及产生非常高的温度。整个空间系统中的能量被迅速转换成光能、热能以及机械能，造成非常大的破坏力。粉尘爆炸主要发生在铝粉、锌粉、各种塑料粉以及小麦粉等可燃粉尘生产加工场所，与生产空间中的施工方式、空气流通性等有关。
2粉尘爆炸的条件与机理
导致粉尘爆炸的原因比较复杂，至少需满足以下三个条件：首先，受限空气中的粉尘必须达到爆炸所需的浓度；其次，要有能够引发爆炸的明火或热源；最后，需有足够的氧气与空气混合接触。通常情况下，粉尘爆炸被认为经过以下发展过程：首先，悬浮于空气中的粉尘颗粒获取来自火源的能量，然后，粉尘颗粒表面受热发生熔化和气化现象，并产生含有大量热量的颗粒或者火花，继而导致粉尘发生爆炸。
由于粉尘颗粒的表面积大，能够充分与空气进行接触，而且由于存在粉尘层使得粉尘颗粒的表面温度更加快速升高，进而导致粉尘颗粒更加快速地发生分解或者气化。当分解或气化后的粉尘与空气发生混合，就能够产生气象着火现象，当粉尘中同时存在气相和固相着火时，其燃烧会更加剧烈。而且，随着静电的积累摩擦会形成点火源。最后，当空间内的粉尘以及空气浓度达到相应的条件，遇到明火或热源会发生燃烧并进一步导致爆炸的发生。在粉尘初期燃烧时，粉尘爆炸会以压力波的形式向外释放能量，此时，受限空间内的粉尘通常会被吹起形成尘云，然后，漂浮在空气中的尘云会被初期爆炸产生的残留物点燃，进而引发第二次爆炸，二次爆炸威力通常比初期爆炸威力大，产生空气急流，破坏周边设施。粉尘是否会发生爆炸受诸多因素共同影响，比如受限空间中的空气和粉尘浓度、明火和热源以及能够引发爆炸的最小热源能量等。从爆炸过程可以看出，空气中的粉尘颗粒及空气浓度是导致粉尘爆炸的首要条件，明火及热源是导致爆炸的关键性因素，并且初期爆炸后产生的粉尘云二次爆炸具有最强的破坏力，因此危害性也最大。
3通用防爆技术
3.1抗爆
抗爆通常是指设备结构自身具有能够承受爆炸所产生的压力的能力，并且其自身结构不会因此而发生炸裂。通常情况下，防爆结构抗爆形式分为两种：一种是结构耐爆压力，另一种是结构耐爆炸冲击压力。耐爆压力的设计必须按照《压力容器设计制造规范》中的规定进行，而耐爆炸冲击压力则可以根据实际需要进行放宽。一般情况下，耐爆炸冲击压力是耐爆炸压力的1.5倍。
3.2泄放
泄放主要分为正常泄放和无焰泄放两类，指的是当爆炸发生时，受保护设备通过泄爆板、泄爆墙或屋盖以及无焰泄放系统释放爆炸产生的巨大压力，进而保障周边人员及设备的安全。对于室外粉末处理设备（如除尘器和旋风除尘器等）通常使用泄爆板进行防护，确保周边人员以及设备免受损害；对于粉尘处理车间等建筑物则需要利用泄爆墙或者泄爆屋盖进行防护，避免建筑物因遭受爆炸而受到损坏甚至发生坍塌；对于室内的粉尘处理设备，由于排放要求不能产生火焰或受到物理堆放以及无排放空间的影响，通常需使用无焰排放系统进行爆炸泄放，保护周边人员或设备免受损害。
3.3抑爆
抑爆主要对设备内刚刚发生的初始爆炸进行扑灭，从而避免产生更大爆炸压力的防护方法，设计比较好的抑爆系统能够在爆炸压力为1×104Pa时及时做出反应，抑爆发生作用后设备内的最大压力不大于1×105Pa。抑爆通常分为两类：一类是被动型的，比如阻燃粉末以及水袋装置，这类装置通常在爆炸产生的压力达到设定工作范围内后，自动运行并将装置内的水或者阻燃粉末进行快速释放，达到抑爆效果；另一类是智能抑爆系统，该类装置主要由探测初爆传感器、控制单元以及高速喷洒抑爆器（自带高压驱动）组成，能够及时对粉尘爆炸进行抑制，避免造成更大的损失。
3.4隔爆
隔爆主要分为机械隔离和化学隔离两种方式，通常需要与抑爆系统相互配合使用。隔离是通过将爆发发生的设备与其他设备进行隔离，从而抑制爆炸的蔓延以及二次爆炸的发生。通常是将化学隔离阀安装在设备进料口，将机械隔离阀安装在设备的出料口位置处。化学隔离与抑爆系统中的发射器相似，一般情况下进行45°安装，而机械隔离阀与普通闸阀类似。
对需要保护的粉末设备进行防爆防护时，需要从整体综合考虑，而不能仅对其中一个设备进行防护，将防爆措施设置成一个整体防爆系统。因此，通常需要将多种防爆方案进行联合运用。例如，化学隔离与通风方案、机械隔离与无焰泄放方案、机械隔离与通风方案以及机械隔离与抑制方案等。通常需要在NFPA68、napa69以及nfpa654等国际标准的指导下，对工业生产、周边人身以及设备进行防爆保护。由于爆炸造成的损害巨大，因此需要在存在爆炸风险的设备运行过程中，采取一系列防爆措施，提高工业生产的安全性。
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图1
4布袋式除尘器的防爆控制措施
4.1布袋式除尘器粉尘积聚的控制
通常情况下，工业生产中可燃性粉尘的可能引发爆炸的危险浓度为20-6000g/m3。布袋式除尘器作为工业生产系统中的最后一部分，通过管道将粉尘输送至除尘器而形成粉尘层，后续经过脉冲而被反吹回灰斗中。在此环节中，布袋式除尘器作业过程中的粉尘浓度极有可能达到危险浓度，因此，必须加大除尘系统中的通风量，还要及时对除尘器内的灰尘进行清理，确保布袋式除尘器以及管道内的粉尘浓度不在危险浓度范围内。由于布袋式除尘器主要用作易燃粉尘的除尘处理设备，因此更加需要及时清理灰斗里的粉尘，确保布袋式除尘器工作的安全。如果灰斗内的粉尘未被及时清理，积聚的灰尘极易发生自燃，而且灰尘堆内留有空气，当达到爆炸所需条件后，非常容易发生爆炸，导致工业生产受损。因此，需要采用双层气动排灰阀对灰斗内的粉尘进行及时清理，同时还能降低漏风率，避免粉尘发生外溢，预防爆炸的发生，保护人身财产安全。
4.2点火源清除
引发粉尘爆炸的点火源主要来自外部火源，最常见的是气割火焰或者电焊火花。由于布袋式除尘器主要是焊件，在设备检修过程中极易产生电焊火花和气割火焰，因此，必须加强检修过程中的管理工作，同时提高检修工作人员的防爆意识，还要清理干净检修位置处的粉尘，预防爆炸情况的发生。
金属物体（如螺母或铁块等）被吸进布袋式除尘器后容易遭冲击与摩擦后产生火花，因此需要采取一些措施进行防护。通常是在吸尘罩位置处安装金属网或者电磁除铁装置，从而防止金属物体进入除尘设备中，预防爆炸的发生。检修工作完成后必须及时清理出落入管道内的金属物体。此外，应当在布袋式除尘器的洁净空气一侧开展通风机的安装工作，目的是为了防止金属物体与高速工作中的风机叶片因发生碰撞并摩擦后产生火花，进而导致爆炸的发生。还应对管网风速进行合理设置，防止风速过高导致灰尘对管道磨损的加速，减少因管道磨损而导致金属物体进入除尘器内部的数量。
虽然目前我们还没有完全掌握静电产生的机理，但可以通过采取一定的措施来预防或减少静电的产生。选用与带电序列中相近或者相反的物质进行组合使用，从而降低电位差进而减少静电的产生。极性相反的电荷相互结合而消除静电。另外，对设备进行接地能够有效减少静电的产生。必须确保设备、管道以及容器等能够保持等电位状态，综合考虑各种实际因素，选取分散或集中的接地系统确保其能够可靠接地，接地电阻通常为1-2Ω预防静电。
预防静电产生的同时还要增加导电性，主要通过利用导体或导电材料对绝缘材料进行替换提高导电性。通过试验测试发现，滤料表面最容易产生静电，因此利用防静电滤料能够有效减少静电。另一防止静电泄露的措施是增加环境湿度，因此，在生产过程中掺水也能有效防止静电。
必须对除尘器壳体温度进行控制，防止壳体温度过高，主要是因为壳体内壁集聚大量灰尘，过高的温度容易使内部的粉尘表面迅速吸收热量，粉尘获取大量能量后容易发生熔化和气化现象，从而导致火花或者炽热颗粒的产生，进而容易引发爆炸，造成经济损失。因此，为了易于控制壳体温度，严禁将布袋式除尘器安装在室外。
4.3安装泄爆膜
在布袋式除尘器上安装泄爆膜是一种最直接有效且简单的防爆措施。对泄爆膜进行安装的过程中，必须先要计算好设备所需的泄爆面积，过小的泄爆面积使得泄爆膜无法充分发挥防爆能力，而泄爆面积过大又会增加成本投入。目前主要有KST诺摸图法和St诺摸图法两种方法对泄爆面积进行计算。布袋式除尘器泄爆膜的安装位置需要尽可能接近爆炸容易发生的位置，主要是为了保证良好的泄爆效果，如图2所示。
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图2 袋式除尘器结构示意图
4.4隔爆和抑爆
抑爆系统的主要工作原理是通过传感器及时对爆燃初期进行检测，然后通过发射器迅速将抑爆剂喷洒人设备中，防止二次爆炸的发生。通常情况下，抑爆系统与爆炸隔离系统相互配合工作，通常情况下，爆炸需要达到三个要素以及在适当条件下才能发生，抑爆系统就是利用了引发爆炸的三要素及原理。为了防止爆炸需要隔绝其中一个因素，首先是可以利用惰性气体（如氮气和二氧化碳等）替代空气注入到设备中，从而降低氧气的含量，从而起到抑制爆炸的作用。其次，清理干净易燃易爆物品，然而对于除尘设备很难减少该类粉末数量，因此次方法对于除尘设备不可行。综合考虑各方面影响，可以从根源上抑制爆炸的发生，即减少火源的产生。
最常用的抑爆系统由监视器、传感器、电源以及发射器四部分组成。监视器能够对整个系统运行状态进行监视，提供视觉或听觉上的报警；发射器由传感器直接触发，从而给抑爆系统留有充分反应的时间；三个不同方向的压力传感器共同构成传感器，其中一个为低压传感器，另外两个则是高压传感器。只有其中两个压力传感器同时触发才能触发发射器，主要是为了防止误判情况的发生。发射装置主要由抑爆剂筒、电子控制器以及储气罐三部分构成，抑爆剂必须与压力气体分开存放，主要是为了保护用户检修过程中的安全。电源能够为整个系统提供电力支持，既可以用交流转换的24V直流电，也可以直接利用电池进行供电。此外，还配有三个继电器输出，分别显示交流电源、系统是否存在故障以及系统是否正常工作。最简单的抑爆系统就由这几部分组成，但在需要防护范围比较大时，需要增加发射筒，一个传感器最多可以与十个发射筒相连。
粉尘爆炸主要发展过程是：首先，大量可燃性粉尘集聚在密闭设备中，当与空气中的氧气混合并达到危险浓度后，一旦接触到火源就容易形成小火球。如果不对此进行抑制，小火球进而形成大火球并伴随产生高温高压，当压力超过抗压设备的承受压强后就会发生爆炸。在此过程中，设备压力的增加会产生冲击波，而冲击波比火焰传播速度大得多，因此能够利用抑爆系统中的传感器对冲击波及时进行检测，在爆炸发生前期，通过发射器喷射的抑制器对火焰进行压制，防止大火球的产生继而形成爆炸，从而保护设备及人身安全。
简单来说，抑爆系统其实就相当于一个自动灭火装置，但是其主要作用是抑制爆炸前期的小火球而不是对大火进行扑灭。当抑爆系统中的传感器检测到火花形成的小火球后，会即可发送指令到发射筒，发射装置会喷洒抑制剂对小火球进行扑灭，进而防止发生爆炸，图3所示为抑爆设备示意图。
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图3 抑爆基本示意图
5结语
在工业生产过程中，国内已经发生过多起煤尘爆炸、粮食粉尘爆炸、化工粉尘爆炸和纺织粉尘爆炸事故，造成了巨大的经济损失。近些年，人们对防火问题已经有了一定程度的注意，但仍然未对防爆产生足够的重视。提高防爆意识，将爆炸隐患消灭在萌芽阶段，确保设备及周边人身安全。对粉尘防爆进行系统进行仔细研究，不断提高防止粉尘爆炸的技术水平和管理水平，对今后企业的发展具有十分深远的重要意义。
参考文献：
［1］《粉尘防爆安全规程》（GB/T15577-2018）［S］.
［2］《抑制爆炸系统》（GB/T25445-2010）［S］.
［3］《粉尘爆炸泄压指南》（GB/T15605-2008）［S］.
［4］《粉尘防爆危险场所用收尘器防爆原则》（GB/T17919-2008）［S］.