啤酒企业谷物粉尘爆炸泄压技术应用研究

郭红卫

(河南安科院安全科技服务有限公司，郑州 450004)

0 引言

谷物粉尘爆炸一直是威胁粮食加工储存企业安全生产的重要危险源之一。粉尘爆炸是一种快速的、带化学反应、受众多因素影响的气固两相流体力学过程，其爆炸威力大，事故后果严重。如2010 年河北省秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司“2·24”淀粉粉尘爆炸事故导致21人死亡、47 人受伤，直接经济损失1 773 万元。啤酒生产过程中存在着麦芽粉尘、大米粉尘等可燃性谷物粉尘，该类粉尘具有粒径小、数量大、多为堆积状态、有机物含量高（30%～70%）、易燃易爆等特点。粉尘爆炸主要发生在密闭设备中，一般先在密闭情况下爆炸发展，然后再破坏或泄压。粉尘爆炸保护措施主要有：泄爆、抑爆、隔爆、提高设备耐压能力或多种保护方案并用。粉尘爆炸泄压技术是啤酒生产企业保护可燃粉尘处理设备、提高粉尘防爆本质安全化程度、降低爆炸危害后果的行之有效的方法。因此，泄爆技术的应用研究对啤酒生产企业安全生产具有重要的现实意义。

1 啤酒企业谷物加工工艺及设备泄爆要求

1.1 谷物加工工艺

麦芽、大米等原料脱壳破碎是啤酒生产的第一步生产工艺，大致生产工艺流程为：原料→斗式提升机→料仓→磁选器→振动筛→制粉机→料仓→产品生产车间。工艺流程设置了原料除尘器和粉碎原料除尘器。

1.2 谷物加工设备泄爆要求

GB 17440-2008 《粮食加工、储运系统粉尘防爆安全规程》及GB/T 15605-2008《粉尘爆炸泄压指南》等规定了对粮食加工、储运系统存在粉尘爆炸危险的机械设备的泄爆要求[1，2]。

（1）输送设备

斗式提升机应在机壳垂直段、机头的适当位置设泄爆口，泄爆面积应符合GB/T 15605-2008《粉尘爆炸泄压指南》的相关规定，机头顶部泄爆口应通过导管引出室外，若不满足需采用不产生火焰或火星的无焰泄放防爆装置。

（2）除尘设备

脉冲袋式除尘器应安设专用泄爆口，泄爆口位置、泄爆面积应符合GB/T 15605-2008《粉尘爆炸泄压指南》的相关规定。GB/T 17919-2008《粉尘爆炸危险场所用除尘器防爆导则》规定安装于室内的除尘器，泄爆口应通过导管引出室外，且长度小于3 m，若不满足需采用无焰泄放防爆装置[3]。

（3）料仓

物料最高料位不应超过泄爆口下边缘，GB 17918-2008《港口散粮装卸系统粉尘防爆安全规程》中要求料仓采用仓顶设置泄压装置，泄爆面积应符合GB/T 15605-2008《粉尘爆炸泄压指南》的相关规定，采用无焰泄放防爆装置[4]。

2 粉尘爆炸泄压技术应用

2.1 爆炸泄压技术

爆炸泄压是一种限制爆炸压力的防护方法，它通过在设备壁面安装或设置泄压装置，在爆炸压力尚未达到设备的破坏压力之前打开预先设计的泄压口，泄放内部爆炸压力，释放未燃混合物与燃烧产物，防止压力上升超过设计强度以保护容器的控爆技术，简称泄爆或泄压。

除尘器、斗式提升机和料仓等设备，一般会选择防爆板作为爆炸泄压设备。防爆板作为一种简单经济的泄压设备，作用是在发生粉尘爆炸后，系统爆炸压力达到防爆板的设定开启压力(Pstat一般取0.01 MPa)时，防爆板打开泄压。压力泄放的时候伴随有火焰以及粉体的泄放，可能对人员和附近设备产生伤害和破坏。位于室内的粉体处理设备，通常采用泄压导管的方式将泄压口引到建筑物外；当室内粉体处理设备周围环境不具备安装泄压导管的规定条件时，通常会采用无焰泄放系统，以达到保护人员以及周围设备的安全。

2.2 泄压面积计算

泄压面积指泄压装置泄压开口的几何面积，标准的防爆板被认为是几乎无惯性的的泄压装置，其几何面积等于其有效泄压面积。

2.2.1 泄压面积计算公式

式中：

V——容器容积，0.1 m3≤V≤10 000 m3；

Pstat——泄压装置的静开启压力，0.01 MPa ≤Pstat≤0.1 MPa ；

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

Pred，max＞Pmax，Pmax应为泄压装置的静开启压力允差范围的上限；

Pmax——最大爆炸压力，对于1 MPa·m/s ≤Kmax≤30 MPa·m/s 的粉尘，Pmax应取0.5 MPa ≤Pmax≤ 1 MPa；对 于30 MPa·m/s ＜Kmax≤80 MPa·m/s 的粉尘，Pmax应取0.5 MPa ≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE——长径比，L/DE≤20；长径比受以下条件限制：不应使泄压面积大于容器或筒仓的截面积；

EF——泄压效率，EF=1。如果泄压效率EF=1，A就是所需的泄压面积。对于泄压效率小于1 的泄压装置，所需的泄压面积为A/EF。

注：如果最大爆炸压力、粉尘爆炸指数或静开启压力数值小于规定的应用范围，则采用相应的参数范围最小值后，仍可以使用式(1)进行计算。

2.2.2 谷物粉尘泄压面积计算

(1)谷物粉尘的最大爆炸压力Pmax和爆炸指数Kmax

依据《工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015 年版）》（安监总厅管四[2015]84 号），以大米粉尘为例，其爆炸性参数为：中位径＜63um ，爆炸下限60 g /m3，最大爆炸压力（Pmax）为0.74 MPa，爆炸指数（Kmax）为5.7 MPa·m/s。

(2)静开启压力Pstat设定

静开启压力Pstat指通过压力缓慢上升使泄压装置开启的压力。谷物粉尘泄压设计，通常设定Pstat为0.01 MPa。

(3)最大泄爆压力Pred，max设定

最大泄爆压力Pred，max指在规定的测试条件下，系统改变粉尘的浓度所测得泄爆压力Pred中的最大值。谷物粉尘泄压设计，通常设定Pred，max为0.02 MPa。

(4)有效火焰体积Veff计算

对于料仓而言，泄压口设置在顶部，如果料仓是圆筒形或矩形，火焰在泄出前可能从容器的一端通过整个容器的长度才到达泄压口，因此容器的体积可视为有效火焰体积。

对于脉冲袋式除尘器而言，有效火焰体积为锥体容积的1/3 加上圆筒底部到爆破片上边沿的高度容积。

对于斗式提升机而言，有效火焰体积等于3/4 机头体积+3/4 机座体积+2/3 机筒体积。

(5)有效长径比Leff/Deff计算

有效长径比指任何形状的容器或筒仓泄压时，有效火焰传播距离Leff与有效直径Deff的比值。

对于料仓而言，泄压口设置在顶部，如果料仓是圆筒形或矩形，可以直接从容器的物理尺寸中计算有效长径比。

对于脉冲袋式除尘器而言，有效火焰传播距离Leff指锥体高度的1/3 加圆筒底部到爆破片上边沿的高度；根据计算公式(4)即可计算其有效长径比。

对于斗式提升机而言，有效火焰传播距离Leff指从方形箱体底部到泄压装置的上边界的垂直距离，根据管道泄压宜每隔6 m 设置一个径向泄压口，Leff通常取值为6 m。根据计算公式(4)即可计算其有效长径比。

(6)泄压面积A计算

将以上参数代入计算公式(1)即可计算谷物粉尘泄压面积。

2.3 防爆板的选用

防爆板是非重闭式压力泄放装置，它在一定的开启压力下破裂打开泄压口。谷物粉尘防爆板通常要求抗脉动压能力强，抗疲劳性能好，可承受粒料的轻微撞击，因此建议采用正拱开缝型防爆板，防爆板设计时应考虑开启压力满足要求，泄放面积大于计算泄压面积，能防止碎片飞出等因素。另外在防爆板上建议增加电讯号传感器，通过信号线连接到控制室，防爆板动作时得到爆破片破裂的信号。

2.4 泄压导管设计

为了安全泄出压力波、火焰和燃烧产物，在泄压装置下游安装的泄压导管应将泄压口引到建筑物外不危及人员或使与安全有关的设备操作受到限制的安全位置，导管短且直，长度应小于3 m；泄压导管的截面积应不小于泄压口面积，其强度应不低于被保护粉体设备的强度；泄压导管与泄压面的轴线之间的夹角不应超过20。；泄压导管不应关闭，但允许用轻的物体覆盖，以防止雨雪进入，这些覆盖物应能被很低的开启压力（≤0.01 MPa）打开，并应不影响泄压过程或危及人和物的安全。

3 结论

1）粉尘爆炸泄压技术是保护啤酒生产企业谷物粉尘处理设备、缓解谷物粉尘爆炸危害的重要措施之一，在啤酒企业粉尘防爆改造方面普遍采用。

2）只有正确的设计安装泄压装置才能达到预期的泄爆效果，并避免泄压带来的火焰和压力的危害以及对周围环境的影响。

3）爆炸泄压不能预防爆炸，在采用了爆炸泄压方法的情况下，企业也应采取或完善粉尘爆炸预防措施，避免谷物粉尘与空气混合物的浓度达到其爆炸极限以及点火源的形成，从而预防粉尘爆炸的发生。