冶金企业重点爆炸性粉尘分析

巴烈电 吴晓煜 张倩倩 高一峰

（1.大冶特殊钢有限公司，湖北黄石 435001；2.中钢集团武汉安全环保研究院有限公司，湖北武汉 430081）

0 引言

随着我国冶金行业的不断发展，预防粉尘爆炸已经成为冶金安全生产当中非常重要的一项工作。2014 年8 月，昆山中荣金属制品有限公司发生铝粉尘爆炸事故，造成75 人死亡、185 人受伤；2018 年4月，安徽怀宁某水泥有限公司分解炉发生煤粉爆炸事故，造成1 人死亡、4 人受伤，直接经济损失160 万元。这种安全事故的发生，不仅造成了很严重的人员伤亡，还给社会带来了巨大的经济损失。人们开始高度关注粉尘防爆，希望能减少此类事故的发生。

预防粉尘爆炸，需要从粉尘爆炸的根源开始研究，首先做粉尘爆炸的分析评估，分析粉尘的可燃可爆性，然后针对爆炸性粉尘做出爆炸风险评估［1］。工业生产中70%以上的粉尘都是可燃性粉尘，拥有除尘设施的企业都有粉尘爆炸的风险。需要对粉尘的物理和化学性质进行研究，并对其进行爆炸性筛选测试，进行完善的分析评估，可使冶金企业在安全生产中更准确地消除和控制粉尘爆炸，从源头扼杀安全风险［2］。AMYOTTE P R 等［3］将焦炭加入到煤粉之中进行爆炸实验，结果爆炸压力和爆炸压力上升速率均减小，这主要是因为焦粉相较于煤粉的挥发性更低，更不易形成粉尘云。不同种类粉尘的爆炸属性都不相同，若粉尘发生混合，新粉尘的理化性质和爆炸属性也会随之改变。不同企业由于生产工艺的不同，其除尘设施产生粉尘的理化性质也不同，企业复杂的粉尘系统需要做针对性的研究和分析后才能进行爆炸性风险评估。

1 企业的主要爆炸性粉尘

针对某钢铁企业的粉尘爆炸风险评估，对其中6个粉尘点的粉尘试样进行了实验分析，分别是烧结燃料破碎器破碎后产生的焦粉、高炉磨煤机磨制产生的煤粉、高炉焦炭转运站处产生的焦煤粉以及高炉中央转运站除尘系统产生的矿石粉和焦炭粉。其中来自燃烧破碎器的焦粉粉尘，是一种粒度较细，极易粘附的黑色粉尘；2 种煤粉是粒度更细的黑色粉尘，分别来自2 座不同容积的高炉；2 座高炉的焦煤粉为褐色粉尘，粉尘样品中有较大尺寸的颗粒。矿粉为深灰色粉尘颗粒，其颗粒度较大。针对该企业以上粉尘系统进行爆炸风险评估，首先要对以上粉尘进行爆炸性筛选测试，测试标准基于《ASTM E1226—2012a 粉尘云爆炸威力测试方法》。在此实验条件下，若该样品的粉尘云状态达到粉尘爆炸性判定标准，判断该粉尘为“爆炸”。

2 粉尘爆炸筛选测试

2.1 实验设备和步骤

对以上6 种粉尘样品进行爆炸性筛选实验，实验在20 L 爆炸测试装置上进行，整套装置包括20 L爆炸容器、压力采集系统、点火源和控制单元。20 L爆炸容器为不锈钢制成的球形爆炸容器，容器底部与容积为0.6 L的储尘罐相连，连接处为快速气动阀。压力采集系统包括至少2 个压力传感器以及记录储存装置。点火源为2 个化学点火头，位于球体中心。控制单元控制所有电气部件的动作和联锁。

实验在1 000 g/m3和2 000 g/m3的标准质量浓度下进行，点火能量为10 kJ，温度为22 ℃，相对湿度约为32%。在高压气体作用下，被测试粉尘通过快速气动阀进入球体内部，扩散后形成粉尘云。点火源位于球体中心，共包含2 个点火能量为5 kJ 的化学点火头，通过电引信将点火头在10 ms 内引爆。爆炸压力通过压力采集系统进行记录和储存，再通过计算机分析得出实验数据。通过实验测得粉尘的爆炸压力Pex、爆炸压力上升速率dp/dt和爆炸指数，通过计算爆炸压力比PR，判定粉尘的爆炸参数。其中PR=（Pex-Pignitor）/Pignition，Pignitor为大气压下化学点火具在容器中爆炸的压力上升值，本次实验Pignitor=0.124MPa，Pignition为化学点火具被引爆时的压力（绝对压力），本次实验约为大气压。

2.2 粉尘爆炸性结果分析

6 种粉尘样品的爆炸筛选实验结果如表1 所示，可以看出6 种粉尘样品的PR值都大于2，均为爆炸性粉尘，其中煤粉和焦粉的爆炸压力和PR值较高。所以煤粉的爆炸性最强，焦煤粉次之，矿粉的爆炸性最弱。

表1 粉尘爆炸筛选实验结果

当粉尘的爆炸压力超过0.6 MPa，并且爆炸压力比大于2 时，表示爆炸压力属于较高级别，粉尘的爆炸性较高。其中的焦粉、煤粉［4］和焦煤粉的爆炸压力等级较高，矿粉的爆炸压力等级一般，爆炸性略低。所以焦粉、煤粉和焦煤粉的爆炸危险性最大，矿粉次之，企业在生产中应当对以上粉尘加以重视。这些粉尘也需要满足一定的条件才会发生爆炸，当粉尘充分与空气混合后，浓度达到了爆炸浓度范围以内，且氧气浓度充足，此时若有火花或明火产生，粉尘会发生爆炸并产生极强的爆炸冲击和破坏力，对人身和财产有重大的威胁。若无火花或明火产生，粉尘云的温度达到燃点后也会生爆炸，所以应当加强以上粉尘生产区域的粉尘防爆措施。

3 粉尘防爆的措施

经实验结果确定，6 处粉尘样品均为爆炸性粉尘，需要进一步采取防范措施，提升安全管理水平，下一步粉尘防爆工作建议：

（1）加强除尘设备对标整改及本质安全提升。根据实验结果显示粉尘均存在不同程度的爆炸性风险，相关的除尘系统应当按照标准规范要求进行设置，除尘器采取泄爆、惰化、隔爆、抑爆等一种或多种防爆装置［5］；除尘器灰斗下部设锁气卸灰装置，保证运行工况连续卸灰、连续输灰，使卸灰工作周期内灰斗内无粉尘堆积，抑制粉尘云的产生。如安装泄爆装置，需对照《粉尘爆炸泄压指南》（GB/T 15605—2008）的要求，选择并安装符合泄爆压力要求的材料，确保发生事故时能及时泄爆，减轻事故严重度［6］。

（2）结果显示煤粉的爆炸危险程度最高，应当加大对高炉、磨煤机等处除尘设备的智能化改造。通过建立粉尘涉爆在线监测监控系统，对除尘器灰斗内部温度、进出口风压差、锁气卸灰故障信号等关键安全参数进行实时监测，同时运用物联网、云计算、大数据等手段对粉尘爆炸危险作业的各项风险、隐患管控指标参数进行实时监管、监控。

（3）焦粉、焦煤粉和矿粉的爆炸程度略低于煤粉，其除尘系统仍需按照标准进行设置。此外还需加强除尘系统的维护保养及作业现场清扫。加强对除尘系统的维护，保证除尘系统有效运行，严禁擅自改动除尘器设置。督促涉粉区域加强粉尘清扫，对设备内部、底部以及密封不严、存在跑冒滴漏情形的地方进行清扫。

（4）持续强化粉尘防爆专项教育培训。组织主要负责人、技术人员、安全管理人员、涉粉作业人员等进行粉尘防爆专题培训，深刻认识涉爆粉尘危险性，吸取事故教训，切实提升监管能力和管理水平［7］。加强岗位应急处置等方面的培训，提高其安全操作技能和应急能力。

（5）强化粉尘涉爆场所防火防爆的管理。对粉尘涉爆场所的电气设备，应加强防爆线路敷设、防爆电气设备的安装使用、金属设备和管道防静电措施的管理等，防止出现电火花，避免粉尘爆炸事故的发生。

4 结论

（1）6 个重要的粉尘点，焦粉、矿粉、煤粉和焦煤粉的PR 值均大于2，都为爆炸性粉尘。

（2）煤粉爆炸性最强，爆炸压力分别为0.757 MPa和0.760 MPa，焦粉的爆炸压力为0.673 MPa，2 处焦煤粉的爆炸压力为0.649 MPa 和0.429 MPa，矿粉的爆炸压力为0.384 MPa。

（3）建议对以上6 处粉尘点加强粉尘防爆措施，加强除尘设备对标整改及本质安全提升，加强对人员的粉尘防爆专项教育培训，从而使得危险因素处于始终可控的状态。