除塵器

防爆型鋁粉濕法除塵系統的研發應用

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-05-23 16:46:51

摘要:通過對鋁塵的爆炸機理的分析,探討鋁塵的爆炸條件及針對性的控制措施。研發了鋁塵防爆濕法處理工藝設備,設計了在線監測和連鎖控制系統,形成了完整的本質安全防爆型解決方案,爲消除金屬粉塵爆炸隱患奠定了基礎。

關鍵詞:鋁塵;爆炸;濕法;防爆除塵系統

鋁制品是當代生産生活不可或缺的物質,其生産加工過程中伴生著金屬粉塵的爆炸事故隱患。近年來我國發生了多起鋁粉塵爆炸事故,其中2014年8月江蘇昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪毂拋光車間發生特別重大鋁粉塵爆炸事故,造成146人死亡、95人重傷,直接經濟損失達3.51億元。安監總局對粉塵爆炸做出嚴格的督查規定,但仍然事故不斷。2016年4月深圳精藝星五金加工廠五金抛光打磨工序又發生爆炸,造成5人死亡,5人重傷的較大事故。事故頻發的原因在于涉塵企業沒有解析鋁粉塵爆炸的機理,沒有從根本上消除鋁粉塵爆炸隱患。

通過對鋁粉塵爆炸機理以及爆炸事故典型案例的分析,筆者所在的安徽祥源科技股份有限公司立項研發本質安全型的鋁塵防爆工藝技術,並申報獲批2016年度原國家安監總局重大隱患攻關專項。項目組團結協作,攻克了工藝、技術、設備的一系列難關,技術成果在裝備制造企業成功應用。

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1鋁粉塵爆炸機理

鋁制品打磨抛光産生的細微粉塵,其表面Al2O3鈍化層被剝落,呈現出單質鋁的活潑性質。一方面,鋁是容易氧化的物質,其氧化放熱的能量達到點火溫度,可以引起自燃,粉塵集聚能夠引發爆炸。另一方面,鋁常溫下可以與水反應,生成氫氣,集聚的氫氣遇點火源能夠發生爆炸。

1.1鋁粉氧化導致的爆炸

鋁粉塵比表面積大,點火能量低,具有可燃性及導電性,容易發生燃燒爆炸。導致鋁粉塵爆炸有以下五個因素。

(1)粉塵粒度:鋁制品抛光打磨形成的粉塵顆粒度越小,單位質量的表面積越大,與氧反應就越迅速,産生爆炸的速率越大,通常粒度≤75μm的粉塵即可發生爆炸。

(2)粉塵雲:鋁粉塵分散在空氣中形成粉塵雲,粉塵雲爆炸濃度下限爲60g/m3(D50=23μm)。收塵系統內的鋁粉塵濃度往往是高于爆炸下限的,工作場所內長期沈降的粉塵受外力沖擊飛揚,形成的粉塵雲也是可以達到爆炸下限的。

(3)點火源:鋁的粉塵雲引燃溫度爲560℃,最小點火能29mJ,屬于高爆炸級別[1]。鋁制品在打磨過程中産生的火花,工作環境中的明火、電氣火花、靜電、熱表面均可構成點火源。

(4)有限空間:鋁制品打磨涉及的生産車間、除塵器、风管都属有限空间,通常除塵器内粉尘的浓度最高,发生爆炸的几率最大。除塵器一旦发生爆炸,冲击波沿除尘通风管道回传,将沉积在工作场所台面、地面、梁柱上的粉尘吹扬起来,形成粉尘云,诱发二次爆炸。二次爆炸的能量、破坏力通常比一次爆炸更大。

(5)氧氣:是鋁粉塵爆炸的助燃氣體,也是操作人員不可或缺的生存氣體。正常情況下工作場所的氧氣濃度在20%~22%,難以人爲調節。

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1.2鋁粉産生氫氣導致的爆炸

鋁在空氣中易于氧化,其氧化産物Al2O3附著在鋁制品表面,形成致密的鈍化膜,保護內層鋁材不受侵蝕。鋁制品在抛光打磨過程中,表面的鈍化膜受到破壞,鋁塵呈現出既有的化學活性。鋁可與水發生置換反應,産生氫氣,反應方程式如下。

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑

氫氣是甲類易燃易爆氣體,其在空氣中的爆炸濃度範圍4%~75%(體積濃度),在有限空間中,氫氣的排放逸散十分重要。

1.3控制鋁粉塵爆炸的措施

1.3.1鋁粉塵濃度控制

鋁粉的爆炸下限爲60g/m3,控制有限空間的粉塵雲濃度低于爆炸下限,可以防止粉塵爆炸的發生。爲此應采取以下控制措施。

(1)在工作場所設置在粉塵在線濃度監測裝置。

(2)打磨台應與收塵系統連接,收塵系統必須保持有效運作。

(3)收塵系統應當及時卸灰,工作場所內的積塵必須及時清理。

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1.3.2點火源控制

鋁制品打磨抛光作業中存在的點火源較多,控制措施有以下3方面。

1.3.2.1明火源的預防

打磨能夠産生火花,應在除塵風管內設置火花捕集器,控制除塵系統內的點火源。工作場所內的動火作業,動火前應清理現場粉塵,動火及冷卻期間停止粉塵作業。抛光打磨車間禁止吸煙。

1.3.2.2防爆電氣

按《可燃性粉塵環境用電氣設備》(GB12476)選型、安裝、使用粉塵防爆電氣設備,不能用氣體防爆電機代替粉塵防爆電機。

1.3.2.3靜電火源預防

生産區域內的所有機電設備應靜電接地,形成可靠閉合的接地幹線。

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1.3.3氫氣控制

室內禁止濕法作業,防止産生氫氣;室外可以采用濕法除塵,應及時逸散氫氣。

(1)作業場所保持幹燥,控制室內空氣濕度。

(2)禁止室內使用地下管溝式排風除塵系統。

(3)室外濕法除塵系統設置氫氣逸散口。

(4)除塵器与室内管路连接处设置隔爆阀。

2防爆型鋁塵濕法處理工藝

防爆型鋁塵濕法處理工藝綜合考慮鋁塵濃度控制、點火源控制、氫氣逸散控制、爆炸傳導控制、職業病危害控制等因素,形成了兼顧本質安全和職業健康的一體化方案。

2.1工藝流程圖

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2.2工藝流程說明

(1)打磨出的細微鋁塵通過風路系統輸送至室外湿式除塵器。除尘管路内进入的打磨火花通过流程衰减后,至湿式除塵器熄灭;控制系统的风量风速,使管道内粉尘浓度低于爆炸下限,保证管道系统的本质安全。

(2)通風管內設置鋁塵在線濃度監測儀,與氣動工具連鎖。設定在線監測濃度響應阈值(阈值可設爲600mg/m3,爲鋁塵爆炸下限1%),粉塵濃度達到響應阈值時,控制系統輸出信號,啓動聲光報警,提示管道通風運行異常,同時連鎖切斷氣動工具氣源,保證管道內粉塵濃度符合本質防爆要求。

(3)打磨台周圍設置鋁塵在線濃度監測儀,設定職業健康濃度響應阈值3mg/m3(職業健康接觸限值),與變頻風機和氣動工具連鎖,粉塵濃度達到響應阈值時,控制系統輸出信號,啓動聲光報警,同時連鎖變頻風機滿負荷運行並切斷氣動工具氣源,保證工作場所粉塵濃度符合本質防爆和職業健康雙重要求。

(4)室外湿式除塵器设置氢气逸散排放装置,保证系统运行和停机状态均无氢气集聚,避免氢气爆炸产生。

(5)室内外风管连接处设隔爆阀,防止除塵器意外爆炸的冲击波回传,避免二次爆炸发生。

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2.3防爆型濕法除塵裝置設備

2.3.1打磨工作台

打磨工作台为立式,台面设有孔洞,双面操作设置,中间为吸入式抽风廊道,接重力沉降收尘器。打磨抛光作业中产生的铝尘经过立面风孔和台面孔洞进入抽风廊道,较大颗粒铝尘自然沉降,进入重力沉降收尘器,细小颗粒铝尘经风管进入湿法除塵器。

2.3.2通風管道

管道材質一般采用鍍鋅鋼板,通風管道安裝一定坡度(1%-2%),減少鋁塵的沈降聚集。風管彎頭及變徑前後均安裝快速檢查孔,長線直管設置可視檢查口,檢查口間距不超過6m。

2.3.3隔爆閥

风管与水喷淋除塵器在室外连接,连接处设隔爆阀。正常工况下,隔爆阀沿引风方向开启;若除塵器意外爆炸,产生的压力逆向推动阀芯关闭,从而阻隔爆炸的冲击波向室内回传,避免二次爆炸发生。

2.3.4濕法除塵裝置

湿法除尘装置由喷淋塔、排氢装置以及引风机组成。打磨作业中产生的细微铝尘通过风管吸入喷淋塔中,高压喷头产生的雾化水与铝尘接触,增加铝尘运动阻力,将铝尘束缚于喷淋塔中;塔内设置了固液分离器,铝尘沉降收集,喷淋水循环使用。除塵器储水箱安装液位传感器,当液位低于最低限值时,除塵器报警并自动加水。除塵器底部设置有刮板装置,可将底部沉淀物定期排出。除塵器后端风管顶部设置氢气逸散阀,阀门与引风机连锁,引风机工作时,氢气逸散阀关闭,氢气由总排风口排出,引风机关闭时,氢气逸散阀开启,除塵器内产生的氢气通过逸散口排出。

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2.3.5粉塵在線監測與控制系統

粉塵在線監測與控制系統由粉塵濃度監測儀、聲光報警器、控制器組成,實現工作場所和除塵系統的粉塵濃度在線監測、聲光報警、引風機連鎖、氣動打磨工具連鎖。

2.3.5.1粉塵濃度在線監測

在打磨工作場所和通風管道上分別設置粉塵濃度在線監測儀,並設定不同的濃度報警阈值。打磨工作場所的粉塵濃度阈值設定爲3mg/m3,該阈值既控制作業場所粉塵濃度,又保護工作人員的職業健康。通風管道粉塵濃度阈值設定爲600mg/m3,該阈值可及時發現風路系統故障,防止管路系統粉塵集聚。

2.3.5.2控制系統

防爆控制系統連鎖粉塵濃度在線監測儀、聲光報警器、引風機、打磨工具氣源、氫氣逸散閥。當粉塵濃度在線監測達到設定阈值時,控制系統自動加大引風機風量,關閉打磨工具氣源;當引風機關閉時,控制系統自動打開氫氣逸散閥。

水位控制系統連鎖噴淋塔水箱液位傳感器,當液位低于設置值時,設備報警並自動加水。

3應用案例

安徽省大富機電技術有限公司是裝備制造業上市公司,其狼人香蕉香蕉在线28涉及鋁質外殼通信射頻器組件。大富機電在其打磨抛光車間安全隱患整改工程中采用了本公司研發的防爆型鋁制品打磨濕法除塵系統。

該技改項目于2017年9月實施,2017年11月完成安裝調試,系統試運行穩定可靠。工作場所鋁塵濃度經第三方檢測,多檢測點結果處于0.7~1.0mg/m3濃度範圍,既符合職業健康接觸限值要求,又滿足粉塵防爆要求。2017年12月,大富機電的鋁塵隱患整改項目通過蚌埠市安監局組織的安全驗收。2018年4月,本項目通過原國家安監總局組織的重大隱患攻關專項驗收。

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4總結

(1)本項目研究了鋁塵爆炸機理,開發了可以同時控制鋁塵氧化放熱爆炸和鋁水反應産生氫氣爆炸的工藝技術,並實現設備、儀器、裝置的優化配置,形成完整的鋁塵防爆除塵系統。

(2)本項目研發的在線監測和連鎖處理工藝,能夠實現鋁塵濃度檢測、系統故障預警、職業健康防護、設備節能運行等多重功能,系統的自控運行,可以實現工作場所本質安全防爆目的,同時符合職業健康防控的要求。

(3)本項目采用的濕法除塵系統,在室外安裝使用,具有裝備設施少、維護成本低、使用安全度高的特點,可以與鋁塵打磨企業的室內作業工序配套,具有很強的經濟性和適用性。

(4)本項目防爆系統工藝機理清晰,可應用于鎂粉塵、鋁鎂合金粉塵處理。本項目研發成功,可以解決長期困擾裝備制造業鋁鎂粉塵的防爆難題,具有廣闊的應用推廣前景。

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