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粉塵爆炸預(yù)防與控制是涉及可燃粉塵操作的企業(yè)需要關(guān)注的重點(diǎn)之一，如集塵器、干燥器、粉碎、打磨等操作。據(jù)公開數(shù)據(jù)，2020年全球共發(fā)生165起粉塵引起的火災(zāi)及60起粉塵爆炸，共導(dǎo)致10人死亡及88人受傷，而2021年全球共發(fā)生163起粉塵引起的火災(zāi)及53起粉塵爆炸，共導(dǎo)致69人死亡及215人受傷。應(yīng)急管理部于2021年發(fā)布了第6號(hào)應(yīng)急管理部令-工貿(mào)企業(yè)粉塵防爆安全規(guī)定，同時(shí)諸如精細(xì)化工的其他行業(yè)也涉及大量的可燃粉塵，需要系統(tǒng)性地評(píng)估粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

 

我們知道粉塵爆炸的五要素如下圖1-1所示，而評(píng)估粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)的第一步是識(shí)別粉塵是否具有爆炸性(即所稱的"Go/No-Go"測(cè)試)。本文通過分析全球常用粉塵爆炸性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)探討如何判斷是否為爆炸性粉塵。

 

 

圖1-1 粉塵爆炸五要素

 

一、粉塵爆炸性測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

目前粉塵爆炸性測(cè)試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2263 第1部分(1990)：粉塵安全特性測(cè)試方法(Test Methods for the Determination of the Safety Characteristic of Dusts)

 

ISO/IEC 80079-20-2(2016): 物料特性-可燃粉塵測(cè)試方法(Material characteristics – Combustible dusts test methods)

 

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1226-19(2016)：粉塵云爆炸性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法(Standard Test Method For Explosibility Of Dust Clouds)。

 

本文將基于以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解釋如何判斷粉塵是否具有爆炸性。

 

二、粉塵爆炸性判定

 

a.德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2263 第1部分(1990)

 

VDI 2263粉塵爆炸性篩選測(cè)試流程如下圖1-2所示。

 

 

圖1-2  VDI 2263粉塵爆炸性篩選測(cè)試流程

 

在改進(jìn)的哈特曼管中(如圖1-3所示)采用感應(yīng)電火花(15kV電壓)進(jìn)行測(cè)試，如果測(cè)試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則認(rèn)為是爆炸性粉塵。如果測(cè)試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則需要在20L球形容器(如圖1-4所示)內(nèi)進(jìn)一步測(cè)試。

 

在20L球形容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，使用1-2kJ的點(diǎn)燃能量進(jìn)行測(cè)試。粉塵爆炸性判定標(biāo)準(zhǔn)：

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力大于0.5barg，則判定為爆炸性粉塵。

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力小于0.5barg，則判定為非爆炸性粉塵。

 

標(biāo)準(zhǔn)中并未明確規(guī)定如果在點(diǎn)燃補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力正好為0.5barg如何進(jìn)行判定。

 

 

圖1-3  改進(jìn)的哈特曼管

 

 

圖1-4  20L球形容器

 

b.ISO/IEC 80079-20-2(2016)標(biāo)準(zhǔn):

 

ISO/IEC 80079-20-2粉塵爆炸性篩選測(cè)試流程如下圖1-5所示。

 

 

圖1-5  ISO/IEC 80079-20-2粉塵爆炸性篩選測(cè)試流程

 

1.在改進(jìn)的哈特曼管中采用感應(yīng)電火花(15kV電壓)進(jìn)行測(cè)試，如果測(cè)試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑒t認(rèn)為是爆炸性粉塵。如果測(cè)試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑒t進(jìn)行第2步的測(cè)試，且認(rèn)為粉塵的最小點(diǎn)火能大于1J。

 

2.在改進(jìn)的哈特曼管中采用加熱盤管進(jìn)行測(cè)試(溫度大于1000℃)。如果測(cè)試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則認(rèn)為是爆炸性粉塵。如果測(cè)試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則進(jìn)行第3步的測(cè)試，且認(rèn)為粉塵的最小點(diǎn)火能大于10J。

 

3.在20L球形容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，使用2kJ的點(diǎn)燃能量進(jìn)行測(cè)試。粉塵爆炸性判定標(biāo)準(zhǔn)：

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力大于等于0.3barg，則判定為爆炸性粉塵。

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力小于0.3barg，則判定為非爆炸性粉塵。

 

c.美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1226-19(2016)：

 

ASTM E1226-19中目前并未使用改進(jìn)的哈特曼管的進(jìn)行粉塵爆炸性篩選測(cè)試，采用的是20L球形容器，可以采用5kJ或者10kJ的點(diǎn)燃能量，但建議采用10kJ的點(diǎn)燃能量。

 

粉塵爆炸性判定標(biāo)準(zhǔn)：

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力大于等于1barg，則判定為爆炸性粉塵。

 

在點(diǎn)燃后，如果補(bǔ)償后測(cè)試的最大壓力小于1barg，則判定為非爆炸性粉塵。

 

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都建議如果對(duì)20L球形容器的測(cè)試結(jié)果不確定，則在1m3的容器內(nèi)進(jìn)一步測(cè)試。但是考慮到成本及耗時(shí)，很少采用1m3的容器進(jìn)行測(cè)試。

 

粉塵爆炸性判定

 

我們將以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的粉塵爆炸性判定標(biāo)準(zhǔn)匯總于下圖1-5中。假設(shè)某粉塵爆炸性篩選測(cè)試結(jié)果為0.4barg(對(duì)應(yīng)的粉塵濃度為500mg/m3)，則按照ASTM E1226-19和VDI2263為非爆炸性粉塵，但是按照ISO/IEC 80079-20-2標(biāo)準(zhǔn)為爆炸性粉塵。再假設(shè)某粉塵爆炸性篩選測(cè)試結(jié)果為0.6barg(對(duì)應(yīng)的粉塵濃度為1000mg/m3)，則按照ASTM E1226-19為非爆炸性粉塵，但是按照VDI2263和ISO/IEC 80079-20-2標(biāo)準(zhǔn)為爆炸性粉塵。因此我們?cè)谂袛喾蹓m是否具有爆炸性時(shí)需要注意所應(yīng)用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不同。

 

 

圖1-5  粉塵爆炸性篩選測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比較

 

2.雖然三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中給出了粉塵爆炸性的判定標(biāo)準(zhǔn)，但是粉塵爆炸性影響因素很多，如粒徑、溫度等，很難通過單一的爆炸超壓或者爆燃指數(shù)Kst判定粉塵是否具有爆炸性。例如，某些粉塵(如鐵粉、煙草)在特定的生產(chǎn)條件下測(cè)出的Kst可能只有10-20bar·m/sec，但是同樣發(fā)生過導(dǎo)致人員死亡的安全事故。因此我們不能簡(jiǎn)單的通過爆炸超壓或者爆燃指數(shù)Kst判定粉塵不具有爆炸性，在特定的條件下粉塵也會(huì)發(fā)生爆燃。

 

總結(jié)

 

粉塵是否具有爆炸性很難通過一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)(如爆炸超壓/爆燃指數(shù)Kst)進(jìn)行簡(jiǎn)單判定，需要結(jié)合其它參數(shù)以及生產(chǎn)條件系統(tǒng)性地判斷以合理評(píng)估粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

 

化工行業(yè)涉及的粉塵絕大部分為可燃粉塵，從經(jīng)濟(jì)有效性角度是否有必要對(duì)于所有粉塵進(jìn)行粉塵爆炸性篩選測(cè)試值得我們進(jìn)一步探討，我們也可以通過公開可以獲得的數(shù)據(jù)初步判斷粉塵是否具有爆炸性。