涉爆粉尘企业除尘器粉尘爆炸泄压面积计算方法研究

赵智聪 靳江红研究员 王 庆教授

(1.首都经济贸易大学 管理工程学院，北京 100070；2.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所 工业防爆研究室，北京 100054)

0 引言

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。涉爆粉尘企业在生产过程中会产生大量粉尘，由于粉尘具有可燃性，在一定条件下能与空气发生氧化反应进而燃烧和爆炸，造成人员伤亡和财产损失。比如，2010年河北省秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司发生的“2.24”淀粉粉尘爆炸事故，该起事故导致21人死亡、47人受伤，直接经济损失1 773万元；2015年1月31日，内蒙古自治区呼伦贝尔市根河市金河兴安人造板有限公司发生粉尘爆炸事故，引发火灾，造成6人死亡、3人受伤，生产车间厂房严重损毁；2014年昆山铝镁合金粉尘爆炸事故，事故报告期内造成97人死亡，163人受伤，直接经济损失3.51亿元，该事故重要原因之一为除尘器未设置泄爆口，导致除尘器内的粉尘爆炸冲击波沿除尘风管反冲至整个车间，导致严重的二次爆炸，最终造成特大人员伤亡。粉尘爆炸的五要素分别为可燃粉尘、粉尘云、引火源、助燃物和空间受限。除尘器中容易形成以上粉尘爆炸条件，是最容易发生粉尘爆炸的设备之一。因此，针对除尘器设计合理的爆炸泄压面积具有重要意义。除尘器不同形状规格较多，不同类型除尘器爆炸泄压面积计算方法不同，故针对不同形状的除尘器分别研究其爆炸泄压面积的计算方法，可以为涉爆粉尘企业除尘器爆炸泄压面积的设计提供参考。

1 泄压面积计算所需参数说明

根据标准《粉尘爆炸泄压指南》(GB/T 15605-2008)，在计算泄压面积时主要依据以下参数进行计算：设备的有效容积

V

；最大受控爆炸压力

p

，即最大泄爆压力；粉尘的爆炸特性参数，最大爆炸压力

p

，爆炸指数

K

；设备的长径比

L/D

；泄压装置的静开启压力

p

；泄压装置的泄压效率

E

。在这些参数中，最大受控爆炸压力

p

为系统地改变可燃物浓度所测得的受控爆炸压力

p

的最大值；受控爆炸压力

p

为采取爆炸控制措施后，受保护围包体内发生爆炸的压力峰值；泄压装置的静开启压力

p

为按标准的测试方法，通过压力缓慢上升使泄压装置动作的内外压力差；最大爆炸压力

p

、爆炸指数

K

应按《粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速率测定方法》(GB/T 16426-1996)规定的方法确定；在理想条件下，泄压效率

E

=1；泄爆门泄压效率的典型数据范围为

E

=0.5～0.8。

2 除尘器泄压面积计算

涉爆粉尘企业中常用除尘器主要为2种，分别是旋风除尘器和布袋除尘器。

2.1 旋风除尘器泄压面积计算

旋风除尘器泄压口设置有2种情况，泄压口分别设置在出气管道的顶部和除尘器主体的肩部(环绕分布在出气管道周围)。

当旋风除尘器的出气口顶部作为泄压口时，泄压面积为出气口的横截面积。

当泄压口设置在除尘器主体的肩部时，旋风除尘器肩部泄压示意图，如图1。图1中

V

、

V

、

V

表示对应部分的容积，

L

表示除尘器底部到肩部泄压口之间的距离。此时按泄压面积计算公式计算旋风除尘器的泄压面积。

图1 旋风除尘器肩部泄压示意图Fig.1 Schematic diagram of the shoulder pressure relief of cyclone dust collector

泄压面积计算公式如式(1)-(4)所示。

如果0.01MPa≤

p

<0.15MPa，则：

A

=

B

·[1+

C

·lg(

L/D

)]

(1)

(2)

C

=(-4

.

305·lg

p

-3

.

547)

(3)

如果0.15MPa≤

p

<0.20MPa，则：

A

=

B

(4)

式中：

A

—泄压面积，m。在进行泄压面积计算时，默认

E

=1。当

E

<1时，所需的泄压面积为

A/E

。在计算除尘器的泄压面积时，难点为长径比

L/D

的计算。

L/D

与除尘器的形状和泄压口的位置有关，其值与除尘器表观上的长径比不一定相等。长径比

L/D

的恰当数值只能根据除尘器设计、除尘器内有效火焰传播距离(火焰在泄压前通过的距离)

L

，以及有效火焰体积(火焰在泄压前通过的体积)

V

进行估算求得。长径比

L/D

的简易计算步骤如下：计算有效火焰传播距离

L

；计算有效火焰体积

V

；用有效火焰体积

V

除以有效火焰传播距离

L

得到有效横截面积

A

；通过有效横截面积

A

计算出有效直径

D

，长径比

L/D

=

L

/

D

。

2.2 布袋式除尘器泄压面积计算

涉爆粉尘企业常用的布袋除尘器主要分为2种。一种由圆筒部分和椎体部分组成，其中圆筒部分为除尘器主体，椎体部分为灰斗；另一种由方形部分和椎体部分组成，方形部分为除尘器主体，锥体部分为灰斗。这2种类型的布袋除尘器都采用侧面泄压的方式(泄压口靠近灰斗)。下面对这2种不同类型的布袋除尘器泄压面积计算公式进行推导。

(1)圆筒形布袋除尘器侧面泄压，示意图，如图2。

注：H1为圆筒部分的高；E1为椎体部分的高；D1和F1表示圆筒和椎体底部圆形的直径；I1为泄压口下端到除尘器圆筒部分底部的距离图2 圆筒形布袋除尘器侧面泄压示意图Fig.2 Schematic diagram of lateral pressure relief of cylindrical bag-type dust collector

故可推导出圆筒形布袋除尘器侧面泄压面积

A

的计算公式，见式(6)。

(6)

(2)方形布袋除尘器侧面泄压，示意图，如图3。

注：J、K、H2分别为除尘器长方体部分的长、宽和高；E2为泄压口下边界到除尘器顶部的距离图3 方形布袋除尘器侧面泄压示意图Fig.3 Schematic diagram of lateral pressure relief of square bag-type dust collector

故可推导出方形布袋除尘器侧面泄压面积

A

计算公式，见式(7)。

(7)

3 应用实例

以某涉爆粉尘企业的布袋除尘器为例，进行泄压面积计算。该除尘器主体为圆筒形，灰斗为锥体。结构示意图，如图4。

图4 某涉爆粉尘企业布袋除尘器结构示意图Fig.4 Structure diagram of a bag-type dust collector in an explosion-related dust enterprise

通过现场测量得到除尘器尺寸数值分别为

H

=2m，

D

=1.85m，

E

=1m，

I

=0.607m，

F

=0.6m。该企业为面粉企业，测得粉尘爆炸特性参数(见表1)，设备泄压参数，见表2。

表1 粉尘爆炸特性参数表Tab.1 Characteristic parameter table of dust explosion

表2 设备泄压相关参数表Tab.2 Parameter table of equipment pressure relief

由于此除尘器类型为圆筒形布袋除尘器，故将以上参数代入式(6)，计算得出长径比

L/D

=0.903,泄压面积

A

=0.259m。《粉尘爆炸泄压指南》(GB/T 15605-2008)中也给出了泄压面积计算的例子。在该例中(计算所得参数用角标0区分)：

V

=20m，

L

/D

=1，

p

red, max=0.05MPa，

p

max=0.9MPa，

K

max=20MPa·m/s，

p

stat=0.01Mpa，

E

F=1，计算得出的泄压面积

A

=0.83m。在本应用实例中：

P

=

P

stat，

E

=

E

F；

V

，

P

，

P

，

K

以及

L/D

均小于指南中所给示例对应参数的值。故本应用实例中计算得到的泄压面积

A

应小于指南中示例的泄压面积

A

。从计算结果上看，本应用实例中

A

=0.259m，小于指南中示例的泄压面积

A

，并且二者处于同一量级。由此可以证明本应用实例中泄压面积计算结果的合理性和准确性。

4 结论

(1)对旋风除尘器和布袋除尘器的泄压面积计算进行分析，推导出2种除尘器泄压面积的计算公式。

(2)对于不同类型的除尘器，泄压面积的计算方法不同。应根据其结构的不同，按不同方法计算长径比，进而根据粉尘爆炸特性参数和设备泄压参数求出除尘器的泄压面积。

(3)针对除尘器设计合理的泄压面积能有效减轻粉尘爆炸事故的后果。但影响粉尘爆炸后果的因素不仅有泄压面积，还有除尘器所在环境等。对于其他因素对粉尘爆炸后果的影响还有待进一步研究。