可燃金屬粉塵安全風(fēng)速推導(dǎo)

江相軍

(深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518046)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的擴大，越來越多生產(chǎn)工藝會涉及粉塵問題，稍有不慎，就可能引發(fā)粉塵火災(zāi)爆炸事故，從而造成嚴重后果。如2016年4月的江門市安諾特炊具制造有限公司發(fā)生的電弧噴涂粉塵爆炸事故，就造成現(xiàn)場5名工人受傷，生產(chǎn)設(shè)備損毀嚴重。因此，系統(tǒng)分析影響粉塵火災(zāi)爆炸的影響因素，預(yù)防粉塵火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生至關(guān)重要。

目前，很多學(xué)者對粉塵火災(zāi)爆炸事故的影響因素進行研究，如：關(guān)文玲等基于正交實驗系統(tǒng)研究面粉爆炸特性；聶百勝等分析瓦斯煤塵爆炸特性及抑爆方法研究進展情況；吉喆等針對面粉加工企業(yè)生產(chǎn)過程中的粉塵，提出防爆技術(shù)措施與建議；王巍研究濾袋表面過濾風(fēng)速對粉塵排放濃度的影響；陳茂源探究鋁粉粉塵除塵管道內(nèi)的沉積特性；焦婉瑩分析風(fēng)速對呼吸性粉塵和全塵運移規(guī)律的影響。這些研究對預(yù)防粉塵火災(zāi)爆炸事故具有實際意義，但關(guān)于可燃金屬性粉塵管道風(fēng)速對粉塵火災(zāi)爆炸事故的影響研究不多。

本文從金屬粉塵本身固有球形顆粒自由沉降速度出發(fā)，推導(dǎo)不同金屬粉塵在管道中應(yīng)具備的安全風(fēng)速，解決除塵系統(tǒng)管道積塵問題，對預(yù)防粉塵爆炸事故具有重大意義。

1 可燃粉塵安全風(fēng)速的推導(dǎo)概述

1.1 可燃粉塵安全風(fēng)速標準要求

目前對可燃粉塵風(fēng)速有要求的標準規(guī)范主要有4個：一是《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 17269-2003)，該標準適用于將鋁鎂金屬加工成顆粒狀鋁鎂粉企業(yè)，并不適用于鋁鎂制品機械加工企業(yè)；二是適用性比較廣的《粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 15577-2018)只要求風(fēng)管中不應(yīng)有粉塵沉積，并未對風(fēng)速作具體要求；三是《鋁鎂制品機械加工粉塵防爆安全技術(shù)規(guī)范》(AQ 4272-2016)，它要求風(fēng)管的設(shè)計風(fēng)速按照風(fēng)管內(nèi)粉塵濃度不大于爆炸下限的25%計算；四是更具代表意義的《粉塵爆炸危險場所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》(AQ 4273-2016)，它要求鋁鎂制品除塵器進風(fēng)管設(shè)計風(fēng)速不小于23m/s，而對于其他種類粉塵設(shè)計風(fēng)速，以風(fēng)管內(nèi)的粉塵濃度不大于爆炸下限的50%計算。然而，在除塵系統(tǒng)設(shè)計階段，風(fēng)管風(fēng)速的計算難度較大，不易得出確切有效數(shù)值。若以每班產(chǎn)生的粉塵量計算所需風(fēng)量，對于設(shè)計、設(shè)備選型是有一定參考的，但計算出的所需風(fēng)量卻無法確保粉塵不在管道內(nèi)積聚，因此，管道風(fēng)速不僅取決于管道風(fēng)量，還取決于管道管徑。

1.2 可燃粉塵安全風(fēng)速的依據(jù)

按照懸浮氣力輸送基本理論，當(dāng)輸送風(fēng)量足夠大、速度足夠快，豎向風(fēng)速大于粉塵的懸浮速度，粉塵即可懸浮輸送。由于粉塵顆粒之間以及粉塵顆粒與管壁之間的摩擦、碰撞和粘著等作用，為使粉塵完全懸浮輸送，輸送風(fēng)速需大于沉降或懸浮速度。有研究表明，輸送風(fēng)速可以按懸浮速度的某一倍數(shù)來定，一般取2.4～4.0倍，對于大密度(為便于討論，本文所述密度為金屬密度，而非金屬粉塵堆積密度)粘結(jié)性物料，輸送風(fēng)速為沉降速度的5～10倍，即可保證物料正常輸送。

1.3 可燃粉塵安全風(fēng)速的簡化計算

沉降速度是物質(zhì)固有屬性，是物料流體力學(xué)特性的參數(shù)，輸送金屬粉塵的管道安全風(fēng)速，可通過金屬粉塵沉降速度來進行推導(dǎo)。表面光滑的鋼性球形顆粒，在靜止的流體中的自由沉降速度

μ

(即顆粒相對于流體的流動速度，又稱為“終端速度”)的表達式為：

(1)

式中：

μ

—顆粒沉降速度，m/s；

d

—顆粒直徑，m；

ρ

—顆粒密度；

ρ

—流體密度；

g

—重力加速度，m/s；

ξ

—阻力系數(shù)，量綱為1。對于特定的粉塵，

g

、

d

、

ξ

為常數(shù)，金屬粉塵的密度

ρ

及氣流密度

ρ

，直接影響金屬粉塵自由沉降速度即：

(2)

同樣地，因為氣流密度

ρ

是已知數(shù)值，且遠小于金屬密度

ρ

(如空氣密度1.29kg/m，鋁粉塵是2 700kg/m，是1比3 483的比例關(guān)系)，式(2)可繼續(xù)簡化為：

(3)

因此，在特定系統(tǒng)中，顆粒密度直接決定該顆粒的沉降速度，繼而決定了該顆粒的安全風(fēng)速(最低輸送風(fēng)速)。

1.4 鋁鎂粉安全風(fēng)速的實證計算

在《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 17269-2003)中，為避免鋁粉、鎂粉在輸送管道內(nèi)沉積，對安全風(fēng)速規(guī)定如下：鋁粉的安全風(fēng)速不低于23m/s，鎂粉的安全風(fēng)速不低于18m/s。由于二者密度存在差異，鎂粉的安全風(fēng)速明顯小于鋁粉的安全風(fēng)速。

在粉塵粒徑分布相近、沉降速度倍數(shù)相同的前提下(下同)，由已知的鎂粉風(fēng)速18m/s，結(jié)合式(3)推導(dǎo)計算鋁粉安全風(fēng)速大小，其中，鎂粉密度為1 738kg/m、鋁粉密度為2 700kg/m，代入式(3)得出下述表達式：

(4)

計算得出鋁粉的安全風(fēng)速

u

為22.44m/s，與《鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 17269-2003)中，規(guī)定鋁粉塵的安全風(fēng)速不低于23m/s基本一致，由此證明上述公式(4)的合理性。

1.5 鋅粉安全風(fēng)速的推導(dǎo)結(jié)果

由式(3)，計算推導(dǎo)電弧噴涂(噴鋅)粉塵所需的安全風(fēng)速，已知鋅粉密度為7 140kg/m：①由鎂粉密度1 738kg/m、風(fēng)速18m/s，得出鋅粉安全風(fēng)速為36.5m/s；②由鋁粉密度2 700kg/m、風(fēng)速23m/s，得出鋅粉安全風(fēng)速為37.4m/s。綜合上述，鋅粉塵的安全風(fēng)速宜不低于37m/s。

在《流體輸配管網(wǎng)》中，關(guān)于鋼丸(密度7 800kg/m)在管道的參考安全風(fēng)速為30～40m/s，這也印證推導(dǎo)的鋅粉安全風(fēng)速不低于37m/s是科學(xué)的、可行的。

2 安全風(fēng)速推導(dǎo)的實際應(yīng)用

由于鋅具有良好的電化學(xué)保護特性，薄膜電容器普遍采用電熱噴鋅工藝。深圳某電容器有限公司，專業(yè)從事薄膜電容器研發(fā)與制造，近年來持續(xù)開展的粉塵涉爆行業(yè)安全生產(chǎn)專項整治，企業(yè)多次按標準規(guī)范改造除塵系統(tǒng)，仍然未能解決除塵系統(tǒng)風(fēng)管管道內(nèi)積塵問題。通過實地調(diào)研，指導(dǎo)企業(yè)選配高壓風(fēng)機，改變管道管徑來提高管道風(fēng)速至37m /s。經(jīng)過近半年的跟蹤觀察，企業(yè)管道積塵問題明顯改善，充分體現(xiàn)本文提出的粉塵安全風(fēng)速的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

在電弧噴涂(噴鋅)工藝中，為防止高溫熔融霧化后的鋅粉塵，積聚在管道內(nèi)而形成爆炸危險源，必須具有較高的管道風(fēng)速，經(jīng)研究與分析表明：

(1)鋅粉塵密度遠大于鋁、鎂粉塵密度，在除塵系統(tǒng)中，管道安全風(fēng)速不宜低于37m/s，而不是通常所要求的23m/s。在風(fēng)量一定的前提下，可通過選配高壓風(fēng)機、減少管道管徑，來達到管道安全風(fēng)速。

(2)通過公式推導(dǎo)，不僅能應(yīng)用于鋅粉除塵系統(tǒng)有關(guān)安全風(fēng)速的計算，也可應(yīng)用于其他涉爆粉塵如鐵粉、銅粉等安全風(fēng)速的計算。