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上海烟草集团有限责任企业上海卷烟厂 “中华专线”除尘系统防爆分区初探
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上海烟草集团有限责任企业上海卷烟厂 “中华专线”除尘系统防爆分区初探

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产品描述

黄蕾 1

, 张文杰 1

1 上海烟草集团有限责任企业上海卷烟厂,上海市长阳路 787 号 200082;

 

  近年来涉及粉尘的生产企业发生了多次粉尘爆炸安全事故,造成了人员较大的伤亡,阻碍了涉爆企业的生产发展,给社会带来了严重影响。烟草行业在生产过程中会产生大量的烟草粉尘,行业各生产企业在粉尘除尘方面投入了很大的人力、物力,但对照国家标准仍存在较多的隐患。本文着重按照《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058—2014)标准和行业安全标准,对工厂除尘系统爆炸性粉尘环境在科学、经济、安全的准则下的做出分区划分,通过合理分区划分进行除尘系统防爆电气设备的合理选择。

 

前言

 

  国家安全监督管理总局 2015 年发布的《工贸行业重点可燃性粉尘目录》45 项重点可燃性粉尘中已将烟草粉尘纳入其中。烟草粉尘既然是可燃性粉尘,按照粉尘爆炸发生的原理,在特定条件下烟草加工系统必然存在爆炸的风险。虽然我国目前还没有关于烟草粉尘爆炸事故的记录,但这并不意味将来也不可能发生此类事故。

  为了贯彻落实国家和行业要求,有效防范粉尘爆炸事故的发生,上海卷烟厂配合集团企业开展了对制丝、卷包、生产工艺和除尘房的粉尘爆炸危险分区的研究,对生产区域进行爆炸危险分区,系统评估粉尘爆炸风险,查找防爆电气设备选择方面可能存在的缺陷,并提出合理、达标的防爆电气设备选择方案,为今后除尘系统改造和制订相关标准打下扎实基础。

  本文着重对烟草粉尘爆炸基本条件和危险区域环境分区的必要性、爆炸危险区域环境分区的方法、爆炸危险区域环境分区防爆电气的选择等方面进行了初步探讨。

 

1 烟草粉尘爆炸危险区域环境分区的必要性

 

  1.1 烟草粉尘爆炸的可能性

 

 

  粉尘爆炸必须满足五个要素,就是可燃性粉尘、氧化剂、点火源、粉尘云、密闭空间。烟草粉尘在氧化剂达到最低含量的一般室内外环境,向普通明火点释放粉尘,烟草粉尘就会发生燃烧;在加热底板温度至 270 度情况下,5mm 的积尘就会发生燃烧;烟草粉尘积尘达 5mm 的以上,遇湿粉尘内部会发生化学反应,释放出热量,引起自燃,上述三种燃烧情况已被实验和实际所证实。《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058—2014)标准中明确烟草加工系统粉尘属ⅢA级的可燃性飞絮粉尘,烟草粉尘既然是可燃性粉尘,理论上就能够发生粉尘爆炸,多年来烟草行业委托多家科研机构对烟草粉尘进行了理化分析和爆炸极限实验,按照粉尘爆炸发生的原理,烟草粉尘在和氧化剂、点火源、粉尘云、相对密闭空间的爆炸要素同时存在的情况下,在特定条件下烟草粉尘必然存在爆炸的风险。

  (见表一)

 

 

  1.2 粉尘爆炸危险分区的必要性

  根据上述分析,烟草粉尘如在具备一定粉尘浓度混合物(超过爆炸下限)和足够引燃能量的条件下会发生爆炸。可燃性粉尘的存在形成了一个潜在的爆炸环境,这些区域环境的危险性有高、有低、有无之分,因此有必要对这些危险区域环境进行分区,以便按照危险区域的类型采用不同等级的防爆电气设备,将可燃性粉尘出现爆炸浓度的可能性,或电气设备点燃源出现的可能性,以及使二者同时出现的可能性尽可能减小,将粉尘爆炸的可能性降到最低程度。

  目前国内烟草行业 14 年后新建的除尘系统粉尘防爆基本是按照《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058—2014)划分为 21 区进行电力设计、设备设施安装。上海卷烟厂除尘系统运行至今,未对除尘系统爆炸性粉尘环境危险区域进行分区划分,而是按照《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058—1992)对除尘房爆炸性粉尘环境危险区域电力装置全部划分为 11 区来进行防爆电力设计、施工、运行,实际上除尘系统危险环境区域电力装置没有完全达到现行标准防爆分区要求。有的区域、部位需要电力装置达到防爆要求没有达到、有的区域防爆电力装置选型不准、花费了更多资金安装了防爆电气装置。这些问题确实给工厂的安全生产以及爆炸性粉尘环境的管理带来很大困惑。由于粉尘防爆设施、设备的价格是普通产品的数倍,因此按照国家相关规定科学的划分烟草加工系统粉尘防爆危险环境区域,合理地选用粉尘防爆电气设备,对于工厂粉尘防爆项目科学、合理的投入有着重要意义。国家安全生产监督管理局在《安全验收评价守则》中明确规定,对于粉尘爆炸的危险环境,有无科学准确的根据 GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》进行区域划分是验收检验项目中的一项重要内容。

 

2 粉尘防爆分区的方法和结果

 

  2.1 释放源的分级及危险区域划分

  粉尘释放源按爆炸性粉尘释放频繁程度和持续时间长短分为连续级释放源(0 级)、一级释放源、二级释放源,释放源应符合下列规定:(见表二)

  (1)连续级(0 级)释放源为粉尘云持续存在或预计长期或短期经常出现的部位。

  (2)一级释放源为在正常运行时预计可能周期性的或偶尔释放的释放源。如毗邻敞开式包装袋装卸点的周围。

 

  (3)二级释放源为在正常运行时,预计不可能释放,如果释放也仅是不经常且是短期释放。如需要偶尔打开并且打开时间非常短的人孔,或者是存在粉尘沉淀地方的粉尘处理设备。

 

 

  根据 GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》(下称标准),爆炸性粉尘环境电力设计根据粉尘混合物出现的频繁程度和持续时间,原则上是存在连续级释放源的区域可划为 20 区;存在一级释放源的区域可划为 21 区;存在二级释放源的区域可划为 22 区。按以上规定划分区域等级后,再根据采取排气通风等措施调整区域划分。(见表三)

  (1)20 区为空气中的可燃性粉尘云持续地或长期地或频繁地出现于爆炸性环境中的区域。

  (2)21 区为在正常运行时,空气中的可燃性粉尘云很可能偶尔出现于爆炸性环境中的区域。

  (3)22 区为在正常运行时,空气中的可燃性粉尘云一般不可能出现于爆炸性粉尘环境中的区域,即使出现,持续时间也是短暂的。

 

 

  2.2 粉尘爆炸危险区域范围确定

  (1)20 区范围包括爆炸性粉尘/空气混合物长期持续地或者经常在管道、生产和处理设备内存在的区域。如果粉尘容器外部持续存在爆炸性粉尘/空气混合物,则要求划分为 20 区。但在工作场所产生 20 区的情况是被禁止的。

  (2)21 区的范围宜按下列规定确定:

  一一 含有一级释放源的粉尘处理设备的内部;

  一一 由一级释放源形成的设备外部场所,其区域的范围应受到一些粉尘参数的限制,如粉尘量,释放率,浓度,颗粒大小和粉尘湿度。通常为释放源周围1 米的距离(垂直向下延至地面或楼板水平面)。

  一一如果粉尘的扩散受到物理结构(墙壁等等)的限制,它们的表面可作为该区域的边界;

  一一可以结合同类企业相似厂房的实践经验和粉尘参数,适当的考虑可将整个厂房划为 21 区。

  (3)22 区的范围宜按下列规定确定:

  ——由二级释放源形成的场所,其区域的范围应受到一些粉尘参数的限制,如粉尘量,释放速率,颗粒大小和粉尘湿度,同时需要考虑引起释放的条件。在考虑 22 区的范围时,通常超出 21 区 3m 及二级释放源周围 3m 的距离(垂直向下延至地面或楼板水平面);

  ——如果粉尘的扩散受到实体结构(墙壁等等)的限制,它们的表面可作为该区域的边界。

  2.3 工厂爆炸危险区域划分和范围确定

  爆炸性粉尘环境就是大气条件下, 可燃性粉尘、纤维或飞絮与空气的混合物,引燃后,能够保持燃烧自行传播的环境。粉尘爆炸的本质条件是可燃性粉尘云浓度达到爆炸下限。经专业部门研究实验得出结论,烟草粉尘爆炸下限处于30g/m3--50g/m3 区间。

  (1)制丝、卷包、物流生产现场。在制丝、卷包、物流生产现场不存在生产加工、研磨粉尘制品,也没有生产加工研磨、输送粉尘制品的工艺设备。由于烟草加工设备采取了密闭及集中除尘措施,生产过程中的粉尘释放源都得到了严格的控制,经现场检测,所有检测点粉尘浓度均为 mg/m3 级别,和烟草粉尘爆炸下限差一百的数量级单位,不会形成达到或接近粉尘爆炸下限的粉尘云环境。因此,根据粉尘爆炸在除尘系统正常工作情况下,生产现场很难形成粉尘爆炸性环境。同时工厂的除尘装置停车时,产尘的生产工艺机组能联锁停车。

  此外,在集中清扫时段的作业场所各检测点的粉尘浓度大部分是 mg/m3 级别,粉尘浓度最高的为上海卷烟厂物流车间半成品烟丝库,为 1.16g/m3(摘自上烟集团企业检测数据),对照爆炸下限浓度及粉尘爆炸其它要素,也很难形成爆炸性环境。

  粉尘释放源调查是确定烟草粉尘爆炸危险环境分区等级的主要依据,同时依据标准 4.2.3:“爆炸危险区域的划分按爆炸性粉尘的量、爆炸极限和通风条件确定”,4.2.4:符合“装有良好除尘效果的除尘装置,当该除尘装置停车时,工艺机组能联锁停车”和“区域内使用爆炸性粉尘的量不大,且在排风柜内或风罩下进行操作”要求的场所为非爆炸危险区域。

  上海卷烟厂制丝、卷包和物流生产现场的设备、工艺环境满足上述标准要求,因此制丝、卷包、物流生产现场为非 20、21、22 区,可划为非爆炸危险区域。

  (2)除尘间。除尘系统的除尘过程使粉尘浓度从 mg/m3 增加到 g/m3 级别, 现场检测三车间除尘房卷包集成落灰口的粉尘浓度在 3g/m3(最大),虽然现场除尘器内部无浓度检测装置,可以推断在除尘器内及底部灰斗局部粉尘浓度可能更高,相对更接近爆炸下限。除尘器内部也不排除点火源的产生,可能的点火源分为内部点火源和外部点火源两类。包括本体脉冲清灰瞬间产生的静电放电、积尘自热自燃,且静电火花是最危险的点火源,东北大学实验使用 450 mJ 电子放电能量,引爆了烟草粉尘。外部进入除尘器内部的点火源主要是打叶、切丝过程产生的机械撞击火花从吸尘口进入到除尘器内,及灰斗下部集尘筒的着火反窜至除尘器内。

  除尘器内部、除尘器底部、螺旋输送机内部、粉尘输送管道内部是一个互相连通的相对密闭环境;除尘器本体为倒锥体钢壳结构,内部是有限空间,容积约8 立方米。除尘器运行过程中,在风机的作用下,大量新鲜空气会进入除尘器内,除尘器内部氧含量充足,足以支撑爆炸发生。

  粉料管道气力输送过程中,高浓度细粉料与空气处于完全混合悬浮的流动状态,易引起粉尘爆炸,且输送管线与分离过滤器和除尘设备相连,易引起二次爆炸。

  因此除尘器在工作状态下,因自重降落和滤袋清灰,灰斗内始终存在高浓度悬浮状粉尘,若遇有足够能量的点火源,较易引发粉尘爆炸事故。

  (3)分区结果。根据释放源及上述粉尘浓度检测等爆炸要素调查分析,大家对上海卷烟厂烟草加工系统、除尘房除尘系统及环境可燃性粉尘危险场所环境进行了分区原始评定(见附表 1),初步判断上海卷烟厂制丝、卷包、物流生产工艺生产现场是非爆炸危险环境;除尘器内部存在连续粉尘释放源及其它爆炸的五要素,除尘房除尘器内部及连接管道为 20 区;工厂的除尘房有 52 个在用除尘器,14 个粉尘落灰口,其中除尘房内部除尘器制丝集尘和卷包集尘的落灰口粉尘浓度都达到了 g/m3 级,出灰量较大且连续,敞开式落灰口 1 米半径内区域为21 区;除尘房内部敞开式落灰口 1 米-3 米范围为 22 区;除尘房其它区域为非粉尘爆炸区域。(见图一、图二、表四所示)

 

 

  图一:1. 20 区,粉尘收集斗; 2. 21 区,螺旋输送器; 3. 20 区,过滤器; 4.20 区,含尘气体导入罩; 5. 21 区,排灰阀、落灰口; 6. 22 区,平台下方等区域,通常为超出 21 区 3 米区域; 7. 20 区,连接除尘管道; 8.压缩控制器图二:a.橙色 21 区,落灰口 1 米区域;b.黄色 22 区,超出 21 区 3 米区域;c.绿色区域,非爆炸区域

 

 

3 爆炸性环境电气设备的选择

 

  3.1 粉尘爆炸性环境电气设备选择标准

  在爆炸性粉尘环境中,产生爆炸必须是爆炸性粉尘混合物其浓度在爆炸极限以内和点燃爆炸性粉尘混合物的火花、电弧、高温同时存。因此对用于生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现可燃性粉尘与空气形成的爆炸性粉尘混合物环境时,应进行爆炸性粉尘环境的电力装置设计,而爆炸性粉尘环境电气设备的正确选型是非常重要的一个环节。

  1)爆炸性环境内电气设备应根据下列条件进行选择

  a.爆炸危险区域的分区;

  见表四:爆炸危险环境区域划分表

  b.可燃性物质和可燃性粉尘的分级;

  在爆炸性性粉尘环境中粉尘可分为三级:

  IIIA 级:可燃性飞絮(常见的ⅢA 级可燃性飞絮:如棉花纤维、麻纤维、丝纤维、毛纤维、木质纤维、人造纤维、烟草纤维等粉尘。)

  IIIB 级:非导电性粉尘(常见的ⅢB 级可燃性非导电粉尘:如聚乙烯、小麦、玉米、砂糖、染料、可可、木质、米糠、硫磺等粉尘。)

  IIIC 级:导电性粉尘(如石墨、炭黑、焦炭、煤、铁、锌、钛等粉尘。)

  标准附录 E 中将烟草粉尘定位ⅢA 级。

 

 

  c.可燃性物质的引燃温度;

  经最新实验研究,烟草堆积(厚度 5MM)粉尘层引燃温度为:270℃

  d.可燃性粉尘云、可燃性粉尘层的最低引燃温度。

  粉尘云引燃温度为:485℃

  2)危险区域划分与电气设备保护级别的关系

 

 

  3)电气设备保护级别(EPL)与电气设备防爆结构的关系

 

 

  爆炸性粉尘环境保护类型的另一种标志

  ——“ta”: 外壳保护

  ——“tb”: 外壳保护

  ——“tc”: 外壳保护

  ——“ia”: 本质安全型

  ——“ib”: 本质安全型

  ——“ma”: 浇封型

  ——“mb”: 浇封型

 

 

  ——“pb”: 正压型

  ——“pc”: 正压型

  4)粉尘分级与电气设备类别的关系

  注:tD 为外壳保护型;iaD 、ibD 为本质安全型;maD、mbD 为浇封型:pD 为

  正压型。

  5)电气设备的温度组别、最高表面温度和引燃温度之间的关系

 

 

  6)气体/蒸气或粉尘分级与电气设备类别的关系

 

 

  3.2 工厂除尘间现有电气设备选择

  通过现场排查,目前工厂除尘间配置的电气设备,在 21 区的有高配的防爆隔离开关和不符合配置标准的防爆按钮、也有不符合配置标准的防尘防水型电机(见表五);在 22 区有不符合配置标准的控制器(见表六);在非爆炸危险区域安装的电气设备分别是防尘防水型的大功率电机和高配的防爆型的按钮、开关(见表七)。

 

 

 

  3.3 依据标准除尘房电气设备的选择

  经第“二”部分的描述,也许人们要问,除尘间有多个落灰口,落灰口之间的距离有重叠,可能会导致爆炸危险区域范围扩大至整个除尘间。大家对除尘间进行了多次实地勘察,并绘制了除尘间除尘器的平面布置图(附图一),从现场测量的实际距离分析,所有生产工艺除尘器无论是除尘器的独立落灰口还是集中除尘的落灰口和风机的距离都超过 4 米,最短距离也有 5.45 米;且全部卷包生产工艺除尘器的落灰口都进行了集中,并连通至一台卷包生产工艺除尘风机下集中落灰;大部分制丝生产工艺除尘器的落灰口也都进行了集中,并连通至一台制丝除尘风机下集中落灰。所有属于落灰口 1 米半径 21 区及超出 1 米至 4 米半径区 22 区都没有覆盖到任何一台除尘风机及相应的电气开关,也就是说除尘风机及相应的电气开关在除尘间的非爆炸区域;但所有落灰口翻版电机及相应的电气开关在落灰口 1 米半径区域,被 21 区覆盖;部分除尘器上的控制电气设备距落灰口 3.5 米(见图一),在超出落灰口的 1 米至 4 米半径区域,被 22 区覆盖。

  上海卷烟厂的除尘房是 IIIA 可燃性飞絮粉尘的爆炸性粉尘环境,落灰口 1米半径区域是 21 区,超出落灰口 1 米至 4 米半径区域是 22 区,烟草可能堆积(厚度 5MM)粉尘层的引燃温度为 270℃。

  上海卷烟厂 21 区、22 区环境的电气设备必须选用粉尘防爆电气设备,需要符合相应的粉尘防爆标准且有防爆标志,防爆电气设备标志的组成主要是:防爆型式+设备类别+粉尘组别+温度组别(见表八)。

 

 

4 结论:

 

  制丝、卷包、物流生产现场为非 20、21、22 区,划为非爆炸危险区域。除尘器内部及相连管道划为 20 区。

  除尘房制丝、卷包集尘落灰口 1 米半径区域是 21 区;超出 21 区的 3 米半径区域是 22 区。

  除尘房其它落灰口 1 米半径区域暂且也划为 21 区;超出 21 区的 3 米半径区域划为 22 区。因这些落灰口粉尘量小、浓度低、颗粒直径大也可降低爆炸危险区域等级。

  除尘房其它区域划为非爆炸危险区域。

  除尘房除尘风机电气设备在非爆炸危险区域,可不配置防爆电气设备。

  21 区应选用 EPL 不低于 Db、电气设备允许最高表面温度组别为 T3(200℃)的 IIIA 类防爆电气设备,防爆标志为:Ex tD III A21 IP55 T3(270℃)。

  22 区应选用 EPL 不低于 Dc、电气设备允许最高表面温度组别为 T3(200℃)的 IIIA 类防爆电气设备,防爆标志为:Ex tD III A22 IP55 T3(270℃)。

  通常被划分为 21 区的场所,采取通风机防止爆炸性粉尘环境形成时,可降为 22 区场所,工厂如采取规范的清扫方式,也可降为 22 区场所。如果工厂对落灰口采取相应的防粉尘泄漏措施后,落灰口及周围 1 米半径区域降格为 22 区,但 22 区也属粉尘爆炸区域范围,在此范围的电气设备也应选用防爆电气设备。根据目前的配置落灰口翻板电机按钮及翻板电机仍不符合配置标准,因此现阶段进行落灰口的防粉尘泄漏改造意义不大,正确的选择是更新翻板电机按钮及翻板电机的防爆配置。

 

参考文献:

 

  [1]GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》.

  [2]《工贸行业可燃性粉尘作业场所工艺设备设施防爆技术指南》.

  [3]上海烟草集团有限责任企业.《烟草加工系统粉尘作业场所防爆分区治理》科技项目实施指南.

  [4]工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015 版).

 

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