（安全技术及工程专业论文）烟草加工系统粉尘防爆安全评价的研究.pdf

塑至 一一 a b s t r a c t i n t h i sp a p e r ，b a s e do nf h z z ym a t h e m a t i c st h e o r y ，印p l y i n gt h em e m o do ff u z z y c o m p r e h e n s h ee v a l u a t i o ni n t ot h es a f e t ya s s e s s m e mo ft h et o b a c c op r o c e s ss y s t e m s d u s te x p l o s i o np r e v e n t i o n ，g e t t i n gi t ss a f e t yg r a d e c a r r y i n go u tt | 1 em e m o do ff h 2 z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，t h em o s ti m p o n a n tm i n gi s t oe s t a b l i s ht h ea s s e s s m e n t f a c t o r ss y s t e ma n dt od e f i n et h er e i a t i v ew e i g h t s ，a c c o r d i n gt og e n e r a iv i e w p o i n to f a c c i d e n tt h e o r y ， d u s te x p l o d i n gp r e v e n t i o n s a f 文y a s s e s s m e n tf a c t o r ss y s t e mi s e s t a b l i s h e da n da n a l y z e d t od e f i n et h er e l a t i v ew e i g h t si naq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i 诅t i v ew a y a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) w h i c hi sm o 聪s c i e n t i 矗ca n d r e a s o n a b l ef o rs y m b o l i z i n gm ei m p o r t a i l tc x t e n to ff a c t o r si nr e c e n t l ys a f e t y t h e n p u t t 主n gt h ea b o v em e t h o di n t oo n e o ft h et o b a c c op r o c e s ss y s t e m so fm 血u it o b a c c o g r o u p ，i t ss a f e t y 铲a d ei sa c q u i r e du s i n gm es a f e t ) rg r a d ec h a r a c t e r i s t i cq u 鲫血y t h e 即p l y i n ge x a m p l ei n d i c a t e s ：t h er e s e a r c h e dm e t h o di sf e a s i b l ea 1 1 de f f e c t i v e ，i tc a nb e u s e d 试d e l yi nt h es 撩t ya s s e s s m e n to f t 王1 et o b a c c op m c e s ss y s t e m f i g u r e 1 0 t a b ef 18 】r e f e r e n c e 5 1 k e yw o r d s ：t o b a c c od u s te x p l o s i o np r e v e n t i o ns a f e t y ，f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u 缸i o n ，a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，s a f e t y 舒a d c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 9 3 2 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀型王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：身厶积签字日期：跏俾钥? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞煎堡兰太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于安 徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽堡王太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章 一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：舅矗歌 导师签名弋呈0 江 签字日期：跏侔钥j 日 绪论 1绪论 1 1课题研究的背景和意义 1 1 ，1 课题研究的背景 烟草加工企业的生产活动就是经烟草加工系统将烟叶加工成成品烟的过程， 它包括烟叶初加工、打叶、切丝、烟丝膨胀、薄片加工及卷制等生产工艺。在此 加工过程中，烟草粉尘也存在于加工工艺的各个环节。烟草粉尘是具有爆炸危险 性的一种危险物质，烟草加工系统安全工作的核心就是烟草粉尘的防爆工作。在 国外烟草的冲击下，我国的烟草行业为了在国际激烈竞争的洪流中不被淘汰，增 强竞争力，在加工工艺上不断引进新技术、新设备、新工艺，同时企业安全生产 也面临技术和管理的挑战，要求安全管理不能再停留在传统的事故管理上，而是 要以安全工程技术、系统安全为指导，对企业进行风险管理，对系统进行风险辨 识和安全评价来全面提高安全管理水平。把各类安全检查作为全权信息的重要手 段，并进行全面收集，分析处理后及时反馈，便于事故隐患能够及时整改，不断 消除隐患，减少事故发生率，降低事故的破坏程度，以现代安全管理为手段创造 健康安全卫生的工作环境。 1 1 ，2 课题研究的理论意义、应用意义 1 理论意义 一个具有现代化技术的生产企业必然需要与之相适应的现代安全管理科学， 变传统的纵向单因素安全管理为现代的横向综合安全管理；变传统的被动的事故 管理为现代的隐患管理( 变事后型为预防型) ；变传统的被动安全管理对象为现代 的安全管理动力；变传统的静态安全管理为现代的安全动态管理；变过去企业只 顾生产经济效益的安全辅助管理为现代的效益、环境、安全与卫生的综合效果的 管理；变传统的被动、辅助、滞后的安全管理程式为现代主动、主导、超前的安 全管理程式；变传统的外迫型安全指标管理为内激型的安全目标管理( 变次要因 素为核心事业) 。安全工作要跟上技术进步的步伐，不断创新和进步，满足现代企 业安全生产的需要，才能降低人类因利用技术而在生命、健康、经济、环境中形 成的风险代价做出应有的贡献【8 1 。 2 应用意义 烟草加工粉尘防爆系统是一个极其复杂的多因素、多变量、多层次的人一机 安徽理工大学硕士论文 一环境系统。目前，对烟草加工系统进行粉尘防爆安全管理时所进行的安全评价 工作，采用的还是传统的安全检查表等定性评价方法，这些方法大都评价指标较 为零散且缺乏系统性，己不能满足现代化烟草加工系统防爆安全工作的需要，本 人以模糊数学理论为基础，将模糊综合评价方法引入到烟草加工系统的粉尘防爆 安全评价，与烟草行业专家一起研讨并结合个人作粉尘防爆项目安全评价的感受， 提出了烟草加工行业粉尘防爆安全评价的新思路。 1 2 国内外安全评价发展现状及展望 1 2 1 国外安全评价方法研究与应用状况 危险评价起源于2 0 世纪3 0 年代的美国保险行业，到现在经过7 0 多年的发展， 形成了很多关于危险评价的理论、方法和应用技术。不论在理论上，还是在实践 中，危险评价都取得了令人瞩目的成绩，因为安全评价既分析评定系统中存在的 静态危险，也评估分析系统中可能存在的动态事故隐患，开展安全评价对减少工 程事故和人身伤害事故起到了积极作用。安全评价已在现代企业安全管理中占有 重要地位。安全评价在发达国家得到了企业和政府的高度重视，企业和政府都把 进行危险评价，防止各种灾害事故发生，减少经济损失摆在十分重要的地位。在 西欧，一些安全专家认为，有效防止事故发生的前提是对危险源作出正确分析和 评价。 目前，在国外用于生产过程或设施的危险评价方法已达到几十种。常用的危 险评价方法可分为定性评价方法、指数评价方法、概率风险评价方法和半定量评 价方法等几大类吲。 1 定性评价方法 定性评价方法主要是根据经验和判断能力对生产系统的工艺、设备、环境、 人员、管理等方面的状况进行定性的评价。属于这类评价方法的有安全检查表、 预先危险性分析、故障类型和影响分析以及危险可操作性研究等方法。这类方法 的特点是简单、便于操作，评价过程及结果直观，目前在国内外企业安全管理工 作中被广泛使用。但是这类方法含有相当高的经验成分，带有一定的局限性，对 系统危险性的描述缺乏深度。不同类型评价对象的评价结果没有可比性。 2 指数评价方法 美国道( d o w ) 化学公司的火灾、爆炸指数法，英国帝国化学公司蒙德工厂的蒙 德评价法，日本的六部阶段危险评价法和我国化工厂危险程度分级方法等，均为 2 绪论 指数评价方法。指数的采用使得系统结构复杂、用概率难以表述其危险性单元的 评价有了一个可行的方法。这类方法操作简单，是目前应用较多的评价方法之一。 指数的采用，避免了事故概率及其后果难以确定的团难，评价指数的值同时含有 事故频率和事故后果两个方面的因素。这类评价方法的缺点是：评价模型对系统 安全保障体系的功能重视不够，特别是危险物质和安全保障体系问的相互作用关 系未给予考虑。尽管在蒙德法和我国化工厂危险程度分级方法中有定的考虑， 但这种缺陷仍是很明显的。各因素之间均以乘积或相加的方式处理，忽视了各因 素之间重要性的差别。评价自开始起就用指标值给出，使得评价后期对系统的安 全改进工作较困难。在目前的各类指数评价模型中，指标值的确定只和指标的设 置与否有关，而与指标因素的客观状无关，致使危险物质的种类、含量、空间布 置相似，而实际安全水平相差较远的系统，其评价结果相近，导致这类方法的灵 活性和敏感性较差。指数评价法目前在石油、化工等领域应用较多。 3 概率风险评价方法 概率风险评价方法是根据零部件或子系统的事故发生概率，求取整个系统的 事故发生概率。本方法以1 9 7 4 年拉姆逊教授( p m f n o 卜m a nc r a s m u s s e n ) 评价民用 核电站的安全性开始，继而有1 9 7 7 年的英国坎威岛( c a n v e vi s l a i l d ) 石油化工联合 企业的危险评价，1 9 7 9 年德国对1 9 座大型核电站的危险评价，1 9 7 9 年荷兰雷杰蒙 德( m o n d ) 六项大型石油化工装置的危险评价等都是使用概率评价方法。这些评价 项目都耗费了大量的人力、物力，在方法的讨论、数据的取舍、不确定性的研究 以及灾害模型的研究等方面均有所创建，对大型企业的危险评价方法影响较大。 系统结构简单、清晰，相同元件的基础数据相互借鉴性强，如在航空、航天、核 能等领域这种方法得到了广泛应用。另一方面，该方法要求数据准确、充分，分 析过程完整，判断和假设合理。对于化工、煤矿等行业，由于系统复杂，不确定 性因素多，人员失误概率的估计十分困难，因此，这类方法至今未能在此类行业 中取得进展。随着模糊概率理论的进一步发展，概率风险评价方法的缺陷将会得 到一定程度的克服。但是使用概率风险评价方法需要取得组成系统各零部件和子 系统发生故障的概率数据，目前在民用工业系统中，这类数据的积累还很不充分， 是使用这一方法的根本性障碍。 1 2 2 我国安全评价方法研究与应用状况 2 0 世纪8 0 年代初期，安全系统工程引人我国，受到许多大中型企业和行业管 理部门的高度重视。通过翻译、消化和吸收国外安全检查表和安全分析方法，机 安徽理工大学硕士论文 械、冶金、化工、航空、航天等行业的有关企业开始应用简单的安全分析评价方 法，如安全检查表、事故树分析( f t a ) 。故障类型及影响分析( f m f a ) 、事件树分 析( e t a ) 、预先危险性分析( p h a ) 、危险与可操作性研究( h a z o p ) 、作业环境危险评 价方法( l e c ) 等。在许多企业，安全检查表和事故树分析方法已应用于生产班组和 操作岗位。此外，一些石油、化工等易燃、易爆危险性较大的企业，也应用道化 学公司的火灾、爆炸指数评价方法进行了企业危险评价许多行业和地方政府有关 部门制定了安全检查表和安全评价标准”。 为推动和促进危险评价方法在我国企业安全管理中的实践和应用，1 9 8 6 年劳 动人事部分别向有关科研单位下达了机械工厂危险程度分级、化工厂危险程度分 级、冶金工厂危险程度分级、工厂危险程度分级等科研项目。1 9 8 7 年机械电子部 首先提出了在机械行业内开展机械工厂安全评价，并于1 9 8 8 年颁布了第一个部颁 安全评价标准机械工厂安全性评价标准。机械工厂安全评价标准分为两方面： 一是工厂危险程度分级，通过对机械行业1 0 0 0 余家重点企业3 0 余年事故统计分析 结果，用1 6 种设备( 设施) 及物品的拥有量来衡量企业固有的危险程度并作为划分 危险等级的基础：二是机械工厂安全性评价( 包括综台管理评价、危险性评价和作 业环境评价) ，主要评价企业安全管理绩效，采用了以安全检查表为基础、打分赋 值的评价方法。由原化工部劳动保护研究所提出的化工厂危险程度分级方法是在 吸收道化学公司火灾、爆炸危险指数评价方法的基础上，通过计算物质指数、物 量指数和工艺系数、设备系数、厂房系数、安全系数、环境系数等，得出工厂的 固有危险指数，进行固有危险性分级，用工厂安全管理的等级修正工厂固有危险 等级后，得出工厂的危险等级。机械工厂安全性评价标准己经应用于我国1 0 0 0 余家企业，化工厂危险程度分级方法、工厂危险程度分级方法和冶金工厂危险分 级方法等也在相应行业的几十家企业进行了实践。 除上述危险程度分级方法外，我国有关部门还颁布了医药工业企业安全性 评价通则、航空航天工业工厂安全性评价规程、石化企业安全性综合评 价办法、电子企业安全性评价标准、 兵器工业机械工厂安全性评价方法 和标准等“。 1 3 论文研究的主要方法和内容 1 课题研究的方法：烟草加工粉尘防爆系统是一个多因素的复杂系统。众 所周知，事物的复杂性越高，人类用一般的数学方式使它有效地精确化的能力就 越低。这是因为复杂的事物都具有众多的影响因素，对每个因素都考虑得很清楚 4 绪论 是不可能的，而只对部分因素过分地精确化，又没有什么实际意义。另外，影响 系统的各个因素，客观实体的差异在中间过渡阶段呈现出“亦此亦彼”的特点外， 还有人的思维和行动也存在模糊性。所以在烟草加工系统粉尘防爆安全评价中引 入模糊综合评价方法是适宜的。 2 课题研究的内容：对烟草加工系统的粉尘防爆安全总体水平进行模糊综 合评价，得出粉尘防爆的安全等级。在用模糊综合评价方法评价烟草加工粉尘防 爆系统的安全状况时，最重要的是评价因素指标体系的建立和各指标权重的确定。 为此，本论文依据安全系统工程学原理，专家与个人的安全评价实践经验，建立 了多层次评价指标体系。确定指标权重时，采用了定性与定量相结合的层次分析 法( a h p ) ，使权重的赋值更加科学、合理，较好地反映了各因素对系统安全现状的 重要程度。本文还建立了模糊综合评判多层次模型，讨论模糊合成算子的选择及 模糊综合评判方法的优缺点，并成功地将其运用于一个烟厂的粉尘防爆安全模糊 综合评价实例。最后，对整篇论文做出总结。 安徽理工大学硕士论文 2 烟草加工系统粉尘防爆安全评价的理论基础 2 1 定义 1 烟草加工系统 将烟叶加工成成品烟的生产系统，它包括烟叶初加工、打叶、切丝、烟丝膨 胀、薄片加工及卷制等生产过程1 4 们。 2 烟草粉尘 能悬浮在空气中的烟草微小颗粒，是一种不导电的可燃性粉尘。 3 烟草粉尘防爆 预防烟草粉尘燃烧、爆炸并使粉尘燃烧、爆炸发生时损失减少的技 术。 2 2 烟草粉尘爆炸性环境危险区域的划分 1 烟草粉尘爆炸性危险区域的划分原则” 烟草粉尘爆炸性危险环境根据爆炸性粉尘混合物出现的频繁程度和 持续时间，按规定分区： 1 ) l o 区：在正常作业时大量持续出现或长期出现爆炸性烟草粉尘， 其浓度能达到爆炸极限的密闭环境。 2 ) 1 l 区：未划为1 0 区的场所，但在异常情况下，可以在该场所内 出现爆炸性烟草粉尘和空气混合物，能达到爆炸浓度的密闭环境。 3 ) 非爆炸危险区：1 0 区和1 1 区以外的区域。 烟草粉尘爆炸性危险区域的划分，应按爆炸性粉尘的数量、爆炸条 件和通风除尘条件确定。 符合下列条件之一时，可以划为非危险区域： 装有良好除尘效果的除尘系统，当该系统停车时，作业线能立即实现联 锁停车；有墙体和弹簧门与l o 区、1 l 区隔开的区域。 2 烟草粉尘爆炸性危险区域的划分 烟草粉尘爆炸性危险区域的划分如表l ： 6 烟草加工系统粉尘防爆安全评价的理论基础 表1烟草粉尘爆炸性危险区域的划分表 t a b l e1t o b a c c od u s te x p l o s i o nd a n g e rz o n ep a r t i t i o n 粉尘环境1 0 区1 l 区非爆炸危险取 制丝车间 卷接包车间 地上封闭式输粮廊道 封闭式设备内部 楼梯问 有墙、弹簧门与1 0 区、1 1 区隔离 控制室 有墙、弹簧门与l o 区、区隔离 注：本表采用以厂房建筑为单位划定烟草粉尘爆炸性危险区域的方法； 墙指砖、轻质材料墙体等 2 3 烟草粉尘爆炸机理 2 3 1 爆炸机理 烟草粉尘爆炸是一个相当复杂的非定常气一固两相动力学过程，关于爆炸机 理问题至今尚不十分清楚。从烟草粉尘颗粒点火角度看，目前主要存在两种观点， 即气相点火机理和表面非均相点火机理。一般认为，在弱点火源作用下，爆炸初 期或小尺寸空间中火焰传播，主要受热辐射和湍流作用机理控制，火焰以爆炸波 形式传播；在强点火源作用下，对于大尺寸空间或长管道火焰传播，则主要受对 流换热和冲击波( 激波) 绝热压缩机理控制，火焰传播不断加速，最后甚至有可 能从爆燃发展成为爆轰j 。 1 气相点火机理 气相点火机理认为，粉尘点火过程分为颗粒加热升温、颗粒热分解或蒸发汽 化以及蒸发气体与空气混合形成爆炸性混合气体并发火燃烧三个阶段，如下页图 l 所示。从图中可以看出，首先，粉尘颗粒通过热辐射、热对流和热传导等方式 从外界获取能量，使颗粒表面温度迅速升高：当温度升高到一定值后，颗粒迅速 发生热分解或汽化形成气体；这些热分解或蒸发气体与空气混合形成爆炸性气体 混合物，发生气相反应，释放出化学反应热，并使相邻粉尘颗粒发生升温、汽化 安徽理r 大学硕士论文 和点火p j 。 2 表面非均相点火机理 表面非均相点火机理认为粉尘点火过程也分为三个阶段，首先，氧气与颗粒 表面直接发生反应，使颗粒发生表面点火；然后，挥发分在粉尘颗粒周围形成气 相层。阻止氧气向颗粒表面扩散；最后，挥发分点火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。 因此，对于表面非均相点火过程，氧分子必须先通过扩散作用到达颗粒表面，并 吸附在颗粒表面发生氧化反应，然后，反应产物离开颗粒表面扩散到周围环境中 去。关于表面反应产物问题，目前主要存在两种观点，一种认为碳与氧反应直接 生成二氧化碳；另一种则认为，在一般燃烧温度范围内( 1 0 0 0 2 0 0 0 k ) ，碳首先 与氧发生反应生成一氧化碳，然后扩散到周围环境中去再被氧化成为二氧化碳j 。 图t 粉尘气象点火过程图 f i 9 1d u s tg a sp o s t u r e 培n i t e dp r o c e s s 对于烟草粉尘与空气混合物来说，粉尘点火过程究竟是气相点火，还是表面 非均相点火，迄今为止尚未形成统一的理论判断。一般认为，对于颗粒较大些的 粉尘，由于加热速度较慢，以气相反应为主；而对于加热速率较快的小颗粒粉尘， 则以表面非均相反应为主p j 。 事实上，单个粉尘颗粒机理并不能完全代表粉尘云点火行为。首先，粉尘云 点火过程必须考虑颗粒之间的相互作用及影响。其次，粉尘云中粉尘颗粒大小和 形状不完全相同，粉尘颗粒存在一定粒径分布范围，这种颗粒尺度分布非单一性 对粉尘云点火也会产生影响。再有，粉尘云点火还必须考虑氧浓度影响，而且随 着粉尘浓度增大，这种颗粒的热损失比单个颗粒点火分析情况下的热损失要小， 也就是说，粉尘云点火温度要比单个颗粒点火温度低。一般来说，粉尘云点火及 则草加 ，系统粉尘防爆安全评价的理论基础 火焰传播过程主要出小粒径粉尘颗粒点火行为控制，大颗粒粉尘只发生部分反应 ( 颗粒表面被烧焦) ，有时甚至根本不发生反应。也就是说，只有那些能在空气中 悬浮一段时间，并保持一定浓度的小颗粒粉尘云才会发生点火和爆炸。 2 3 2 烟草粉尘爆炸特性参数 描述烟草粉尘与空气混合物爆炸的特性参数主要是粉尘点火特性参数，如虽 低着火温度、最小点火能量、爆炸下限、最大允许氧含量、粉尘层比电阻等，当 参数值越小时，表明粉尘爆炸越易发生l 。 1 爆炸极限 根据i e c 3 1 h 粉尘空气混合物最低可爆浓度测定方法规定，粉尘爆炸极 限( e l ) 是指在标准测试装置及方法下，粉尘空气混合物( 粉尘云) 能发生爆炸 的浓度范围，包括爆炸下限和爆炸上限两个方面，粉尘爆炸极限一般用单位体积 粉尘质量来表示( 如g ) 。粉尘空气混合物能发生爆炸的最小和最大浓度分别 成为爆炸下限( l e l ) 和爆炸上限( u e l ) ，当粉尘浓度小于爆炸下限或大于上限时， 粉尘爆炸都不会发生。烟草粉尘的爆炸下限一般为6 5 2 川3 。 2 最小点火能量 根据i e c 3 1 h 粉尘空气混合物最小点火能量测定规定，粉尘云最小点火 能量( m i e ) 是指在标准测试装置中点燃粉尘云并维持火焰自行传播所需的最小能 量。 3 最低着火温度 粉尘最低着火温度包括粉尘层最低着火温度和粉尘云最低着火温度两个方 面。根据i e c 3 l h 标准粉尘最低着火温度测定方法：恒温热表面上粉尘层规定， 粉尘层最低着火温度是指特定热表面上一定厚度粉尘层能发生着火的最低热表面 温度，而粉尘云最低着火温度则是指粉尘云通过特定加热炉管内壁温度。粉尘最 低着火温度参数是防爆电气设备设计与选型的重要设计依据之一。烟草粉尘高温 表面堆积粉尘层( 5 m ) 的引燃温度一般为3 2 5 ，粉尘云的引燃温度为4 1 5 。 4 最大允许氧含量 根据i e c 3 1 h 粉尘空气混合物最低可爆浓度测定方法规定，最大允许含 氧量( l o c ) 是指使粉尘，空气混合物不发生爆炸的最低氧气浓度。粉尘爆炸猛烈 度随氧含量减小而下降，当氧气浓度不足以维持粉尘爆炸火焰自行传播时，粉尘 爆炸就不会发生。本质而言，最高允许氧含量是粉尘爆炸上限的另一种表述。最 大允许氧含量参数是粉尘惰化防爆的重要依据之一。 9 安徽理j 一大学硕士论文 5 粉尘层比电阻 根据i e c 3 l h 粉尘层比电阻测定规定，粉尘层比电阻是指在标准测试装 置两电极之问与电极接触的单位面积粉尘层单位电极距离的最小电阻，即两电极 之间粉尘层单位体积的最小电阻。粉尘层比电阻是粉尘爆炸危险场所电气设备选 型的重要依据之一。 6 最大试验安全间隙 最大试验安全间隙( m e s g ) 是指在特定试验条件下，点燃壳体内所有浓度 范围的被试可燃粉尘空气混合物后，通过2 5 m m 长接合面时均不能点燃壳外同种 粉尘空气混合物时的外壳空腔与壳内两部分之间的最大间隙。 7 爆炸指数 根据i s 0 6 1 8 “1 8 5 空气中可燃粉尘爆炸参数测定规定，在标准测试方法 下，测得可燃粉尘空气混合物每次试验的最大爆炸超压称为爆炸指数。 23 3 烟草粉尘爆炸影响因素 可燃烟草粉尘空气混合物能否发生着火、燃烧或爆炸，以及爆炸猛烈程度如 何，能否成长为爆轰，主要与以下几方面因素有关巾j ： 1 粉体性质，如粉尘粒度、形状、表面致密或多孔性、燃烧热、表面燃烧 速率等； 2 粉尘云特性，如粉尘浓度、含氧量、湿度、湍流度、分散状况等； 3 外界条件，如初始温度、压力、点火源、包围体形状、惰性介质加入等。 1 1 粉体性质 粉体性质包括物理和化学两个方面，物理性质是指烟草粉尘粒度、形状、表 面致密或多孔性等特性；化学性质是指化学组成，烟草粉尘化学组成不同，燃烧 热、表面燃烧速率也不同。 ( 1 ) 燃烧热燃烧单位质量的可燃粉体或消耗每摩尔氧气所产生的热量。燃 烧热越大，粉尘爆炸越猛烈。因此，根据粉体燃烧热值大小，可粗略预测粉尘猛 烈程度。 ( 2 ) 反应动力学性质不同粉体反应动力学性质不同，如频率因子和活化能 等。频率因子值越大反应速率愈快；活化能越大反应愈难进行，粉体愈稳定。 ( 3 ) 物理性质粉体粒径、形状和表面状况等都会影响颗粒表面反应速率，其 中又以粒径影响显著。实验表明，粒径5 0 0 埘以下的可燃粉尘易发生爆炸。对于 粒径在5 0 i 肼以下的可燃粉尘，粒径影响主要表现在爆炸指数方面。一方面，颗 烟草加 ：系统粉尘防爆安全评价的理论基础 粒表面积及其与氧气的接触面积随粉尘粒径增大而减小，颗粒表面燃烧放热速率 随之减慢；另一方面，颗粒与周围气体列流换热速率随粒径增大而减慢，导致粉 尘颗粒点火弛豫时间增长。 2 1 粉尘云特征 ( 1 ) 粉尘浓度粉尘爆炸指数随粉尘云浓度增大而增大，当浓度增大到某一值 ( 最佳爆炸浓度) 后，粉尘爆炸指数则又随浓度增大而下降。这主要是因为，当 粉尘浓度小于最佳爆炸浓度时，燃烧过程放热速率及放热量随粉尘浓度增大而增 加，导致粉尘爆炸指数随粉尘浓度增大而增大；当粉尘浓度超过最佳爆炸浓度后， 由于氧含量不足，导致颗粒表面燃烧速度减慢，粉尘燃烧不完全，粉尘爆炸指数 随粉尘浓度增大而下降。 ( 2 ) 氧含量粉尘爆炸指数随氧含量减小而增大。粉尘云中氧含量降低，爆炸 下限增大，爆炸上限减小，可爆浓度范围变狭，最小点燃能增大。这主要是因为， 随着氧含量减小，一方面，颗粒之间因供氧不足而出现争夺氧气的情况，使已燃 颗粒表面燃烧速率及放热速率减慢，导致粒径较大的颗粒不能完全燃烧：另一方 面，未燃粉尘颗粒则因升温较慢而变得愈难以点火，甚至不能点火。 ( 3 ) 粉尘湿度增大粉尘湿度，不仅会消耗更多的点火能量，使粉尘活性降低， 同时还会使粉体颗粒变大，因此，粉尘湿度增大会导致爆炸感度和猛度降低，印 最低着火温度、最小点火能量和爆炸下限都会升高，而爆炸指数则下降。 ( 4 ) 初始湍流粉尘云湍流度增大，可增大已燃和未燃粉尘之间接触面积，致 使反应速度加快，最大压力上升速率增大：另外，湍流度增大又会使热损失加快， 使最小点火能增大。 ( 5 ) 粉尘分散状态一般说来，粉尘浓度只是一种理论平均值，在绝大多数情 况f ，容器中粉尘云浓度分布并不均匀，理论平均浓度往往低于某区域内粉尘的 实际浓度。 3 1 外界条件 ( 1 ) 初始压力粉尘爆炸指数与初始压力呈正比关系，最佳爆炸浓度与初始压 力也大致成正比关系。 ( 2 ) 初始温度一般来说，烟草粉尘爆炸指数随初始温度升高而减小，粉尘燃 烧速率则随初始温度升高而增大。 ( 3 ) 点火源在容积小于1 m 3 爆炸容器内，粉尘爆炸指数随点火能量增加而增 大，但这种影响在大尺寸容器中并不显著。当点火源位于包围体集合中心或管道 封闭端是，爆炸最猛烈。当爆燃火焰通过管道传播到另一包围体时，则会称为后 安徽理1 人学硕十论文 者的强点火源。 ( 4 ) 包围体形状及尺寸包围体形状一般分为长径比旺d ) 小于5 和大于5 两 类。对于大长径比包围体，由于火焰前沿湍流对未燃粉尘云的扰动，致使火焰传 播发生加速，在一定管径条件下，如果管道足够长，甚至有可能发展成为爆轰。 2 4 烟草粉尘防爆技术原理 防爆，消除可燃粉尘或粉尘云形成条件，或一切可能出现的着火源，预防发 生粉尘爆炸的技术。 从防爆技术原理看，防止物理或化学爆炸发生条件同时出现，是预防爆炸事 故发生的根本技术措施。从爆炸事故破坏力形成看，一般应同时具备以下五个条 件：可燃物；助燃剂( 氧化剂) ；可燃物与助燃剂混合；爆炸性混合物处 于相对封闭空间内( 包围体) ；足够能量的点火源j 。 爆炸破坏力形成条件可以用下图2 所示五边形图来形象地描述。防爆技术原 理正是从爆炸破坏力形成五边形出发，采取相应的技术和管理措施，达到生产安 全的目的。 氧什 均匀混合 可燃物 对封闭 点火源 图2爆炸破坏力形成五边形 f i 醇e x p l 0 s i o nd e s 仃o yf b r c ef o r m 2 4 1 控制可燃物浓度 可燃物浓度与爆炸超压典型关系如图3 所示。从图中可以看出，当可燃物浓 度处于氧化反应化学当量配比浓度时反应放热量最多，爆炸超压也最大。当可燃 物浓度从化学当量配比浓度逐渐减小，当可燃物浓度减小到爆炸浓度下限时，反 应热释放将不足以维持火焰自行传播所需的最低温度，可燃物不会发生着火。同 样，当可燃物浓度从化学当量配比浓度逐渐增大时，由于氧浓度低于化学当量配 比值，致使可燃物反应不安全，反应热释放减小，爆炸超压随之降低，当浓度增 烟草加i 系统粉尘防爆安全评价的理论基础 大到爆炸上限时，可燃物反应放热量将不足以维持火焰自行传播所需的最低温度， 可燃物同样不能被引燃。因此，适当控制可燃物浓度，可有效预防爆炸事故的发 生，或将爆炸事故破坏程度降至最小i 3 1 。 图3可燃物浓度与爆炸超压关系 f i 9 3t h er e j a t i o nb e 脚e e nc o m b u s t f b 】ec o n s j s t e n c ea n de x p 】o s ；o no v e 忽k e s 2 4 2 控制氧浓度 在可燃粉尘与空气的混合物中加入一定量的惰化介质( 惰化气体或粉体) ，一 方面，可稀释混合物中的氧气浓度，减少可燃物分子和氧分子作用的机会，或使 可燃物组分与氧分子隔离，形成一层不燃烧屏障，当活化分子与惰化介质粒子发 生碰撞时，活化分子会因失去活化能而不能发生反应；另一方面，燃烧反应产生 的游离基在与惰化介质作用时会失去活性，从而导致燃烧连锁反应中断；另外， 惰化介质还会吸收大量反应热，使热量不能聚积，燃烧反应无法蔓延，对燃烧反 应起抑止作用。由此可见，通过向可燃粉尘与空气的混合物中加入惰化介质，可 缩小可燃物组分的爆炸极限范围，当惰化介质浓度增加到足够大时，可使混合物 爆炸下限与爆炸上限相重合，若继续增大惰化介质浓度，可燃粉尘与空气混合物 将不再发生点火、燃烧和爆炸反应，从而可有效防止爆炸事故的发生。 243 控制点火源 爆炸性物质从点火源获得某一闽值的能量后就会发生点火反应，并发展为火 灾或爆炸事故。浓度是爆炸性物质发生燃烧、爆炸反应的基本前提，点火源则是 安徽理丁火学硕十论文 加快反应速率，进而引起火灾、爆炸事故的促进因素。控制或消除点火源以防止 爆炸性物质发生着火，是有效预防火灾或爆炸事故发生的重要技术措施之一。在 实际生产中，点火源不仅种类繁多，如电火花、静电火花、高温热表面、辐热流、 冲击与摩擦、自燃着火、明火等，而且不同种类可燃物的最小点火能量也不尽相 同，点火源情况相当复杂，有时甚至是几种点火源同时起作用，因此，应根据不 同条件采取相应的预防技术措施【4 j 。 2 44 控制爆炸破坏效应 爆炸事故发生时，爆炸性物质从一种状态突然变化成另一种状态，使爆炸物 自身所具有的能量以极快的速度释放出来，产生的高温、高压爆炸气体产物以极 高的速度向外膨胀，导致包围体内眼罩骤增而引起包围体破裂和向外飞散，形成 强大的爆炸空气冲击波，对周围环境中的物体及人员造成破坏和伤亡。由此可见， 包围体爆炸碎片高温飞散和空气冲击波，是导致爆炸事故破坏力形成的根本原因。 因此，应尽可能不使包围体相对封闭，以防止或减弱包围体内发生压力骤增，弱 化空气冲击波强度，或通过抗暴性包围体或隔爆墙设计等防爆技术原理，使爆炸 破坏力和灾害程度降到最低。 2 5 烟草粉尘防爆技术措施 防爆技术措施分为两大类：一类是预防性技术措施，即通过控制和消除爆炸 事故发生条件，以减少或避免爆炸事故发生；另一类是预防性技术措施，即通过 控制破坏力形成，以减轻或避免爆炸事故发生造成的灾害程度。由于爆炸过程及 破坏力形成在极短时间内完成，爆炸事故一旦发生便会造成严重后果，因此，爆 炸预防技术措施是防爆技术的根本措施【3 0 】。 2 5 1 烟草爆炸预防技术措施 1 ) 控制工艺参数 在烟草加工的生产过程中，正确控制各项工艺参数，防止出现超温、超压和 物料漏失是有效预防爆炸事故发生的重要技术措施之一。控制工艺参数技术措施 主要包括【5 j = ( 1 ) 温度控制包括控制反应热量、防止搅拌中断以及正确选择传热介质等几 个方面。 ( 2 ) 投料控制包括控制投料速度、配比、顺序及原料纯度等几个方面。 1 4 烟草加 系统粉尘防爆安全评价的理论基础 ( 3 ) 防止跑、冒、滴、漏发生在生产、运输及储存易燃易爆物料过程中，跑、 冒、滴、漏往往是导致可燃气体或液体在环境中扩散，导致爆炸事故发生的重要 原因之一。 ( 4 )紧急情况停车处理当发生停电停气停水等紧急情况时，生产装置要能进 行紧急停车处理，否则，若处理不当，就有可能引起爆炸事故发生。 2 1 防止爆炸性混合物形成 在烟草加工生产过程中，应根据烟草粉尘的爆炸特性及生产工艺和设备条件， 采取适当的预防措施，以防止生产设备和系统内及周围形成爆炸性混合物。主要 技术措旌包括i o j ： ( 1 ) 设备密闭充装易燃易爆物质的设备和管道，如果气密性不好，就会造成 跑、冒、滴、漏等现象，在设备和管道周围形成爆炸性混合物。同样，当设备和 管道处于负压状态时，外界空气便会渗入设备、管道和系统，在内部形成爆炸性 混合物。 ( 2 ) 厂房通风通过加强通风的方法，使渗入设备、管道和系统内的粉尘与空 气混合的浓度处于爆炸浓度极限范围以外。 ( 3 ) 惰性介质保护在烟草粉尘与空气混合物中加入一定量的惰性介质，可以 降低爆炸性混合物的氧含量，使之降至最大允许氧含量以外。 ( 4 ) 用不燃溶剂代替可燃溶剂在满足生产工艺要求条件下，应尽可能用不燃 溶剂或爆炸危险性小的物质来代替易燃溶剂或爆炸危险大的物质，以防止爆炸性 混合物形成。 3 1 控制点火源 控制与消除点火源是有效预防爆炸危险性物质发生燃烧、爆炸事故的重要技 术措施。现代工业生产过程中，不仅点火源种类繁多，如电火花、冲击、摩擦、 绝热压缩、高温表面、热辐射、明火、自然着火等，而且实际作用情况复杂，有 时甚至是几种点火源共同作用；此外，各种可燃性物质的最小点火能量也不相同， 因此，应根据点火源种类及实际作用情况采取相应的防爆技术措施以有效控制或 消除点火源，从而到达安全生产的目的。 4 ) 防爆监控措施 ( 1 ) 信号报警安装信号报警装置可以在生产过程出现危险状况时，及时警告 操作者采取必要的技术措施，以消除事故隐患。警报装置一般与测量仪器相连， 当温度、压力、液位或可燃气浓度等超过规定控制指标时，报警系统就会发出声、 光、数字显示等报警信号。 安徽理工大学硕士论文 ( 2 ) 安全联锁使各种仪器和设备按预设程序依次接通的一种机械或电气安 装。不符合规定操作规程时，仪器和设备便不能启动、运转或停车，以达到安全 生产的目的。 ( 3 ) 保险装置当信号报警装置指示出系统已出现异常情况或故障时，保险装 置便能自动采取相应的措旋，及时消除不正常状况或扑救危险状况。 2 5 2 烟草粉尘爆炸防护技术措施 i 惰化防爆 在烟草粉尘与空气混合物中人为加入一定量的惰性介质，如氮气、二氧化碳、 水蒸气、卤代烃、氦气等，从而达到有效破坏燃烧反应条件的一种防爆技术措施。 在烟草粉尘与空气混合物中预先加入一定量的惰化介质，不仅可预防爆炸事故发 生，从根本上提高生产工艺及过程的安全性，即使因受生产工艺、产品性能等因 素的影响，允许加入的惰性介质质量不足以完全预防爆炸事故发生，也能对爆炸 发展起一定的限制作用，使爆炸事故灾害程度得以减轻。因此，惰化防爆是一种 预防性技术措施【4 j 。 2 爆炸抑制 在爆炸发生及发展的初始阶段，通过对爆炸危险信号如温度或压力升高、可 燃物浓度以及点火源光信号等的实时监铡，及时触发抑爆系统向设备喷洒抑爆剂， 以有效抑制爆炸作用范围和猛烈程度，使设备内的爆炸压力低于其耐压强度，避 免设备损坏或人员伤亡的一种防爆技术措施。抑爆系统按触发方式不同，可以分 为监控动作式和保杂货波从动式两种类型，按抑爆作用机制不同，又可分为降温 型、传热屏蔽型、惰化型以及联合作用型等几种类型。 3 爆炸阻隔 利用隔爆装置对设备内发生的燃烧爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道( 或 通道) 传播到其他设备中去的一种防爆技术措施。隔爆技术措施主要作用包括阻 止火焰传播，减轻事故灾害程度，防止高速传播火焰喷射点燃或引爆其他可燃物， 引起更大的爆炸压力，以及防止燃烧爆炸火焰在设备之间加速传播引起压力叠加。 隔爆技术按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型，烟草加工业主要 采用机械隔爆型。隔爆装置包括工业阻火器、主动式和被动式隔爆装置等几种类 型。工业阻火器主要用于阻隔燃烧爆炸初期的火焰蔓延；主动式隔爆装鼍依据传 感器探测到的爆炸信号实施致动；被动式隔爆装置则通过爆炸波作用引发致动。 4 爆炸泄压 6 烟草加工系统粉尘防爆安全评价的理论基础 在爆炸初始或发展阶段，通过泄压口将包围体内的高温、高压燃烧物和未燃 物朝安全方向泄出，使包围体免遭破坏的一种爆炸防护技术措施。泄爆条件对容 器内爆炸超压影响典型曲线如图4 所示，图中，a 、b 、 c 三条曲线分别对应于 无泄压装置、小泄压口和足够大泄压口等三种情况，p 为爆炸容器设计强度，p 。， 为泄压口开启压力，p 为泄爆压力。从图中可以看出，p 。较最大爆炸超压p 一 有大幅度降低；在泄压口较小情况下，由于泄爆压力大于容器设计强度，容器仍 会遭到破坏，当泄压口足够大时，泄爆压力将低于容器设计强度，容器不会遭到 破坏 6 】【7 】o h 寸r 甘l 图4 泄爆条件对爆炸超压影响 f i 9 4b u r s tr e l e a s ec o n d i t i o na f r e c t sb l a s te x c e e dp r e s s 5 爆炸封闭 爆炸装置是利用封闭容器或设各对爆炸火焰和压力实旌有效封闭，使周围设 备或人员免遭破坏或伤害的一种防爆技术措施。因此，由于爆炸封闭的容器或设 备必须能承受一定可燃物的最大爆炸压力作用而不破坏。通常，这类容器或设备 必须按照耐压水平或抗爆水平来设计，两者主要区别在于，当遭受爆炸压力作用 时，耐压容器不允许出现破裂或永久性塑性变型，抗爆容器则允许出现一定的塑 性变型。 2 5 ，3 烟草粉尘防爆技术措施优选 选择防爆技术措施的主要依据是生产过程的爆炸危险程度，只有确定了爆炸 性物质的类别、级别和组别以及爆炸危险环境区域后，才能采取相应的防爆技术 措施。首先，应对产品和生产工艺全过程进行详细分析，以全面了解生产原料、 中问产品及成品的物理化学性质和危险特性，危险性物质数量、生产设备及反应 温度、压力等工艺条件，以及其他可能导致爆炸危险发生的各种条件，以确定生 安徽理工大学硕士论文 产过程存在的爆炸危险性。其次，应考虑生产工艺要求，做到既经济又合理，使 防爆技术措施不仅能避免或最大限度地减少爆炸事故发生，而且即使爆炸事故发 生也能将灾害程度降到最低。此外，在选择防爆技术措施时，还应遵循以下原则： 1 动态控制原则 在有爆炸性物质存在和参与的各种生产过程中，各种工艺参数、压力、反应 速率等都在变化，因此，必须采取动态控制原则及相应的技术措施，才能达到预 期的防爆效果 3 1 。 2 分级控制原则 爆炸危险系统( 包括子系统、分系统) 的规模、范围互不相同，危险程度和 特点也各不相同。因此，必须根据生产工艺过程的特点及爆炸性物质危险程度， 采取分级控制原则及相应的技术措施，才能达到既安全又经济的防爆效果【3 引。 3 多层次控制原则 爆炸事故还应按照危险程度不同采取多层次控制原则。一般可分为预防性控 制、补充性控制、防止事故扩大性控制、维护性控制、经常性控制以及紧急性控 制等六个层次。 2 6 安全和评价 2 6 1 安全 安全，是人类生存和发展的最基本的要求，是人们生命与健康的基本保障： 一切生活、生产活动都源于生命的存在，如果人们失去了生命，也就失去了一切， 所以安全就是生命【1 2 】。 目前，一般认为，安全是指不发生导致死亡、工伤、职业病、设备损失或财 产损失的状况。从辨证的观点分析，这个定义有些绝对。从本质上来讲，安全就 是预知人们活动的各个领域里存在的固有危险和潜在危险，并且为消除这些危险 的存在状态而采取的各种方法、手段和行动。 26 2 安全的基本特征 安全的本质是实现人一物一环境之间的相互协调。要认识安全的本质，要探讨 安全的基本特征，安全的基本特征主要表现如下【l l 】： 1 安全的必要性和普遍性 安全是人类生存的必要前提，安全作为人的身心状态及其保障条件是绝对必 烟草加工系统粉尘防爆安全评价的理论基础 要的。而人和物遭遇到人为的或天然的危害或损害又是常见的，因此，不安全凼 素是客观存在的。人类生存的必要条件首先是安全，如果生命安全都得不到保障， 生存就不能维持，繁衍也就无法进行。实现人的安全又是普遍需要的。在人类活 动的一切领域，人们必须尽力减少失误、降低风险，尽量使物趋于本质