防爆铝粉湿式除尘系统的研制与应用

防爆铝粉湿式除尘系统的研制与应用

通过对铝尘爆炸机理的分析，探讨铝尘爆炸的条件和针对性的控制措施。开发了铝粉尘防爆湿法处理工艺设备，设计了在线监测和联锁控制系统，形成了完全安全的防爆解决方案，为消除金属粉尘爆炸隐患奠定了基础。

铝制品是现代生产生活不可或缺的一部分，其生产加工过程中存在着金属粉尘爆炸的隐患。近年来，日本铝尘爆炸事故频发，2014年8月，江苏国山中荣金属制品有限公司汽车车轮抛光厂发生特别严重的铝尘爆炸事故，造成146人死亡， 95 对人造成严重伤害。直接经济损失达3.51亿元。 安全生产监督管理总局对粉尘爆炸有严格的监管，但事故仍在继续。

在分析铝粉尘爆炸机理和爆炸事故典型案例的基础上攻克了一系列工艺、技术、设备难点，技术成果成功应用于设备生产企业。

1 铝粉尘爆炸机理

铝制品研磨抛光产生的细小粉尘表面的Al2O3钝化层被剥离，显示出元素铝的活泼特性。铝是一种容易被氧化的物质，当它的氧化热能达到着火温度时，就会自燃，积聚灰尘时可能发生爆炸。另一方面，铝在室温下可以与水反应生成氢气，积聚的氢气遇到火源会爆炸。

1.1 铝粉氧化爆炸

铝粉比表面积大，着火能量低，易燃、导电，易燃烧爆炸。导致铝粉爆炸的因素有五个。

(1)粉尘粒径：铝制品抛光粉碎形成的粉尘粒径越小，单位质量表面积越大，与氧气反应越快，爆炸速度越快。粒径为 75 μm 或更小的粉尘可能会爆炸。

(2)粉尘云：铝粉在空气中分散形成粉尘云，粉尘云爆炸密度下限为60 g/m3（D 50 = 23 μm）。集尘系统中铝粉的浓度通常高于爆炸下限。长期沉降在工作场所的粉尘受外力影响，形成的粉尘云可能达到爆炸下限。

(3)着火源：铝尘云的着火温度为560℃，最小着火能量为29mJ，具有极强的爆炸性[1]。抛光铝制品时在工作环境中产生的火花、明火、电火花、静电和热表面都可能成为点火源。

(4)空间有限：与抛光铝制品相关的生产场地、除尘器、风道等都是有限空间，通常除尘器内粉尘浓度更高 ，发生爆炸的可能性也更大 。当除尘器爆炸时，冲击波沿除尘通风管传播，将工作面、地面、横梁、柱子上的灰尘吹走，形成尘云，引起二次爆炸。第二次爆炸的能量和破坏力通常大于 次爆炸的能量和破坏力。

(5)氧气：铝粉尘爆炸的助燃气体，操作人员不可缺少的生存气体。一般情况下，工作场所的氧气浓度为20%～22%，人工调节难度较大。

1.2 铝粉产氢引起爆炸

铝在空气中极易氧化，其氧化产物Al2O3附着在铝制品表面，形成致密的钝化膜，保护内部铝材不受腐蚀。铝制品在抛光和抛光过程中，表面钝化膜被破坏，铝粉表现出存在的化学活性。

铝与水发生取代反应生成氢气。反应式如下。

2Al + 6H2O = 2Al (OH) 3 + 3H2 ↑

氢气是A类易燃易爆气体，在空气中具有爆炸性浓度范围。

4%-75%（体积浓度） 在有限的空间内，氢气的释放和排放非常重要。

1.3 控制铝粉爆炸的措施

1.3.1 铝粉尘浓度控制

铝粉的爆炸下限为60克/立方米，将有限空间内的粉尘云浓度控制在爆炸下限以下，可防止粉尘爆炸的发生。为此，您需要采取以下控制措施：

(1)在工作场所安装在线粉尘浓度监测装置。

(2)除尘器必须与除尘系统相连，除尘系统必须保持有效运行。

(3)除尘系统需要及时除尘，工作场所灰尘需要及时清理。

1.3.2 点火源管理

铝制品打磨抛光工作中的火源很多，控制措施如下。

1.3.2.1 防止直接火源

由于粉碎会产生火花，因此需要在除尘风道内安装火花捕集器，以控制除尘系统的点火源。对于工作场所的热作业，应在火灾前清除现场灰尘，并在加热和冷却过程中停止。抛光厂内禁止吸烟。

1.3.2.2 防爆电

根据《易燃防尘环保电气设备》（GB12476）选择、安装和使用防尘防爆电气设备。气体防爆电机不能代替防爆电机使用。

1.3.2.3 静电防火

生产区的所有机电设备都必须静电接地，形成可靠的、封闭的接地干线。

1.3.3 氢气控制

禁止在室内湿作业，防止产生氢气。室外可采用湿式除尘，必须及时释放氢气。

(1)保持工作场所干燥，控制室内空气湿度。

(2)室内禁止使用地下管道排风除尘系统。

(3)室外潮湿除尘系统设有氢气逸出口。

(4)除尘器与室内管道连接处安装防爆阀。

防爆铝粉湿法处理工艺

防爆铝粉湿法处理工艺综合考虑铝粉浓度控制、火源控制、氢气逸出控制、爆炸传导控制、职业事故控制等因素，并结合本质安全与健康与职业健康制定方案。

2.1 工艺流程图

2.2 工艺流程说明

(1)抛光后的铝粉通过风道系统输送到室外潮湿除尘器。进入除尘管道的粉碎火花经过工艺衰变后，潮湿的除尘器就消失了。控制系统中空气的量和速度使管道中的粉尘浓度下降到爆炸下限以下。保证了管道系统的本质安全。

(2)在与气动工具配套的通风管道内安装在线铝尘浓度监测仪。设置在线监测浓度响应阈值（阈值可设置为600mg/m3，即铝粉尘爆炸的1%下限）。当粉尘浓度达到响应阈值时，控制系统输出信号启动。指示管道通风异常行为的听觉和视觉警报。用于关闭气动工具气源的联锁装置，以确保管道中的粉尘浓度满足必要的防爆要求。

(3)在破碎台周围安装在线铝粉尘浓度监测仪，将职业健康浓度响应阈值设置为3mg/m3（职业健康暴露限值），配合变频风机和气动工具。当粉尘浓度达到响应阈值时，控制系统输出信号并发出声光报警，同时链条变频风机满负荷运转，关闭气动工具气源。满足两个基本要求：防尘和职业卫生。

(4)室外湿式除尘器设有氢气释放装置，防止系统运行和停机时氢气积聚，防止氢气爆炸。

(5)室内外空气管道连接处安装防爆阀，防止除尘器意外爆炸的冲击波回流，防止二次爆炸。

2.3 防爆湿除尘器装置

2.3.1 工作台打磨

抛光台为立式，台面开孔，双面操作设置。中央是一个吸入/排气通道，连接到重力沉降除尘器。研磨和抛光过程中产生的铝尘通过立面通风口和桥台孔进入通风通道，大颗粒铝尘自然沉降到重力沉降收集器中，而细小颗粒铝尘则通过湿式除尘器进入。

2.3.2 通风管道

管道的材质一般为镀锌钢，通风管道采用恒定坡度（1%-2%）安装，以减少铝粉尘的下沉和堆积。风管弯头及缩径前后均设有快速检查孔，长直管设有目视检查口，检查口之间的距离在6m以内。

2.3.3 防爆阀

风管与喷头除尘器在室外连接，连接处安装防爆阀。在正常工作条件下，防爆阀向吸入空气的方向打开。如果除尘器意外爆炸，产生的压力会关闭阀芯，防止爆炸的冲击波返回室内。避免二次爆炸。

2.3.4 湿式除尘器

湿式除尘器由喷淋塔、排氢系统、感应风机组成。粉碎时产生的细小铝粉通过气管吸入喷淋塔，高压喷嘴产生的喷水与铝粉接触，增加铝粉的运动阻力，抑制铝粉的产生。 ..喷淋塔；塔内设有固液分离器、铝粉沉降收集器、喷淋水循环使用。除尘器的储水罐装有液位传感器，当液位低于下限时，除尘器发出报警并自动加水。除尘器底部装有刮板装置，可定期排出泥沙。在除尘器后端的风管上方安装有氢气逸出阀，并与感应换气扇相连。当感应换气扇启动时，氢气排放阀关闭，氢气从主排气口排出。当感应风机关闭时，放氢阀打开以清除灰尘。容器中产生的氢气从逸出出口排出。

2.3.5 粉尘在线监控系统

粉尘在线监测控制系统由粉尘浓度监测仪、声光报警器、控制器组成，粉尘浓度在线监测、声光报警、感应风机联锁。