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基于本质安全的煤尘爆炸防护
Yuan Chunmiao, Li Chang* , Li Gang
摘要：为了预防和保护粉尘爆炸，基于固有安全的四个基本原则，提出了粉尘爆炸控制框架。该框架考虑了粉尘爆炸所需的条件和后果。研究发现，我国目前应制定在爆炸性环境中使用用非电气设备的标准和规程。在采取工程技术措施控制粉尘爆炸时，应考虑多层防护的思想，措施必须经过试验验证。工人的内在安全对于防爆标准或工程技术措施的实施是非常重要的。反馈控制机制，尤其是正反馈，对于减少人的不安全行为，提高工人的内在安全性具有重要意义。实例研究表明，作为制定粉尘爆炸风险降低措施的指导方针，固有安全原则对可燃粉末加工行业具有一定的参考价值。
关键字：固有安全；粉尘爆炸；防护；风险；煤粉
1.引言
粉尘爆炸是重大工业事故之一。随着加工工业的发展，粉尘爆炸的可能性越来越大，其后果也越来越严重。煤矿生产过程中粉尘爆炸的危害比其他生产过程大得多。例如，11月27日，秦潭河东风煤矿发生煤尘爆炸，造成171人死亡。因此，从本质上来说，在本质上预防和减轻粉尘爆炸具有十分重要的意义。Overton说，这种想法有助于预防和控制加工行业的粉尘爆炸。Amyotte对固有安全原则在粉尘爆炸防治中的应用做了大量的案例研究。
本工作的目的是通过将最小化、替代、适度和简化的固有安全原则与粉尘防爆和缓解策略相结合，提出粉尘防爆框架及其实施方案。该框架通过关注粉尘爆炸的初始化和发展，并实现了从本质上降低了粉尘爆炸的风险。
2.固有安全原则
Kletz首先提出了固有安全的概念和原则，常用的基本原则见表1。目前，这些原理在爆炸性环境用电气设备的设计中有着广泛的应用。考虑到固有安全性的装置设计首先寻求消除点火危险，而不是识别当前的危险并加以控制。
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序号 |
原理 |
描述 |
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1 |
强化/最小化 |
减少有害物质的数量 |
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2 |
替换 |
使用更安全的材料 |
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3 |
衰减/缓和 |
设备的安全运行 |
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4 |
效力限制 |
改变设备设计和操作以减少严重影响 |
表1 固有安全原则
3.防尘防爆框架
表1中的前三个原则是通过考虑危险材料或工艺条件来防止粉尘爆炸。工业中的可燃性粉尘通常堆积成粉尘层，或悬浮成尘云。粉尘层容易引起火灾，粉尘爆炸往往是由尘云引起的。因此，固有安全设计应首先考虑火灾或爆炸的必要条件，然后加以控制。如果发生火灾或粉尘爆炸等事故，应按照固有安全的第四原则采取措施降低此类风险。粉尘爆炸的原因分析及其控制框架如图1所示。
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粉尘状态： 粉尘层 粉尘云 2nd 1st 爆炸 |
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冲击波 结果： 火灾 爆炸 作为一种火源 |
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粉尘 粉尘云 爆炸 火灾 原因 氧气 粉尘层 条件： |
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粉尘清理 火灾 爆炸 预防 LOC 粉尘清理 方法： 密封 点火源控制 点火源控制 |
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结构防爆，防爆通风，自动抑爆 隔离，流量控制等 防护方法： |
图1 粉尘爆炸原理及控制框架
4. 防尘防爆结构
不符合的不能泄露，在采取任何预防和减轻粉尘爆炸风险的措施时，首先应考虑所涉及的危险物质。危险区域可根据可燃性粉尘的频繁和存在时间进行分类。根据危险区域的划分和可燃性粉尘的最低着火温度，确定适合于爆炸性环境的电气设备。此外，还需要对可燃性粉尘的爆炸特性进行试验（表2），以确定适合于爆炸性环境的非电气设备。综合防爆方案如图2所示。
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粉尘层 |
粉尘云 |
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爆炸参数 |
最低点火温度 |
最低点火温度 |
爆炸下限 |
最小点火能 |
极限氧气浓度 |
最大爆炸压力，最大爆炸压力上升速率 |
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缩写 |
MITL |
MITC |
LEL |
MIE |
LOC |
pmax， （dp/dt）max |
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标准 |
GB/T 16430- 1996[13]，IEC 61241-2-1[14] |
GB/T 16429- 1996[15]，IEC 61241-2-1[14] |
GB/T 16425[16]， EN14034[17] |
GB/T 16428[18]，IEC 614241-2-3[14] |
EN 14034[17] |
GB/T 16426[19]，ISO 6184/1[20]，EN 14034[17] |
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仪器 |
Hot plate |
G-G furnace |
20L |
1m3，20L |
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用法 |
爆炸性环境用电气设备的温度分类 |
固体惰化防爆 |
控制点火源，例如：静电放电 |
气体惰化防爆 |
防爆耐压结构， 隔爆，爆炸通风 自动爆炸抑制 |
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表2 可燃粉尘的爆炸参数
Enclosure
温度
分类
隔离阀
自动爆炸抑制
通气膜
人的固有安全，例如：教育和训练
试验
标准，
工序
图2 综合防爆方案
上述综合防爆方案的成功实施有赖于标准或程序的执行，基于实验测试的工程技术措施或干预措施，以及注重员工内在安全的风险管理。
4.1实施
目前，中国涉及的防爆标准如下。
可燃性粉尘爆炸参数的确定（见表2）；
防爆、爆炸抑制和惯性系统防范指南（见参考文件[21-24]）；
粉尘防爆安全规程（见参考文献[25]）；
可燃性粉尘危险区分类及爆炸性环境用电气设备（见参考文献[11-12]）；
特殊行业、工作或行业的防爆标准（见参考文献[26]）；
通过对现有防爆标准与图2内容的比较，可以发现，我国目前对爆炸性环境用非电气设备的标准或规定比较少。应该加强防爆标准的综合制定。
4.2工程技术措施
由于工业上没有进一步的验证，实验室的爆炸参数有其局限性。同时，爆炸性环境中的电气和非电气设备也有发生故障的可能性。因此，在工业生产的实际过程中，粉尘爆炸风险仍存在一些不确定性。为了降低粉尘爆炸风险的概率，在实验研究的基础上，采取工程技术措施或干预措施控制粉尘爆炸时，应考虑多层防护的思想（图3）。
爆炸隔离
爆炸通风
LEC,LOC
自动爆炸抑制
MIE LEL LOC
防爆耐压结构
爆炸性环境用电设备
（MITL,MITC）
图3 三层防护工程技术措施
第一层：考虑了引起爆炸的条件，如粉尘浓度、氧气浓度、火源等。该层还包括防爆耐压结构。
第二层：第一层发生异常时，采用自动爆炸抑制，进一步降低粉尘或氧气浓度，防止火焰传播。
第三层：若前两层同时发生异常情况，应引入防爆放空系统，以减少粉尘爆炸的后果，并考虑防爆隔离系统，以缓解粉尘爆炸的情况。
4.3风险管理
员工作为风险管理的核心，对于执行上述标准或程序以及工程技术措施的运行和维护有着至关重要的作用。人的不安全行为控制是风险管理的关键。统计数据表明在生产活动中，人为因素直接或间接造成的伤亡事故占总数的70%-90%。导致人类不安全行为的因素非常复杂，很难控制。然而，这些因素可能会因行政控制而改变。人的行为反馈跟踪控制是一种有效的控制方法。反馈控制机制不仅包括传统的负反馈（寻找和分析原因，然后惩罚责任人），还包括并强化了正反馈（图4）。人类在生产活动中的正确行为有希望或需要积极的反馈。例如，当一名工人在执行房屋管理操作时，应给予该操作员鼓励或奖励，以便他/她能够永久地维护和加强这种安全操作或行为。在这一机制中，人们的安全行为得到了认可和加强，同时，负面反馈使人的不安全行为逐渐减弱和减弱。因此，反馈控制机制有助于提高人的固有安全性，进而使装置和工作环境保持在固有安全状态。
生理学
心理学
图4 人类行为反馈控制机制
5.案例研究
5.1粉尘爆炸性参数
以龙瑞矿业集团股份有限公司君德矿沥青粉尘为例进行了研究。爆炸参数如表3所示，其平均粒径为63mu;m。
表3 粉尘爆炸性参数
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参数 |
MITL |
MICL |
LEL |
MIE |
LOC |
|
|
实验结果 |
gt;260℃ |
580℃ |
15-20g/ m3 |
50-100mJ |
12% |
0.74Mpa，13Mpa/s |
5.2预防和保护措施
根据图1固有安全的四项原则和图2的控制措施，实施防止和保护煤粉粉尘爆炸的方案，首先应考虑相关的安全标准和程序，加强对工人的安全管理，弱化和减少人的不安全行为。采用反馈控制机制，提高了工人的内在安全性。其次，在实际生产过程中应采取多层保护的工程技术措施，每层保护的说明如下。
第一层：由于小于0.9MPa，因此防爆耐压结构适用于煤尘爆炸防护。煤尘的MITL很低（温度等级为T12），大多数设备的表面温度都很容易达到260℃，点燃了拐角处沉积的煤尘层。随后，被点燃的煤尘层可能是粉尘爆炸的潜在点火源。因此，应及时清理沉积下来的煤尘层，同时在煤矿生产过程中应考虑爆炸性环境用电气设备的选择和静电放电防护。由于煤尘云的MIE较高（表3中远大于10mJ），静电火花引起的粉尘爆炸概率远低于热表面。然而，由于电气事故（例如短路）产生的一些电火花（例如电弧）足以点燃煤尘云。
无论是块煤破碎工艺还是粉体生产工艺，设备（或管道）中悬浮的最大粉尘浓度通常超过粉体的LEL，15 g/m3。因此，粉尘云的惰化应包括在生产过程中。当惰性碳酸钙粉体加入粉尘云中，浓度达到74%时，不会发生煤尘爆炸。氮气或其他稀有气体的惰化有助于降低煤尘云中氧的浓度。实践中用惰性气体进行绝对惰化并不困难，因为煤尘的loc足够高。即使没有绝对惰化大气，也应考虑部分惰化以降低大气中的氧含量，然后系统地降低粉尘云的点火灵敏度和燃烧速率（MIE、MITL和MITC增加）。在许多情况下，只有适当降低氧含量，爆炸危险可能会显著降低。
第二层：在实践中很难控制粉体的位置。如果第一层不能防止粉煤粉尘爆炸，则应设置自动防爆系统作为第二层保护，通过喷射惰性固体或气体来阻止粉尘爆炸的
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