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粮食加工厂的粉尘控制

时间:2011-12-24 01:07来源:粮食加工 作者:高 薇,王永昌,周晔 点击:
阐述了粉尘及粉尘爆炸的危害,分析了粉尘爆炸发生的条件、原理以及粮食加工厂易发生粉尘爆炸的部位和原因,提出了防止粮食加工厂粉尘爆炸的措施。

高 薇,王永昌,周晔艳
(国家粮食储备局无锡科学研究设计院,无锡 214035)
 

在粮食加工厂,加工或输送原料过程中会产生粉尘。这些粉尘如得不到及时处理,不仅会影响环境卫生,而且会危害人体健康,甚至会发生粉尘爆炸。因此必须了解粉尘的特性以及危害,从根本上控制粉尘的产生,将其带来的危害降低到最小。
粉尘是悬浮在空气中的固体粒子,一般在空气中呈不规则运动,是公认的有害物质。按颗粒大小粉尘可分为可见粉尘、显微粉尘和超显微粉尘。后两类粉尘粒度在10μm以下,肉眼无法看清或看见。粉尘具有黏附性、飘浮性和爆炸性,粉尘的飘浮性对人体健康带来极大的损害;黏附性和飘浮性是粉尘爆炸的必要条件。

1 粉尘的危害
粉尘的危害主要指粉尘对人体健康带来的危害,以及因粉尘爆炸而造成的危害。
粉尘对人体造成的危害及危害程度由4个因素决定,分别是粉尘成分、粉尘浓度、粉尘粒度以及与粉尘接触的时间和方式。粉尘成分决定危害的性质,浓度、粒度以及与粉尘接触的时间和方式决定危害的程度。
1.1 对人体健康的危害
1.1.1 粉尘成分
粉尘的成分决定粉尘的危害性质,即产生的疾病种类。粮食加工厂的粉尘是以粮食谷物等为主的有机粉尘,并混有部分矿物质的无机粉尘,配合饲料加工厂中除含有上述粉尘种类外,还存在动、植物蛋白的有机粉尘,真菌孢子、螨、残留农药和真菌毒素等有害粒子矿物预混合饲料加工厂的粉尘是以矿物性质粉尘为主的无机粉尘,当粉尘中二氧化硅含量超过1%时,对人体危害程度很大。这些粉尘能引起咽喉发呛、干燥;肺部及呼吸道覆盖粉垢;眼睛发炎、流泪,视力下降;鼻子里产生不适的积垢,引起过敏发炎。
国产粮食中,如小麦、玉米中有机粉尘与无机粉尘约各占50%左右,进口小麦、玉米中的有机粉尘达80%以上。面粉、玉米粉、麸皮、米糠等有机粉尘达80%以上。
1.1.2 粉尘浓度
粉尘浓度决定着粉尘对人体的危害程度。当粉尘浓度小于4mg/m3时,每天接触8h,每周5d,该粉尘浓度对人体健康不会产生太大的影响,粉尘浓度的接触极限为8mg/m3[1]。据报道,如果间断地与高浓度粉尘短时间接触,比每天均匀地接触低浓度粉尘危害更大。粉尘浓度越高对人体危害越大,绝不能轻视与高浓度粉尘的短时间接触。
1.1.3 粉尘粒度
粉尘粒度在10μm以下,人的肉眼无法看见。小于5μm的显微粉尘、超显微粉尘粒子能被人直接吸人体内,在肺部沉积,引起各种呼吸系统疾病,如慢性支气管炎、谷物热、肺部进行性和弥漫性的纤维组织增生等多种疾病,严重影响人体健康,甚至威胁生命。粉尘能损伤眼睛,导致眼睛暂时性视力衰退,严重的甚至会造成失明。一般说来,粉尘浓度相同,粉尘粒度越小危害程度越大。
1.1.4 与粉尘接触的时间和方式
与粉尘接触时间越长,接触机会越频繁,接触程度越高,对人体危害就越大。
1.2 粉尘爆炸
粉尘爆炸又被称之为“沉睡中的恶魔”,会造成巨大的人身与财产损失。引起粉尘爆炸的原因很多,一般可以归结为人、物、管理3方面因素。人的因素主要表现在操作人员的安全意识不强,操作不规范;物主要指设备,设备因运行产生较多粉尘,又无较好的降尘措施,是形成粉尘爆炸的基础原因;再者就是管理制度不完善、不健全,或者没有建立监督检查机制。
由于粉尘具有飘浮性、黏附性,为粉尘爆炸提供了条件。粉尘爆炸的过程为一次爆炸,二次爆炸和三次爆炸,一般来说,二次爆炸和三次爆炸危害较大。
粉尘爆炸是有限空间内的粉粒瞬时燃烧,气体瞬时膨胀,压力迅速增加并向外膨胀的过程。当粉尘浓度过低时,粉粒之间燃烧的热量传递不够,不能引起粉尘爆炸。当粉尘浓度过高时.粉粒之间密度太大,燃烧所需要的氧气及能量不足,也不能引起粉尘爆炸。只有粉尘浓度达到一定程度才能产生粉尘爆炸。飘尘、积尘均能引起粉尘爆炸。区别是前者由火种直接与飘浮的粉尘接触引起爆炸,后者是火种与堆积粉尘相遇后发热,燃烧引起爆炸。爆炸的过程是相同的。故只要有粉尘,就存在爆炸的可能。
1.2.1 粉尘爆炸的必要条件
①要有合适的粉尘粒度和浓度,并有一定的空间;②要有充足空气(氧气);③要有火源及适宜的温度。
粮食加工厂粉尘粒度一般在0.1~500.0μm 范围内,最易发生粉尘爆炸。粉尘粒度越小越具有爆炸性,粮食加工厂常见的粉尘种类及粒度详见表1。

表1 粮食加工厂的粉尘种类及粒度
粉尘种类 粒度/μm
小麦粉 20
小麦尘 <20
燕麦粉尘 37
大麦粉尘 56
玉米粉尘 <20
玉米淀粉 20
黑麦粉尘 30
谷粉粉尘 <20
鱼粉 80~100

当粮食加工厂的粉尘浓度在20~300g/m3时,最易产生粉尘爆炸。这一区间的粉尘浓度类似于浓雾,相当于在3m内看不清一个100W的灯泡或伸手不见五指。
1.2.2 飘尘引起的粉尘爆炸
提升机工作部位易由飘尘引起粉尘爆炸。据报道,国外已查明的粉尘爆炸原因中,提升机部位占25%,居粉尘爆炸的首位。提升机在作业时,进口处、出口处及料仓内粉尘浓度达30~80 g/m3。由于处于封闭环境,当提升机畚斗带与头轮打滑,引起畚斗带发热起火或铁畚斗与机筒撞击产生火花、非防尘防爆的各种电器有可能产生火花、轴承润滑油干枯磨擦过热产生火花,以及维修时焊接火花等均能引燃飘尘,引起爆炸。这类粉尘爆炸的发生几率随工厂规模的增大、每天生产班次增多而增大。因此选用大产量提升机时,需选用带自动张紧系统的。
在进料时,仓内的粉尘达100~200g/m3,属粉尘爆炸最佳浓度之列。当有火种进入料仓或相邻料仓有高温火种传到该仓内,就可能发生粉尘燃烧后引起粉尘爆炸。粉尘爆炸后伴随产生新的尘云和冲击气流,使周围的粉尘扬起,高温与火种跟随尘云和冲击气流串向相邻的设备,如:刮板机,使刮板机引起更大的第二次爆炸。同样高温与火种跟随冲击气流和尘云串向立筒库内,引起立筒库内的第三次爆炸。第一次到第三次爆炸的传递速度十分迅速达340m/s,几乎接近声速。
1.2.3 积尘引起的粉尘爆炸
粮食加工厂的地面或设备内外堆积了大量物料和粉尘,在对料仓或相关设备进行焊接或维修时,由于焊接或维修产生高温的火星或高温焊渣,会散落在料仓或设备内外的物料和粉尘上。粮食谷物粉尘点燃的热能为10~80mJ,焊接的火星和高温焊渣热能远大于80mJ,达数焦耳到数十焦耳的热能使料仓内的物料和设备、地上的粉尘引起温升而燃烧。燃烧的粉尘紧接着产生尘云,尘云夹裹着高温粉尘串向相邻的有料设备,引起新的燃烧,一次粉尘爆炸就产生了。料仓和相邻设备内的物料和周围的粉尘随一次粉尘爆炸产生新的尘云、冲击气流和火种,串向周边的设备,使周围的粉料继续扬起,相继产生了二次、三次粉尘爆炸。爆炸威力及破坏性一般情况下一次比一次大,直到周围没有新的具有爆炸条件的设备和场合。
轴承在高速、高温或重负荷状态下运转,若未及时加润滑脂或所加润滑脂牌号有误,造成轴承润滑脂干枯,磨擦生热,使轴承壳表面堆积了大量粉尘点燃后将引起粉尘爆炸。
烘干机内不易排出的积料,经长时间烘烤,使其物料干枯烤焦点燃后将引起粉尘爆炸。若照明灯具不是防尘防爆型,在接触不良时易产生火花,引起粉尘燃烧后将引发爆炸。
1.2.4 粮食粉尘爆炸性危险区域的划分[2]
粮食粉尘爆炸性危险区域是根据爆炸性粉尘混合物出现的频繁程度和持续时间来划分的,详见表2。

表2 粮食粉尘爆炸性危险区域的划分
粉尘环境 10区 11区 非爆炸
危险区
碾磨间  √ 
打包间  √ 
清理间  √ 
大米厂砻糠间 √  
配粉间  √ 
饲料加工车间  √ 
面粉散存仓 √  
立筒仓内 √  
封闭式设备内部  √ 
立筒库工作塔及筒上层、筒下层  √ 溜管层√

注:10区:在正常作业时,大量持续出现或长期出现粮食爆炸性粉尘,其浓度能达到爆炸极限的密闭环境。
   11区:未划为1O区的场所,但在异常情况下,可以在该场所内出现粮食爆炸性粉尘和空气混合物,能达到爆炸浓度的密闭环境。
    非爆炸危险区:10区和11区以外的区域。

1.2.5 粮食加工厂易引起粉尘爆炸的主要部位及火种来源
粮食加工厂易引起粉尘爆炸的主要部位有:①提升机;②脉冲除尘器;③料仓及立筒仓;④ 干燥机;⑤皮带输送机;⑥粉碎机;⑦分配器;⑧刮板机;⑨粉尘积聚的部位等。
粮食加工厂的火种来源一般有4类:①外来明火。如吸烟、电气设备的高温和电火花、热加工及维修活动等产生的高温和火花;②撞击产生的火花。如金属碎片、砂石等与机器设备撞击产生的火花,刮板机的刮板、螺旋输送机的叶片等与机壁碰撞,磨粉机轧距调节不当等产生的高温和火花;③摩擦生热。如轴承缺乏润滑脂,造成轴承摩擦发热,引起沉积在外壳上的粉尘自燃;④静电。粉尘与设备、空气,以及与粉尘之间的摩擦会产生静电,静电聚集产生火花放电,引起粉尘爆炸。
1.2.6 粉尘爆炸的危害程度
粮食粉尘爆炸所产生的压力可穿透250mm厚的钢筋混凝土建筑,冲击压力达1MPa以上。
粉尘爆炸的危害程度取决于2个因素:① “起爆灵敏度”或“粉尘爆炸的容易程度”,与粉尘浓度、水分、起爆温度和粉尘爆炸的最低能量有关;②“起爆程度”或“起爆之后的燃烧程度”,与起爆之后空间内压力上升的速度及压力的高低有关。
众所周知煤粉粉尘爆炸的危害,而粮食粉尘爆炸程度是煤粉粉尘爆炸程度的10~50倍,说明粮食粉尘爆炸产生能量极大,也说明粉尘性质决定了粉尘爆炸的危害程度。但粮食加工厂的管理人员一般不了解粮食粉尘爆炸的威力。
评定粉尘爆炸强度时,用粉尘爆炸指数K来衡量:K=(dp/dt)maxV 1/3
(dp/dt)max --最大爆炸压力上升速率;
V --爆炸容器的容积,L;
p --爆炸压力,MPa;
t --起爆时间,s。
美国有关部门将“起爆灵敏度”和“起爆程度”这两个特性结合成为“可爆炸系数”,用这一系数来测定和评定出各种粉尘的粉尘爆炸的危害程度。美国矿山局将煤粉尘爆炸系数定为1进行了测定和评定。将系数1~1O定为强爆炸,系数大于10则为猛烈性爆炸。有关各种粮食粉尘的爆炸系数见表3。

表3 粮食加工厂各类粉尘的爆炸系数
粉尘种类 爆炸系数
小麦粉尘 3.8
玉米粉尘 8.4
稻谷粉尘 4.5
大麦粉尘 2.6
棉籽粉尘 1.1
大豆粉尘 7.5
小麦淀粉 49.8
玉米淀粉 35.6
混合粉尘(小麦、玉米和燕麦) 9.2
苜蓿粉尘 0.1
煤粉尘 1.0

 
从表3看出,粮食粉尘引起的爆炸能量极大,危害程度也极大,属强爆炸或猛烈性爆炸。粮食淀粉类有机粉尘爆炸的危害程度高于无机粉尘。混合粉状物料的爆炸系数高于单品种原料粉尘的爆炸系数。

2 粉尘的防治
粉尘防治的目的是确保人身、财产的安全,也是为了取得最大的经济效益。粮食加工厂是一个产生粉尘较多的场合,要使粉尘有效得到控制,首先必须降低粉尘的产生,其次要进行有效的通风除尘,第三应采取正确的操作并进行监督管理。“降低粉尘是根本,通风除尘是核心,操作管理是关键”。这3个环节涉及到粮食加工厂的每一个工段、每一台设备。采用有效手段降低设备内的粉尘浓度,利用通风除尘使粮食加工厂的各种设备处于负压状态,不使粉尘外溢,同时操作人员要严格遵守安全规程进行操作。这样使粉尘带来的不安全因素完全消除或处在受控状态,确保粮食加工厂的正常生产。
2.1 降低粉尘浓度
降低粉尘浓度的方法很多。①通风除尘能有效地降低粉尘浓度,如最易发生粉尘爆炸的提升机,经有效的通风使机内粉尘远离粉尘爆炸的临界粉尘浓度20g/m3;②控制输送设备的线速。如:提升机的线速以不大于2.2m/s为宜。尽量不使用螺旋输送机,刮板输送机的刮板线速应不大于0.4m/s,溜管内颗粒物料线速应不大于3.5m/s,大于3.5m/s时,宜采用粉尘抑制器等;③料仓内适当配有防分级装置及减速装置。④必要时,可以对物料喷入适量的油脂,如食品级的矿物油或植物油;⑤仓壁粉尘达50~77g/m2时,易使火焰蔓延,应及时打扫设备、地面和仓壁的粉尘,减少粉尘积聚。
2.2 通风除尘
通风除尘就是有序地控制粉尘,其基本原则是密闭加吸风,即围堵和疏导。此外设备本身应配有进风口,输送机械应密闭良好;应有完整的粉尘收集系统,如清理系统、粉碎系统、卸料系统等,使粉尘不外溢;通风除尘系统由风机、吸风口、管道、卸料器、阻力平衡闸门、除尘器或卸料除尘组合器等组成。良好的设计是保证通风除尘效果的基础,同时需要对通风除尘系统有良好的操作管理。
料仓是粉尘较集中的部位,也是较难安排吸风设备的部位。美国著名学者布里克斯推荐的料仓吸风见图1,其吸风量和风压根据结构确定。
无自动清理的过滤袋面积为单位时间内排出仓外空气体积数值的25%。有脉冲的过滤袋面积为单位时间内排出仓外空气体积数值的10%,其滤袋的穿孔速度为2.2m/s左右。物料含有添加剂的脉冲过滤袋的面积为排出仓外空气体积数值的12.5%,其滤袋的穿孔速度为1.6m/s,料仓内应处于1.25kPa负压下作业。
2.3 操作管理
(1)调整吸风系统的阻力平衡闸门,使各风管风速达到设计与使用要求,必要时对风管进行风速测定,验证风管实际的风速,并及时调整;
②正确调整脉冲除尘器的脉冲气压,及时排放气水分离器内积水。当粉尘浓度大于脉冲除尘器允许浓度5g/m3时,除尘效果下降,粉尘易外溢。为此,可提高50%的脉冲气量,降低粉尘的外溢;
③如发现风管或设备有粉尘外溢现象,应及时检查漏风和堵塞之处,并及时排除堵塞或加强密封,严禁设备敞开作业。

3 粉尘爆炸的防治
粉尘爆炸是粮食加工厂最激烈、危害最大的公害,国家制订了一系列法规和规程、规范和标准预防粉尘爆炸,确保粮食加工厂安全生产。有效防治粉尘爆炸主要是通过控制作业环境,使其不具备粉尘爆炸的3个条件,从而确保安全生产。
当粉尘燃烧产生时,主要采取抑爆、阻爆和泄爆等措施防爆。
抑爆是用物理化学方法扑灭火焰,使未燃烧的粉尘不再参与燃烧,如:抑爆器。阻爆是在含有可燃粉尘的通道中设置障碍阻止火焰通过,如:喷淋及阻火阀门、阻爆器,即阻爆阀门。泄爆是当已产生一次爆炸,尚未达到极限爆炸强度时,使其包围体在薄弱环节先破裂,而避免继续爆炸。
因粮食、饲料厂特殊性一般均不使用抑爆、阻爆措施。常采用泄爆措施来防爆。由于粉尘爆炸速度快,要求泄爆监测器的反应时间应在0.005S以内,泄爆的压敏装置反应时间应在0.035S以内,泄爆全过程需在0.06S内完成。
3.1 粉尘爆炸防治的原则
粉尘爆炸的防治运用“整体设防”和“预防为主、防治结合”的原则。
①消除隐患:通过合理的规划、设计和科学管理,从根本上消除危险、有害因素;②预防为主:在消除隐患有困难时,主动采取预防措施,如采用通风除尘工艺,选择降尘工艺和设备;③隔离危险:将人员与危险或不安全因素隔离,如设计独立楼梯间、泄爆口;④联锁联动:通过电气联锁技术,终止不安全运行,将反应时间控制在1s以内;⑤应急停车:在危险性极大时,立即终止工艺生产作业。
3.2 粉尘爆炸防治的具体措施
3.2.1 降低粉尘浓度
见2.1节。
3.2.2 防止火种产生和带入
提升机应配置测速和防偏装置,防止摩擦起火,畚斗带表面电阻应低于300MΩ,以防静电产生火花。车间内不得带明火和明火作业,如动火,需经批准,车间必须停产,并打扫干净,若在料仓上进行明火作业,仓内所有的物料必须排清,包括相邻的料仓,在无粉尘飞扬和积尘情况下方可作业,且应对作业点10m内范围进行喷水,所有管道要堵死,当人员须进入料仓内作业应保持仓顶和仓底气流通畅,以防窒息,同时要备好消防设施,以防万一。对易撞击起火星的零部件,尽可能采用工程塑料或橡胶制品,如提升机畚斗等。为防止轴承润滑脂缺乏引起发热起火,有条件的企业可配置轴承测温系统。经常检查吸铁装置,确保磁感应强度不低于300mT,使其能及时清除铁质。进入车间内部设备的电器按规范防护等级不低于IP54配置,包括临时照明设备,即防尘防爆型,须有良好接地,以便消除静电。
3.2.3 配置泄爆口
在易发生粉尘爆炸的设备和空间应配置泄爆口,即在设备和空间上设置强度较弱结构,使产生一次粉尘爆炸时,冲破结构薄弱部位,使爆炸压力和粉尘浓度迅速下降,从而使二次、三次粉尘爆炸停止发生。泄爆口的配置面积与设备或空间的体积之比为0.03m/m3。提升机、脉冲除尘器和立筒仓的上下通廊等都应配有防爆泄爆口,并通向室外。
3.3 操作管理
及时打扫设备与地面上的粉尘,减少粉尘堆积;正确、按时注入轴承润滑脂;及时检查设备及风管是否有漏风和堵塞现象,并及时排除堵塞或加强密封;当车间需动火时,必须经单位安全部门批准,明火作业现场应有专人监护,并配备充足的灭火器材,车间必须停车并清扫干净设备内外与地面上的粉尘和物料,地面10m周围须洒上水,且打开所有门窗,所有仓顶孔;通风除尘口应用阻燃材料覆盖。停车后设备内外无粉尘和物料方可动火作业。按防爆规程和要求,并结合本厂的实际情况,制订完善的设备操作规程和规章制度,培训所有操作人员,使之了解规程和制度,并自觉执行。

参考文献
[1] GBZ 2.1-2007,工作场所有害因素职业接触限值[S].北京:人民卫生出版社,2007.
[2] GB 17440-1998,粮食加工、储运系统粉尘防爆安全规程[s].1998.

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