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镁粉的风险管理与控制

文章出处:责任编辑:发表时间:2020-08-25【

  镁粉在现代工业中得到了广泛的应用:在钢铁冶金中用作脱硫剂;在航天工业中用作推进剂添加剂;在烟花爆竹生产中用作焰色反应药剂;在防腐耐磨喷涂中用作油漆添加剂。镁粉极其活泼的化学性质,决定了其具有极大的燃烧爆炸危险性。在生产、贮存、运输、使用过程中悬浮状态的镁粉达到一定浓度后,遇适当的点火源就可能发生粉尘爆炸事故。近几十年来,国内外镁粉爆炸事故屡见不鲜。1978年,东北某轻合金加工厂在清理除尘器排气管时发生镁粉爆炸事故,造成5死2伤;2001年,日本宫城县某工厂发生镁粉爆炸事故,造成6人受伤;2007年,深圳某镁合金厂抽风机里残存的镁粉遇水燃烧引发爆炸,造成16人受伤;2008年,湖北省化工设计院某车间发生镁粉爆炸事故,造成1死1伤。研究镁粉爆炸特性,探寻减灾防护手段,有重要的意义。

的风险管理与控制  

笔者将本质安全原理与镁粉爆炸风险控制联系成为一个整体。采用20L球形爆炸测试装置进行实验,系统地探寻了镁尘浓度、镁粉粒径、点火强度、环境压力、惰化剂种类、惰化剂含量、惰化剂粒径等7个因素对镁粉爆炸危害特性的影响;将实验结论结合本质安全原理中最小化、替代、缓和3个原则,提出了预防镁粉爆炸、降低爆炸危害的风险控制策略。
  1本质安全原理本质安全的提出源于20世纪50年代宇航技术的发展,是人类在生产实践的发展过程中对事故由被动接受到积极事先预防,以实现从源头杜绝事故和人类自身安全保护需要,在安全认识上取得的一大进步。它的诞生标志了事故的预防由被动的末端控制向主动的源头消减转变。
  英国化工专家TrevorKletz在1977年正式阐述了本质安全的理念:通过消除危险或降低危险程度来降低事故发生的可能性与严重性。与通过附加安全防护措施控制危险的传统安全技术不同,本质安全强调从源头上消减危险,将安全功能融入生产过程的基本功能或属性。显而易见,本质安全思想与传统的安全技术相比,技术实现更为简单、成本更低且能有效避免因附加安全系统失效带来的事故。
  本质安全的思想可用以下词语来描述:强化、代替、减弱、影响的限制、简化、容错。经过数十年的发展,形成了由四条基本原则组成的本质安全原理。
  本质安全思想已广泛应用于各行业的设计、生产、管理、风险评价以及事故分析中。20世纪80年代以来,美、欧等国家和地区对本质安全开展了一系列研究和实际应用:1997年,欧盟资助INSIDE项目研究了本质安全技术在欧洲过程工业中的应用,同时提出了一系列本质安全应用技术方法;1998年,欧盟颁布的SevesoDirective要求重大危险源、重大危险设施优先采用本质安全设计;2000年,美国化工过程研究中心在2020年展望报告中指出美国要维护化学工业未来的国际竞争力,必须重视化工本质安全的研究。近年来,我国也广泛开展了该领域的研究:李求进等研究了基于本质安全的化学工艺风险评价方法;吴宗之等研究了基于本质安全理论的安全管理体系。
  2实验装置与系统镁粉的爆炸危害特性通常用下列三个参数进行描述:最大爆压pmax,表征爆炸过程释放的总能量;最大爆压上升速率(dp/dt)max,表征爆炸过程能量释放的速率;爆炸下限LEL,表征爆炸能够持续进行的最低粉尘云浓度。笔者选取国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC31H共同推荐的20L球形爆炸测试装置对上述三个参数进行测量,所示。
  实验时,用压缩空气将储粉罐内的镁粉经机械两向阀和分散喷嘴喷至预先抽成真空的球罐内部;同时开始计算机采样并用化学点火头引爆粉尘云;最后对采样结果进行分析、计算,完成实验。
  3运用本质安全原理控制镁粉爆炸风险3.1最小化原则3.1.1控制镁尘浓度粉尘爆炸的实质是非均相燃烧化学反应,其特性极大程度受到粉尘云浓度的影响。实验采用10kJ点火强度,对粒径为2743m的镁粉测量了镁尘质量浓度由30g/m3递增到1000g/m3对应的pmax和(dp/dt)max。给出的实验结果可知,pmax和(dp/dt)max均随镁尘浓度增大而增大。因此,适当控制镁尘浓度,可将爆炸危害降至较小程度。
  可燃粉尘与空气混合物仅在其爆炸范围内才能引燃。将镁尘浓度控制在LEL之下就能防止粉尘爆炸。实验依照粉尘云爆炸下限浓度测定方法(GB/T16425-1996),采用10kJ点火强度分别测量了2743m、4375m、75125m三种粒径镁粉的LEL,结果由给出。考虑到粒径为2743m的镁粉已经极其细微,而日常工业中生产、使用的镁粉大都高于该粒径范围,故可认为一般情况下确保镁尘质量浓度低于15g/m3则不会发生爆炸。
  基于最小化原则的本质安全对策:一是采用通风等措施减少悬浮在受限空间的镁粉颗粒,最理想的状态是使镁尘浓度低于LEL,从本质上杜绝爆炸发生的可能。二是及时清扫散落在地面、管道、设备中的堆积镁粉,避免意外扬尘形成可爆性镁尘氛围。
  3.1.2控制点火源点火强度也是影响爆炸特性的重要因素。实验对粒径为4375m的镁粉在镁粉尘质量浓度400g/m3的条件下分别测量了1、2、5、10kJ点火强度对应的pmax和(dp/dt)max。给出的结果不难发现,点火强度越大,pmax(dp/dt)max越大;且(dp/dt)max对于点火强度的增加更为敏感。因此,控制点火强度可降低爆炸事故破坏程度;若消除点火源,则从本质上消除了爆炸隐患。
  基于最小化原则的本质安全对策:一是消除明火和控制高热。具体包括:在爆炸危险区域配置防爆电器;锅炉([url=http://www.eguolu.net/news/html/tech/7514.html]锅炉通现的损毁问题和应对举措[/url])、加热炉远离镁粉球磨、洗消、雾化生产设备;可能发热的设备须配置循环水冷却,避免热表面形成;驶入危险区的机动车辆排气管应佩戴防火帽;使用气焊、电焊、喷灯对生产设备进行维修时须按危险等级办理动火手续等。
  二是防止撞击摩擦和控制静电。具体包括:所有生产设备须接地良好;镁粉输送管路须采用全金属材料制作且接地良好;易发生镁粉颗粒撞击的设备部件应采用防爆合金材料制作,避免产生火星等。
  3.2替代原则粉体粒径会显著影响燃烧过程的表面反应速率,并显著影响爆炸特性。实验采用10kJ点火强度于500、750g/m3镁尘质量浓度下分别测量了2743m、4375m、75125m三种粒径镁粉的pmax和(dp/dt)max。
  给出的实验结果可知,粒径越小,pmax和(dp/dt)max越大。这主要是因为:镁粉颗粒与氧气的接触面积随粒径减小而增大,故颗粒表面燃烧放热速率随之加快;此外,颗粒与周围气体对流热速率随粒径减小而加快,导致颗粒点火驰豫时间缩短。
  粒径也会显著影响可燃性粉尘的LEL.由可知,2743m、4375m、75125m三种粒径镁粉的LEL逐级递增,故粒径越小,LEL越低,爆炸风险越大。
  基于替代原则的本质安全对策:在工艺条件允许的情况下,采用较为安全的大粒径镁粉替代较为危险的小粒径镁粉,能从本质上降低爆炸风险。
  3.3缓和原则3.3.1控制环境压力缓和原则认为,倘若危险物质的使用不可避免,应尽量在较安全的环境中使用,便可弱化风险、限制灾害;相反,若使事故发生于较危险的环境中,则会加剧灾害。实验对于4375m、75125m两种粒径的镁粉,在500g/m3镁粉质量浓度和10kJ点火强度的条件下考察不同的环境压力对pmax的影响。由给出的实验结果可知,当环境压力越高,镁粉爆炸的pmax值越大,其爆炸威力越强。
  基于缓和原则的本质安全对策:避免采用过高的风压输送镁粉;避免镁粉输送管路堵塞。
  3.3.2添加惰化剂缓和原则认为,将危险性物质溶解于安全的溶剂中便可弱化风险、限制灾害。惰化是指在可燃粉尘中加入一定量惰性介质,通过其吸收火焰热量、阻隔可燃颗粒与氧气的接触、降低火焰传播速率、吸收爆炸冲击达到有效破坏燃烧反应条件的抑爆技术措施。工业安全领域知名专家Amyotte将惰化认定为一种本质安全方法。
  实验选取粒径为4375m的镁粉分别与重质碳酸钙、碳酸氢钠两种常用惰化剂粉末按一定比例组成混合试样。在500g/m3镁当量质量浓度和10kJ点火强度的条件下测量了各试样的pmax。随着重质碳酸钙含量的增加,pmax呈下降趋势,选其作为惰化剂能有效地抑制爆炸威力;相反,随着碳酸氢钠含量的增加,pmax反而呈上升趋势(原因是碳酸氢钠受热分解出的二氧化碳是镁粉燃烧的助燃物),这说明碳酸氢钠不能作为镁粉抑爆的惰化剂。
  为探讨惰化剂粒径对镁粉爆炸抑制能力的影响,实验选取6m和38m重质碳酸钙粉末添加于4375m的镁粉中,镁尘当量质量浓度保持在500g/m3,碳酸钙质量分数按10递增。由给出的实验结果表明,小粒径的惰化剂比大粒径的惰化剂抑爆能力更强。若以pmax超过0.15MPa作为发生爆炸的判据,当惰化剂质量分数达到80时,可以认定镁粉未能发生爆炸。
  基于缓和原则的本质安全对策:在工艺条件允许的情况下加入适量惰化剂(如重质碳酸钙粉末)能有效抑制爆炸威力,甚至使镁粉转变为不燃物;且应该尽量选择小粒径的惰性介质作为惰化剂。
  4结论(1)镁粉爆炸特性pmax、(dp/dt)max随镁尘浓度、点火强度减小而降低。基于最小化原则,在生产、贮存、运输、使用等环节应尽量降低镁尘云浓度,并消除点火源或尽量降低发火强度。
  (2)镁粉爆炸特性pmax、(dp/dt)max随镁粉粒径增大而降低;LEL随粒径增大而升高。相对大粒径镁粉,小粒径镁粉燃爆风险更高,应特别注重细小镁粉的防爆。基于替代原则,工艺中可考虑采用粗镁粉替代细镁粉。
  (3)镁粉爆炸特性pmax随环境压力的减小而降低,而发生在高于常压环境中的镁粉爆炸具有更大的破坏力。基于缓和原则,工艺中应避免高风压输送镁粉且严防输运管路堵塞。
  (4)常用惰化剂碳酸氢钠粉末并不适用于镁粉抑爆,而重质碳酸钙粉末则可有效抑制镁粉爆炸威力,且小粒径的碳酸钙粉末抑爆效果更好。随惰化剂含量的增加,镁粉爆炸威力逐渐降低,甚至可以转化为不燃物。基于缓和原则,在工艺条件允许的情况下加入适量惰化剂(如重质碳酸钙粉末)能有效控制爆炸风险,且应该尽量选择小粒径的惰性介质作为惰化剂。

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