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就粉尘防爆而言,哪些安全理念(例如惰化、泄压)属于当前技术水平?

所谓的技术水平(state of the art)并非一成不变、固定套用于所有情形的措施组合,而是一套基于风险的整体理念,其中综合考虑实际的物料数据、设备、管路、安装条件及运行状态。防护策略遵循明确的先后顺序:避免或限制爆炸性环境、避免有效点火源,若无法以足够的可靠性做到这一点,则通过结构性措施限制可能发生的爆炸后果。

最重要的特性数据包括KSt值、最大爆炸压力pmax、最小点火能量、粉尘云与粉尘层的最小点燃温度、粒度、湿度、电导率,以及必要时的蒸汽-粉尘混合性气体数据。若缺乏这些数据,就无法可靠地选定惰化、泄压、抑爆或解耦方案。

预防性措施

惰化是反应器、混合机、干燥机、粉碎机或输送设备等封闭式设备重要的预防性措施。氮气、二氧化碳或其他合适气体可将氧含量降至低于针对具体粉尘-惰性气体体系所确定的极限氧浓度,为此须具备足够密封性的设备、合适的惰性气体供应、具有代表性的氧含量测量、安全裕度、报警限值及联锁装置。所用气体须与产品、温度、化学特性及劳动安全要求相匹配。对于活性金属粉末或氧化性产品,须特别仔细地检验其适用性。

对于粉体而言,将浓度限制在爆炸下限以下的做法作为单一措施的适用性有限。TRGS 722技术规则指出,设备内的平均粉尘浓度可能参考意义有限:由于粉尘分布不均,局部仍可能形成爆炸性区域。因此,只有在能够可靠监测并在所有相关运行状态下均得到遵守的情况下,粉尘浓度限制才可作为一项防护措施使用。

避免粉尘沉积的措施包括封闭式物料交接、密封性良好的设备、有效的除尘、过滤技术、光滑且易于清洁的表面,以及形成记录的清洁与检查计划。粉尘沉积在扬起时可能诱发二次爆炸,但笼统规定允许的沉积层厚度限值并不充分,评估须综合考虑粉尘特性、面积、可能的扬尘情况以及点火源。

控制点火源

若无法可靠地排除爆炸性环境,则须系统性地规避可能的点火源,这包括高温表面、摩擦、机械产生的火花、驱动装置堵转、异物、轴承及密封件过热、电气设备、静电放电以及阴燃火巢。

当前的技术水平包括符合区域要求的电气及非电气设备、限制允许的表面温度、对关键轴承和密封部位进行温度监测、合适的材料配对、异物分离装置、接地、等电位联结以及预防性维护。若高温颗粒或火花被确定为相关点火源,则火花探测与熄灭系统在输送和除尘管路中可能是合理的甚至是必要的,但这并非适用于所有粉尘处理设备的普遍强制要求。

结构性防护

若无法以足够的可靠性防止爆炸发生,则须通过结构性防护措施限制其后果。TRGS 724技术规则将耐爆结构、泄爆、抑爆及防爆技术解耦列为核心措施。

泄压可采用防爆片或泄爆阀等装置,它们在达到设定的响应压力时开启,将容器内压限制在该容器所允许的降低爆炸压力范围内。设计须综合考虑KSt值、pmax、容器容积、几何形状、开启压力、泄压面积、可能的泄压通道,以及设备外部的压力和火焰影响。EN 14491标准涉及粉尘爆炸泄压系统的选型与设计,EN 14797标准则涉及对泄压装置本身的要求。

泄压须导向安全区域。对于室内安装的设备,若无焰泄压系统适用于该工艺,则可作为一种选择:此类系统可阻挡火焰,但仍须评估冲击波、热量、噪声、可能的产品泄出以及周边环境的安全性。因此,无焰泄压并非适用于所有室内安装场景的通用标准方案。

抑爆是一种主动式防护系统:快速压力或火焰探测器可识别爆炸的初期阶段,随后注入灭火剂,将压力上升限制在允许值以内。所需的响应时间、灭火剂的种类和用量,以及控制系统的设计,须与物料、容器及工艺相适配。当无法向外泄放,或不能接受火焰及产品释放时,该方法尤为适用。

耐爆压及耐爆冲击压设备的设计应能承受内部爆炸而不发生危险性失效。设计究竟应依据最大爆炸压力还是降低后的爆炸压力,由所采用的防护理念决定。泄压和抑爆可以限制受到的负荷,但不能替代受保护容器所需具备的强度。

防爆技术解耦可防止火焰、压力及燃烧颗粒经由管路和输送通道蔓延。可采用的方案包括止回阀、快速切断阀、灭火剂隔离装置、防爆阀,或经相应认证的星形给料阀。解耦措施须覆盖混合机、过滤器、料仓、干燥机、输送设备与灌装装置之间的接口,其适用性尤其取决于管路几何形状、粉尘等级、处理量、流动方向、压力及安装情况。

组织管理与证明

当前技术水平还包括最新的防爆文档、区域图、物料数据、操作规程、清洁与维护计划、对防护系统的定期检验、培训,以及针对动火作业的规范化放行程序。防爆文档须清晰、可追溯地呈现整体的技术与组织策略。

防爆安全性须在首次投用前以及在须检验的变更后进行检验,评估范围不仅限于单个部件,还包括设备、防护系统、控制系统、惰化、解耦及组织性措施之间的相互配合。

amixon®如何支持符合当前技术水平的粉尘防爆

符合20区要求的设备设计

对于存在粉尘爆炸风险的粉体,混合机、干燥机、反应器或造粒机的内部空间通常须评估为20区。20区是指爆炸性粉尘环境持续、长时间或频繁存在的区域。整套设备的区域划分由运营方依据风险评估确定,其范围也包括加料、充填、卸料、过滤器、输送段、料仓、灌装及安装场所。

amixon®可为产品空间被划为20区的应用提供混合机、造粒机、真空混合干燥机及混合反应器。根据系列、规格及项目配置的不同,这可涉及单轴混合机、立式及锥形混合机、容器混合机、连续式混合机,以及VMT和AMT系列的真空混合干燥机与混合反应器。20区产品空间原则上需要非常高的防护等级,在传统的ATEX分类体系中通常对应1D类别。具体设计方案——包括最高表面温度、电气及非电气部件、密封件、传感器及文档资料——须依据物料数据和工艺条件确定。

ATEX产品指令2014/34/EU涉及适用于爆炸危险区域的设备及防护系统。ATEX操作指令1999/92/EG则要求运营方开展风险评估、划定区域并编制防爆文档。amixon®可为所交付的设备提供相应文档,但整套设备的评估以及总体防护理念的选择仍属于运营方的职责。

点火源与粉尘逸出

限制点火源是防爆工作的核心环节。众多amixon®立式混合机可采用较低的圆周速度运行。对于VM和HM系列,amixon®给出的范围约为0.8至3.5米/秒。较低的工具速度可限制摩擦、撞击及磨损产生的能量,并降低颗粒所受应力,但这并不能单独作为不会产生有效点火源的证明,还须对轴承、密封件、轴、工具与壁面接触、异物、堵塞、表面温度、静电荷积聚及电气部件加以评估。

合适的安全功能可包括温度及扭矩监测、受控转速、合适的材料配对、异物分离、接地、等电位联结及预防性维护。对于粉尘层,TRGS 723技术规则原则上规定,粉尘层最小点燃温度与表面温度之间应保持75摄氏度的安全裕度,除非风险评估另有规定。

少缝隙且经打磨处理的产品接触区域及合适的密封件,可减少粉尘逸出。据amixon®介绍,配备OmgaSeal®密封件的Clever-Cut®检修门专为产品空间的低死角密封而设计。但实际的密封性取决于密封材料、压差、磨损、安装、维护及工艺操作方式。密封良好的设备结构可限制粉尘沉积,但既不能替代有效的除尘,也不能替代基于风险的清洁与维护理念。

惰化与结构性防护

惰化可作为一种预防性防爆措施使用。VMT和AMT系列真空混合干燥机与混合反应器可设计为气密、真空密封及耐压结构。在设计合理的情况下,可对工艺腔体抽真空后再充入合适的惰性气体,通过反复压力交替可进一步降低氧含量。

安全的惰化须以具备足够密封性的设备、合适的惰性气体供应、与产品相适配的吹扫程序、具有代表性的氧含量测量、报警及断电限值以及安全联锁装置为前提。允许的氧含量数值须留出安全裕度,低于针对具体粉尘-惰性气体体系所确定的极限氧浓度,笼统的氧气设定值并不可靠。此外,惰化并不能自动防止自燃、热分解、放热反应或粉尘沉积中的火灾。

单纯的耐压及耐真空性能并不等同于耐爆压或耐爆冲击压设计。若设备须在发生爆炸时承受特定的压力负荷,须明确加以规定,并依据KSt值、pmax、最小点火能量、点燃温度、湿度、粒度及可能的混合性气体进行设计。

若无法以足够的可靠性防止爆炸发生,则须采取泄压、无焰泄放、抑爆、耐爆压或耐爆冲击压结构,以及防爆技术解耦等结构性措施。当火焰或压力可能经由管路蔓延时,解耦措施在与过滤器、料仓、输送设备及其他设备的接口处尤为必要。合适的措施须针对具体的设备系统、粉尘特性数据、管路几何形状、处理量及安装地点进行设计。

通过试验进行设计

设计工作以安全技术物料数据及运营方的用户需求说明书(URS)为起点。以原始产品开展的试验还可进一步考察工艺特性,例如混合均匀度、产品升温、颗粒磨损、液体分布、结块、卸料及可清洗性。此类试验有助于选定设备结构及运行参数,但不能替代符合标准的粉尘检测,也不能替代对整套设备的防爆技术评估。

据amixon®介绍,其在帕德博恩总部运营着30多台测试装置,并在日本、印度、泰国、中国、韩国和美国设有其他技术中心。试验结果可用于混合机类型、工具、密封件、加料方案、传热及工艺操作的设计。