粉尘爆炸及其浓度探测技术的研究_王勇俞

　消防设备研究　

粉尘爆炸及其浓度探测技术的研究

王勇俞,董文辉

(公安部沈阳消防研究所,辽宁沈阳110034)

摘　要:通过分析粉尘发生爆炸的过程,讨论了粉尘爆炸的机理,阐述了目前粉尘爆炸的预防检测技术和应用现状,根据粉尘的粒子散射特性,提出了采用主动吸气式激光散射检测粉尘浓度的方法,为实现工业场所粉尘浓度检测及粉尘爆炸的预防与控制提供解决方案。

关键词:粉尘爆炸;吸气式;粒子散射;浓度检测

中图分类号:X924.4,T N248.2 文献标志码:A

文章编号:1009-0029(2010)07-0600-03

粉尘爆炸涉及的行业范围很广,煤炭、化工、医药加工、木材、粮食和饲料加工等行业粉尘爆炸事故时有发生。如1952年-1979年间,日本发生各类粉尘爆炸事故209起,伤亡546人,其中以粉碎制粉工程和吸尘分离工程较突出,各46起。联邦德国1965年-1980年发生各类粉尘爆炸事故768起,其中较严重的是木粉及木制品粉尘和粮食饲料爆炸事故,分别占32%和25%。笔者简单介绍了粉尘爆炸的产生条件和原因,阐述了当前检测粉尘浓度预防粉尘爆炸的技术及其应用现状,根据粉尘的粒子散射特性,提出了吸气式激光散射的粉尘浓度检测方法,并介绍了其探测报警系统构成,为工业场所粉尘浓度检测提供了新的思路,同时为粉尘爆炸的预防及连接消防系统控制提供了新的技术方案。

1　粉尘爆炸的特点及过程

1.1　粉尘爆炸的特点

(1)多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点;(2)粉尘爆炸所需的最小点火能量较高,一般在几十毫焦耳以上;(3)与可燃性气体爆炸相比,粉尘爆炸压力上升较缓慢,较高压力持续时间长,释放的能量大,破坏力强。

1.2　粉尘爆炸的过程

粉尘爆炸的过程一般认为由以下三步发展形成:一是悬浮的粉尘在热源作用下迅速干馏或气化而产生可燃气体;二是产生的可燃气体通过与空气混合后燃烧;三是粉尘燃烧时释放出的热量,以热传导以及火焰辐射等方式传给附近悬浮着的或被风吹扬起来的粉尘,热量将这些粉尘气化后使燃烧循环进行。当每个这样的循环逐次进行,反应速度逐渐加快,随着剧烈燃烧的发生将导致最后的爆炸。这种爆炸反应以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸压力等将持续加快和升高,并呈跳跃式发展。

影响粉尘爆炸的因素主要有粉尘的颗粒度、挥发性、水分、灰分等,火源强度对粉尘爆炸也有一定的影响。2　粉尘浓度检测技术及其系统构成

2.1　激光散射粉尘浓度检测技术

当前用于粉尘浓度检测的方法主要有光学法、采样称重法、静电测试法等。

光学法根据其探测方式分为浊度法和散射法,激光散射检测粉尘浓度采用了光学法中的散射法。光在通过除真空以外的任何介质时,都会出现部分能量偏离预定传播方向而向空间任意方向弥散的现象,即光的散射。散射即为在电磁波传播路径中的一个粒子(任何一点物质)连续地从入射波中吸取能量,而且把吸收的能量再发射到以该粒子为中心的全部立体角中。笔者根据光电散射的工作原理设计并制作了一套吸气式激光粒子散射信号检测装置(见图1),通过主动吸入不同浓度的粉尘粒子并采集其散射特征信息,分析得出不同浓度下的粉尘粒子激光散射变化情况。根据M ie散射理论,不同属性粒子受激后的散射光强与粒子的形状、大小、折射率和散射角度有关,笔者设计了多角度同步测量系统组成,同时设计小角度步进的装置结构。该系统实现了同步测量不同角度的散射光强度,结合使用信号采集及数据处理方法,不但可通过结合称重法获得对比数据后直接获得粉尘浓度,还可以分析粉尘粒子的特征属性信息

。

图1　激光散射粒子浓度检测结构框图

在煤炭、化工及食品加工等现场建立粉尘浓度多点连续检测系统是预防粉尘爆炸的关键技术,我国粉尘检测技术的发展趋势也是朝这方面努力的。通过介绍的粉尘浓度测量原理与技术检测设备,考虑到在系统构建时需兼顾安装简单、维护方便、精度可靠、接口兼容性高等各方面因素,以及工程现场的环境污染较重、安装位置可能震动频繁、电磁环境条件恶劣等,笔者设计了采用激光粒子散射原理进行粉尘浓度的检测,并采用吸气式技术铺设主动采样管路等设计,实现了多点同时采样的系统方案。

2.2　吸气式粉尘浓度测量系统

2.2.1　吸气系统

为使检测系统可以同时监测多个被保护目标,笔者设计了主动吸气系统,将多个保护区域的粉尘粒子样本抽

600Fire S ci ence and T echn ology,July2010,Vol29,No.7

取到散射仓,在散射仓的一侧安装轴流式风机,另一侧安装吸气导管。通过风机的作用把不同位置的粉尘粒子收集到散射仓内,然后再返回到保护区中。2.2.2　激光散射粉尘浓度检测系统

作为信号探测的散射光信号是来自于粒子对激光束的散射,激光器是极其重要的部元,要求激光器能够长期稳定运行。从目前发展的激光技术以及实际使用中的成本考虑,半导体激光器能够适合这一应用,因此采用波长为650nm 的半导体激光器。散射仓是提供粒子被激光照射并发生散射的地方,因此不能让杂散光干扰,同时为了使抽气系统快速地抽取空气样本,散射仓要求有良好的密封;为了避免仓壁的漫反射光被误当作信号探测,除了安装主光束吸收器外,仓壁内将全部涂黑以提高吸光效果。由风机带来的粉尘粒子经过散射仓时,传感器将会接收到经过透镜聚焦的散射信号,处理器采集散射信号后结合浓度判断算法给出判据,并根据预先设定的报警区间给出对应的报警信号,达到主动早期报警的效果。2.2.3　实验数据

笔者通过木材阴燃火实验的烟雾进行探测性能测试(具体测试曲线见图2(a )),并采用经干燥的白水泥模拟粉尘在烟箱中进行数据采集(数据曲线见图2(b ))。通过实验数据采集并进行分析标明所设计的数据采集平台

,

图2　烟雾灰尘测试数据曲线

能够实现对粒子的不同角度散射光强进行采集,并可根据多角度数据进行粒子属性识别研究。通过白水泥模拟灰尘实验验证了其对灰尘浓度的探测能力。

笔者设计的吸气式粉尘浓度检测方案如图3所示。激光散射粒子浓度检测装置结合安装管路安装在车间现场,通过管路开孔以及风机配套,可利用一套检测装置同时采集多点的粉尘浓度数据,信号采集处理装置实现粉尘浓度信号的提取、判断以及输出粉尘浓度显示,同时可以让用户根据实际工程场景来设定控制参数(如浓度报警范围等),并可通过配置标准输出信号接口(如无源继电器触点、4～20mA 、RS 485等)向上位机发送状态或数据信息

。

图3　吸气式粉尘浓度检测示意图

吸气式粉尘浓度检测报警方案具备多点连续检测功能,使用传感器数量较少,而保护面积加大,降低了探测的整体成本,大大提高了探测器的性价比。若采用不同分区分管路探测的方式还可以同时进行多区域扫描,这样可进一步降低探测成本。

基于整体消防的探测理念,笔者将粉尘浓度检测系统作为火灾自动报警系统中的一个子系统,通过配接配套的输入模块,将粉尘浓度报警信号上传到火灾自动报警系统,通过火灾报警系统的总线进行信号传递,通过火灾报警控制器实现报警和设备启动等功能,并通过其向更上层次的集中监控系统或者区域消防通信系统报警。图4中通过对工厂内部的火灾自动探测报警系统进行粉尘浓度探测报警功能的扩充,系统具备构成简单、施工便利、整体成本低等优点,同时扩展了火灾自动报警系统的应用领域。通过对配接设备设置相应的联动设备控制逻辑,可为人民生命财产安全提供更好的防护

。

图4　粉尘浓度检测报警系统方案示意图

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消防科学与技术2010年7月第29卷第7期