摘 要

随着社会经济的飞速发展，粮食作为人们生活的必需品，其需求量也随之增加。粮食钢板仓作为储存粮食的重要手段之一，其应用也越来越广泛。然而，随着近年来粉尘爆炸和筒仓事故的不断发生，人们对粮食钢板仓的安全问题越来越重视。作者以粉尘爆炸的条件为理论依据，结合国家发布的标准规范，设计了一套高效、可行的粮食钢板仓防爆设计系统。该系统对我国粮食钢板仓的防爆设计具有一定的指导意义。

本设计系统主要包括测控及报警系统、通风除尘系统、泄爆系统以及其他防爆系统等。测控系统通过测量粉尘浓度，磷化氢气体浓度以及粮堆的温度湿度等数据，确保钢板仓处于一个相对安全的工作环境。通风除尘系统可以有效控制粮堆的温度湿度，同时期具有除尘降尘的功能。泄爆系统通过泄压的方式可以减少爆炸事故造成的损失。系统采用理论与实践相结合的方式进行设计，可以有效的解决我国粮食钢板仓防爆设计中的缺陷与不足，降低钢板仓的爆炸危险性。

关键字：钢板仓；粉尘爆炸；防爆设计；防爆系统

Abstract

With the rapid development of social economy, the demand for grain, as a necessity of people's life, also increases. As one of the important means of grain storage, grain steel warehouse has been used more and more widely. However, with the continuous occurrence of dust explosion and silo accidents in recent years, people pay more and more attention to the safety of grain steel silos. Based on the condition of dust explosion and the national standard, the author designed an efficient and feasible explosion-proof design system for grain steel warehouse. The system has a certain guiding significance for the explosion-proof design of grain steel silos in China.

The design system mainly includes measurement and control and alarm system, ventilation and dust removal system, explosion control system and other explosion-proof systems. The measurement and control system ensures that the steel silo is in a relatively safe working environment by measuring dust concentration, phosphine gas concentration and temperature and humidity of grain stack. The ventilation and dust removal system can effectively control the temperature and humidity of grain stack, and has the function of dust removal and dust removal at the same time. The explosion control system can reduce the loss caused by explosion accident by releasing explosion. The system is designed by combining theory with practice, which can effectively solve the flaws and shortcomings in the explosion-proof design of grain steel silos in China and reduce the explosion risk of steel silos.

Key words: steel silo; dust explosion; explosion-proof design; explosion-proof system目 录

第1章 绪论 1

第2章 项目背景和设计要求 3

第3章 系统整体防爆设计 4

第4章 测控及报警系统 6

4.1 粮食粉尘浓度检测系统 6

4.2 可燃及有毒气体检测和报警设施 6

4.3 粮情测控系统 6

第5章 通风除尘系统 8

5.1 通风口设计 8

5.2 通风管道设计 8

5.2.1通风管道布设说明 8

5.2.2通风管道参数设计 10

5.3 除尘风网的设计 10

5.4 通风量的计算 11

5.4.1 安全储粮风量及风压计算 11

5.4.2 除尘风网风量及风压计算 12

第6章 泄爆系统 15

6.1泄爆口位置说明 15

6.2泄爆面积的计算 15

6.3泄爆口材料的选择 16

第7章 其他防爆系统 17

7.1 电气防爆设计 17

7.2 防静电、防雷击系统 17

7.2.1钢板仓防雷 17

7.2.2静电接地 18

7.3熏蒸防爆系统 18

第8章 结论 20

参考文献 21

附 录 22

致 谢 22

第1章 绪论

钢板仓在国外的发展已有100多年的历史，由于其具有施工快、效益好、机械化程度高等优点，其已被越来越多的用户所接受和使用。目前钢板仓已成为欧美等发达国家粮食储藏的主要仓型。我国钢板仓技术在粮食行业的应用与发展起步较晚。钢板仓在20世纪80年代初被我国从国外引进，经历了30多年的发展，至今已被大量的使用在各行各业。如港口、粮库、饲料厂和轻工食品加工行业等。然而，由于技术的不完善，粮食钢板仓事故时有发生。据报道，近年来粮食钢板仓粉尘爆炸事故十分严重。例如，2008年，美国皇家糖厂糖粉粉尘爆炸是美国近年来损失最大的工业粉尘爆炸事故,死14人，伤36人，其中19人重伤。因此，完善粮食钢板仓的防爆设计意义重大，能够有效的减少事故发生的概率及后果。

近年来国内外都十分重视粉尘防爆工作，胡鉴川^[1]和张友春^[2]等通过研究粉尘爆炸的条件来分析粮食筒仓粉尘爆炸的原因并作出相应对策，他们都从粉尘浓度测定、通风系统、静电、电气设备及管理等方面提出了几点预防粉尘爆炸的建议。其中，张友春^[3]还从筒仓结构设计中提出要设计泄爆口及采用吸风罩通风除尘的建议。

通风系统是每座钢板仓必备的设施，通风系统不但可以促进钢板仓粮堆堆内气体交换，平衡粮食水分和温度，防止粮食发热霉变，而且还具有除尘以及防爆的功能。依据《储粮机械通风技术规程》（LS/T 1202-2002），储粮通风型式按风网分类可以分为：地槽通风系统、地上笼通风系统、移动式通风系统、箱式通风系统、径向通风系统和夹底通风系统。然而，该规程中缺少有针对钢板仓通风工艺设计的内容，尤其在工艺参数和阻力计算公式的选用上存在着缺陷。随着人们通风系统的不断研究，余平等^[4]参考对M.Reimbert和A.Re imbert合著的《筒仓理论与实践 》，设计出了粮食筒仓通风熏蒸减压多功能装置，弥补了筒仓通风工艺设计的不足。谭云鹏等^[5]采用该通风设计思路，对珠海直属库3栋简易中转立钢板仓进行了钢板仓改造实践，使简易中转立筒仓满足了长期安全储粮的基本要求。此外，皱立新等^[6]结合环流熏蒸对机械通风技术进行了改造并开展了安全储粮试验，有效地解决了钢板仓储粮过程中熏蒸效果差、通风降温难等技术难题，并为通风工艺设计提供了具有参考价值的工艺参数。国外钢板仓的使用和发展较早，其技术也相对成熟。前苏联的双管通风系统采取吸压结合方式，垂直风管与地上笼并用，环形风管与多管通风有机结合的形式。美国比勒公司采用的Farmland工业通风系统，以地槽为主，较适用于浅圆仓降温散湿。

随着对粉尘爆炸的深入理解，人们逐渐意识到静电作为点火源对粉尘爆炸带来巨大的危害。根据瑞士专家Richard swiek博士^[7]的研究，粮食粉尘是一种电阻大于10⁹欧姆的绝缘体，其在互相紧密接触后分离时会产生静电。因此当粮食在溜管、输送带、设备内流动输送的过程中，粮食颗粒与设备表面、管壁的相互摩擦产生电荷并积累。当粮食沿输送带最终进仓时，电荷累积达到最高值。且在进料过程中，粉尘与粮食分离并在仓顶相对密闭空间内形成较高浓度的粉尘云，若这个时候发生静电点火，而且其点火能又达到粮食粉尘的最低点火能，就可能引发剧烈的粉尘爆炸事故。

我国近年十分重视电力装置在爆炸性粉尘环境的危险状况，自1999年起，相继以等同采用的方式开始修订了一系列国家标准规范，例如适用于粉尘爆炸的《可燃性粉尘环境用电气设备》（GB12476.1-2000）。近几年颁布的IEC系列标准IEC61241《可燃性粉尘环境用电气设备》以及美国国家电气法规(NEC)及（NFPA70- 2002）等标准规范，它们对爆炸环境中场所划分、保护方式等方面进行了完善并提供了新的标准。新的标准中的某些粉尘防爆观念逐步靠拢气体防爆观念，使得粉尘爆炸的防爆设计更具有科学性。

作者希望通过从监测、通风以及控爆技术等方面进行详细的防爆设计，弥补我国钢板仓防爆设计的不足之处，完善我国粮食钢板仓的防爆设计，减少钢板仓粉尘爆炸事故带来的后果及损失，同时为之后的粮食钢板仓防爆设计提供思路。

第2章 项目背景和设计要求

本次设计的目的是为某酿酒企业拟新建的立式钢板仓进行防爆设计，钢板仓占地约1800㎡，最大储量20000t。该酒厂是国内首创的采用全机械化、全自动化生产工艺的酿酒生产厂，其依托阳新县枫林镇的翟湾泉和座溪泉两处泉水而建。本项目位于劲牌有限公司枫林酒厂内，分为三个区域。有机肥生产区位于酒厂东北侧；半敞开式白酒库和陶坛酒库区位于酒厂东侧偏南；立式粮仓区位于酒厂东侧偏北。其中立式粮仓区东侧为厂区绿化用地，围墙外为山地；南侧为酿酒车间；西侧为平仓粮库；北侧为酒糟粉仓库和一个火炬，北侧厂外远处有一条铁路线。阳新县属亚热带季风气候，年平均气温16.9℃，极端最高的气温41.1℃，最低气温-14.9℃。此外，本区域属高雷区，全年平均雷暴日数50.4d，项目所在地有遭受雷击的可能。

本次设计的主要内容为钢板仓的防爆设计。设计的基本内容包括：

1.识别钢板仓爆炸危险性；

2.调研国内外主要防爆技术，选择防爆设计方案；

3.钢板仓详细参数选型及计算；

4.绘制钢板仓防爆设计图纸。

项目拟定建设8座粮食钢板仓，其位置分布及基本参数如下图所示：

图1.1 钢板仓位置分布及基本参数图

第3章 系统整体防爆设计

粮食在清理与输送的过程中，将会产生大量的粮食伴生粉尘，这些粉尘在粮食储存的过程中不断地向外扩散，形成粉尘云、粉尘层。当钢板仓内的粉尘浓度超过粮食粉尘爆炸下限浓度时，就会存在爆炸的危险。张友春^[2]在研究粉尘爆炸条件时发现立筒仓中粉尘爆炸的下限浓度随环境的改变而不同，并得出结论认为立筒仓中粉尘浓度不应大于40g/m³。因此，需要在粮食钢板仓内设置粮食粉尘浓度检测装置，避免钢板仓内粉尘浓度超过其爆炸下限。

此外，在粮食存储工艺过程中，会采用熏蒸工艺除治钢板仓内的储粮害虫。其原理：

AlP 3H₂O=Al(OH)₃↓ PH₃↑

依据《危险化学品目录（2015版）》，熏蒸工艺过程中涉及的危险化学品如下表所示。此过程产生的PH₃是一种无色、剧毒、易燃的气体。若处理不当，可能会导致爆炸事故的发生。此外，吸入磷化氢会对心脏、呼吸系统、肾、肠胃、神经系统和肝脏造成影响。依据《磷化氢环流熏蒸技术规》LS/T1201，系统需要设置磷化氢检测仪、磷化氢报警仪、磷化氢气体检测管。

表3.1 熏蒸系统危险化学品生产使用情况一览表

依据《粮食钢板筒仓设计规范》（GB 50322-2011），本设计可设计粮情测控系统。该系统可以通过测温电缆和仓内温湿度传感器对筒仓内的粮情温度和湿度以及仓外的温湿度进行实时监测。该系统除了有防止粮食发霉的作用外，还可以通过与通风系统相结合，控制仓内温度，使其在磷化氢等药物的自燃点38℃之下，进而防止磷化氢等药物的自燃的功能。

通风、熏蒸是保证钢板仓谷物安全储存的最基本的条件和重要手段。由于钢板仓粮层深，阻力大，仓内水分、温度呈梯度变化，因而其存在不易散热、散湿的缺点。同时、筒仓容量大，谷物进出仓输送量大，此过程容易产生扬尘并可能发生粉尘爆炸，造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此合理的通风设计，不但能够保证谷物的安全，而且能够有效的降尘、除尘。依据《粮食钢板筒仓设计规范》(GB 50322-2011)，钢板仓通风系统应设置机械通风系统。

依据《粉尘防爆安全规程》（GB15577-2018），存在粉尘爆炸危险的工艺设备，应采用泄爆、抑爆和隔爆、抗爆中的一种或多种控爆方式，但不能单独采取隔爆。本系统单独采用泄爆技术，实现钢板仓的控爆技术。

依据《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058-2014），粉尘爆炸危险区域应根据爆炸性粉尘环境出现的频繁程度和持续时间划分为20区、21区和22区。因为粮食在输送过程中会产生伴生粉尘，所以在进粮和出粮的过程中，钢板仓内会形成持续的爆炸性粉尘环境，应将其划分为20区并采用符合该区要求的电力防爆设计。

依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010），本设计钢板仓为一类防雷建筑物，钢板仓按第一类防雷建构筑物设防，应设置防雷接地系统。

依据《粮食钢板筒仓设计规范》（GB 50322-2011），粉尘爆炸危险区域内设备、金属架构、管道应做防静电接地。

第4章 测控及报警系统

4.1 粮食粉尘浓度检测系统

黎世静等^[8]将粉尘浓度传感器应用于粮食粉尘浓度检测系统，该检测系统的硬件主要包括粉尘浓度传感器模块、声光报警模块、ADC0832转换模块、按键模块、显示模块等。通过按键模块设定粉尘浓度的报警值后并将传感器放置在指定的测量环境中，粉尘浓度传感器测量的数据会在显示模块上显示其所测量的粉尘浓度值，同时显示设定好的粉尘浓度报警值，如果粉尘浓度传感器测得的粉尘浓度值比设定值大，那么声光报警模块就会发出报警信号。赫尔特等^[9]通过在标准的1m³容器和12 m³筒仓中进行的实验为粮食粉尘浓度传感器的布点提供了依据。实验表明，在采用中心竖直进料时，粉尘浓度在接近的中心的位置，随着高度增加，粉尘浓度达到密集区。因此，应在进料口溜管所在直线区域均匀布点，确保测量所得数字为粮食钢板仓内粉尘浓度的最大值。本设计在距离中心线1m的位置设置两个粉尘浓度检测装置，每个装置约长6m，从仓顶竖直向下，并自上而下每隔1m设置一个粉尘浓度传感器，如图2所示。此外，粮食筒仓通风的出风口、吸风罩口以及布袋除尘器进风口属于粉尘浓度较高点，均需要布设粉尘浓度传感器。当粉尘浓度大于40g/m³时，系统应及时进行报警处理。

4.2 可燃及有毒气体检测和报警设施

依据《危险化学品目录（2015版）》进行辨识，磷化氢属于危险化学品。需要设置监测及报警系统，该系统由磷化氢气体探测器和报警控制器组成，气体探测器位于磷化氢气体检测管中。因此，在熏蒸通风管中自上而下每隔10m设置一个磷化氢气体探测器。依据《磷化氢环流熏蒸技术规》LS/T1201^[10]，在熏蒸过程中，应对工作环境进行磷化氢检测，当环境中磷化氢浓度超过0.2ml/m³时，应采取安全防护措施。在熏蒸结束后，即可散气，待仓内磷化氢浓度降到0.2 ml/m³以下时，人员方可进仓。

4.3 粮情测控系统

立筒库测温系统可以采用GGS数字式粮情测控系统^[5]，该系统可以监测粮堆、钢板仓内部及外部环境的温度、湿度等指标，并能通过分析测量结果，结合钢板仓的通风系统做出调控，进而达到安全储粮的目的。GGS数字式粮情测控系统采用芯片式数字化传感器做为温度传感器直接输出数字信号。每个筒仓设有6根测温电缆和一个仓内温湿度传感器（温湿度传感器与RTU控制单元相连），这6根电缆均匀分布四周，每根电缆有9个测温点，其距离筒心4m。粮食层的厚度约为27.5m，为了确保测温点均匀没入粮堆中，第一个测温点应位于粮面之下1m的位置，之后每隔2.5m设置一个测温点。RTU控制单元连接着6根测温电缆和仓内温湿度传感器，用通讯电缆和电源线连接各钢板仓之间的RTU控制单元（距离筒仓中心2m处），将传感器测量的结果汇集到控制单元。此外，有一个传感器连接到RTU 控制单元上做为钢板仓仓外环境的检测装置，最后通过通讯电缆和电源线使控制室的计算机和所有RTU控制单元进行连接，将数据传输到计算机进行分析计算。运用GGS粮情测控软件可以对筒仓内的粮情温度和湿度以及仓外的温湿度进行实时监测。测温电缆的布设如下图所示：

图4.1 粉尘浓度检测装置及测温电缆布设图

第5章 通风除尘系统

5.1 通风口设计

张来林^[10]等总结以往筒仓通风口设计经验，按筒仓的结构、锥斗下口直径的不同，可将锥形底通风口分为三种设计类型。