可燃粉塵爆炸危險性及預防

一、可燃粉塵爆炸的危害性   

提起爆炸，人們總是很自然地想到爆炸物或可燃氣體與氧氣(或空氣)爆炸時震天動地的轟響。殊不知，懸浮在空氣中的那些悠悠飄揚的粉塵也會引起威力巨大的爆炸。            

粉塵爆炸事故在國內外屢見不鮮。昭和41年，日本橫濱飼料廠的玉米粉塵爆炸，引起累積性連鎖燃燒，使整個工廠遭到蔓延性重大“天災”。1921年美國芝加哥一臺大型谷類提升機發(fā)生粉塵爆炸，其爆炸力將40座每座約裝30萬噸糧食的倉室，從底座掀起，并移動了152.4毫米，結果6死1傷，經濟損失達400萬美元。1942年我國本溪煤礦曾發(fā)生世界上*大的煤塵爆炸，死亡1549人，重傷246人。1987年3月15日凌晨，我國哈爾濱亞麻紡織廠聯合廠梳麻、前紡、準備3個車間，突然發(fā)生強大的粉塵爆炸并引起大火，使103萬平方米廠房、189(套)設備遭到不同程度的毀壞，直接經濟損失881.9萬元。事故中死亡58人，重傷數人，輕傷112人。  

粉塵為什么會發(fā)生爆炸呢?原來是由于懸浮在空氣中的可燃粉塵燃燒而形成的高氣壓所造成的。粉塵是固體物質的微小顆粒。它的表面積與相同重量的塊狀物質比較要大得多，故容易著火。如果它懸浮在空氣中，并達到一定的濃度，便形成爆炸性混合物。一旦遇到火星，就可能引起迅速燃燒—爆炸。爆炸時，氣壓和氣壓上升率越高，其爆炸率也就越大。而粉塵的燃燒率又是與粉塵粒子的大小、易燃性和燃燒時所釋放出的熱量以及粉塵在空氣中的濃度等因素有關。  

根據科學試驗測定，粉塵爆炸的條件有三個。一是燒料。干燥的微細粉塵、浮游粉塵的濃度每立方米達到：煤粉30~40克、鋁粉40克、鐵粉100克、木粉12.6~25克、小麥粉9.7克、糖10.3克。二是氧氣?？諝庵械难鯕夂窟_到21%。三是熱能，即40毫焦爾以上的火源。面粉或飼料等粉塵的起爆溫度相當于一張易燃紙的點燃溫度。車間內機械裝置的軸承或皮帶摩擦過熱，即可達到引爆的能量。此外，易產生靜電的設備未能妥善接地或電氣及其配線連接處產生火花，尤其是粉碎機的進料未經篩選，致使鐵物混入，產生碰撞性火星，皆可引發(fā)粉塵爆炸。  

*常見的粉塵爆炸有煤粉、面粉、木粉、糖粉、玉米粉、土豆粉、干奶粉、鋁粉、鋅粉、鎂粉、硫磺粉等。但只要我們加強防范措施，這類爆炸還是完全可以避免的。如采用有效的通風和除塵措施，嚴禁吸煙及明火作業(yè)。在設備外殼設泄壓活門或其他裝置，采用爆炸遏制系統(tǒng)等。對有粉塵爆炸危險的廠房，必須嚴格按照防爆技術等級進行設計，并單獨設置通風、排塵系統(tǒng)。要經常濕式打掃車間地面和設備，防止粉塵飛揚和聚集。保證系統(tǒng)要有很好的密閉性，必要時對密閉容器或管道中的可燃性粉塵充入氮氣、二氧化碳等氣體，以減少氧氣的含量，抑制粉塵的爆炸。  

二、可燃粉塵爆炸案例分析   

1999年2月，美國麻薩諸塞州的某鑄造廠發(fā)生一起火災爆炸案。美國職業(yè)**衛(wèi)生署(OSHA)與州及當地政府對此次事故直行聯合調查。聯合調查報告指出，火災起因于未知點火源引燃殼模鑄造機(shell molding machine)，再借由灌入鑄造造機而形成大量沉積的酚醛樹酯粉塵原料蔓延至通風系統(tǒng)的導管。小型的初始爆燃(deflagration)先于導管內發(fā)生，并使粉塵在導管外開始沉降。接踵而至的粉塵氣云成為了二次爆炸所需的燃料，而二次爆炸的威力足以掀起屋頂并造成墻壁損毀。聯合調查報告中所列的事故原因，包括下列缺失項目：①控制粉塵累積方面管理不善；②通風系統(tǒng)設計存在缺陷；③火爐的維護不善；④設備缺乏有效的**裝置。   

2003年1月，破壞力極大的火災爆炸毀壞一家位于北卡羅來納州以生產合成橡膠制**傳遞元件的制藥廠，造成6名員工死亡，38名人員受傷，其中包括2名消防隊員。美國化學**與危害調查委員會(U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB)，其為獨立的聯邦機構并負責調查化學品事故，公布*終報告，結論為可燃性聚乙烯粉塵的累積于天花板上而引起爆炸。CSB并沒有確定是何種原因引燃初始火災，或粉塵是如何在隱蔽的天花板空間內散布而產生爆炸性氣云。爆炸嚴重毀損此座工廠，造成附近工廠輕微損害。CSB指出事故原因，包括下列缺失項目：①沒有進行危險評估；②對危害認識不足；③工程管理不善。   

2003年2月，一家位于肯塔基州的隔音棉制造工廠發(fā)生另一件致命粉塵爆炸事故。CSB也對

此事故進行調查，其報告指出，可能的點火原因為小火自一個未被注意的火爐蔓延開，而引燃了附近生產線**作業(yè)所產生的粉塵氣云，隨后，致死的粉塵爆炸接連發(fā)生遍及全廠區(qū)。CSB辯識出幾個粉塵控制不當、爆炸預防及減緩措施不當的原因：①沒有進行危險評估；②對危害認識不足；③維修程序不當；④建筑物設計不合理。 

    在1970年后期，在具有貨梯的谷倉內，發(fā)生了一連串破壞力強大的稻谷粉塵爆炸事故，共造成59死49傷。為了回應這些悲慘的事故，OSHA發(fā)布了《稻谷貨梯為業(yè)危害警訊(Grain Elevator Industry Hazard Alert)》提供雇主、員工及其他官員了解稻谷儲存及分配的**衛(wèi)生危害。 1987年，OSHA公布《稻谷作業(yè)設施標準(Grain Handling Facilities standard, 29 CFR 1910.272)》，現今仍然有效。此標準、緊急應變計劃(Emergency Action Plan, 29 CFR 1910.38)等其他OSHA標準及新版產業(yè)標準等，對降低此產業(yè)的爆炸發(fā)生及減緩其影響皆扮演了重要角色。稻谷產業(yè)案例，可以應用至其他生產或使用可燃性粉塵的產業(yè)。  

在容器或建筑物內，散布于空氣中的金屬粉塵亦可能產生爆炸。2003年10月，一家位于印第安納州的汽車輪胎制造廠發(fā)生一起爆炸事故，CSB亦對此事故進行調查。雖然調查報告并未發(fā)布，但CSB的新聞稿報導其事故歷程類似于先前所述的有機粉塵爆炸事故：在碎片熔融爐附近發(fā)生初次爆炸，而鋁粉參與了初次爆炸，隨后，集塵設備發(fā)生二次爆炸。  

2月28日下午13:03分，臺州經濟技術開發(fā)區(qū)一公司拋光車間第2生產線風道內發(fā)生爆炸，造成第2生產線以及相鄰的左右兩條生產線建筑物的同時跨塌，繼而引發(fā)火災。事故共造成1人死亡，3人重傷，以及其他建筑物門窗爆裂、隔墻破壞等財產損失。事故發(fā)生后，臺州市、臺州市經濟開發(fā)區(qū)等領導到現場指導事故搶救和善后工作。臺州市安監(jiān)局組成了事故調查組，并了聘請了有關專家對事故原因進行了深入調查分析。經查，本次事故的經過為：拋光作業(yè)中的粉塵（主要是鐵粉、鋁粉）在風道內積聚，設在風道外的拋光機在拋光作業(yè)過程（用砂帶拋光鐵件）產生火星，并通過排風機吸風口將火星帶入積聚粉塵的風道內，首先引起風道內蓄積的殘留物燃燒，發(fā)生小范圍火災，員工立即停機打開風道門滅火，在使用干粉滅火器滅火失敗后，有員工用水直接潑向風道內明火處滅火。在大致確認沒有明火后將風道門關閉，隨后開機作業(yè)，瞬間發(fā)生強烈爆炸。直接原因為：員工在初期火災滅火時使用水介質，直接導致風道內的金屬粉塵遇水反應產生易燃易爆性氣體，同時也促使金屬粉末自行發(fā)熱到足以引起局部燃燒，在已有粉塵云存在的情況下，增加了爆炸危險。*后調查確認事故的原因為風道內懸浮粉塵遇火源發(fā)生了粉塵爆炸。鐵粉鋁粉發(fā)生爆炸比較罕見，對此類事故的防范意識也相對薄弱。為了加強此類事故的**預防，杜絕類似事故的發(fā)生，臺州市安監(jiān)局深入調查事故原因，對生產工藝類似的企業(yè)均提出整改要求：一是應聘請有資質的專業(yè)設計單位進行風道的設計和改造，增加引風和除塵措施，消除粉塵積聚隱患。二是機械和電氣設備采用火星屏蔽措施。三是粉塵爆炸環(huán)境區(qū)域內減少同時作業(yè)人員。增加與非防爆區(qū)域的隔離，避免事故后果擴大。四是加強全體員工的消防知識和**生產知識培訓；加強專用消防器材的配備或保養(yǎng)；建議進行針對性的消防演習。  

三、粉塵爆炸的內在原因   

處于粉塵狀態(tài)的物質較之固體狀態(tài)物質有所不同，尤其是在燃燒特性方面，原來非燃物質可能變?yōu)榭扇嘉镔|，原來是難燃物質可能變成易燃物質，可燃、易燃物可能變?yōu)橐妆ㄎ镔|，而這一變化是由粉塵的特性所決定的。 

 （一）粉塵的表面自由能  對于任何粉塵粒子來講，其表面分子與內部分子所處的能量狀態(tài)是不同的。在粉塵粒子內部的分子，因四面八方均具有同類分子包圍著，所受周圍分子的引力是對稱的，可以相互抵消而受力總和為零，它做分子運動（震動）時不需要消耗功，而靠近粒子表面的分子，由于內部密集的同類分子的引力遠大于外部其他分子（念氣體分子）對它的引力，所以不能相互抵消，這些力的總和垂直于粉塵表面而指向粉塵內部，亦即表面分子受到內向的拉力，表面上的分子總比內部分子具有更高的能量，這種能量叫做表面自由能。

  （二）粉塵的分散度和表面積    所謂粉塵的分散度就是粉塵按不同粒徑（直徑）分布的一種形式。其中小粒徑粉塵越多，我們就稱其分散度大，而分散度的大小又決定著粉塵的表面積，其分散度越大，則表面積越大，表面分子越多，導致表面自由能越大。  

（三）粉塵的吸附性    其他物質分子在粉塵表面上相對聚集的現象稱為粉塵的吸附現象。由于粉塵具有較大的表面及自由能，而物質又具有由高能態(tài)向低能態(tài)轉化的趨勢。能態(tài)越低越穩(wěn)定，所以，它對周圍分子尤其是快速移動的氣體分子具有吸附性。通過吸附其他分子來降低部分表面自由能。  綜上所述，由于粉塵的分散度較大，具有較大的表面積，從而具有較高的表面自由能，使粉塵的狀態(tài)不穩(wěn)定，活性增高，在理化性質上表現為粉塵較之原物質具有較小的點火能量和自燃點。（如塊狀時不能燃燒的鐵塊，在粉碎成粉塵時，*小點火能量小于100mJ，自燃點小于300℃；煤粉的點火能量小于40mJ）。表面積的增大和吸附特性的存在，使得粉塵與空氣中氧分子的接觸面增大，增加了反應速度；表面積的增大，還使固體原有的導熱能力下降，易使局部溫度上升，也有利于反應進行。  同時，粉塵在擴散作用大于重力作用時具有懸浮狀態(tài)的穩(wěn)定性，易與空氣形成粉塵云。當各種條件具備時，粉塵就會發(fā)生爆炸。 

 四、粉塵爆炸的條件  

粉塵的火災爆炸事故多發(fā)生在煤礦、面粉廠、糖廠、紡織廠、硫磺廠、飼料、塑料、金屬加工廠及糧庫等廠礦企業(yè)。這與粉塵爆炸所需條件有關。粉塵爆炸本身是一類特殊的燃燒現象，它也需要可燃物、助燃物和點火源三個條件。  

（一）粉塵本身是可燃粉塵?？扇挤蹓m分有機粉塵和無機粉塵兩類。有機粉塵如面粉、木粉、化學纖維粉塵等，基本是可燃的。而無機粉塵包括金屬粉塵和一部分礦物性粉塵（如煤、硫等），也都是可燃粉塵。黃沙和塵土的粉塵也很微小，但由于它們本身不能夠燃燒，因此不具危險性。

（二）粉塵必須懸浮在助燃氣體（如空氣中），并混合達到粉塵的濃度爆炸極限。粉塵在助燃氣體中懸浮是由于粉碎、研磨、輸送、通風等機械作用造成的。大粒徑的粉塵一般沉降為只有燃燒能力的沉積粉塵，只有小粒徑的粉塵才能在助燃氣體中懸浮。同時，爆炸粉塵的危險性也用濃度爆炸極限下限來表示，一般是20~60g／m3，低于這個濃度，難以形成持續(xù)燃燒，更談不上爆炸。

（三）有足以引起粉塵爆炸的點火源。粉塵具有較小的自燃點和*小點火能量，只要外界的能量超過*小點火能量（多數在10mJ~100mJ）或溫度超過其自燃點（多數在400℃~500℃），就會爆炸。 

當上述三個條件同時滿足時，就可能發(fā)生粉塵火災爆炸事故。  需指出的是，粉塵極有可能發(fā)生破壞性更大的二次爆炸。當粉塵懸浮于含有足以維持燃燒的氧氣環(huán)境中，并有合適的點火源時，可能發(fā)生初次爆炸，并引起周圍環(huán)境的擾動，使那些沉積在地面、設備上的粉塵彌散而形成粉塵云，遇火源形成災難性的**次爆炸；另外**次爆炸后，在粉塵的爆炸點，由于空氣受熱膨脹，密度變小，迅速形成爆炸點逆流（俗稱“返回風”），遇粉塵云和熱能源，也會發(fā)生**次爆炸。   

五、粉塵爆炸的預防和火災撲救措施   

由于粉塵爆炸事故撲救極為困難，因此做好預防工作是尤為重要的。主要預防措施有以下幾條：   

（一）消除粉塵源。采用良好的除塵設施來控制廠房內的粉塵是首要的，可用的措施有封閉設備，通風排塵、抽風排塵或潤濕降塵等。除塵設備的風機應裝在清潔空氣一側。應注意易燃粉塵不能用電除塵設備，金屬粉塵不能用濕式除塵設備。設備啟動時應先開除塵設備，后開主機；停機時則正好相反，防止粉塵飛揚。粉塵車間各部位應平滑，盡量避免設置一些其他無關設施（如窗幕、門簾等）。管線等盡量不要穿越粉塵車間，宜在墻內敷設，防止粉塵積聚，另外，在條件允許下，在粉塵車間噴霧狀水，在被粉碎的物質中增加水分也能促使粉塵沉降，防止形成粉塵云。在車間內做好清潔工作，及時人工清掃，也是消除粉塵源的好方法。   

（二）嚴格控制點火源。消除點火源是預防粉塵爆炸的*實用、*有效的措施。在常見點火源中，電火花、靜電、摩擦火花、明火、高溫物體表面、焊接切割火花等是引起粉塵爆炸的主要原因。因此，應對此高度重視。此類場所的電氣設備應嚴格按照《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》進行設計、安裝，達到整體防爆要求，盡量不安裝或少安裝不易產生靜電，撞擊不產生火花的材料制作，并采取靜電接地保護措施。被粉碎的物質必須經過嚴格篩選、去石和吸鐵修理，以免雜質進入粉碎機內產生火花。需要指出的是，近幾年因集塵設施粉塵清理不及時，長期運轉積熱引起的火災事故屢有發(fā)生，這也應引起人們的重視。  

 （三）采取可靠有效的防護措施。對于較小的粉碎裝置，可以增加其強度，并要考慮防止爆炸火焰通過連接處向外傳播；為減小爆炸的破壞性可設置泄壓裝置，如對車間采用輕質屋頂、墻體或增開門窗等。但應注意，泄壓裝置宜靠近易發(fā)生爆炸的部位，不要面向人員集中的場所和主要交通要道；為減少助燃氣體含量，在粉塵與助燃氣體混合氣中添加惰性氣體（如N2），減少氧含量，也是可行方法之一。（但對有些場所不可能實現，且造價亦高，目前實用價值較?。?。也可以采用先進的粉塵爆炸抑制裝置，避免事故的發(fā)生。另外加強工作人員的**教育，加大管理力度，及時清掃、檢修設備也是必不可少的防護措施。   

撲救粉塵爆炸事故的有效滅火劑是水，尤以霧狀水為佳。它既可以熄滅燃燒，又可濕潤未燃粉塵，驅散和消除懸浮粉塵，降低空氣濃度，但忌用直流噴射的水和泡沫，也不宜用有沖擊力的干粉、二氧化碳、1211滅火劑，防止沉積粉塵因受沖擊而懸浮引起二次爆炸。  對一些金屬粉塵（忌水物質）如鋁、鎂粉等，遇水反應，會使燃燒更劇烈，因此禁止用水撲救?？梢杂酶缮?、石灰等（不可沖擊）；堆積的粉塵如面粉、棉麻粉等，明火熄滅后內部可能還陰燃，也因引起足夠重視；對于面積大、距離長的車間的粉塵火災，要注意采取有效的分割措施，防止火勢沿沉積粉塵蔓延或引發(fā)連鎖爆炸。   

總之，隨著經濟的發(fā)展，塑料、有機合成、粉末冶金及糧食加工等工業(yè)也不斷發(fā)展。粉塵的種類和用量急驟增加，加之操作工藝的自動化、連續(xù)性，粉塵爆炸的潛在危險性大大增加，預防粉塵爆炸有較高的現實意義。因此在生產過程中要嚴格執(zhí)行國家的技術規(guī)范和操作規(guī)程，落實各項**規(guī)章制度，避免粉塵爆炸事故的發(fā)生。 

為有效防止粉塵爆炸事故的發(fā)生，生產可燃粉塵的工廠或車間的建設和管理及操作，要嚴格按照國家標準GB 15577-1995《粉塵防爆**規(guī)程》執(zhí)行。