可燃粉塵爆炸危險(xiǎn)性及預(yù)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?xì)怏w與氧氣(或空氣)爆炸時(shí)震天動(dòng)地的轟響。殊不知，懸浮在空氣中的那些悠悠飄揚(yáng)的粉塵也會(huì)引起威力巨大的爆炸。            

粉塵爆炸事故在國內(nèi)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(gè)工廠遭到蔓延性重大“天災(zāi)”。1921年美國芝加哥一臺(tái)大型谷類提升機(jī)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(dòng)了152.4毫米，結(jié)果6死1傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)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(lián)合廠梳麻、前紡、準(zhǔn)備3個(gè)車間，突然發(fā)生強(qiáng)大的粉塵爆炸并引起大火，使103萬平方米廠房、189(套)設(shè)備遭到不同程度的毀壞，直接經(jīng)濟(jì)損失881.9萬元。事故中死亡58人，重傷數(shù)人，輕傷112人。  

粉塵為什么會(huì)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(zhì)的微小顆粒。它的表面積與相同重量的塊狀物質(zhì)比較要大得多，故容易著火。如果它懸浮在空氣中，并達(dá)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(shí)，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(shí)所釋放出的熱量以及粉塵在空氣中的濃度等因素有關(guān)。  

根據(jù)科學(xué)試驗(yàn)測定，粉塵爆炸的條件有三個(gè)。一是燒料。干燥的微細(xì)粉塵、浮游粉塵的濃度每立方米達(dá)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。空氣中的氧氣含量達(dá)到21%。三是熱能，即40毫焦?fàn)栆陨系幕鹪础Ｃ娣刍蝻暳系确蹓m的起爆溫度相當(dāng)于一張易燃紙的點(diǎn)燃溫度。車間內(nèi)機(jī)械裝置的軸承或皮帶摩擦過熱，即可達(dá)到引爆的能量。此外，易產(chǎn)生靜電的設(shè)備未能妥善接地或電氣及其配線連接處產(chǎn)生火花，尤其是粉碎機(jī)的進(jìn)料未經(jīng)篩選，致使鐵物混入，產(chǎn)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(qiáng)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(fēng)和除塵措施，嚴(yán)禁吸煙及明火作業(yè)。在設(shè)備外殼設(shè)泄壓活門或其他裝置，采用爆炸遏制系統(tǒng)等。對(duì)有粉塵爆炸危險(xiǎn)的廠房，必須嚴(yán)格按照防爆技術(shù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并單獨(dú)設(shè)置通風(fēng)、排塵系統(tǒng)。要經(jīng)常濕式打掃車間地面和設(shè)備，防止粉塵飛揚(yáng)和聚集。保證系統(tǒng)要有很好的密閉性，必要時(shí)對(duì)密閉容器或管道中的可燃性粉塵充入氮?dú)?、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(zāi)爆炸案。美國職業(yè)**衛(wèi)生署(OSHA)與州及當(dāng)?shù)卣畬?duì)此次事故直行聯(lián)合調(diào)查。聯(lián)合調(diào)查報(bào)告指出，火災(zāi)起因于未知點(diǎn)火源引燃?xì)つｈT造機(jī)(shell molding machine)，再借由灌入鑄造造機(jī)而形成大量沉積的酚醛樹酯粉塵原料蔓延至通風(fēng)系統(tǒng)的導(dǎo)管。小型的初始爆燃(deflagration)先于導(dǎo)管內(nèi)發(fā)生，并使粉塵在導(dǎo)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(lián)合調(diào)查報(bào)告中所列的事故原因，包括下列缺失項(xiàng)目：①控制粉塵累積方面管理不善；②通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷；③火爐的維護(hù)不善；④設(shè)備缺乏有效的**裝置。   

2003年1月，破壞力極大的火災(zāi)爆炸毀壞一家位于北卡羅來納州以生產(chǎn)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(duì)員。美國化學(xué)**與危害調(diào)查委員會(huì)(U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB)，其為獨(dú)立的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)并負(fù)責(zé)調(diào)查化學(xué)品事故，公布*終報(bào)告，結(jié)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(zāi)，或粉塵是如何在隱蔽的天花板空間內(nèi)散布而產(chǎn)生爆炸性氣云。爆炸嚴(yán)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(xiàng)目：①?zèng)]有進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估；②對(duì)危害認(rèn)識(shí)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(duì)

此事故進(jìn)行調(diào)查，其報(bào)告指出，可能的點(diǎn)火原因?yàn)樾』鹱砸粋€(gè)未被注意的火爐蔓延開，而引燃了附近生產(chǎn)線**作業(yè)所產(chǎn)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(shí)出幾個(gè)粉塵控制不當(dāng)、爆炸預(yù)防及減緩措施不當(dāng)?shù)脑颍孩贈(zèng)]有進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估；②對(duì)危害認(rèn)識(shí)不足；③維修程序不當(dāng)；④建筑物設(shè)計(jì)不合理。 

    在1970年后期，在具有貨梯的谷倉內(nèi)，發(fā)生了一連串破壞力強(qiáng)大的稻谷粉塵爆炸事故，共造成59死49傷。為了回應(yīng)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(chǔ)存及分配的**衛(wèi)生危害。 1987年，OSHA公布《稻谷作業(yè)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)(Grain Handling Facilities standard, 29 CFR 1910.272)》，現(xiàn)今仍然有效。此標(biāo)準(zhǔn)、緊急應(yīng)變計(jì)劃(Emergency Action Plan, 29 CFR 1910.38)等其他OSHA標(biāo)準(zhǔn)及新版產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)降低此產(chǎn)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(chǎn)業(yè)案例，可以應(yīng)用至其他生產(chǎn)或使用可燃性粉塵的產(chǎn)業(yè)。  

在容器或建筑物內(nèi)，散布于空氣中的金屬粉塵亦可能產(chǎn)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(duì)此事故進(jìn)行調(diào)查。雖然調(diào)查報(bào)告并未發(fā)布，但CSB的新聞稿報(bào)導(dǎo)其事故歷程類似于先前所述的有機(jī)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(shè)備發(fā)生二次爆炸。  

2月28日下午13:03分，臺(tái)州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)一公司拋光車間第2生產(chǎn)線風(fēng)道內(nèi)發(fā)生爆炸，造成第2生產(chǎn)線以及相鄰的左右兩條生產(chǎn)線建筑物的同時(shí)跨塌，繼而引發(fā)火災(zāi)。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(cái)產(chǎn)損失。事故發(fā)生后，臺(tái)州市、臺(tái)州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等領(lǐng)導(dǎo)到現(xiàn)場指導(dǎo)事故搶救和善后工作。臺(tái)州市安監(jiān)局組成了事故調(diào)查組，并了聘請(qǐng)了有關(guān)專家對(duì)事故原因進(jìn)行了深入調(diào)查分析。經(jīng)查，本次事故的經(jīng)過為：拋光作業(yè)中的粉塵（主要是鐵粉、鋁粉）在風(fēng)道內(nèi)積聚，設(shè)在風(fēng)道外的拋光機(jī)在拋光作業(yè)過程（用砂帶拋光鐵件）產(chǎn)生火星，并通過排風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口將火星帶入積聚粉塵的風(fēng)道內(nèi)，首先引起風(fēng)道內(nèi)蓄積的殘留物燃燒，發(fā)生小范圍火災(zāi)，員工立即停機(jī)打開風(fēng)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(fēng)道內(nèi)明火處滅火。在大致確認(rèn)沒有明火后將風(fēng)道門關(guān)閉，隨后開機(jī)作業(yè)，瞬間發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。直接原因?yàn)椋簡T工在初期火災(zāi)滅火時(shí)使用水介質(zhì)，直接導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)的金屬粉塵遇水反應(yīng)產(chǎn)生易燃易爆性氣體，同時(shí)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(xiǎn)。*后調(diào)查確認(rèn)事故的原因?yàn)轱L(fēng)道內(nèi)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(duì)此類事故的防范意識(shí)也相對(duì)薄弱。為了加強(qiáng)此類事故的**預(yù)防，杜絕類似事故的發(fā)生，臺(tái)州市安監(jiān)局深入調(diào)查事故原因，對(duì)生產(chǎn)工藝類似的企業(yè)均提出整改要求：一是應(yīng)聘請(qǐng)有資質(zhì)的專業(yè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行風(fēng)道的設(shè)計(jì)和改造，增加引風(fēng)和除塵措施，消除粉塵積聚隱患。二是機(jī)械和電氣設(shè)備采用火星屏蔽措施。三是粉塵爆炸環(huán)境區(qū)域內(nèi)減少同時(shí)作業(yè)人員。增加與非防爆區(qū)域的隔離，避免事故后果擴(kuò)大。四是加強(qiáng)全體員工的消防知識(shí)和**生產(chǎn)知識(shí)培訓(xùn)；加強(qiáng)專用消防器材的配備或保養(yǎng)；建議進(jìn)行針對(duì)性的消防演習(xí)。  

三、粉塵爆炸的內(nèi)在原因   

處于粉塵狀態(tài)的物質(zhì)較之固體狀態(tài)物質(zhì)有所不同，尤其是在燃燒特性方面，原來非燃物質(zhì)可能變?yōu)榭扇嘉镔|(zhì)，原來是難燃物質(zhì)可能變成易燃物質(zhì)，可燃、易燃物可能變?yōu)橐妆ㄎ镔|(zhì)，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(duì)于任何粉塵粒子來講，其表面分子與內(nèi)部分子所處的能量狀態(tài)是不同的。在粉塵粒子內(nèi)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(duì)稱的，可以相互抵消而受力總和為零，它做分子運(yùn)動(dòng)（震動(dòng)）時(shí)不需要消耗功，而靠近粒子表面的分子，由于內(nèi)部密集的同類分子的引力遠(yuǎn)大于外部其他分子（念氣體分子）對(duì)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(nèi)部，亦即表面分子受到內(nèi)向的拉力，表面上的分子總比內(nèi)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(dǎo)致表面自由能越大。  

（三）粉塵的吸附性    其他物質(zhì)分子在粉塵表面上相對(duì)聚集的現(xiàn)象稱為粉塵的吸附現(xiàn)象。由于粉塵具有較大的表面及自由能，而物質(zhì)又具有由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。能態(tài)越低越穩(wěn)定，所以，它對(duì)周圍分子尤其是快速移動(dòng)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(zhì)上表現(xiàn)為粉塵較之原物質(zhì)具有較小的點(diǎn)火能量和自燃點(diǎn)。（如塊狀時(shí)不能燃燒的鐵塊，在粉碎成粉塵時(shí)，*小點(diǎn)火能量小于100mJ，自燃點(diǎn)小于300℃；煤粉的點(diǎn)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(yīng)速度；表面積的增大，還使固體原有的導(dǎo)熱能力下降，易使局部溫度上升，也有利于反應(yīng)進(jìn)行。  同時(shí)，粉塵在擴(kuò)散作用大于重力作用時(shí)具有懸浮狀態(tài)的穩(wěn)定性，易與空氣形成粉塵云。當(dāng)各種條件具備時(shí)，粉塵就會(huì)發(fā)生爆炸。 

 四、粉塵爆炸的條件  

粉塵的火災(zāi)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(guān)。粉塵爆炸本身是一類特殊的燃燒現(xiàn)象，它也需要可燃物、助燃物和點(diǎn)火源三個(gè)條件。  

（一）粉塵本身是可燃粉塵?？扇挤蹓m分有機(jī)粉塵和無機(jī)粉塵兩類。有機(jī)粉塵如面粉、木粉、化學(xué)纖維粉塵等，基本是可燃的。而無機(jī)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(xiǎn)性。

（二）粉塵必須懸浮在助燃?xì)怏w（如空氣中），并混合達(dá)到粉塵的濃度爆炸極限。粉塵在助燃?xì)怏w中懸浮是由于粉碎、研磨、輸送、通風(fēng)等機(jī)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?xì)怏w中懸浮。同時(shí)，爆炸粉塵的危險(xiǎn)性也用濃度爆炸極限下限來表示，一般是20~60g／m3，低于這個(gè)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(diǎn)火源。粉塵具有較小的自燃點(diǎn)和*小點(diǎn)火能量，只要外界的能量超過*小點(diǎn)火能量（多數(shù)在10mJ~100mJ）或溫度超過其自燃點(diǎn)（多數(shù)在400℃~500℃），就會(huì)爆炸。 

當(dāng)上述三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，就可能發(fā)生粉塵火災(zāi)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(dāng)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(diǎn)火源時(shí)，可能發(fā)生初次爆炸，并引起周圍環(huán)境的擾動(dòng)，使那些沉積在地面、設(shè)備上的粉塵彌散而形成粉塵云，遇火源形成災(zāi)難性的**次爆炸；另外**次爆炸后，在粉塵的爆炸點(diǎn)，由于空氣受熱膨脹，密度變小，迅速形成爆炸點(diǎn)逆流（俗稱“返回風(fēng)”），遇粉塵云和熱能源，也會(huì)發(fā)生**次爆炸。   

五、粉塵爆炸的預(yù)防和火災(zāi)撲救措施   

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

（一）消除粉塵源。采用良好的除塵設(shè)施來控制廠房內(nèi)的粉塵是首要的，可用的措施有封閉設(shè)備，通風(fēng)排塵、抽風(fēng)排塵或潤濕降塵等。除塵設(shè)備的風(fēng)機(jī)應(yīng)裝在清潔空氣一側(cè)。應(yīng)注意易燃粉塵不能用電除塵設(shè)備，金屬粉塵不能用濕式除塵設(shè)備。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先開除塵設(shè)備，后開主機(jī)；停機(jī)時(shí)則正好相反，防止粉塵飛揚(yáng)。粉塵車間各部位應(yīng)平滑，盡量避免設(shè)置一些其他無關(guān)設(shè)施（如窗幕、門簾等）。管線等盡量不要穿越粉塵車間，宜在墻內(nèi)敷設(shè)，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(zhì)中增加水分也能促使粉塵沉降，防止形成粉塵云。在車間內(nèi)做好清潔工作，及時(shí)人工清掃，也是消除粉塵源的好方法。   

（二）嚴(yán)格控制點(diǎn)火源。消除點(diǎn)火源是預(yù)防粉塵爆炸的*實(shí)用、*有效的措施。在常見點(diǎn)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(yīng)對(duì)此高度重視。此類場所的電氣設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按照《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝，達(dá)到整體防爆要求，盡量不安裝或少安裝不易產(chǎn)生靜電，撞擊不產(chǎn)生火花的材料制作，并采取靜電接地保護(hù)措施。被粉碎的物質(zhì)必須經(jīng)過嚴(yán)格篩選、去石和吸鐵修理，以免雜質(zhì)進(jìn)入粉碎機(jī)內(nèi)產(chǎn)生火花。需要指出的是，近幾年因集塵設(shè)施粉塵清理不及時(shí)，長期運(yùn)轉(zhuǎn)積熱引起的火災(zāi)事故屢有發(fā)生，這也應(yīng)引起人們的重視。  

 （三）采取可靠有效的防護(hù)措施。對(duì)于較小的粉碎裝置，可以增加其強(qiáng)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(shè)置泄壓裝置，如對(duì)車間采用輕質(zhì)屋頂、墻體或增開門窗等。但應(yīng)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?xì)怏w含量，在粉塵與助燃?xì)怏w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(duì)有些場所不可能實(shí)現(xiàn)，且造價(jià)亦高，目前實(shí)用價(jià)值較?。Ｒ部梢圆捎孟冗M(jìn)的粉塵爆炸抑制裝置，避免事故的發(fā)生。另外加強(qiáng)工作人員的**教育，加大管理力度，及時(shí)清掃、檢修設(shè)備也是必不可少的防護(hù)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(qū)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(duì)一些金屬粉塵（忌水物質(zhì)）如鋁、鎂粉等，遇水反應(yīng)，會(huì)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(nèi)部可能還陰燃，也因引起足夠重視；對(duì)于面積大、距離長的車間的粉塵火災(zāi)，要注意采取有效的分割措施，防止火勢(shì)沿沉積粉塵蔓延或引發(fā)連鎖爆炸。   

總之，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料、有機(jī)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(dòng)化、連續(xù)性，粉塵爆炸的潛在危險(xiǎn)性大大增加，預(yù)防粉塵爆炸有較高的現(xiàn)實(shí)意義。因此在生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格執(zhí)行國家的技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程，落實(shí)各項(xiàng)**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(chǎn)可燃粉塵的工廠或車間的建設(shè)和管理及操作，要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15577-1995《粉塵防爆**規(guī)程》執(zhí)行。