粉塵爆炸的預(yù)防

粉塵爆炸的預(yù)防

1906年，法國考瑞爾斯（Couriers）煤礦爆炸，導(dǎo)致1099人死亡，震驚各國。這時(shí)學(xué)者們才開始真正重視粉塵爆炸的研究，但是研究領(lǐng)域當(dāng)時(shí)只局限于各大煤礦。第二次世界大戰(zhàn)期間，粉塵爆炸的研究范圍才逐漸拓寬到金屬、化工原料工廠。近年來粉塵事故也相繼發(fā)生，2014年8月2日，蘇州昆山中榮機(jī)械廠發(fā)生鋁粉塵爆炸事故；2016年4月29日，深圳市精藝星五金廠發(fā)生鋁粉塵爆炸：2019年3月31日，蘇州昆山漢鼎精密金屬有限公司機(jī)加工車間外一存放鎂合金碎屑廢物的集裝箱發(fā)生爆燃事故，造成7人死亡，5人受傷。這些事故的發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡，給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，也敲響了粉塵爆炸防控的警鐘，引起了社會(huì)的高度關(guān)注。

1.粉塵爆炸的條件

通常來說，粉塵爆炸需具備五個(gè)要素：（1）存在可燃粉塵；（2）粉塵以一定的濃度懸浮在空氣中；（3）存在足以引起粉塵爆炸的火源；（4）助燃劑；（5）有限空間。具備上述條件的粉塵之所以能爆炸，是由于懸浮于空氣中的可燃粉塵形成了一個(gè)高度分散體系，其表面能（體現(xiàn)為吸附性和活性）極大增加：同時(shí)粉塵粒子與空氣中氧之間的界面加大，氧氣供給更加充足，一經(jīng)能量充足的火源引燃，反應(yīng)速率急剛增加而呈爆炸狀態(tài)。

2.粉塵爆炸的過程和特點(diǎn)

絕大部分粉塵爆炸要經(jīng)歷以下階段：首先，懸浮在空氣中的可燃粉塵表面接受點(diǎn)火源的能量，表面溫度迅速升高；其次，粉塵粒子表面的分子發(fā)生熱分解或干餾作用，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w從粉塵粒子表面釋放到氣相中；然后，釋放出的可燃?xì)怏w與空氣（或氧氣等助燃?xì)怏w）混合形成爆炸性混合氣體，隨后被點(diǎn)火源點(diǎn)燃產(chǎn)生了火焰；最后，這種火焰?zhèn)鞑サ臒崃坑诌M(jìn)一步促使周圍的粉塵發(fā)生分解，持續(xù)不斷在氣相中釋放可燃?xì)怏w，又與空氣混合，使火焰不斷傳播，從而導(dǎo)致劇烈的粉塵爆炸。

與一般氣體爆炸相比，粉塵爆炸具有以下特點(diǎn)：（1）多次爆炸是粉塵爆炸的最大特點(diǎn)。第一次的爆炸氣浪會(huì)把沉積在設(shè)備或地面上的粉塵吹揚(yáng)起來，在爆炸后短時(shí)間內(nèi)爆炸中心區(qū)會(huì)形成負(fù)壓，周圍的新鮮空氣便由外向內(nèi)填補(bǔ)進(jìn)來，與揚(yáng)起的粉塵混合，從而引發(fā)二次爆炸。二次爆炸時(shí)，粉塵濃度會(huì)更高。（2）粉塵爆炸所需的最小點(diǎn)火能一般在幾十毫焦耳以上。（3）粉塵爆炸壓力上升較慢，較高壓力持續(xù)時(shí)間長，釋放的能量大，破壞力強(qiáng)。

3.粉塵爆炸的預(yù)防和控制

防止粉塵爆炸事故的發(fā)生，避免粉塵爆炸事故的人員傷亡，降低粉塵爆炸事故的損失，這些問題都已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)從業(yè)者及監(jiān)管部門共同關(guān)注的問題。根據(jù)粉塵爆炸的五個(gè)要素和相關(guān)影響因素，只要在生產(chǎn)中破壞其中一個(gè)或多個(gè)的形成，就可以做到對(duì)粉塵爆炸的預(yù)防。

（1）優(yōu)化布局設(shè)計(jì)

對(duì)廠房進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該合理選擇廠房的位置，粉塵車間在工廠總平面圖上的位置要合理。對(duì)于集中采暖地區(qū)，應(yīng)位于其他建筑物的非采暖季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)在非集中采暖地區(qū)，應(yīng)位于全年主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。安裝有粉塵爆炸危險(xiǎn)工藝設(shè)備或存在可燃粉塵的建（構(gòu)）筑物，應(yīng)與其他建（構(gòu)）筑物分離，其防火間距應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。建筑物宜為單層建筑，屋頂宜用輕型結(jié)構(gòu)。（2）控制粉塵集聚、懸浮和飛揚(yáng)

及時(shí)消除懸浮在空氣中的可燃粉塵，降低可燃粉塵在助燃物中的濃度，確保其不在爆炸極限范圍內(nèi)，從根本上預(yù)防可燃粉塵爆炸事故的發(fā)生。a.減少粉塵暴露。通過密閉操作生產(chǎn)設(shè)備和為產(chǎn)塵點(diǎn)裝設(shè)吸塵設(shè)備，都是有效減少粉塵暴露的技術(shù)手段。b.抑塵措施。抑塵措施是指抑制粉塵呈浮游狀態(tài)或減少粉塵產(chǎn)生量的措施。c.消除正壓。粉塵從生產(chǎn)設(shè)備中外逸的原因之一是物料下落時(shí)誘導(dǎo)了大量空氣，在密閉罩內(nèi)形成正壓，為了減弱和消除這種影響，應(yīng)該降低落料高度差，適當(dāng)減小溜槽傾斜角，隔絕氣流，減少誘導(dǎo)空氣量，降低下部正壓等。d.加強(qiáng)除塵。加強(qiáng)除塵是指通過通風(fēng)除塵系統(tǒng)降低粉塵濃度的措施，可采用局部排風(fēng)的除塵系統(tǒng)，也可輔以全面排風(fēng)或自然排風(fēng)。通風(fēng)除塵宜按工藝分片設(shè)置相對(duì)獨(dú)立的除塵系統(tǒng)，所有產(chǎn)塵點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)吸塵罩，風(fēng)管中不應(yīng)有粉塵沉降，且除塵器的安裝、使用及維護(hù)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。除此之外，還有靜電消塵與濕法消塵等措施。靜電消塵裝置是建立在電除塵和塵源控制方法的基礎(chǔ)上，它主要包括高壓供電設(shè)備和電收塵裝置（包括密閉罩和排風(fēng)管）兩部分。濕法消塵是指在工藝允許的條件下，可以采用濕法消塵的措施來達(dá)到防塵的目的，在鋁鎂粉塵濕法消塵工藝中，采用螺旋式噴霧噴頭解決了傳統(tǒng)噴頭易堵塞的問題，提高了粉塵捕集效率。另外，針對(duì)目前礦用除塵器存在的低效率、檢修工作量大的問題，學(xué)者設(shè)計(jì)了一種PLC（可編程控制器）自動(dòng)控制的扁布袋除塵系統(tǒng)，提高了除塵效率以及系統(tǒng)可靠性。e.降塵措施。降塵主要是采用噴霧等方法把已經(jīng)產(chǎn)生并轉(zhuǎn)為浮游狀態(tài)的粉塵捕集起來的措施。f.控制作業(yè)場所空氣相對(duì)濕度。在生產(chǎn)車間內(nèi)合理有效地布置加濕噴霧裝置，可以增加空氣相對(duì)濕度，從而降低粉塵的分散度，提高粉塵沉降速度，避免粉塵達(dá)到爆炸濃度極限。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度達(dá)到65%以上時(shí)，可有效促使粉塵沉降，防止形成粉塵云。g.地面、地溝等其他設(shè)置要求。應(yīng)采用不產(chǎn)生火花的地面材料，若采用絕緣材料作整體面層，應(yīng)采取防靜電措施：散發(fā)可燃粉塵、纖維的廠房，其內(nèi)表面應(yīng)平整、光滑，并易于清掃：廠房內(nèi)不宜設(shè)置地溝，確需設(shè)置時(shí)，其蓋板應(yīng)嚴(yán)密，應(yīng)采取防止可燃?xì)怏w、可燃蒸氣和粉塵等在地溝積聚的有效措施，且應(yīng)在與相鄰廠房連通處采用防火材料密封。（3）防止粉塵云與粉塵層著火

在防止粉料自燃方面，能自燃的熱粉料，儲(chǔ)存前應(yīng)設(shè)法冷卻到正常儲(chǔ)存溫度；在大量儲(chǔ)存能自燃的散裝粉料時(shí)，應(yīng)對(duì)粉料溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測；當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度升高或氣體析出時(shí)，應(yīng)采取使粉料冷卻的措施；卸料系統(tǒng)應(yīng)有防止粉料聚集的措施。（4）消除控制火源

消除控制火源是預(yù)防粉塵爆炸的關(guān)鍵步驟。具體到特定的火源，必須根據(jù)具體的操作環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的火源預(yù)防，這里提出一些具體要求和措施。a.防止明火與熱表面引燃。首先要控制人為點(diǎn)火源，禁止在可燃粉塵場所產(chǎn)生諸如煙頭、照明、切割等各類明火。凡是可燃粉塵生產(chǎn)區(qū)域，均應(yīng)列為禁火區(qū)，嚴(yán)格控制明火的使用。若在粉塵爆炸危險(xiǎn)場所確需進(jìn)行明火作業(yè)時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定：由安全負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)并取得動(dòng)火證；明火作業(yè)開始前，應(yīng)清除明火作業(yè)場所的可燃粉塵并配備充足的滅火器材；進(jìn)行明火作業(yè)的區(qū)段應(yīng)與其他區(qū)段分開或隔開：進(jìn)行明火作業(yè)期間和作業(yè)完成后的冷卻期間，不應(yīng)有粉塵進(jìn)入明火作業(yè)場所。b.防止電弧和電火花。粉塵爆炸危險(xiǎn)場所，應(yīng)采取相應(yīng)防雷措施。當(dāng)存在靜電危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)在現(xiàn)場安裝防靜電設(shè)施，對(duì)管道和設(shè)備采取靜電接地等措施。所有金屬設(shè)備、裝置外殼、金屬管道、支架、構(gòu)件、部件等，一般采用防靜電直接接地，不便直接接地的，可通過導(dǎo)靜電材料或制品間接接地；直接用于盛裝起電粉末的器具、輸送粉末的管道（帶）等，應(yīng)采用金屬或防靜電材料制成，且所有金屬管道連接處（如法蘭）應(yīng)進(jìn)行跨接：操作人員應(yīng)采取防靜電措施。依照《防止靜電事故通用導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工藝流程中材料的選擇、裝備安裝和防靜電設(shè)計(jì)、操作管理等過程采取相應(yīng)的預(yù)防措施，控制靜電的產(chǎn)生和電荷的聚集。（5）控制助燃物

這個(gè)方面的預(yù)防措施主要是采用惰性氣體保護(hù)。惰性氣體保護(hù)的原理是在粉塵和空氣的混合物中，充入既不燃又不助燃的惰性氣體，降低系統(tǒng)中的氧氣含量，從而使粉塵爆炸因缺氧而不能發(fā)生。工業(yè)中通常使用惰性氣體如CO2、N2對(duì)車間進(jìn)行惰化。（6）空間受限

目前解決空間受限問題的主流方法是設(shè)置防爆泄壓裝置。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)備或廠房的適當(dāng)部位設(shè)置薄弱面（泄壓面），借此可以向外排放爆炸初期的壓力、火焰、粉塵和產(chǎn)物，從而降低爆炸壓力，減小爆炸損失。采用防爆泄壓技術(shù)，必須十分注意需考慮粉塵爆炸的最大壓力和最大升壓速度，此外應(yīng)考慮設(shè)備或廠房的容積和結(jié)構(gòu)，以及泄壓面的材質(zhì)、強(qiáng)度、形狀及結(jié)構(gòu)等。用作泄壓面的設(shè)施有爆破板、旁門、合頁窗等；泄壓面可由金屬箔、防水紙、防水布、塑料板、橡膠、石棉板、石膏板等制成。（7）其他因素

通常來說，粉塵爆炸需具備五個(gè)要素：可燃粉塵、粉塵云、引火源、助燃物、空間受限。此外，關(guān)于粉塵爆炸還有以下幾個(gè)重要影響因素，對(duì)粉塵爆炸的預(yù)防具有重要意義。a.粉塵爆炸極限。粉塵以一定的濃度懸浮在空氣中是發(fā)生粉塵爆炸的條件之一，將“一定濃度"量化就是粉塵的爆炸極限。粉塵爆炸極限是粉塵和空氣混合物遇火源能發(fā)生爆炸的粉塵最低濃度（下限）或最高濃度（上限），一般用單位體積空間內(nèi)所含的粉塵質(zhì)量表示。在已知化學(xué)粉塵的組成和燃燒熱，并做出某些簡化假設(shè)的情況下，能夠計(jì)算爆炸極限，但通常采用專門儀器測定。實(shí)驗(yàn)表明，許多工業(yè)粉塵的爆炸下限為20～60g/m3，爆炸上限為2000~6000g/m3。b.爆炸最小引爆能。粉塵爆炸的最小引爆能，也可由火花放電能量求得。可燃粉塵觸及的火源能量超過其最小引爆能，它就能發(fā)生爆炸。所以，控制粉塵的最小引爆能在粉塵爆炸的預(yù)防中具有重要意義。c.粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)。含有可燃揮發(fā)組分越多的粉塵，爆炸的危險(xiǎn)性越大，且其爆炸壓力和升壓速度越高。因?yàn)檫@類粉塵揮發(fā)時(shí)釋放出較多可燃?xì)?，大量的可燃?xì)馀c空氣混合形成爆炸性的混合氣，使得體系反應(yīng)更加容易和猛烈。由于燃燒熱高低與粉塵釋放可燃?xì)舛嗌儆嘘P(guān)系，所以燃燒熱高的粉塵容易發(fā)生爆炸；另外，氧化速度快的粉塵如鎂、氧化亞鐵、染料等容易發(fā)生爆炸，而且最大爆炸壓力較大，容易帶電的粉塵也容易爆炸。d.粉塵的粒度。粒度是粉塵爆炸的重要影響因素。粒度越小的粉塵，比表面積越大，在空氣