粉塵爆炸危害辨識(shí)與管控

文/肖秋平 周健 曾國(guó)良

粉塵爆炸的危害辨識(shí)是粉塵管控中的重要一環(huán)，找到有效的識(shí)別方式方法，并采取行之有效的控爆措施，是粉塵防爆工作中的關(guān)鍵一步。

對(duì)于物質(zhì)的燃燒而言，其過程的發(fā)生和發(fā)展必須具備3個(gè)要素，即可燃物、氧化劑（如空氣）和點(diǎn)火源，只有這3個(gè)要素同時(shí)具備，才可能發(fā)生燃燒現(xiàn)象，俗稱燃燒三角形。粉塵爆炸本質(zhì)上也是燃燒，是屬于快速的燃燒或爆燃現(xiàn)象，但要形成有效的粉塵爆炸，還應(yīng)在燃燒三角形的基礎(chǔ)上同時(shí)具備粉塵拋散和有限空間2個(gè)條件，即俗稱的粉塵爆炸五邊形，這5個(gè)條件缺一不可，缺少一個(gè)要素，粉塵爆炸即不可能發(fā)生。

ISO/IEC 80079-20-2-2016《物料特性——可燃粉塵試驗(yàn)方法》將“可燃粉塵”定義為“在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫條件下，可以和空氣形成爆炸性混合物，標(biāo)稱尺寸小于或等于0.5 mm的細(xì)小固體顆粒物”。該定義引入了粉塵尺寸大小的判定標(biāo)準(zhǔn)，原因在于大顆粒物質(zhì)在空氣中無(wú)法形成有效的飄散物。但在實(shí)際工藝評(píng)估中，對(duì)于大顆粒物質(zhì)，應(yīng)當(dāng)評(píng)估工藝過程中形成細(xì)小粉塵的可能性，如大豆粗糧的顆粒度大于0.5 mm，但實(shí)際加工輸送過程中，在斗式提升機(jī)、筒倉(cāng)等設(shè)備內(nèi)部可能形成細(xì)小粉末的飄散，此時(shí)應(yīng)考慮粉塵爆炸防護(hù)措施，實(shí)際上，粗糧輸送過程的確曾有爆炸事故發(fā)生。

目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于可燃粉塵并無(wú)分級(jí)方法，參考GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，粉塵的燃燒性亦可大致分為不燃、難燃、可燃和易燃等4個(gè)級(jí)別，應(yīng)當(dāng)說明的是，除了碳酸鈣、水泥等不燃物外，其他可燃粉塵均可能在一定條件下形成粉塵爆炸。筆者的研究表明，一些阻燃劑粉塵也會(huì)表現(xiàn)出粉塵爆炸的特性。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2263-1 《粉塵火災(zāi)和粉塵爆炸：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防護(hù)措施——粉塵安全技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)方法》中，給出了燃燒等級(jí)的分級(jí)試驗(yàn)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)，該試驗(yàn)方法使用明火引燃堆積的粉塵層，通過肉眼觀察燃燒反應(yīng)的情況來確定燃燒等級(jí)（見表1）。

粉塵可爆性判定及影響因素

一般認(rèn)為可燃粉塵具有粉塵可爆性，在同時(shí)達(dá)到粉塵爆炸五邊形準(zhǔn)則時(shí)即會(huì)發(fā)生爆炸，因此，可燃粉塵有時(shí)亦被稱為可爆性粉塵。原國(guó)家安監(jiān)總局頒布的《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄（2015版）》列出了常見的可燃粉塵名單，可以作為粉塵是否具備可爆性判定的依據(jù)之一。但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中涉及的可燃粉塵種類繁多，目錄并不能夠完全窮盡，且生產(chǎn)過程中大多涉及的是粉塵混合物，特別是涉及可燃和不可燃粉塵混合的情況時(shí)，還是需要對(duì)其可爆性進(jìn)行判定。筆者結(jié)合實(shí)際安全生產(chǎn)監(jiān)督和管理需要，在充分考慮可操作性的基礎(chǔ)上，形成的簡(jiǎn)易判定方法主要有：

表1 粉塵燃燒等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

一是根據(jù)顆粒物粒徑判定。若固體顆粒度遠(yuǎn)大于0.5 mm，且在生產(chǎn)過程中不存在細(xì)小粉塵產(chǎn)生的情況，則可不判定為可爆性粉塵。

二是根據(jù)已有數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)判定。粉塵是否可燃，可以依據(jù)與該物質(zhì)、混合物或固體材料相關(guān)的公開的數(shù)據(jù)庫(kù)或事故調(diào)查報(bào)告。如果經(jīng)驗(yàn)表明物質(zhì)、混合物或固體材料在粉末狀態(tài)是可燃的，可以認(rèn)為存在粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。若物質(zhì)、混合物或固體材料不被分類為易燃的，它還是有可能形成爆炸性粉塵-空氣混合物，尤其是有機(jī)或金屬材料在粉狀處理時(shí)，或在工藝中可以形成粉末時(shí)，應(yīng)認(rèn)為存在可燃粉塵，除非有充足的證據(jù)表明其不可燃。

三是根據(jù)物質(zhì)的氧化程度判定。當(dāng)固體物質(zhì)或混合物完全氧化時(shí)，如二氧化硅、三氧化二鐵，則不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的燃燒，此時(shí)即使遇到點(diǎn)火源，固體物質(zhì)或混合物也不會(huì)被點(diǎn)燃，此時(shí)可判定為非可爆性粉塵。但是，如果固體物質(zhì)或混合物沒有完全被氧化，還是需要進(jìn)一步識(shí)別。

圖1 粉塵可爆性的簡(jiǎn)易判定流程圖

四是根據(jù)簡(jiǎn)易的粉塵層燃燒試驗(yàn)判定。在確保安全的場(chǎng)所堆積少量粉塵，使用明火嘗試引燃粉塵層，若發(fā)生表1中可判定為燃燒等級(jí)2～6的現(xiàn)象，則可判定該粉塵具有可爆性。

五是根據(jù)簡(jiǎn)易的粉塵云燃燒試驗(yàn)判定。若粉塵層燃燒試驗(yàn)結(jié)果不明顯，或者無(wú)法判定時(shí)，可進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)易粉塵云燃燒試驗(yàn)。在確保安全的場(chǎng)所內(nèi)，使用蠟燭或其他可燃物形成持續(xù)明火，將粉塵拋散至明火上方，若能觀察到火焰?zhèn)鞑?，則可判定該粉塵具有可爆性。

六是送往有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)鑒定。在上述方法均無(wú)法得到明顯現(xiàn)象或無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確判定時(shí)，可取樣送往有資質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)鑒定，并以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)進(jìn)行判定。上述判定方法形成的簡(jiǎn)易判定流程見圖1。

最終影響粉塵可爆性判定的因素有很多，比如，粒度越大、水分含量越高其可爆性就越弱，特別是有些可爆性較弱的粉塵，粒度對(duì)其影響較大，實(shí)驗(yàn)表明石墨在粒度極小情況下呈現(xiàn)一定的可爆性。NFPA 664《木材加工火災(zāi)和爆炸防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》中將顆粒大于0.5 mm，或水分含量超過25%的木粉塵不作為可燃粉塵對(duì)待。在實(shí)際工藝過程中，可燃物的含量往往會(huì)影響可爆性判定的結(jié)果，筆者研究過程中多次發(fā)現(xiàn)標(biāo)稱不銹鋼粉塵、銅粉塵的樣品出現(xiàn)可爆的結(jié)果，究其原因主要在于打磨或拋光過程中，使用的磨具是具有可燃性的，最終影響了可爆判定結(jié)果。另外，雖然一種粉塵有可能被判定為可爆性粉塵，但并不意味著其具有炸藥、煙火藥等爆炸物的屬性。

粉塵爆炸的危害級(jí)別

上述判定流程得出的只是定性的結(jié)果，并不是所有可爆性粉塵都同樣危險(xiǎn)，若要開展進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有必要了解更多定量的粉塵爆炸特性參數(shù)，以進(jìn)一步明確其爆炸危險(xiǎn)級(jí)別。常見的參數(shù)見表2。

表2 常用的粉塵爆炸特性參數(shù)表

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2263-1給出了基于爆炸指數(shù)的爆炸等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)，通過該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以比較清晰地獲知某種粉塵的爆炸危險(xiǎn)程度（見表3）。

表3 德國(guó)爆炸指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

不過，即使粉塵爆炸的危險(xiǎn)程度是“弱”的情況下，也并不意味著其不會(huì)造成任何危害后果。2011年，美國(guó)海格納士公司發(fā)生了多起鐵粉塵爆燃事故，美國(guó)化學(xué)品事故調(diào)查委員會(huì)（CSB）的報(bào)告顯示，雖然和其他可燃粉塵相比，鐵粉塵的爆炸壓力要小很多（表4），但在一定條件下仍能夠形成爆燃并造成嚴(yán)重后果。

表4 CSB調(diào)查得出的幾種粉塵爆炸數(shù)據(jù)

因此，無(wú)論某種物質(zhì)的粉塵爆炸性強(qiáng)弱，其一旦發(fā)生爆炸，后果都是不可承受的，關(guān)鍵還是在于如何防范有效的點(diǎn)燃源，以及一旦發(fā)生爆炸后如何防止事故后果的擴(kuò)大化。筆者認(rèn)為，根據(jù)粉塵云最小點(diǎn)火能量和粉塵云/層最小著火溫度的大小，識(shí)別工藝過程中的有效點(diǎn)燃源并采取對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，對(duì)于爆炸預(yù)防具有重要意義，表5給出了根據(jù)粉塵云最小點(diǎn)火能量大小進(jìn)行敏感度劃分的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于級(jí)別為“很敏感”，尤其是“極其敏感”的粉塵在防護(hù)措施采用上應(yīng)當(dāng)特別注意。

表5 根據(jù)粉塵云最小點(diǎn)火能量的危險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)

粉塵爆炸防護(hù)措施的選用

粉塵爆炸防護(hù)措施分為預(yù)防和保護(hù)措施，保護(hù)措施又稱控爆措施。粉塵爆炸預(yù)防的基本原理基于上述粉塵爆炸五邊形，由于粉塵爆炸的形成需要5個(gè)條件，且這5個(gè)條件缺一不可，因此消除其中的一個(gè)因素即可有效遏制粉塵爆炸的發(fā)生，即防止爆炸性環(huán)境的形成（控制可燃性粉塵或氧濃度）以及防止有效的點(diǎn)燃源。

首先，可以防止爆炸性環(huán)境的形成。一是粉塵清理。無(wú)論生產(chǎn)過程中涉及的粉塵危害性高低，作業(yè)環(huán)境的有效粉塵清理都至關(guān)重要，此舉可以有效地避免二次爆炸的發(fā)生。二是濕法除塵。對(duì)于危險(xiǎn)性較高的粉塵，如鋁粉塵，可以采用濕法除塵的方式，從而避免爆炸性粉塵環(huán)境的形成。三是氣體惰化。對(duì)于有些點(diǎn)火敏感度很高的粉塵（如MIE＜3 mJ），防范點(diǎn)燃源出現(xiàn)的難度很高，此時(shí)，可以采用氮?dú)獗Ｗo(hù)等氣體惰化的方式。四是粉體惰化。對(duì)于有些產(chǎn)塵量很小，其他防護(hù)措施都難以實(shí)施，在工藝條件允許的情況下，可以采用在可燃粉塵中添加碳酸鈣、硫酸鈣等惰性粉塵的方式，以降低或消除其粉塵爆炸性。一般可燃性粉塵要得到不可爆的結(jié)果，所需的惰性粉塵比例在50%以上，有些弱爆性粉塵所需比例可能會(huì)有所降低。

第二，防止有效的點(diǎn)火源。一是管理措施。明火可以點(diǎn)燃大部分的可燃粉塵，此類點(diǎn)火源可以通過有效的管理措施得以防止。比如，禁止吸煙，禁止正常生產(chǎn)過程中帶入明火，動(dòng)火作業(yè)審批程序等。特別是檢維修工作應(yīng)當(dāng)在確保粉塵清理干凈后再準(zhǔn)許實(shí)施。二是技術(shù)措施。對(duì)于過程中可能產(chǎn)生的各種點(diǎn)火源，可以通過正確的靜電接地和跨接措施，避免高溫?zé)岜砻娴男纬?，自燃性物料的溫度監(jiān)測(cè)措施，除異物裝置，恰當(dāng)?shù)姆辣姎馀渲?，火花探測(cè)與報(bào)警裝置等技術(shù)措施進(jìn)行點(diǎn)火源識(shí)別和消除。

第三，采取恰當(dāng)?shù)姆蹓m爆炸保護(hù)/控爆措施。當(dāng)不可能實(shí)施預(yù)防手段或預(yù)防手段達(dá)不到防止粉塵爆炸的效果時(shí)，我們可以通過技術(shù)手段減輕或轉(zhuǎn)移粉塵爆炸所產(chǎn)生的危害，以達(dá)到可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。一是抗爆設(shè)計(jì)。這是指將容器或設(shè)備設(shè)計(jì)成可以抵抗爆炸所產(chǎn)生的壓力或壓力波，將爆炸限制在一定空間內(nèi)的技術(shù)手段。對(duì)于大多數(shù)粉塵工藝設(shè)備，若采用抗爆措施所需的投入會(huì)非常大，設(shè)備也會(huì)變得非常笨重，不利于基建安裝，因此實(shí)際上該措施主要用于小型的工藝設(shè)備，如小型粉磨機(jī)。二是泄爆設(shè)計(jì)。這是指當(dāng)爆炸發(fā)生后，在爆炸壓力未達(dá)到容器或設(shè)備的極限強(qiáng)度之前，將爆炸產(chǎn)生的高溫高壓的燃燒產(chǎn)物和未燃物通過預(yù)先設(shè)置的薄弱部位向安全方位泄放，使主體不受破壞，并且避免外部人員受到損傷的技術(shù)手段。泄爆措施是目前控爆措施中使用最多的一種，不過，若爆炸一旦發(fā)生，仍會(huì)產(chǎn)生一定的波及效應(yīng)，在安裝泄爆裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮爆炸對(duì)周邊人員和設(shè)施的影響，若安裝在室內(nèi)，則應(yīng)選用無(wú)焰泄放產(chǎn)品或利用導(dǎo)管引至室外。該措施對(duì)于有毒有害、泄放后會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大傷害的物質(zhì)不適用。三是抑爆設(shè)計(jì)。這是指當(dāng)爆炸發(fā)生后，通過物理化學(xué)作用撲滅火焰，使未爆炸的粉塵不再參與爆炸的防護(hù)技術(shù)。當(dāng)泄爆措施無(wú)法運(yùn)用某系統(tǒng)時(shí)，可以采取抑爆措施，該措施的最大優(yōu)點(diǎn)在于抑制了爆炸發(fā)生，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成任何影響。四是隔爆設(shè)計(jì)。這是通過設(shè)置隔離裝置、阻火或滅火系統(tǒng)，以阻止爆炸在管道內(nèi)傳播的技術(shù)，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式隔爆。隔爆設(shè)計(jì)一般和其他措施聯(lián)用，以實(shí)現(xiàn)更為有效的爆炸保護(hù)。