粉塵爆炸淺析及安全措施

石豐（阿科瑪（中國）投資有限公司上海分公司，上海200072）

1 事故回顧

2008 年2 月7 日，位于美國佐治亞州的帝國制糖廠發(fā)生的粉塵爆炸事故，造成14 死、36 傷，包裝廠房全部毀壞。從美國化工安全和危害調(diào)查委員會（CSB）公布的調(diào)查報告總結(jié)有幾個事發(fā)原因。首先糖粉在輸送和包裝過程中大量泄漏并聚集在工作區(qū)域的地板，設(shè)備及管道表面。再由于未對糖粉輸送帶加封閉的變更作變更管理，缺少風(fēng)險管理，而使糖粉聚集在封閉空間達到爆炸極限，遇到點火源（可能是過熱的輸送轉(zhuǎn)動設(shè)備）而產(chǎn)生爆炸。最后糖廠的管理層對糖粉的爆炸危險的風(fēng)險認(rèn)識不足，對過去糖廠發(fā)生的小的著火事故沒有引起重視，對國家發(fā)布的粉塵爆炸的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和建議沒有遵循和采納，同時也麻痹大意過于樂觀，最后造成美國數(shù)十年最致命的工業(yè)粉塵爆炸事故。

2010年2月24 日，河北省秦皇島驪驊淀粉股份有限公司淀粉4號車間發(fā)生爆炸事故，造成19人死亡49人受傷，事故原因是車間粉塵爆炸所致。事故起因是第四車間的振動篩堵塞，是維修過程中中發(fā)生粉塵爆炸。事故調(diào)查顯示由于振動篩和周圍平臺積累大量的粉塵，在維修前的平臺清理中在振動篩周圍產(chǎn)生了粉塵云，在維修中使用了鐵質(zhì)工具，在與振動篩和平臺接觸中產(chǎn)生火花而點燃了周圍的粉塵云引起粉塵初次爆炸，初次粉塵爆炸又揚起整個4號車間地面、平臺和設(shè)備管道表面積累的大量粉塵而形成二次粉塵爆炸的巨大粉塵云，并且初次爆炸提供點燃能量足夠點燃二次粉塵爆炸的粉塵云。

2014 年8 月2 日，江蘇省蘇州市昆山市中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，共造成146人死亡，114人受傷。直接經(jīng)濟損失3.51億元。根據(jù)事故調(diào)查報告，車間除塵過濾器及風(fēng)管內(nèi)大量粉塵聚集，并且整個車間內(nèi)由于工位頂部沒有按規(guī)定設(shè)計獨立的吸塵設(shè)施，車間內(nèi)也積累了大量的粉塵。大量堆積的金屬粉塵與潮濕的空氣發(fā)生放熱的化學(xué)反應(yīng)，熱量慢慢積累最后達到金屬粉塵的自然溫度。同時除塵器的損壞，車間內(nèi)通風(fēng)不暢并且車間內(nèi)窗戶不準(zhǔn)打開，形成了一個密閉環(huán)境。公司管理層對粉塵爆炸不夠重視，存在僥幸心理，對過去發(fā)生的小火災(zāi)事故沒有引起警覺，才釀成如此災(zāi)難性的事故。

2 粉塵爆炸機理

粉塵爆炸和可燃氣體蒸汽爆炸一樣都需要五要素：粉塵本身有可爆性并且粉塵濃度到達其爆炸下限；足夠的氧氣濃度；可夠點燃粉塵的能量；粉塵云的擴散性（擾動）；受限空間。

粉塵的特征參數(shù)是粒徑和其最小點燃能量，同一種粉塵粒徑越小，最小點燃能量越低，越容易被點燃。粒徑在500μm 以內(nèi)的可爆性粉塵都需要考慮粉塵爆炸的風(fēng)險，但也要注意粒徑＞500μm 的粉塵，如果在運輸、輸送等過程可能摩擦產(chǎn)生小粒徑的粉塵，也需要考慮粉塵爆炸的風(fēng)險。最小點燃能量（MIE）是粉塵被點燃的最小能量，一般認(rèn)為MIE＞1焦耳（J）的粉塵不容易被點燃，MIE＜30毫焦（mJ）的粉塵極易被點燃。

粉塵形式分粉塵層和粉塵云兩種。粉塵層在一定厚度的自然溫度是限制工廠車間內(nèi)設(shè)備和管道的表面溫度上限，一般保留一定的安全余量（75℃）。粉塵云則需要考慮粉塵云的濃度是否達到粉塵燃燒爆炸的最低濃度，同時粉塵也有最高可燃濃度，但因為粉塵的分散很難是均相分布，所以一般不考慮粉塵的最高可燃濃度。如果是一個完全密閉的環(huán)境，可以考慮氧含量，一般粉塵爆炸的最低氧含量不低于8%，也就是說如果使用鈍化處理把系統(tǒng)的氧濃度控制在其最低氧含量一下，也是一個粉塵爆炸的預(yù)防措施。同時粉塵云和粉塵層一樣需要考慮其自然溫度，周圍裝置的接觸溫度不得高于其自然溫度，并且保留一定的安全余量（粉塵云自然溫度的2∕3）。最后粉塵層和粉塵云里提到的粉塵厚度和粉塵云濃度是關(guān)鍵，這也就是所在車間內(nèi)和設(shè)備內(nèi)外盡量做好清潔，避免粉塵的聚集和積累。

點火源除了達到其自然溫度外還有靜電、動火作業(yè)的開放火焰或火花、機械摩擦產(chǎn)生靜電或火花、化學(xué)反應(yīng)等放熱反應(yīng)提供的熱源等。

3 粉塵爆炸危害的識別

粉塵爆炸的機理介紹了粉塵層和粉塵云兩種粉塵分散型式，粉塵層型式相對比較安全，但粉塵層很容易轉(zhuǎn)化為粉塵云，例如上面的事故回顧可以看出粉塵爆炸有個特點，就是粉塵云的初次爆炸會引發(fā)周圍原本是粉塵層形成粉塵云并點燃而產(chǎn)生影響非常大、后果嚴(yán)重的二次爆炸。并且少量的粉塵層就可以形成相當(dāng)體積的粉塵云，而形成巨大的粉塵云爆炸。

粉塵爆炸的嚴(yán)重性可以用兩個參數(shù)來表達，一個是爆燃指數(shù)Kst，表征粉塵爆炸泄放參數(shù)。二是最大爆炸壓力Pmax，表示容器內(nèi)粉塵爆炸產(chǎn)生的最大壓力，粉塵爆炸產(chǎn)生的最大壓力一般＜10公斤（Bar）。

4 粉塵爆炸的安全保護措施

安全措施分預(yù)防措施和控制措施。預(yù)防措施主要從限制粉塵爆炸的五要素出發(fā)，限制粉塵濃度在爆炸極限下，包括保持車間清潔防止粉塵層的積累、保持車間的良好通風(fēng)、避免粉塵云在密閉空間的聚積。在容器內(nèi)鈍化限制氧濃度確保系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度低于粉塵爆炸的最低氧濃度。消除點火源，禁止粉塵爆炸區(qū)動火作業(yè)，防爆區(qū)使用防爆電器，采用工程措施和管理措施消除靜電等?？刂拼胧┯幸直?、隔爆和泄爆等減緩措施。

4.1 粉塵爆炸區(qū)域

存在粉塵爆炸的建筑物結(jié)構(gòu)和布局需要遵循《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）[1]，不應(yīng)設(shè)置在公共區(qū)域或居民生活區(qū)。建筑結(jié)構(gòu)需要滿足粉塵爆炸風(fēng)險的預(yù)防和控制要求。

存在粉塵爆炸風(fēng)險的車間內(nèi)需要劃定粉塵防爆區(qū)，遵循《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50058-2014）[2]。按粉塵爆炸環(huán)境存在的可能性分20、21和22區(qū)三個等級，不同粉塵防爆區(qū)的電器設(shè)備要求不一樣。

4.2 粉塵濃度的限制

車間時刻保持清潔，盡量減少開口式作業(yè)以及工程措施減少粉塵泄漏的可能。有粉塵的泄漏應(yīng)立刻進行安全清理，避免粉塵的積累。車間保持良好的通風(fēng)。

存在粉塵爆炸的容器和管道內(nèi)都應(yīng)設(shè)置良好的抽風(fēng)系統(tǒng)，并且粉塵尾氣系統(tǒng)設(shè)置有效安全的粉塵過濾系統(tǒng)，減少粉塵外排。

存在粉塵爆炸的容器、粉塵傳輸系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和存儲裝置可以設(shè)置氮氣鈍化，控制氧含量在粉塵爆炸所需的最低氧濃度，一般粉塵的最低氧濃度（LOC）在8%以上。

4.3 消除點火源

點火源可能來源于電器設(shè)備、動火作業(yè)、轉(zhuǎn)動設(shè)備、等。電器設(shè)備需嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格管理工廠作業(yè)，嚴(yán)謹(jǐn)粉塵防爆區(qū)實施動火作業(yè)。采取工程措施等避免轉(zhuǎn)動設(shè)備、熱表面和反應(yīng)熱點燃粉塵。對于靜電的防護比較復(fù)雜，要從限制靜電的產(chǎn)生、避免靜電的積累和疏導(dǎo)靜電的釋放三個方面管理。限制靜電的產(chǎn)生，如限制物料的流速，避免噴灑，減緩輸送、轉(zhuǎn)動、篩分和震動裝置。避免靜電的積累和疏導(dǎo)靜電的釋放，做好存在粉塵爆炸的區(qū)域所有設(shè)備設(shè)施的靜電接地和跨接，管理限制人員的走動。避免使用非導(dǎo)電設(shè)備，盡量使用導(dǎo)電性能良好的化學(xué)介質(zhì)或添加導(dǎo)電劑而增加化學(xué)介質(zhì)的導(dǎo)電性。

4.4 控制措施

控制措施有抗爆、抑爆、隔爆和泄爆等減緩措施?？贡褪窃O(shè)備管道及其連接處能承受粉塵爆炸可能產(chǎn)生的最大壓力。抑爆就是在設(shè)備或管道上安裝抑制粉塵爆炸的系統(tǒng)，在系統(tǒng)粉塵點燃引爆的第一時間監(jiān)測到并瞬間噴灑抑制劑或消防滅火介質(zhì)，將粉塵爆炸扼殺在最初階段。隔爆即在設(shè)備或管道上安裝隔爆設(shè)施，如隔爆閥、隔爆片等。泄爆是最常見的粉塵爆炸減緩措施，在設(shè)備或管道上安裝泄爆片，如爆破片、泄爆門等。

5 結(jié)語

綜上所述，從粉塵爆炸事故回顧到粉塵爆炸機理的介紹再到粉塵爆炸的風(fēng)險分析，系統(tǒng)介紹了粉塵爆炸風(fēng)險的識別，同時借鑒相關(guān)規(guī)范，針對粉塵爆炸風(fēng)險提出了安全措施的建議，從風(fēng)險的預(yù)防和控制減緩兩個方面介紹安全措施。當(dāng)然粉塵爆炸是一項復(fù)雜的課題，不管從設(shè)計還是運營管理都提出了要求，需要不斷深入認(rèn)識而改進。