粉塵爆炸原理及防范處置措施

上海市民防特種救援中心 高 燚

粉塵爆炸，指粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到熱源（明火或溫度），火焰瞬間傳播于整個(gè)混合粉塵空間，化學(xué)反應(yīng)速度極快，同時(shí)釋放大量的熱，形成很高的溫度和很大的壓力，反應(yīng)速度逐漸加快，通過劇烈的燃燒，最后形成爆炸。在這種爆炸中，其爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸壓力等將持續(xù)加快和升高，并呈跳躍式發(fā)展。它具有易造成多次爆炸、爆炸威力大、破壞力強(qiáng)、能產(chǎn)生有毒氣體等特點(diǎn)。

產(chǎn)生條件

粉塵爆炸條件一般有三個(gè)：

1. 可燃性粉塵以適當(dāng)?shù)臐舛仍诳諝庵袘腋?，形成人們常說的粉塵云。凡是呈細(xì)粉狀態(tài)的固體物質(zhì)均稱為粉塵。能燃燒和爆炸的粉塵叫可燃粉塵；浮在空氣中的粉塵叫懸浮粉塵；沉降在固體壁面上的粉塵叫沉積粉塵。具有爆炸性的粉塵有：金屬（如鎂粉、鋁粉）、煤炭、糧食（如小麥、淀粉）、飼料（如血粉、魚粉）、農(nóng)副產(chǎn)品（如棉花、煙草）、林產(chǎn)品（如紙粉、木粉）、合成材料（如塑料、染料）等。某些廠礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵，特別是一些有機(jī)物加工中產(chǎn)生的粉塵，在某些特定條件下會(huì)發(fā)生爆炸燃燒事故。

2. 有充足的空氣和氧化劑。

3. 有火源或者強(qiáng)烈的振動(dòng)與摩擦。

爆炸原理

一般比較容易發(fā)生爆炸事故的粉塵大致有鋁粉、鋅粉、硅鐵粉、鎂粉、鐵粉、鋁材加工研磨粉、各種塑料粉末、有機(jī)合成藥品的中間體、小麥粉、糖、木屑、染料、膠木灰、奶粉、茶葉粉末、煙草粉末、煤塵、植物纖維塵等。這些物料的粉塵易發(fā)生爆炸燃燒的原因是都有較強(qiáng)的還原劑氫（H）、碳（C）、氮（N）、硫（S）等元素存在，當(dāng)它們與過氧化物和易爆粉塵共存時(shí)，便發(fā)生分解，由氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，或者氣體量雖小，但釋放出大量的燃燒熱。例如，鋁粉只要在二氧化碳?xì)夥罩芯陀斜ǖ奈ｋU(xiǎn)。

粉塵爆炸的難易與粉塵的物理、化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境條件有關(guān)。一般認(rèn)為燃燒熱越大的物質(zhì)越容易爆炸，如煤塵、碳、硫黃等。氧化速度快的物質(zhì)容易爆炸，如鎂粉、鋁粉、氧化亞鐵、染料等。容易帶電的粉塵也很容易引起爆炸，如合成樹脂粉末、纖維類粉塵、淀粉等。這些導(dǎo)電不良的物質(zhì)由于與機(jī)器或空氣摩擦產(chǎn)生的靜電積聚起來，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)放電產(chǎn)生電火花，構(gòu)成爆炸的火源。

通常不易引起爆炸的粉塵有土、砂、氧化鐵、研磨材料、水泥、石英粉塵以及類似于燃燒后的灰塵等。這類物質(zhì)的粉塵化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以不易燃燒。但是如果這類粉塵產(chǎn)生在油霧以及一氧化碳、甲烷、煤氣之類可燃?xì)怏w中，也容易發(fā)生爆炸。

危害特點(diǎn)

（一）影響因素

1. 物理化學(xué)性質(zhì)

物質(zhì)的燃燒熱越大，其粉塵的爆炸危險(xiǎn)性也越大，例如煤、碳、硫的粉塵等；越易氧化的物質(zhì)，其粉塵越易爆炸，例如鎂、氧化亞鐵、染料等；越易帶電的粉塵越易引起爆炸。粉塵在生產(chǎn)過程中，由于互相碰撞、摩擦等作用，產(chǎn)生的靜電不易散失，造成靜電積累，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值后，便出現(xiàn)靜電放電。靜電放電火花能引起火災(zāi)和爆炸事故。粉塵爆炸還與其所含揮發(fā)物有關(guān)。如煤粉中當(dāng)揮發(fā)物低于10%時(shí)，就不再發(fā)生爆炸，因而焦炭粉塵沒有爆炸危險(xiǎn)性。

2. 顆粒大小

粉塵的表面吸附空氣中的氧，顆粒越細(xì)，吸附的氧就越多，因而越易發(fā)生爆炸；而且，發(fā)火點(diǎn)越低，爆炸下限也越低。隨著粉塵顆粒的直徑的減小，不僅化學(xué)活性增加，而且還容易帶上靜電。

3. 粉塵的濃度

與可燃?xì)怏w相似，粉塵爆炸也有一定的濃度范圍，也有上下限之分。但在一般資料中多數(shù)只列出粉塵的爆炸下限，因?yàn)榉蹓m的爆炸上限較高。

（二）爆炸特點(diǎn)

1. 多次爆炸是粉塵爆炸的最大特點(diǎn)。

第一次爆炸氣浪，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)火能量較高，一般在幾十毫焦耳以上。

3. 與可燃性氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升較緩慢，較高壓力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，釋放的能量大，破壞力強(qiáng)。

（三）主要危害

1. 具有極強(qiáng)的破壞性。粉塵爆炸涉及的范圍很廣，煤炭、化工、醫(yī)藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等部門都會(huì)發(fā)生。

2. 容易產(chǎn)生二次爆炸。第一次爆炸氣浪把沉積在設(shè)備或地面上的粉塵吹揚(yáng)起來，在爆炸后的短時(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，形成所謂的“返回風(fēng)”，與揚(yáng)起的粉塵混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸時(shí)，粉塵濃度一般比一次爆炸時(shí)高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。例如，某硫磺粉廠的磨碎機(jī)內(nèi)部發(fā)生爆炸，爆炸波沿氣體管道從磨碎機(jī)擴(kuò)散到旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器發(fā)生了二次爆炸。爆炸波通過爆炸后在旋風(fēng)分離器上產(chǎn)生的裂口傳播到車間中，揚(yáng)起了沉降在建筑物和工藝設(shè)備上的硫磺粉塵，又發(fā)生了爆炸。

3. 能產(chǎn)生有毒氣體。一種是一氧化碳，另一種是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性氣體。毒氣的產(chǎn)生往往造成爆炸過后的大量人畜中毒傷亡，必須充分重視。

防范措施

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

1. 控制可燃粉塵在助燃物中的濃度

控制可燃粉塵在助燃物中的濃度，在生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存場(chǎng)所可以采用密閉性能良好的設(shè)備，盡量減少或避免粉塵飛散；對(duì)難以在密閉場(chǎng)所完成的作業(yè)，如有發(fā)生粉塵爆炸危險(xiǎn)性，應(yīng)安裝有效的通風(fēng)除塵設(shè)備，加強(qiáng)清掃工作，及時(shí)消除懸浮在空氣中的可燃粉塵，以降低可燃粉塵在助燃物中的濃度，確?？扇挤蹓m不在爆炸濃度極限范圍內(nèi)，從根本上預(yù)防可燃粉塵爆炸事故的發(fā)生。

2. 控制作業(yè)場(chǎng)所空氣相對(duì)濕度

提高作業(yè)場(chǎng)所的空氣相對(duì)濕度，也是預(yù)防粉塵爆炸形成的有效舉措。當(dāng)空氣相對(duì)濕度增加時(shí)，一方面可減小粉塵飛揚(yáng)，降低粉塵的分散度，提高粉塵的沉降速度，避免粉塵達(dá)到爆炸濃度極限；另一方面空氣相對(duì)濕度增高會(huì)消除部分靜電，相當(dāng)于消除了部分點(diǎn)火源。此外，空氣相對(duì)濕度的提高也使可燃粉塵爆炸的最小點(diǎn)火能量相應(yīng)提高；空氣相對(duì)濕度增加還會(huì)占據(jù)一定空間，從而降低氧氣濃度，降低粉塵燃燒速度，抑制粉塵爆炸的發(fā)生。

3. 消除作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)火源

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的能引起粉塵爆炸的點(diǎn)火源有明火、焊接火弧、電氣火花、吸煙、撞擊明火、靜電火花、高溫設(shè)備等。對(duì)這些點(diǎn)火源，相關(guān)企業(yè)應(yīng)采取相應(yīng)處理措施，能消除的給予消除，確因生產(chǎn)作業(yè)需要不能消除的應(yīng)采取一定的保護(hù)措施，避免點(diǎn)火源與可燃粉塵、助燃?xì)怏w相互作用而形成爆炸。

粉塵爆炸事故處置注意事項(xiàng)

1. 正確選用滅火劑

可燃粉塵的種類繁多，理化性質(zhì)各異，發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)針對(duì)不同性質(zhì)的粉塵選擇不同的滅火劑，以提高滅火效率。否則，可能不但滅不了火，反而會(huì)火上澆油?；顫娊饘俜蹓m如鎂粉，在高溫時(shí)易與水發(fā)生反應(yīng)放出可燃性、爆炸性氣體——?dú)錃?，因此其引發(fā)的事故一般不用水、泡沫滅火劑進(jìn)行滅火。此外，鎂粉等還易與二氧化碳（CO2）、氮?dú)猓∟2）等滅火劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此也不宜用這些滅火劑滅火，而宜選用干砂進(jìn)行覆蓋滅火。當(dāng)然，絕大部分粉塵像面粉、硫磺粉、亞麻粉等發(fā)生火災(zāi)，可以用水進(jìn)行滅火。

2. 避免使沉聚粉塵形成懸浮粉塵

撲救粉塵火災(zāi)時(shí)，要盡量避免使沉聚粉塵形成懸浮粉塵。因?yàn)槌辆鄯蹓m沒有爆炸危險(xiǎn)性，而懸浮粉塵則有爆炸危險(xiǎn)性，因此撲救粉塵火災(zāi)時(shí)要引起重視。常見的處理措施是在粉塵火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)避免用強(qiáng)壓力驅(qū)動(dòng)器的滅火器或滅火措施，如用水進(jìn)行滅火時(shí)，不宜采用直流水槍，應(yīng)采用噴霧水槍或開花水槍滅火。

3. 做好救援人員的安全保障

可燃粉塵在空氣中常常分布不均勻，因此在空間可能會(huì)部分達(dá)到爆炸濃度極限，而部分沒有達(dá)到，以致部分空間在爆炸后未形成穩(wěn)定燃燒，而部分達(dá)到爆炸濃度極限的空間又會(huì)再次發(fā)生爆炸，形成二次爆炸。二次爆炸發(fā)生的可能性大也正是粉塵爆炸的特點(diǎn)。其次，粉塵爆炸過程中，因燃燒不完全，易產(chǎn)生有毒氣體一氧化碳；有的粉塵爆炸、燃燒產(chǎn)物中含大量有毒氣體，如硫的燃燒產(chǎn)物是二氧化硫。這些有毒氣體容易導(dǎo)致救援人員中毒，因此救援人員要高度重視，占據(jù)有利地勢(shì)，采取相應(yīng)的個(gè)人防護(hù)措施，避免中毒事故的發(fā)生。

爆炸案例

1913—1973年間，美國(guó)僅工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，就發(fā)生過72次比較嚴(yán)重的粉塵爆炸事故。

1952—1979年間，日本發(fā)生各類粉塵爆炸事故209起，傷亡546人，其中以粉碎制粉工程和吸塵分離工程較突出，各為46起。

1965—1980年，聯(lián)邦德國(guó)發(fā)生各類粉塵爆炸事故768起，其中較嚴(yán)重的是木粉及木制品粉塵和糧食飼料爆炸事故，分別占32%和25%。

1942年，我國(guó)本溪煤礦曾發(fā)生世界上最大的煤塵爆炸，死亡1 549人，重傷246人。

1987年哈爾濱亞麻廠的亞麻塵爆炸事故，死亡58人，輕重傷177人，直接經(jīng)濟(jì)損失882萬元。

2014年8月2日，江蘇昆山一家工廠發(fā)生爆炸，致75人死亡。爆炸系因粉塵遇到明火引發(fā)事故。