PCB工廠粉塵爆炸危險性分析及預防

郭興龍

（廣東世運電路科技股份有限公司，廣東 江門 529700）

0 引言

粉塵爆炸是一種生產安全事故，會造成嚴重的生命及財產損失。據不完全統(tǒng)計，2005年～2018年，我國共發(fā)生粉塵爆炸事故70多起，傷亡800多人。在現代企業(yè)生產中，隨著設備更新和技術提高，對粉塵爆炸也采取了更多的控制措施，但仍有事故發(fā)生。

2016年4月29日，廣東省深圳市光明新區(qū)精藝星五金加工廠發(fā)生鋁粉爆炸，造成4人死亡、6人受傷。受此次粉塵爆炸事件影響，該工業(yè)園30多家印制電路板（PCB）廠被安監(jiān)部門責令停產。這些PCB廠被關停的理由是專家將該園區(qū)PCB廠取樣的粉塵拿去做了測試，測試結果是這些粉塵有可能引起爆炸。因此，為了避免這種安全事故，分析粉塵爆炸事故，了解行業(yè)粉塵場所風險，總結經驗教訓采取保護措施，對粉塵爆炸預防具有重要的意義。

1 粉塵爆炸概述

1.1 粉塵爆炸的過程

粉塵通常指的是在空氣中懸浮的固體顆粒，直徑在75 μm以下，粉塵的特點是表面積大、體積小、有一定能量，能夠與空氣混合形成爆炸性混合物。

粉塵爆炸是指懸浮于空氣中的可燃粉塵，與空氣混合形成爆炸性混合物，觸及明火或電火花等點火源時發(fā)生的爆炸現象。粉塵爆炸化學反應速度極快，物質急劇氧化或分解反應產生溫度和壓力增加，系統(tǒng)的能量轉化為機械功以及光和熱的輻射，具有很強的破壞力。

對一些在受熱源作用下分解、熔融蒸發(fā)或升華而釋放出可燃氣體的粉塵而言，如木粉、紙粉、樟腦粉等，發(fā)生爆炸的過程可視為由以下三步發(fā)展形成：第一步是懸浮的粉塵在熱源作用下迅速地干餾并產生出可燃氣體；第二步是可燃氣體與空氣混合后被引火源引燃發(fā)生有焰燃燒，火焰從局部傳播、擴散；第三步是粉塵燃燒放出的熱量，以熱傳導和火焰輻射的方式傳給附近懸浮的或被吹揚起來的粉塵，這些粉塵受熱分解或干餾后使燃燒循環(huán)地進行下去。隨著每個循環(huán)的逐次進行，其反應速度逐漸加快，通過劇烈的燃燒，最后形成爆炸。這種爆炸反應及爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸波傳播速度、爆炸壓力等將持續(xù)加快和升高并呈跳躍式發(fā)展。

對于木炭、焦炭和一些非揮發(fā)性金屬粉塵，它們在接受引火源的熱能后直接與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈氧化反應并著火，產生的反應熱使火焰?zhèn)鞑?。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熾熱的粉塵或其氧化物加熱周圍的粉塵和空氣，使高溫空氣迅速膨脹，從而導致粉塵爆炸，但在整個爆炸中并不釋放可燃氣體。

1.2 粉塵爆炸的條件

粉塵爆炸一般需要具備三個條件：一是粉塵本身是可燃的，可燃性粉塵包括有機粉塵和無機粉塵兩大類，但并非所有的可燃粉塵都能發(fā)生爆炸，常見具有爆炸性的粉塵見表1；二是粉塵必須懸浮在空氣中，并且其濃度處于一定的范圍；三是有足以引起粉塵爆炸的引火源，粉塵燃燒需要經過加熱、熔融蒸發(fā)或者受熱裂解，放出可燃氣體，因此需要較多的能量。一般來說，最小點火能大致是10～100 mJ，比可燃氣的最小點火能大100～1000倍（見表1）。

1.3 粉塵爆炸的特點

（1）與可燃氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升和下降速度都較緩慢，較高壓力持續(xù)時間長，釋放的能量大，爆炸的破壞性和對周圍可燃物的燒毀程度較嚴重。而且，粉塵爆炸容易引起不完全燃燒，有些沉積的粉塵還有陰燃現象。因而在爆炸產物中還含有大量的一氧化碳、氯化氫、氰化氫以及PCB粉塵自身分解產生的溴氣等有毒氣體易使人員中毒。此外，粉塵爆炸后，會有大量灼熱的粉塵飄散和停留在空氣中，在緊急逃生期間，如果吸入這些粉塵，會造成肺部嚴重損傷，甚至導致死亡。

（2）粉塵爆炸在設備之間蔓延。由于蔓延，一個較小的初次爆炸可能發(fā)展成一起大爆炸，造成的損失范圍往往比初次爆炸的區(qū)域大的多。而且在蔓延過程中，破壞能力會增強。比較典型的例子是在集塵器內發(fā)生爆燃，然后沿著集塵器的進風管蔓延到上游設備或操作崗位，甚至引發(fā)整個廠房發(fā)生火災。

（3）粉塵初始爆炸產生的氣浪會使沉積的粉塵揚起，在新的空間內形成爆炸性混合物，從而可能會發(fā)生二次爆炸。二次爆炸往往比初次爆炸壓力更大，破壞更嚴重，在連續(xù)化生產系統(tǒng)中，甚至可能形成連鎖爆炸，有的能達到爆轟的程度。

（4）粉塵爆炸比氣體爆炸所需的點火能大、引爆時間長、過程復雜，所以可以利用這一特點，通過儀器裝置探測爆炸的前兆，及時采取措施有效遏制爆炸的發(fā)展。

表1 常見具有爆炸性的粉塵

1.4 影響爆炸的因素

影響粉塵爆炸的因素主要有以下幾方面：

（1）粉塵本身的物理化學性質。各類可燃性粉塵因其燃燒熱的高低、氧化速度的快慢、帶電的難易度、含揮發(fā)物的多少等物理化學性質的不同而具有不同的爆炸特性。此外粉塵顆粒的尺寸也是粉塵爆炸的重要影響因素，顆粒越小，其比表面積越大，在空氣中分散度越大且懸浮時間越長，吸附氧的活性越強，爆炸危險性越大。

（2）粉塵濃度?？扇挤蹓m必須在其濃度處于爆炸極限范圍內才會發(fā)生爆炸。在一定粒徑條件下，粉塵濃度越高，其著火溫度越低。

（3）環(huán)境條件。環(huán)境中的水分會削弱粉塵的爆炸性能。水分含量越高，作用越強。環(huán)境的溫度和壓力升高時，粉塵爆炸的危害性也相應增加。

（4）可燃氣體和惰性氣體的含量。當可燃粉塵和空氣混合物中混入一定量可燃氣體時，粉塵的爆炸危險就會顯著增大，這體現在最小點火能和爆炸下限降低，爆炸壓力和升壓速度升高。相反，當混合物中混入一定量的惰性氣體時，會因粉塵環(huán)境氧含量下降，降低爆炸的壓力和升壓速度。毒性氣體的加入也會削弱可燃粉塵的爆炸性能。

（5）其他。引火源強度或點火方式以及容器的大小、結構等因素，均會對粉塵爆炸產生一定影響。

2 PCB粉塵爆炸性分析

PCB粉塵會不會爆炸？答案是肯定的，下面我們將從兩個方面來驗證PCB粉塵是否有燃燒爆炸的危險：

2.1 PCB粉塵可燃性分析

PCB粉塵為混合粉塵，非單一性質粉塵，主要由銅粉、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維、木纖維和鋁粉混合而來，由于PCB混合粉塵中的木纖維和鋁分量少，根據美國消防協(xié)會標準NFPA中的規(guī)定“不可燃粉塵:爆炸粉塵≥5:1時，則混合物不再有爆炸性”的原則，PCB粉塵是否可燃主要考慮銅粉和環(huán)氧樹脂。

2.1.1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個以上環(huán)氧基團的一類聚合物的總稱。它是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產物，在《常用危險化學品的分類及標志中》（GB 13690-92），將該物質劃為第3.2類中閃點易燃物體，其粉塵與空氣形成爆炸性混合物，粉塵濃度達到20 g/m3時，觸及15 mJ的點火能時發(fā)生粉塵爆炸，其粉塵云引燃溫度540 ℃（表2）。

2.1.2 銅粉

在《化學品安全技術說明書》中描述：銅粉為可燃粉塵，遇高溫、明火能燃燒，粉塵云點燃溫度700 ℃。由此可說明只要滿足一定的條件，銅粉同樣有爆炸的可能。

2.2 PCB粉塵爆炸性測試

2016年5月20日，國家防爆設備質量監(jiān)督檢驗中心（廣東），出具的《PCB粉塵爆炸性測試檢測報告書》報告書編號6254-2016-0222，也說明了粉塵的爆炸特性。

送檢單位：深圳市澤浩實業(yè)發(fā)展有限公司

送檢試樣：硬板除塵器：樣品呈淺綠色粉末；硬板除塵器：樣品呈白色粉末；軟板除塵器：樣品呈土黃色絮狀。

檢測項目：粉塵爆炸性測試

檢測依據：VDI2263-1-1990（Test methods for the determination of the safety characteristic of dusts 粉塵安全特性的確定方法）

表2 常見可燃粉塵爆炸特性

檢測結果：產生持續(xù)性火焰，發(fā)生爆炸。

2.3 結論

綜合以上兩種情況分析，得出的結論是：PCB粉塵可燃，有爆炸的危險。

3 警惕PCB工廠除塵系統(tǒng)粉塵爆炸

（1）PCB企業(yè)涉及粉塵作業(yè)的崗位一般有：鉆孔、銑板、刨邊、磨鋼板、開料等，其設備一般都設有獨立的通風除塵系統(tǒng)、且密閉化自動化程度較高，崗位粉塵濃度0.2～2.0 mg/m3，這個數值是安全的（圖1）。但吸塵罩可以將作為火源的火花吸入，故要引起注意。例如壓合回流線打磨鋼板時產生的火花，如果和其它設備（可燃性粉塵發(fā)生源）共用一臺除塵器就非常危險，應該采取隔離措施。

（2）為了防止粉塵侵害作業(yè)人員的健康和粉塵爆炸，采用除塵系統(tǒng)及時排出工作環(huán)境中的粉塵，降低車間內的粉塵濃度是必要的手段。但對于可燃性粉塵來說，除塵設備也必須采取防火、防爆措施，否則一旦使用不當也會造成爆炸起火事故。除塵系統(tǒng)發(fā)生爆炸、起火的原因主要是因為一般除塵器都是吸入空氣后再排出，故除塵系統(tǒng)內氧氣供給充足。據調查，能引起除塵系統(tǒng)起火可能性的主要為靜電火花、自燃火、沖擊摩擦和明火（表4）。其中靜電火花是由于除塵器管路帶電造成的。自燃火是由于捕集下來的粉塵在灰斗內緩慢進行氧化反應而積蓄下的氧化熱造成的。沖擊摩擦一般認為是除塵系統(tǒng)吸入的鐵片碰撞，或者是檢修清掃過程中用錘頭振落附著在灰斗或袋室內的粉塵時因碰撞而產生的火星。明火是由于檢修時氣焊火焰及電焊火花產生的，見表3。

（3）除塵設備的風管發(fā)生爆炸的實例也比較多，這是因為粉塵在管內沉積，當受到某種沖擊時，可燃性粉塵再次飛揚，在瞬間形成高濃度粉塵云，若遇上火源，很容易爆炸。粉塵在風管內沉積的主要原因，是輸送風速太小或有漏風現象。所以為防止發(fā)生爆炸，可燃性粉塵的除塵管路應盡可能短些，對于系統(tǒng)中的彎頭，變徑管等，在設計時應使彎頭曲率半徑在管道直徑D的1.5倍以上，變徑管的展開角在15°以下，以減少阻力。據國外經驗，若可燃性粉塵的粒徑小于15 μm，其沉降速度在0.1 m/s左右時，管內的風速應該是沉降速度的100～200倍。當粉塵濃度增大時，輸送風速也應相應地加大。對于除塵器來說，灰斗部分是工作條件最為惡劣的地方，也最容易產生起火爆炸。因為吸入風管的粉塵有一部分直接落入灰斗，或者在灰斗內的加強筋上及鋼板焊縫上堆積起來。如果由于某種原因造成粉塵二次飛揚，條件適宜，又遇上火源，將是非常危險的。

圖1 PCB企業(yè)工作場所粉塵檢測結果

表3 常見引發(fā)爆炸的引火源

4 PCB粉塵爆炸的防治

4.1 防止粉塵爆炸事故的基本原則和預防性技術措施

根據粉塵燃燒、爆炸原理，防止粉塵爆炸事故的基本原則是：控制可燃粉塵和助燃物濃度、溫度、壓力及混觸條件，避免粉塵處于燃爆的危險狀態(tài)；消除一切足以引起起火爆炸的點火源；采取各種阻隔手段，阻止爆炸事故的擴大。

預防性技術措施：

（1）排除能引起粉塵爆炸的各類可燃物質。比如，生產設備、除塵系統(tǒng)應盡可能保持密閉，防止粉塵外溢；粉塵作業(yè)場、集塵房所加強通風；定期清潔，防止粉塵積聚。

（2）消除或控制能引起爆炸的各種能源。例如，防止撞擊、摩擦產生火花；防止電氣故障；消除靜電火花；防止明火等。

4.2 建筑防爆措施

（1）采取泄壓措施。在建筑圍護結構設計中根據《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016-2014，2018版）給出的公式計算、設置一些泄壓口或泄壓面，當爆炸發(fā)生時。這些泄壓口或泄壓面首先被破壞，使高溫高壓氣體得以釋放，從而降低爆炸壓力，使主要承重或受力結構不發(fā)生破壞。

（2）采用抗爆性能良好的建筑結構。加強建筑結構的主體強度和剛度，使其在爆炸中足以抵抗爆炸沖擊而不倒塌。

（3）采取合理的建筑布置。通過對有爆炸危險的場所合理地考慮建筑的布局及平面布置。有爆炸危險粉塵的干式除塵器宜布置在廠房外的獨立建筑內，且建筑外墻與所屬廠房的防火間距不應小于10 m。對符合一定條件的干式除塵器，可以布置在廠房內的單獨房間內，其耐火極限分別不低于3H的防火隔墻和耐火極限不低于1.5 H的樓板與其他部位分隔；

4.3 電氣防爆措施

為了防止和減少在爆炸危險性環(huán)境中使用的電氣設備的引爆因素，必須在設備本體防爆和運行防爆兩個方面采取必要措施。

（1）正常運行時產生火花、電弧和危險溫度的電氣設備和線路，宜將布置在爆炸危險較小或沒有爆炸危險的環(huán)境內。電氣線路的設計、施工應根據爆炸危險環(huán)境物質特性，選擇相應的敷設方式、導線材質、配線技術、連接方式和密封隔斷措施等。

（2）采用防爆的電氣設備。在滿足工藝生產及安全的前提下，應減少防爆電氣設備的數量。如無特殊需要，不宜采用攜帶式電氣設備。

（3）按有關電力設備接地設計技術規(guī)程規(guī)定的一般情況不需要接地的部分，在爆炸危險區(qū)域內仍應接地，電氣設備的金屬外殼應可靠接地。

（4）設置漏電火災報警和緊急斷電裝置。在電氣設備可能出現故障之前，采取相應補救措施或切斷爆炸危險區(qū)域電源。

（5）安全使用防爆電氣設備。正確地劃分爆炸危險環(huán)境類別，根據粉塵的種類，選擇防塵結構或塵密結構的粉塵防爆電氣設備，正確地維護、檢修防爆電氣設備。

4.4 安全管理

（1）企業(yè)應建立及完善防范發(fā)生粉塵爆炸事故的安全生產責任制，應重點明確及落實企業(yè)負責人、安全生產管理人員、粉塵涉爆設備的管理維護及使用人員，以及粉塵清掃人員等重要崗位的安全生產職責。

（2）企業(yè)負責人應依法依規(guī)參加安全生產監(jiān)管部門組織的防范發(fā)生粉塵爆炸事故的專項培訓,并認真普及粉塵防爆知識，使職工了解本企業(yè)粉塵爆炸危險場所的危險程度和防爆措施；

（3）企業(yè)應依照法規(guī)標準規(guī)定并結合該場所存在的可燃粉塵的爆炸極限、中位粒經、比重、自燃溫度、導電性等物理性質，并實測空氣中可燃粉塵的濃度，在根據這些參數制定詳細的粉塵防爆實施細則和安全檢查表，并按安全檢查表認真進行粉塵防爆檢查。

（4）企業(yè)應制定及完善安全生產應急預案中針對粉塵涉爆事故的現場處置方案，并進行針對性的培訓及演練。

（5）企業(yè)應按照有關法規(guī)標準規(guī)定正確使用粉塵涉爆設備（包括按防爆安全要求使用除塵系統(tǒng)），并定期進行維護檢修，應建立維護檢修管理臺帳。

5 結語

總之，凡是存在可燃粉塵爆炸危險的PCB生產場所、部位，都應明確粉塵爆炸的發(fā)生原理和形成條件，采取嚴格的爆炸預防和防護措施，遏制粉塵爆炸，確保企業(yè)生命財產安全，不斷提升相關產業(yè)的整體安全生產水平。