鋅粉燃爆事故分析與預防

張啟波 仇昱皎

（1.青島理工大學 山東省城市災變預防與控制工程技術研究中心，山東 青島 266525；2.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266525）

0 引言

近年來，我國由于粉塵引發的工廠爆炸事故頻發。2010年，河北省秦皇島市某淀粉車間發生粉塵爆炸事故；2012年8月，浙江溫州郭溪發生拋光事故；2014年8月，江蘇昆山中榮金屬制品有限公司發生轟動全國的粉塵爆炸事故。這些事故不但造成重大的人員傷亡、巨大的經濟損失，而且爆炸中產生的有毒有害氣體也污染了當地的環境，不利于社會和諧發展[1-2]。

金屬鋅主要用于鋼鐵構件的防腐，鋅涂覆的方法包括電鍍、熱鍍、富鋅涂料、粉末鍍和熱噴涂等，其中熱鍍[3]是最常用的方法。2012年7月，青島某采用鋅粉熱噴涂工藝企業在鋅粉除塵過程中發生自燃事故，處理自燃事故的過程中因二次揚塵引發鋅粉爆炸事故，導致現場處理人員多人受傷。現就這起事故發生的過程、原因進行深入分析，探討預防這類事故的技術措施與管理措施。

1 鋅粉爆炸事故過程

1.1 事發單位噴鋅除塵工藝

熱噴鋅工藝[4]是用凈化過的壓縮空氣，推動鋅絲前進，并使熔融的部分形成一種霧狀噴射到基體金屬表面上，形成均勻鍍層，另一部分鋅粉反彈、散落在噴鋅房的空氣中和地表上。為了防止噴鋅房中鋅粉沉積，事故現場設置一套真空除塵裝置，除塵工藝簡圖，如圖1。

圖1 噴鋅除塵工藝流程簡圖Fig.1 Process diagram of zinc spraying workshop

除塵裝置通過風機保持噴鋅房內壓力始終為負值，含有鋅粉的空氣被抽入除塵裝置采用袋式除塵器[5]進行氣固分離。

1.2 事故發生過程

2012年3月30日，該公司噴鋅除塵工序的操作人員在18點30分時停止了除塵器引風機的運轉。當晚19點操作人員恢復作業時，開啟了引風機。19點10分左右，崗位操作人員發現在南側第三個排風道（從西側數）出現了自燃現象。

當班操作人員立即采取關閉通風閥措施，隔離第三排風道，隨后趕到的消防人員在不能采用水滅火的情況下，試圖割開除塵器使用干粉滅火。在滅火過程中，位于噴鋅房外的脈沖除塵器發生爆炸，爆炸產生的火焰和沖擊波順著排風管道進入噴鋅房內，致使奮力撲救的14名員工受到不同程度的燒傷。

2 爆炸機理及原因分析

2.1 事故發生的直接原因

（1）鋅粉自燃是導致爆炸事故發生的直接原因。經調查了解，3月30日晚19點10分左右，崗位操作人員發現在南側第三個排風道（從西側數）出現了火情，當班操作人員立即采取關閉通風閥措施，隔離第三排風道；本次事故發生前，二次噴鋅房內也曾存在過火情，經勘查在二次噴鋅房南側設有增加的擋板，其作用是為了阻擋噴涂設備產生的飛濺物或燃燒的鋅粉進入排風通道；依照本次事故最早發生火情的位置判斷，應屬排風口內鋅粉堆積過厚產生自燃。此判斷可以由以下調查情況給予支持：

①在2011年9月的維修報告及除塵器廠家在國慶節期間修理意見中提出了除塵器通風道中鋅粉堆積過厚存在安全隱患。

②從燃爆事故發生的時間上來看，也存在自燃的可能性。據調查，該工序在晚18點30是晚餐時間，操作人員停止了除塵器引風機的運轉（這時仍保留除塵器反吹），這樣原堆積在排風道內部的鋅粉散熱條件惡化，更容易引起自燃。

當晚7點操作人員恢復作業時，開啟通風機更容易使已燃的鋅粉火情進一步擴大，由潛在的暗燃變成明火，被操作人員發現。

（2）本次鋅粉二次燃爆事故是發生在處置除塵器鋅粉火災時，由于處置不當，自燃的鋅粉從較高的地方滑落到低處，二次揚塵時鋅粉達到或超過了鋅粉燃爆極限，是事故擴大的直接原因。

2.2 事故發生的間接原因

在事故調查過程中，發現該公司存在以下管理方面的缺陷。

（1）噴鋅除塵器燃爆前已出現隱患：3月18日設備清掃記錄中已發現除塵器壓差表超壓、表頭已到底現象，這說明除塵器內的濾筒阻力過大，通風量已降低到危險范圍。同時設備清掃記錄中提出要求更換濾筒的意見，但至事故發生前也未進行更換。

（2）經調查，除塵器故障的原因是在二次噴鋅工序中未及時進行清理。二次噴鋅在近期14次記錄表內清掃了6次，有8次沒有清理，而在同一表內一次噴鋅工序的除塵器有14次保養更換記錄，僅有一次未清理，而且說明了原因是因天氣下雨。

（3）部分關鍵設備的技術工藝條件不夠明確，培訓工作有欠缺，噴鋅機是該工序的主要設備，但相關技術文件只有英文且只限制在一定范圍內，調查中發現操作人員、維修人員均不了解。噴鋅機設備產生的鋅粉的理化性質應由供應商提供技術支持，特別是該設備產生鋅粉的爆炸下限應提出明確的數據，作為該公司進行噴鋅工序特別是除塵器設計的依據。

（4）工藝方法的改進和更換應該有嚴謹的態度[6]。調查中了解到采用一次、二次噴鋅工藝是替代了原富鋅底漆工藝。新工藝替代舊工藝，新設備替代舊設備，合理的利用舊設備、舊設施都應有充分的安全性調研、論證和評價。

（5）對員工設備崗位專業知識教育培訓尚存在不足，部門協調、工種協調存在不足，不同部門、不同層次間處置安全隱患存在滯后性。

（6）缺少本次事故發生現場處置預案，除塵設施也沒有固定消防設施設計，本次事故中無法進行有效的施救，是造成事故進一步擴大的又一原因。

2.3 鋅粉塵的爆炸機理

粉塵爆炸過程非常復雜，是關于氣相和固相流動力學的過程，其爆炸機理目前還沒有研究得非常清楚。發生爆炸有3個條件必不可少：第一，在一定空間范圍和一定溫度下懸浮著一定濃度的可燃性粉塵；第二，懸浮在空中的粉塵與空氣或者氧化劑充分混合；第三，存在點火源，它可以從人的不安全行為和物的不安全狀態兩方面產生。

鋅粉為一種強還原劑，可在空氣中自燃，與氧化劑、鉻酸酐、氧化錳、氯酸鹽、氯劇烈反應。與水起反應，與酸、堿起劇烈的反應，產生高度易燃的氫氣。與硫、鹵代烴、碳氫化合物起劇烈反應，有燃燒和爆炸的危險[7]。

引發該起鋅粉事故的原因主要是未能及時處理堆積在排風口處的鋅粉，長時間暴露在空氣中的鋅粉不斷氧化，在達到一定的臨界值以后引發自燃。鋅粉的自燃過程非常復雜，涉及到物理上的能量轉換以及化學反應。自反應化學物質[8]是一種既能在外界能量（如熱能、機械能等）刺激下發生燃燒、爆炸的物質，又能在自然儲存的條件下發生氧化、自燃等化學反應，并放出熱量，當物質本身釋放的能量總量大于向外界散發的能量總量時，就會發生自燃現象。Semenov熱自燃理論揭示了熱自燃規律[9-10]，熱著火是在利用外部能源條件或自加熱方式下，使反應混合物（可燃物+氧化劑）達到一定溫度，且混合體系反應產生的熱量大于環境的散熱，從而使反應混合物的溫度進一步升高，這樣無限循環，最終導致全面燃燒反應。因此，本案例鋅粉局部堆積是導致內部氧化放熱的內在因素，而中間風機停運引起外部散熱條件惡化而導致內部蓄熱是自燃事故發生的外部因素。

3 事故預防技術與管理措施

根據本次事故原因與機理分析，鋅粉在除塵器風管中沉積是導致事故發生的根本原因，防止積塵、防止超溫是除塵器設計改造的技術關鍵。

3.1 風量、風速確定

為了有效預防鋅粉事故的發生，噴鋅工作間的鋅粉濃度必須低于鋅粉的爆炸下限（LEL），電弧噴鋅工況下的鋅粉爆炸下限為每立方空氣中均勻懸浮250g的鋅粉（即250g/m3）。通常情況下，為了最大限度地降低鋅粉爆炸的風險，噴鋅車間的通風能力應保證鋅粉濃度不超過鋅粉爆炸下限的20%～25%，同時吸塵管道中的風速必須保證無鋅粉在管道中積聚。除塵器主要設計參數，見下表。

表 除塵裝置主要設計參數Tab. Technical data of dust setting chamber

通風管風速計算：

（1）鋅粉車間平均鋅粉濃度=每小時噴鋅間內的鋅粉含量/每小時送風量

為了使其濃度低于鋅粉爆炸下限的20%～25%，實際送風應達到：

50÷0.723＝69.2， 62.5÷0.723=86.4

所以，實際的通風能力大約是需求的70倍以上。

（2）通風管道內的風速=每秒通風量/通風管截面積

風速達到16.3m/s以上才可以有效防止管道內的鋅粉塵積聚。

（3）噴鋅間內垂直方向的通風速度=每秒送風量/噴鋅間地面面積

盡管0.20m/s的垂直方向的風速不能有效地將粉塵吸落，但測量到的地面水平方向的風速0.3～0.9m/s足以將落到地面上的粉塵積聚減少到很低。

綜上，為保證無鋅粉在吸塵管道內積聚，應使管道中的最低風速控制在16.3m/s；為保證噴鋅間的正常作業和盡量減少鋅粉在噴鋅間內的積聚，噴鋅間內的風速應控制在0.25～0.5m/s內。

3.2 風管防積塵設計

為避免風管積塵，設計時除確定合適的輸送速度外，合理管系結構和布置形式也很重要[11]。風管設計時應盡量減少彎管，尤其要少用由水平向垂直過渡的彎管，嚴禁兩個彎管直接連接。同時風管需禁止原除塵器中采用的擋板設計方式。

3.3 壓差監控與預警

噴鋅除塵系統中除塵器運行的情況可以通過其進出口的壓力降來反應,如果其壓力降達到一定程度時，就說明除塵器應該清灰。所以，檢測并適當調節除塵器進出口的壓力差可以保證除塵器的正常作業。

該企業在噴鋅除塵系統中使用的除塵裝置是袋式除塵裝置，所以在除塵器的進出口處分別設置壓力傳感器來進行壓力控制，如圖2。

（1）系統中除塵器中的阻力隨著過濾進行不斷增加。如果其壓力差達到一定程度后，清灰繼電器就會接通而進行清灰，使其壓力差降低到安全范圍內。

圖2 除塵箱上壓力傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of pressing sensor on the dedusting box

（2）除塵器在濾袋結露或因其他原因發生堵塞時，其壓力差會迅速增大。在這種情況下，就會發出濾袋堵塞的報警信號。

3.4 溫度監控

細小的鋅粉塵顆粒在空氣中會很快地冷卻，短時間接觸火焰也不會將其引燃，要有更高的能量級才能點燃它。但如果把粉塵的溫度提高到70℃時，情形就不一樣了，此時用火焰接觸粉塵就足以將其引燃。雖然其燃燒過程發展較慢，但不可逆轉。

為保證噴鋅間內的正常作業需將鋅粉塵的溫度保持在70℃以下，再加上10℃的保險值，那么最高溫度不能超過60℃。如果發現溫度超標，應立即將粉塵隔離并從加工區域和設備里排出去。通風系統應設置多處溫度控制裝置，對溫度進行控制[12]，在溫度超標時發出警報。持續升溫還會使系統自動切斷工序電源和壓縮空氣源，使生產停止。

3.5 定期清理地面積塵

建立定期清理作業面積塵管理制度，要求交接班時操作人員采用移動式真空除塵器及時清理沉降到地面的粉塵。

3.6 增設固定式滅火系統

本起事故粉塵爆炸是在處置自燃事故時發生的，原因之一是沒有合適的滅火方式。除塵器改造時增加惰性氣體滅火系統[13]，即在除塵器增加臨時管道連接惰性氣體系統，火災時惰性氣體鋼瓶經減壓后注入除塵器達到迅速控制火災的要求。為了防止正常情況下惰性氣體漏入系統造成人員窒息，在連接管道設雙閥，雙閥間設放空閥（常開）。

4 結論

（1）本文以鋅粉燃爆事故為例，對事故發生的過程進行分析，經探究粉塵堆積是造成事故發生的直接原因。在此基礎上，深入研究鋅粉塵爆炸機理，揭示Semenov熱自燃理論。

（2）為降低粉塵爆炸事故概率，進行新型除塵器設計。經計算，設計管道中最低風速要求為16.3m/s；噴鋅間內的風速0.25～0.5m/s，可有效減少粉塵積聚。風管設計中拆除原除塵器中采用的擋板，減少彎管的使用，可避免風管積塵。增設壓力傳感器控制壓力，實現自動清灰。增設超壓報警裝置，實現濾袋堵塞報警。除塵器易積塵部位設置溫度監控，實現超溫報警。增設固定式滅火系統，可迅速控制火災。另外，為防止滅火系統中惰性氣體泄漏造成人員窒息，在連接管道上增設雙閥。

（3）本次研究設計的新型除塵器自動化性能高，可降低由于積塵、超溫引發粉塵爆炸事故的概率，對減少人員傷亡和降低經濟損失有重要意義，現已投入生產運行，具有一定的工程應用價值和推廣價值。