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查委員會（CSB）公布的調查報告總結有幾個事發原因。首先糖粉在輸送和包裝過程中大量泄漏并聚集在工作區域的地板，設備及管道表面。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動設備）而產生爆炸。最后糖廠的管理層對糖粉的爆炸危險的風險認識不足，對過去糖廠發生的小的著火事故沒有引起重視，對國家發布的粉塵爆炸的相關標準和建議沒有遵循和采納，同時也麻痹大意過于樂觀，最后造成美國數十年最致命的工業粉塵爆炸事故。

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，是維修過程中中發生粉塵爆炸。事故調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生了粉塵云，在維修中使用了鐵質工具，在與振動篩和平臺接觸中產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。直接經濟損失3.51億元。根據事故調查報告，車間除塵過濾器及風管內大量粉塵聚集，并且整個車間內由于工位頂部沒有按規定設計獨立的吸塵設施，車間內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生放熱的化學反應，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，車間內通風不暢并且車間內窗戶不準打開，形成了一個密閉環境。公司管理層對粉塵爆炸不夠重視，存在僥幸心理，對過去發生的小火災事故沒有引起警覺，才釀成如此災難性的事故。

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 以內的可爆性粉塵都需要考慮粉塵爆炸的風險，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生小粒徑的粉塵，也需要考慮粉塵爆炸的風險。最小點燃能量（MIE）是粉塵被點燃的最小能量，一般認為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設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鍵，這也就是所在車間內和設備內外盡量做好清潔，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、動火作業的開放火焰或火花、機械摩擦產生靜電或火花、化學反應等放熱反應提供的熱源等。

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周圍原本是粉塵層形成粉塵云并點燃而產生影響非常大、后果嚴重的二次爆炸。并且少量的粉塵層就可以形成相當體積的粉塵云，而形成巨大的粉塵云爆炸。

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

4 粉塵爆炸的安全保護措施

安全措施分預防措施和控制措施。預防措施主要從限制粉塵爆炸的五要素出發，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、避免粉塵云在密閉空間的聚積。在容器內鈍化限制氧濃度確保系統內氧氣濃度低于粉塵爆炸的最低氧濃度。消除點火源，禁止粉塵爆炸區動火作業，防爆區使用防爆電器，采用工程措施和管理措施消除靜電等。控制措施有抑爆、隔爆和泄爆等減緩措施。

4.1 粉塵爆炸區域

存在粉塵爆炸的建筑物結構和布局需要遵循《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）[1]，不應設置在公共區域或居民生活區。建筑結構需要滿足粉塵爆炸風險的預防和控制要求。

存在粉塵爆炸風險的車間內需要劃定粉塵防爆區，遵循《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB 50058-2014）[2]。按粉塵爆炸環境存在的可能性分20、21和22區三個等級，不同粉塵防爆區的電器設備要求不一樣。

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以及工程措施減少粉塵泄漏的可能。有粉塵的泄漏應立刻進行安全清理，避免粉塵的積累。車間保持良好的通風。

存在粉塵爆炸的容器和管道內都應設置良好的抽風系統，并且粉塵尾氣系統設置有效安全的粉塵過濾系統，減少粉塵外排。

存在粉塵爆炸的容器、粉塵傳輸系統、過濾系統和存儲裝置可以設置氮氣鈍化，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備、動火作業、轉動設備、等。電器設備需嚴格遵循國家標準和行業標準。嚴格管理工廠作業，嚴謹粉塵防爆區實施動火作業。采取工程措施等避免轉動設備、熱表面和反應熱點燃粉塵。對于靜電的防護比較復雜，要從限制靜電的產生、避免靜電的積累和疏導靜電的釋放三個方面管理。限制靜電的產生，如限制物料的流速，避免噴灑，減緩輸送、轉動、篩分和震動裝置。避免靜電的積累和疏導靜電的釋放，做好存在粉塵爆炸的區域所有設備設施的靜電接地和跨接，管理限制人員的走動。避免使用非導電設備，盡量使用導電性能良好的化學介質或添加導電劑而增加化學介質的導電性。

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。抗爆就是設備管道及其連接處能承受粉塵爆炸可能產生的最大壓力。抑爆就是在設備或管道上安裝抑制粉塵爆炸的系統，在系統粉塵點燃引爆的第一時間監測到并瞬間噴灑抑制劑或消防滅火介質，將粉塵爆炸扼殺在最初階段。隔爆即在設備或管道上安裝隔爆設施，如隔爆閥、隔爆片等。泄爆是最常見的粉塵爆炸減緩措施，在設備或管道上安裝泄爆片，如爆破片、泄爆門等。

5 結語

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險分析，系統介紹了粉塵爆炸風險的識別，同時借鑒相關規范，針對粉塵爆炸風險提出了安全措施的建議，從風險的預防和控制減緩兩個方面介紹安全措施。當然粉塵爆炸是一項復雜的課題，不管從設計還是運營管理都提出了要求，需要不斷深入認識而改進。