船舶載運干紙漿的危險性及安全運輸要求

羅 薇 林 燕 吉海龍 張春龍 傅志超

近年來，我國干紙漿運輸船發生過多起火災事故，尤其是2017年10月27日發生在舟山的“攜船”輪和2018年7月19日發生在常熟港的“智海”輪等火災事故，在行業內引起了較大的反響。干紙漿作為一種常見的普通貨物，其運輸多以散雜貨的形式進行集裝、包裝運輸。為進一步促進船舶紙漿運輸市場的成熟，規范紙漿船舶的建造以及貨物的裝載和運輸，有必要從干紙漿自燃機理研究入手，分析和明確干紙漿的危險特性，從干紙漿的裝載和運輸角度提出船舶載運干紙漿安全運輸技術要求，從而降低干紙漿船運火災事故的風險，促進行業的健康發展。

一、干紙漿介紹

紙漿是一種由植物原料通過不同方法制得的纖維狀物質，主要成分為纖維素，另含有一定程度的半纖維素、淀粉、樹脂、木素、色素、果膠和灰分等物質。纖維素是一種碳水化合物，是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，是植物細胞壁的主要成分，幾乎自然界發現的任何具有較高纖維含量的維管植物中都可以提取纖維素，如木材類、禾草類、竹子類以及韌皮類等。由于纖維素具有許多滿足造紙需要的性能，因此紙漿被廣泛應用于造紙行業。紙漿的制造是通過生產工藝將制漿原料中的非纖維成分、樹脂和油脂盡可能去除，極大程度地保留纖維素和相應程度的半纖維素的過程。目前在工業中，制作紙漿常用的方法有化學方法、化學機械法、機械法和生物法。制漿的過程通常為原料粉碎、蒸煮、洗滌、篩選、漂白、凈化、烘干幾個階段。

由于紙漿是一種親水性很強的貨物，因此有干漿和濕漿兩種形態。干漿也稱風干紙漿，即紙漿的水分與周圍環境平衡時的紙漿，根據國家和/商業合同，干漿的商業規定干度為88%或90%；濕漿是指未經干燥的水分含量較高的紙漿。由于濕漿運輸不便，如果把紙漿作為商品出售，通常會經過干燥以便貯存與運輸，因此船舶載運的紙漿通常為干紙漿，且多以規則的塊狀或板狀為主。其中，塊狀干紙漿居多，形態類似“豆腐塊”，每塊重量為200～250 kg，外包裝是紙漿薄片，4～8個方塊堆在一起用鐵絲按照“井”字形扎起來成為一捆，每捆包件約2 t重。

二、干紙漿危險性分析

在自然界中纖維狀物質普遍存在。纖維由連續或間斷的細絲組成，根據來源的不同可分為三種：植物纖維、動物纖維與礦物纖維。其中植物纖維是由植物體制成的纖維，源于其莖、葉、種子、果實等處，纖維素是其主要組分，也因此被稱為纖維素纖維。干紙漿的原料屬于植物纖維。對照國際海事組織《國際海運危險貨物規則》危險貨物一覽表發現，干紙漿這種貨物雖然沒有在規則中明確列出，但考慮干紙漿自身屬性，因此在分析其危險性時，可參考該規則中植物纖維貨物一覽表（見表1）已列明的三個條目。

表1 《國際海運危險貨物規則》中植物纖維貨物一覽表

由表1可知，植物纖維類的貨物在一定條件下具備易燃或自燃特性，屬于危險貨物的范疇。

（一）易燃性

《國際海運危險貨物規則》指出第4.1類的易燃固體系指易于燃燒的固體或通過摩擦可能起火的固體。從貨物運輸危險性分類角度來看，易于燃燒的固體與火源短暫接觸時易于點燃且火焰迅速蔓延，具有危險性。從表1可以看出，干燥的植物纖維類貨物在海上運輸時，劃分為第4.1類的易燃固體，即表明這種貨物易于被點燃且火焰能迅速蔓延。但是規則中還規定了“UN3360 纖維，植物的，干的”條目的例外情況，即“當用封閉貨物運輸組件裝載交付托運的棉花，干的，密度不小于360 kg/m3；亞麻，干的，密度不小于400 kg/m3；劍麻，干的，密度不小于360 kg/m3（ISO標準8115（1986））；坦皮科纖維，干的，密度不小于360 kg/m3不適用本規則規定”。也就是說，如果棉花、亞麻、劍麻以及坦皮科纖維在堆積密度足夠大時不屬于此分類，因此易燃物的燃燒危險性與其堆積密度呈負相關，即相對于蓬松的易燃物質，堆積緊實的易燃物由于單位質量與氧氣接觸更少而不易燃燒。

通常，船舶載運的干紙漿俗稱風干紙漿，為規則、密實的塊狀形式，干度為88%或90%，密度不小于900 kg/m3。從貨物屬性上劃分，干紙漿貨物適用于“UN 3360 纖維，植物的，干的”條目，為4.1類易燃固體，但是由于其密度較大，因此不容易被明火點燃，不具備劇烈的燃燒蔓延性。按照聯合國《關于危險貨物運輸的建議書 試驗和標準手冊》第Ⅲ部分33.2.1.4試驗N.1和GB/T 21618—2008《危險品 易燃固體燃燒速率試驗方法》，得出干紙漿貨物的燃燒性測試的試驗結果，見表2。

表2 干紙漿貨物易燃性試驗結果

（二）自熱性

除UN 3360第4.1類易燃固體外，規則其他兩個條目（UN 1372和UN 1373）表明部分干紙漿在焦的、濕的、潮的或含油的情況下海上運輸時，具備第4.2類的自熱性，危險程度隨潮濕程度或含油量而定。依據《國際海運危險貨物規則》，自熱物質系指除引火物質以外，在不供能量的情況下與空氣接觸易于自行發熱的物質。這些物質只有在數量大（若干公斤）、時間長（若干小時或若干天）的情況下才會著火。即焦的、濕的、潮的或含油的紙漿在運輸過程中易與空氣接觸發生反應產生自熱效應，如果產熱速度大于散熱速度，熱量堆積并經過一定誘導期后可自行起火或自燃。

通常，可燃物發生自熱的主要方式有氧化發熱（如褐煤、浸油脂物質、黃磷烷基鋁、金屬及橡膠粉塵、金屬硫化物等）、分解放熱（如硝化棉、賽璐珞、硝化甘油等）、聚合放熱、吸附放熱（如活性炭、還原鎳和還原鐵）、發酵放熱（如稻草、籽棉、樹葉、鋸末、甘蔗渣、玉米芯等）、遇水反應放熱（如金屬粉末、金屬氫化物、硼氫化物及金屬磷化物堿金屬及堿土金屬）、與強氧化劑混合放熱（如丙三醇與高錳酸鉀混合）。從干紙漿的成分以及特性分析，我們將自熱原因歸結于氧化自熱和發酵自熱兩種可能。

1.氧化自熱分析

按照聯合國《關于危險貨物運輸的建議書 試驗和標準手冊》第Ⅲ部分33.3.1.4的試驗方法和GB/T 21612—2008《危險品 易燃固體自熱試驗方法》，我們發現140 ℃下、邊長為100 mm的立方體干紙漿試樣在24 h內，未發生自燃或自熱（超過200 ℃）的現象，達不到第4.2類自熱物質的分類標準，具體試驗數據見圖1。因此，在正常運輸條件下，干紙漿不呈現自熱的危險性。干紙漿的質量損失主要發生在240～360 ℃，自燃溫度在240 ℃左右，干紙漿貨物在正常運輸條件下熱穩定較好，只有在高溫（240 ℃以上）時才會發生危險的熱解反應，熱解產物為二氧化碳、一氧化碳和水[1]。

圖1 干紙漿自熱性試驗溫度變化曲線圖

2.發酵自熱分析

排除氧化性自熱，我們聚焦干紙漿的發酵自熱問題。纖維素是一種葡萄糖多聚體，在纖維素酶的作用下可以分解為葡萄糖，從而被微生物作為碳源利用。微生物的許多代謝作用如呼吸作用是產熱的。國內有專利在傳統的堆肥技術的基礎上利用秸稈自然霉變產熱，分解秸稈，同時將秸稈霉變過程中釋放的熱能用于農村供暖。還有一個專利利用多個微生物群體使秸稈粉發酵產熱來蒸發污泥中的水分，可見微生物發酵可以產生比較可觀的熱量。

微生物適合生長在溫熱潮濕的環境中，植物纖維素具有很強的吸水性能，干紙漿在海上運輸的條件下更易吸水受潮。再者，船舶貨艙的環境溫度也屬于微生物生長最適合的溫度（20～40 ℃）。由于同時具備了微生物生長所需的營養物質與生長環境，潮濕的紙漿在海上運輸的過程中有發生發酵自熱的可能性。在2017年“攜船”輪的事故調查報告中，有關部門指出事故原因是船舶運載的干紙漿吸水受潮并滋生大量微生物，這些微生物在有充足營養物質的情況下繁殖。由于微生物呼吸作用放出熱量，再加上紙漿的主要成分纖維素在微生物纖維素酶的作用下分解也會產生大量熱量，這些熱量造成干紙漿內部不斷升溫，“攜船”輪船艙又有艙蓋覆蓋，通風較差導致熱量無法釋放出去，最終當熱量持續堆積使溫度升高到干紙漿的自燃點時發生自燃。同時，在微生物發酵產能過程中也會產生一些易燃物質，如乙醇、甲烷等，這些易燃物也在干紙漿自燃的過程中起到了促進作用。

上述分析結論在干紙漿發酵模擬試驗和微生物富集測試中也得到了驗證。其中模擬試驗顯示，不同含水率（20%、40%、60%）的干紙漿分別在40 ℃和60 ℃的恒溫密閉環境中度過28天的觀察期，出現了不同程度的霉變現象且含水率越高霉變程度越大。雖然樣品未表現出明顯的自熱或自燃現象，但貨物內部溫度隨含水率升高而增高，40 ℃下試驗結果如圖2所示。微生物富集測試結果顯示干紙漿環境溫度和內部濕度會影響干紙漿內部細菌的生長繁殖，當紙漿貨物遇濕或遇潮時，干紙漿內部的細菌濃度會隨干紙漿內部濕度和環境溫度的升高而增高。

圖2 40 ℃時不同含水率的干紙漿樣品溫度和時間曲線

三、危險性認定

綜上可以得出以下結論：

（1）干紙漿貨物總體熱穩定性較好，在140 ℃的溫度條件下不會出現自熱或自燃現象，只有在高溫（240 ℃）時才會發生危險的熱解反應，熱解產物為二氧化碳、一氧化碳和水。

（2）蓬松狀態的干紙漿貨物，由于堆積密度減小，單位質量的可燃物與氧氣接觸面積增大，遇明火會發生劇烈的燃燒反應。因此，在海上運輸時，應將其劃分為UN 3360第4.1類易燃固體危險貨物。然而，我們通常運輸的干紙漿貨物為壓緊的密實干紙漿包，由于密度大（通常為900 kg/m3），單位質量的可燃物與氧氣接觸少，因此該貨物雖被點燃，但不具備燃燒蔓延性，不滿足第4.1類易燃固體分類標準，不屬于危險貨物，可以按照普通貨物運輸。

（3）當干紙漿貨物遇濕或遇潮時，貨物內部的微生物繁殖的數量會隨干紙漿潮濕程度和環境溫度的增高而增大，當長期積載在封閉、不通風的空間內時，容易產生霉變，從而引發發酵自熱，因此在海上運輸時，應將其劃分為UN 1372第4.2類自熱物質，屬于危險貨物。

（4）當干紙漿沾染油污時，含油的干紙漿易于自燃，應劃分為UN 1373第4.2類自熱物質，屬危險貨物，危險性隨含油程度而定。

因此，為保障干紙漿在運輸中的安全，船舶在裝載和運輸環節最關鍵的是確保干紙漿清潔和干燥，避免由于不當操作造成貨物變蓬松、淋雨、受潮、沾染油污或者捆扎貨物的金屬絲斷裂，由普通貨物轉變為危險貨物，增加干紙漿運輸過程中燃燒和自熱的風險。

四、船舶安全運輸干紙漿的對策和建議

（一）船舶運輸風險識別和安全運輸要求

基于對干紙漿貨物的危險性的認定，船舶運輸風險識別和安全運輸要求見表3。

表3 船舶運輸風險識別和安全運輸要求

（二）船舶安全運輸措施和建議

1.貨物和裝載要求

在裝載和運輸過程中應保持清潔和干燥狀態，每個包件應包裝完好并捆扎牢固，不應有嚴重破損、漲包、濕損或沾染油污等容易增加貨物自熱或燃燒風險的情況出現；裝載時，應采取正確積載和系固措施，防止干紙漿發生移動和倒塌。注意，貨物裝載位置不得阻礙貨艙通風口和滅火系統的出氣口；裝載過程中如遇雨雪天氣時，應立即停止裝卸作業，防止艙內積水和貨物淋雨受潮。

2.船舶和運輸要求

船舶貨艙應保持清潔和干燥，做好安全防火。船舶應配備用于監測貨艙內溫度、濕度、煙霧及甲烷等易燃氣體濃度的設備，運輸過程中監控艙內的溫度、濕度和艙內易燃氣體濃度變化。航行期間應保持貨艙通風良好。當貨艙內空氣濕度較大，出現凝露和結汗現象時，應采取適當的除濕或通風措施以降低貨艙區域及貨物的濕度。在海況良好且陽光充足的天氣條件下，可適當拱起貨艙艙蓋或打開艙蓬，對貨艙內的貨物進行通風和晾曬。適當時，也可以考慮配備與貨艙艙容相適應的除濕設備。

3.人員的要求

從事干紙漿裝卸作業和運輸的人員應熟悉干紙漿貨物的性質、裝卸和運輸的操作要求以及事故應急處置措施等，具備相關安全作業知識和技能。裝卸作業時，從事作業活動的人員應按要求配備個人防護裝備。

4.應急要求

當貨艙溫度處于持續上升狀態且有煙霧產生或著火時，應立即啟動應急預案。因向貨艙大量注水會導致干紙漿貨物吸水膨脹，在保持船舶強度和穩性的前提下，應采用水冷卻貨艙艙壁的方式，降低貨艙溫度，并優先使用二氧化碳或惰性氣體滅火系統進行滅火。當貨艙溫度不再持續上升且無煙霧產生時，應盡快安排卸貨，并防止大量空氣進入貨艙。