走進粉塵爆炸的微觀世界

文/肖秋平 周 健

走進粉塵爆炸的微觀世界

文/肖秋平 周 健

如何防范粉塵爆炸？首先要了解粉塵爆炸的特性——細分散的可燃粉塵顆粒被分散在空氣中，在足夠的濃度和高能點火源同時存在時，就有可能在有限空間內發生爆炸。

粉塵爆炸發生的條件

對于物質的燃燒而言，其過程的發生和發展必須具備三個要素，即可燃物、氧化劑（如空氣）和點火能，只有這三個要素同時具備，才可能發生燃燒現象，俗稱燃燒三角形，無論缺少哪一個條件，燃燒都不能發生。粉塵爆炸本質上也是燃燒，是屬于快速的燃燒或爆燃現象。但要形成有效粉塵爆炸，還應在燃燒三角形的基礎上，同時具備粉塵飄散和有限空間這兩個條件，即俗稱的粉塵爆炸五邊形。這五個條件缺一不可，缺少一個要素，粉塵爆炸即不可能發生。

以木材燃燒為例，當以整塊木材作為燃料時，只是緩慢地燃燒，符合燃燒三角形準則；木材粉碎成粉末，并飄散在空中進行點火時，會形成劇烈的燃燒，但并未形成爆炸；當木材粉碎成粉末，在有限空間內飄散在空中并點火時，將可能形成劇烈的爆炸現象，符合粉塵爆炸五邊形準則。

圖1 燃燒三角形和粉塵爆炸五邊形示意圖

粉塵爆炸的預防和保護

預防粉塵爆炸的原理基于上述粉塵爆炸五邊形，由于粉塵爆炸的形成需要五個條件，因此，只要消除其中的一個條件即可有效遏制粉塵爆炸的發生。

粉塵云是由懸浮在空氣中的分成顆粒形成的類似水滴形成的云團。防止粉塵云的形成和點火源的出現，是目前防止粉塵爆炸的重要手段。通過改進工藝條件以避免粉塵云形成或顆粒度降低、使用不可燃粉塵進行惰化、使用惰性氣體保護及控制粉塵濃度在爆炸極限之外等技術措施，可實現防止形成粉塵云的目的；粉塵燃燒或悶燃、自燃、電氣火花、工藝過程中熱表面、動火操作時產生的明火、機械撞擊產生的熱量、靜電放電產生的火花或電弧等，均有可能形成有效點火源，通過全面排查各類點火源，并確認是否能消除，在粉塵防爆中是極其重要的一個環節。

當不可能實施預防手段或預防手段達不到防止粉塵爆炸的效果時，我們可以通過技術手段減輕或轉移粉塵爆炸所產生的危害，以達到可接受的風險水平，這些技術手段即為粉塵爆炸的保護措施，包括抗爆、泄爆、抑爆及隔爆設計。

抗爆設計，是指將容器或設備設計成可以抵抗爆炸所產生的壓力或壓力波，將爆炸限制在一定空間內的技術手段。

泄爆設計，是指當爆炸發生后，在爆炸壓力未達到容器或設備的極限強度之前，將爆炸產生的高溫高壓的燃燒產物和未燃物，通過預先設置的薄弱部位向安全方位泄放，使主體不受破壞，并且避免外部人員受到損傷的技術手段。

抑爆設計，是指當爆炸發生后，通過物理化學作用撲滅火焰，使未爆炸的粉塵不再參與爆炸的防護技術。

隔爆設計是通過設置隔離裝置、阻火或滅火系統，以阻止爆炸在管道內傳播的技術，分為主動式和被動式隔爆。隔爆設計一般和其他措施聯用，以實現更為有效的爆炸保護。

粉塵爆炸防護的認識誤區

1. 按照爆炸品進行管理?

目前，全球范圍內通用的危險品運輸管理規章，是根據不同的危險特性將危險品分為1～9類。其中第一類為爆炸品，是指自身具有爆炸特性的一類物質或物品，如炸藥、煙火藥劑等，而本身沒有爆炸性但能夠形成爆炸性環境的氣體、蒸汽或粉塵并不屬于該類別。因此，粉塵爆炸性物質在生產、儲存、運輸等過程中的管理有別于爆炸品的嚴格管控措施，但也應當有防止發生粉塵爆炸的一系列技術和管理措施。

2. 需要大量的粉塵才能爆炸？

若某廠房地面累積1mm厚度的粉塵，很可能會被忽視，但這些粉塵有可能形成有效的粉塵爆炸。假設粉塵的堆積密度為500kg/m3（自然堆放，小麥粉堆積密度約為600kg/m3），如果完全飄散，1mm厚度的粉塵在5m高度的空間范圍內將會形成0.1kg/m3的粉塵云，在1m高度范圍內形成的粉塵云密度將高達0.5kg/m3，而一般粉塵的爆炸下限密度均不到0.1kg/m3（小麥粉下限密度約為0.06kg/m3）?？梢?，一旦條件適合，1mm厚度的粉塵足以形成有效的爆炸。

圖2 粉塵爆炸保護措施示意圖

3. 無漂浮粉塵就不會爆炸?

當判定是否會在環境或工藝中形成粉塵飄散時，不應僅看是否存在飄散的粉塵，還應考慮到是否具有形成粉塵云的潛在風險。事實上，粉塵爆炸事故一般是從設備內部引發，而后通過管道傳播至廠房操作空間，若廠房內堆積有大量的粉塵，則初始爆炸產生的沖擊波會將這些粉塵激揚至空中，形成粉塵云，后續到達的火焰會將大量的粉塵云點燃，形成比初始爆炸更為猛烈的二次爆炸，這也是為何粉塵爆炸事故能夠造成大面積傷亡的原因。因此，在生產過程中除避免形成粉塵飄散外，還應注意定時清理累積在地面、設備表面和各個角落的粉塵，清理時還應注意采取適當的方法，如真空抽取法，避免在清掃時形成有效的粉塵云環境，人為形成爆炸隱患。

4. 采用防爆電氣裝置就可以防爆？

排查和消除各類點火源是粉塵爆炸預防中極其重要的一個環節，其中采取粉塵防爆電器是一項重要措施。但可能導致粉塵爆炸的點火源很多，如粉塵燃燒或悶燃、自燃、電氣火花、工藝過程中熱表面、動火操作時產生的明火、機械撞擊產生的熱量、靜電放電產生的火花或電弧等。采取防爆電器只是消除電器火花和設備表面高溫的重要措施之一，在采用并正確安裝防爆電器的同時，還應采取更多的技術和管理措施，以減少或消除其他類型點火源的出現。

5. 從事生產多年，從未發生爆炸，粉塵爆炸這事跟我無關！

這是典型的經驗主義和僥幸心理，是粉塵防爆的大忌，眾多的粉塵爆炸事故就是發生在已經從事生產幾十年的企業。如2008年發生在美國的帝國糖業粉塵爆炸事故，該企業成立于1924年，事故發生時企業已經正常運行了84年；2010年，我國秦皇島驪華淀粉廠發生粉塵爆炸事故，該企業于1998年改制創建，是行業內的龍頭，事故發生時企業已運行了12年；民眾仍然記憶猶新的昆山“8?2”事故，造成300余人傷亡，世界為之震動，但至事發時，該企業也已成立了18年?？梢?，沒有發生事故并不能成為粉塵防爆不作為的借口。實際上，從事生產多年的企業累積的隱患更多，一旦觸發事故，后果將不堪設想。因此，企業應當重視生產安全管理，防患于未然。

結 語

實際上，粉塵爆炸防護的實際工作遠比本文所述內容更為復雜，相關工作任重而道遠，需要各方認識一致、齊心協力，促進我國的粉塵爆炸防護工作越做越好。

（作者單位：上?；ぱ芯吭海?/p>

圖3 二次爆炸的形成示意圖