粉塵爆炸原理及防范處置措施

上海市民防特種救援中心 高 燚

粉塵爆炸，指粉塵在爆炸極限范圍內，遇到熱源（明火或溫度），火焰瞬間傳播于整個混合粉塵空間，化學反應速度極快，同時釋放大量的熱，形成很高的溫度和很大的壓力，反應速度逐漸加快，通過劇烈的燃燒，最后形成爆炸。在這種爆炸中，其爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸壓力等將持續加快和升高，并呈跳躍式發展。它具有易造成多次爆炸、爆炸威力大、破壞力強、能產生有毒氣體等特點。

產生條件

粉塵爆炸條件一般有三個：

1. 可燃性粉塵以適當的濃度在空氣中懸浮，形成人們常說的粉塵云。凡是呈細粉狀態的固體物質均稱為粉塵。能燃燒和爆炸的粉塵叫可燃粉塵；浮在空氣中的粉塵叫懸浮粉塵；沉降在固體壁面上的粉塵叫沉積粉塵。具有爆炸性的粉塵有：金屬（如鎂粉、鋁粉）、煤炭、糧食（如小麥、淀粉）、飼料（如血粉、魚粉）、農副產品（如棉花、煙草）、林產品（如紙粉、木粉）、合成材料（如塑料、染料）等。某些廠礦生產過程中產生的粉塵，特別是一些有機物加工中產生的粉塵，在某些特定條件下會發生爆炸燃燒事故。

2. 有充足的空氣和氧化劑。

3. 有火源或者強烈的振動與摩擦。

爆炸原理

一般比較容易發生爆炸事故的粉塵大致有鋁粉、鋅粉、硅鐵粉、鎂粉、鐵粉、鋁材加工研磨粉、各種塑料粉末、有機合成藥品的中間體、小麥粉、糖、木屑、染料、膠木灰、奶粉、茶葉粉末、煙草粉末、煤塵、植物纖維塵等。這些物料的粉塵易發生爆炸燃燒的原因是都有較強的還原劑氫（H）、碳（C）、氮（N）、硫（S）等元素存在，當它們與過氧化物和易爆粉塵共存時，便發生分解，由氧化反應產生大量的氣體，或者氣體量雖小，但釋放出大量的燃燒熱。例如，鋁粉只要在二氧化碳氣氛中就有爆炸的危險。

粉塵爆炸的難易與粉塵的物理、化學性質和環境條件有關。一般認為燃燒熱越大的物質越容易爆炸，如煤塵、碳、硫黃等。氧化速度快的物質容易爆炸，如鎂粉、鋁粉、氧化亞鐵、染料等。容易帶電的粉塵也很容易引起爆炸，如合成樹脂粉末、纖維類粉塵、淀粉等。這些導電不良的物質由于與機器或空氣摩擦產生的靜電積聚起來，當達到一定量時，就會放電產生電火花，構成爆炸的火源。

通常不易引起爆炸的粉塵有土、砂、氧化鐵、研磨材料、水泥、石英粉塵以及類似于燃燒后的灰塵等。這類物質的粉塵化學性質比較穩定，所以不易燃燒。但是如果這類粉塵產生在油霧以及一氧化碳、甲烷、煤氣之類可燃氣體中，也容易發生爆炸。

危害特點

（一）影響因素

1. 物理化學性質

物質的燃燒熱越大，其粉塵的爆炸危險性也越大，例如煤、碳、硫的粉塵等；越易氧化的物質，其粉塵越易爆炸，例如鎂、氧化亞鐵、染料等；越易帶電的粉塵越易引起爆炸。粉塵在生產過程中，由于互相碰撞、摩擦等作用，產生的靜電不易散失，造成靜電積累，當達到某一數值后，便出現靜電放電。靜電放電火花能引起火災和爆炸事故。粉塵爆炸還與其所含揮發物有關。如煤粉中當揮發物低于10%時，就不再發生爆炸，因而焦炭粉塵沒有爆炸危險性。

2. 顆粒大小

粉塵的表面吸附空氣中的氧，顆粒越細，吸附的氧就越多，因而越易發生爆炸；而且，發火點越低，爆炸下限也越低。隨著粉塵顆粒的直徑的減小，不僅化學活性增加，而且還容易帶上靜電。

3. 粉塵的濃度

與可燃氣體相似，粉塵爆炸也有一定的濃度范圍，也有上下限之分。但在一般資料中多數只列出粉塵的爆炸下限，因為粉塵的爆炸上限較高。

（二）爆炸特點

1. 多次爆炸是粉塵爆炸的最大特點。

第一次爆炸氣浪，會把沉積在設備或地面上的粉塵吹揚起來，在爆炸后短時間內爆炸中心區會形成負壓，周圍的新鮮空氣便由外向內填補進來，與揚起的粉塵混合，從而引發二次爆炸。二次爆炸時，粉塵濃度會更高。

2. 粉塵爆炸所需的最小點火能量較高，一般在幾十毫焦耳以上。

3. 與可燃性氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升較緩慢，較高壓力持續時間長，釋放的能量大，破壞力強。

（三）主要危害

1. 具有極強的破壞性。粉塵爆炸涉及的范圍很廣，煤炭、化工、醫藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等部門都會發生。

2. 容易產生二次爆炸。第一次爆炸氣浪把沉積在設備或地面上的粉塵吹揚起來，在爆炸后的短時間內爆炸中心區會形成負壓，周圍的新鮮空氣便由外向內填補進來，形成所謂的“返回風”，與揚起的粉塵混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸時，粉塵濃度一般比一次爆炸時高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。例如，某硫磺粉廠的磨碎機內部發生爆炸，爆炸波沿氣體管道從磨碎機擴散到旋風分離器，在旋風分離器發生了二次爆炸。爆炸波通過爆炸后在旋風分離器上產生的裂口傳播到車間中，揚起了沉降在建筑物和工藝設備上的硫磺粉塵，又發生了爆炸。

3. 能產生有毒氣體。一種是一氧化碳，另一種是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性氣體。毒氣的產生往往造成爆炸過后的大量人畜中毒傷亡，必須充分重視。

防范措施

由于粉塵爆炸事故撲救極為困難，因此做好預防工作尤為重要。主要預防措施有以下幾條：

1. 控制可燃粉塵在助燃物中的濃度

控制可燃粉塵在助燃物中的濃度，在生產、加工、儲存場所可以采用密閉性能良好的設備，盡量減少或避免粉塵飛散；對難以在密閉場所完成的作業，如有發生粉塵爆炸危險性，應安裝有效的通風除塵設備，加強清掃工作，及時消除懸浮在空氣中的可燃粉塵，以降低可燃粉塵在助燃物中的濃度，確保可燃粉塵不在爆炸濃度極限范圍內，從根本上預防可燃粉塵爆炸事故的發生。

2. 控制作業場所空氣相對濕度

提高作業場所的空氣相對濕度，也是預防粉塵爆炸形成的有效舉措。當空氣相對濕度增加時，一方面可減小粉塵飛揚，降低粉塵的分散度，提高粉塵的沉降速度，避免粉塵達到爆炸濃度極限；另一方面空氣相對濕度增高會消除部分靜電，相當于消除了部分點火源。此外，空氣相對濕度的提高也使可燃粉塵爆炸的最小點火能量相應提高；空氣相對濕度增加還會占據一定空間，從而降低氧氣濃度，降低粉塵燃燒速度，抑制粉塵爆炸的發生。

3. 消除作業現場的點火源

作業現場常見的能引起粉塵爆炸的點火源有明火、焊接火弧、電氣火花、吸煙、撞擊明火、靜電火花、高溫設備等。對這些點火源，相關企業應采取相應處理措施，能消除的給予消除，確因生產作業需要不能消除的應采取一定的保護措施，避免點火源與可燃粉塵、助燃氣體相互作用而形成爆炸。

粉塵爆炸事故處置注意事項

1. 正確選用滅火劑

可燃粉塵的種類繁多，理化性質各異，發生火災時應針對不同性質的粉塵選擇不同的滅火劑，以提高滅火效率。否則，可能不但滅不了火，反而會火上澆油。活潑金屬粉塵如鎂粉，在高溫時易與水發生反應放出可燃性、爆炸性氣體——氫氣，因此其引發的事故一般不用水、泡沫滅火劑進行滅火。此外，鎂粉等還易與二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）等滅火劑發生化學反應，因此也不宜用這些滅火劑滅火，而宜選用干砂進行覆蓋滅火。當然，絕大部分粉塵像面粉、硫磺粉、亞麻粉等發生火災，可以用水進行滅火。

2. 避免使沉聚粉塵形成懸浮粉塵

撲救粉塵火災時，要盡量避免使沉聚粉塵形成懸浮粉塵。因為沉聚粉塵沒有爆炸危險性，而懸浮粉塵則有爆炸危險性，因此撲救粉塵火災時要引起重視。常見的處理措施是在粉塵火災事故現場避免用強壓力驅動器的滅火器或滅火措施，如用水進行滅火時，不宜采用直流水槍，應采用噴霧水槍或開花水槍滅火。

3. 做好救援人員的安全保障

可燃粉塵在空氣中常常分布不均勻，因此在空間可能會部分達到爆炸濃度極限，而部分沒有達到，以致部分空間在爆炸后未形成穩定燃燒，而部分達到爆炸濃度極限的空間又會再次發生爆炸，形成二次爆炸。二次爆炸發生的可能性大也正是粉塵爆炸的特點。其次，粉塵爆炸過程中，因燃燒不完全，易產生有毒氣體一氧化碳；有的粉塵爆炸、燃燒產物中含大量有毒氣體，如硫的燃燒產物是二氧化硫。這些有毒氣體容易導致救援人員中毒，因此救援人員要高度重視，占據有利地勢，采取相應的個人防護措施，避免中毒事故的發生。

爆炸案例

1913—1973年間，美國僅工農業領域，就發生過72次比較嚴重的粉塵爆炸事故。

1952—1979年間，日本發生各類粉塵爆炸事故209起，傷亡546人，其中以粉碎制粉工程和吸塵分離工程較突出，各為46起。

1965—1980年，聯邦德國發生各類粉塵爆炸事故768起，其中較嚴重的是木粉及木制品粉塵和糧食飼料爆炸事故，分別占32%和25%。

1942年，我國本溪煤礦曾發生世界上最大的煤塵爆炸，死亡1 549人，重傷246人。

1987年哈爾濱亞麻廠的亞麻塵爆炸事故，死亡58人，輕重傷177人，直接經濟損失882萬元。

2014年8月2日，江蘇昆山一家工廠發生爆炸，致75人死亡。爆炸系因粉塵遇到明火引發事故。