走進(jìn)粉塵爆炸的微觀世界

文/肖秋平 周 健

走進(jìn)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(xì)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(diǎn)火源同時存在時，就有可能在有限空間內(nèi)發(fā)生爆炸。

粉塵爆炸發(fā)生的條件

對于物質(zhì)的燃燒而言，其過程的發(fā)生和發(fā)展必須具備三個要素，即可燃物、氧化劑（如空氣）和點(diǎn)火能，只有這三個要素同時具備，才可能發(fā)生燃燒現(xiàn)象，俗稱燃燒三角形，無論缺少哪一個條件，燃燒都不能發(fā)生。粉塵爆炸本質(zhì)上也是燃燒，是屬于快速的燃燒或爆燃現(xiàn)象。但要形成有效粉塵爆炸，還應(yīng)在燃燒三角形的基礎(chǔ)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(fā)生。

以木材燃燒為例，當(dāng)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(zhǔn)則；木材粉碎成粉末，并飄散在空中進(jìn)行點(diǎn)火時，會形成劇烈的燃燒，但并未形成爆炸；當(dāng)木材粉碎成粉末，在有限空間內(nèi)飄散在空中并點(diǎn)火時，將可能形成劇烈的爆炸現(xiàn)象，符合粉塵爆炸五邊形準(zhǔn)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(yù)防和保護(hù)

預(yù)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(fā)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(tuán)。防止粉塵云的形成和點(diǎn)火源的出現(xiàn)，是目前防止粉塵爆炸的重要手段。通過改進(jìn)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(jìn)行惰化、使用惰性氣體保護(hù)及控制粉塵濃度在爆炸極限之外等技術(shù)措施，可實現(xiàn)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(chǎn)生的明火、機(jī)械撞擊產(chǎn)生的熱量、靜電放電產(chǎn)生的火花或電弧等，均有可能形成有效點(diǎn)火源，通過全面排查各類點(diǎn)火源，并確認(rèn)是否能消除，在粉塵防爆中是極其重要的一個環(huán)節(jié)。

當(dāng)不可能實施預(yù)防手段或預(yù)防手段達(dá)不到防止粉塵爆炸的效果時，我們可以通過技術(shù)手段減輕或轉(zhuǎn)移粉塵爆炸所產(chǎn)生的危害，以達(dá)到可接受的風(fēng)險水平，這些技術(shù)手段即為粉塵爆炸的保護(hù)措施，包括抗爆、泄爆、抑爆及隔爆設(shè)計。

抗爆設(shè)計，是指將容器或設(shè)備設(shè)計成可以抵抗爆炸所產(chǎn)生的壓力或壓力波，將爆炸限制在一定空間內(nèi)的技術(shù)手段。

泄爆設(shè)計，是指當(dāng)爆炸發(fā)生后，在爆炸壓力未達(dá)到容器或設(shè)備的極限強(qiáng)度之前，將爆炸產(chǎn)生的高溫高壓的燃燒產(chǎn)物和未燃物，通過預(yù)先設(shè)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(shù)手段。

抑爆設(shè)計，是指當(dāng)爆炸發(fā)生后，通過物理化學(xué)作用撲滅火焰，使未爆炸的粉塵不再參與爆炸的防護(hù)技術(shù)。

隔爆設(shè)計是通過設(shè)置隔離裝置、阻火或滅火系統(tǒng)，以阻止爆炸在管道內(nèi)傳播的技術(shù)，分為主動式和被動式隔爆。隔爆設(shè)計一般和其他措施聯(lián)用，以實現(xiàn)更為有效的爆炸保護(hù)。

粉塵爆炸防護(hù)的認(rèn)識誤區(qū)

1. 按照爆炸品進(jìn)行管理?

目前，全球范圍內(nèi)通用的危險品運(yùn)輸管理規(guī)章，是根據(jù)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(zhì)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(huán)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(zhì)在生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)冗^程中的管理有別于爆炸品的嚴(yán)格管控措施，但也應(yīng)當(dāng)有防止發(fā)生粉塵爆炸的一系列技術(shù)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(shè)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(nèi)將會形成0.1kg/m3的粉塵云，在1m高度范圍內(nèi)形成的粉塵云密度將高達(dá)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(hù)措施示意圖

3. 無漂浮粉塵就不會爆炸?

當(dāng)判定是否會在環(huán)境或工藝中形成粉塵飄散時，不應(yīng)僅看是否存在飄散的粉塵，還應(yīng)考慮到是否具有形成粉塵云的潛在風(fēng)險。事實上，粉塵爆炸事故一般是從設(shè)備內(nèi)部引發(fā)，而后通過管道傳播至廠房操作空間，若廠房內(nèi)堆積有大量的粉塵，則初始爆炸產(chǎn)生的沖擊波會將這些粉塵激揚(yáng)至空中，形成粉塵云，后續(xù)到達(dá)的火焰會將大量的粉塵云點(diǎn)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(chǎn)過程中除避免形成粉塵飄散外，還應(yīng)注意定時清理累積在地面、設(shè)備表面和各個角落的粉塵，清理時還應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)姆椒?，如真空抽取法，避免在清掃時形成有效的粉塵云環(huán)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(diǎn)火源是粉塵爆炸預(yù)防中極其重要的一個環(huán)節(jié)，其中采取粉塵防爆電器是一項重要措施。但可能導(dǎo)致粉塵爆炸的點(diǎn)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(chǎn)生的明火、機(jī)械撞擊產(chǎn)生的熱量、靜電放電產(chǎn)生的火花或電弧等。采取防爆電器只是消除電器火花和設(shè)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(yīng)采取更多的技術(shù)和管理措施，以減少或消除其他類型點(diǎn)火源的出現(xiàn)。

5. 從事生產(chǎn)多年，從未發(fā)生爆炸，粉塵爆炸這事跟我無關(guān)！

這是典型的經(jīng)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(fā)生在已經(jīng)從事生產(chǎn)幾十年的企業(yè)。如2008年發(fā)生在美國的帝國糖業(yè)粉塵爆炸事故，該企業(yè)成立于1924年，事故發(fā)生時企業(yè)已經(jīng)正常運(yùn)行了84年；2010年，我國秦皇島驪華淀粉廠發(fā)生粉塵爆炸事故，該企業(yè)于1998年改制創(chuàng)建，是行業(yè)內(nèi)的龍頭，事故發(fā)生時企業(yè)已運(yùn)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(fā)時，該企業(yè)也已成立了18年?？梢?，沒有發(fā)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(chǎn)多年的企業(yè)累積的隱患更多，一旦觸發(fā)事故，后果將不堪設(shè)想。因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視生產(chǎn)安全管理，防患于未然。

結(jié) 語

實際上，粉塵爆炸防護(hù)的實際工作遠(yuǎn)比本文所述內(nèi)容更為復(fù)雜，相關(guān)工作任重而道遠(yuǎn)，需要各方認(rèn)識一致、齊心協(xié)力，促進(jìn)我國的粉塵爆炸防護(hù)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