鋅粉燃爆事故分析與預(yù)防

張啟波 仇昱皎

（1.青島理工大學(xué) 山東省城市災(zāi)變預(yù)防與控制工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266525；2.青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266525）

0 引言

近年來，我國由于粉塵引發(fā)的工廠爆炸事故頻發(fā)。2010年，河北省秦皇島市某淀粉車間發(fā)生粉塵爆炸事故；2012年8月，浙江溫州郭溪發(fā)生拋光事故；2014年8月，江蘇昆山中榮金屬制品有限公司發(fā)生轟動全國的粉塵爆炸事故。這些事故不但造成重大的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟損失，而且爆炸中產(chǎn)生的有毒有害氣體也污染了當?shù)氐沫h(huán)境，不利于社會和諧發(fā)展[1-2]。

金屬鋅主要用于鋼鐵構(gòu)件的防腐，鋅涂覆的方法包括電鍍、熱鍍、富鋅涂料、粉末鍍和熱噴涂等，其中熱鍍[3]是最常用的方法。2012年7月，青島某采用鋅粉熱噴涂工藝企業(yè)在鋅粉除塵過程中發(fā)生自燃事故，處理自燃事故的過程中因二次揚塵引發(fā)鋅粉爆炸事故，導(dǎo)致現(xiàn)場處理人員多人受傷?，F(xiàn)就這起事故發(fā)生的過程、原因進行深入分析，探討預(yù)防這類事故的技術(shù)措施與管理措施。

1 鋅粉爆炸事故過程

1.1 事發(fā)單位噴鋅除塵工藝

熱噴鋅工藝[4]是用凈化過的壓縮空氣，推動鋅絲前進，并使熔融的部分形成一種霧狀噴射到基體金屬表面上，形成均勻鍍層，另一部分鋅粉反彈、散落在噴鋅房的空氣中和地表上。為了防止噴鋅房中鋅粉沉積，事故現(xiàn)場設(shè)置一套真空除塵裝置，除塵工藝簡圖，如圖1。

圖1 噴鋅除塵工藝流程簡圖Fig.1 Process diagram of zinc spraying workshop

除塵裝置通過風(fēng)機保持噴鋅房內(nèi)壓力始終為負值，含有鋅粉的空氣被抽入除塵裝置采用袋式除塵器[5]進行氣固分離。

1.2 事故發(fā)生過程

2012年3月30日，該公司噴鋅除塵工序的操作人員在18點30分時停止了除塵器引風(fēng)機的運轉(zhuǎn)。當晚19點操作人員恢復(fù)作業(yè)時，開啟了引風(fēng)機。19點10分左右，崗位操作人員發(fā)現(xiàn)在南側(cè)第三個排風(fēng)道（從西側(cè)數(shù)）出現(xiàn)了自燃現(xiàn)象。

當班操作人員立即采取關(guān)閉通風(fēng)閥措施，隔離第三排風(fēng)道，隨后趕到的消防人員在不能采用水滅火的情況下，試圖割開除塵器使用干粉滅火。在滅火過程中，位于噴鋅房外的脈沖除塵器發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊波順著排風(fēng)管道進入噴鋅房內(nèi)，致使奮力撲救的14名員工受到不同程度的燒傷。

2 爆炸機理及原因分析

2.1 事故發(fā)生的直接原因

（1）鋅粉自燃是導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生的直接原因。經(jīng)調(diào)查了解，3月30日晚19點10分左右，崗位操作人員發(fā)現(xiàn)在南側(cè)第三個排風(fēng)道（從西側(cè)數(shù)）出現(xiàn)了火情，當班操作人員立即采取關(guān)閉通風(fēng)閥措施，隔離第三排風(fēng)道；本次事故發(fā)生前，二次噴鋅房內(nèi)也曾存在過火情，經(jīng)勘查在二次噴鋅房南側(cè)設(shè)有增加的擋板，其作用是為了阻擋噴涂設(shè)備產(chǎn)生的飛濺物或燃燒的鋅粉進入排風(fēng)通道；依照本次事故最早發(fā)生火情的位置判斷，應(yīng)屬排風(fēng)口內(nèi)鋅粉堆積過厚產(chǎn)生自燃。此判斷可以由以下調(diào)查情況給予支持：

①在2011年9月的維修報告及除塵器廠家在國慶節(jié)期間修理意見中提出了除塵器通風(fēng)道中鋅粉堆積過厚存在安全隱患。

②從燃爆事故發(fā)生的時間上來看，也存在自燃的可能性。據(jù)調(diào)查，該工序在晚18點30是晚餐時間，操作人員停止了除塵器引風(fēng)機的運轉(zhuǎn)（這時仍保留除塵器反吹），這樣原堆積在排風(fēng)道內(nèi)部的鋅粉散熱條件惡化，更容易引起自燃。

當晚7點操作人員恢復(fù)作業(yè)時，開啟通風(fēng)機更容易使已燃的鋅粉火情進一步擴大，由潛在的暗燃變成明火，被操作人員發(fā)現(xiàn)。

（2）本次鋅粉二次燃爆事故是發(fā)生在處置除塵器鋅粉火災(zāi)時，由于處置不當，自燃的鋅粉從較高的地方滑落到低處，二次揚塵時鋅粉達到或超過了鋅粉燃爆極限，是事故擴大的直接原因。

2.2 事故發(fā)生的間接原因

在事故調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)該公司存在以下管理方面的缺陷。

（1）噴鋅除塵器燃爆前已出現(xiàn)隱患：3月18日設(shè)備清掃記錄中已發(fā)現(xiàn)除塵器壓差表超壓、表頭已到底現(xiàn)象，這說明除塵器內(nèi)的濾筒阻力過大，通風(fēng)量已降低到危險范圍。同時設(shè)備清掃記錄中提出要求更換濾筒的意見，但至事故發(fā)生前也未進行更換。

（2）經(jīng)調(diào)查，除塵器故障的原因是在二次噴鋅工序中未及時進行清理。二次噴鋅在近期14次記錄表內(nèi)清掃了6次，有8次沒有清理，而在同一表內(nèi)一次噴鋅工序的除塵器有14次保養(yǎng)更換記錄，僅有一次未清理，而且說明了原因是因天氣下雨。

（3）部分關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)工藝條件不夠明確，培訓(xùn)工作有欠缺，噴鋅機是該工序的主要設(shè)備，但相關(guān)技術(shù)文件只有英文且只限制在一定范圍內(nèi)，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)操作人員、維修人員均不了解。噴鋅機設(shè)備產(chǎn)生的鋅粉的理化性質(zhì)應(yīng)由供應(yīng)商提供技術(shù)支持，特別是該設(shè)備產(chǎn)生鋅粉的爆炸下限應(yīng)提出明確的數(shù)據(jù)，作為該公司進行噴鋅工序特別是除塵器設(shè)計的依據(jù)。

（4）工藝方法的改進和更換應(yīng)該有嚴謹?shù)膽B(tài)度[6]。調(diào)查中了解到采用一次、二次噴鋅工藝是替代了原富鋅底漆工藝。新工藝替代舊工藝，新設(shè)備替代舊設(shè)備，合理的利用舊設(shè)備、舊設(shè)施都應(yīng)有充分的安全性調(diào)研、論證和評價。

（5）對員工設(shè)備崗位專業(yè)知識教育培訓(xùn)尚存在不足，部門協(xié)調(diào)、工種協(xié)調(diào)存在不足，不同部門、不同層次間處置安全隱患存在滯后性。

（6）缺少本次事故發(fā)生現(xiàn)場處置預(yù)案，除塵設(shè)施也沒有固定消防設(shè)施設(shè)計，本次事故中無法進行有效的施救，是造成事故進一步擴大的又一原因。

2.3 鋅粉塵的爆炸機理

粉塵爆炸過程非常復(fù)雜，是關(guān)于氣相和固相流動力學(xué)的過程，其爆炸機理目前還沒有研究得非常清楚。發(fā)生爆炸有3個條件必不可少：第一，在一定空間范圍和一定溫度下懸浮著一定濃度的可燃性粉塵；第二，懸浮在空中的粉塵與空氣或者氧化劑充分混合；第三，存在點火源，它可以從人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)兩方面產(chǎn)生。

鋅粉為一種強還原劑，可在空氣中自燃，與氧化劑、鉻酸酐、氧化錳、氯酸鹽、氯劇烈反應(yīng)。與水起反應(yīng)，與酸、堿起劇烈的反應(yīng)，產(chǎn)生高度易燃的氫氣。與硫、鹵代烴、碳氫化合物起劇烈反應(yīng)，有燃燒和爆炸的危險[7]。

引發(fā)該起鋅粉事故的原因主要是未能及時處理堆積在排風(fēng)口處的鋅粉，長時間暴露在空氣中的鋅粉不斷氧化，在達到一定的臨界值以后引發(fā)自燃。鋅粉的自燃過程非常復(fù)雜，涉及到物理上的能量轉(zhuǎn)換以及化學(xué)反應(yīng)。自反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)[8]是一種既能在外界能量（如熱能、機械能等）刺激下發(fā)生燃燒、爆炸的物質(zhì)，又能在自然儲存的條件下發(fā)生氧化、自燃等化學(xué)反應(yīng)，并放出熱量，當物質(zhì)本身釋放的能量總量大于向外界散發(fā)的能量總量時，就會發(fā)生自燃現(xiàn)象。Semenov熱自燃理論揭示了熱自燃規(guī)律[9-10]，熱著火是在利用外部能源條件或自加熱方式下，使反應(yīng)混合物（可燃物+氧化劑）達到一定溫度，且混合體系反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大于環(huán)境的散熱，從而使反應(yīng)混合物的溫度進一步升高，這樣無限循環(huán)，最終導(dǎo)致全面燃燒反應(yīng)。因此，本案例鋅粉局部堆積是導(dǎo)致內(nèi)部氧化放熱的內(nèi)在因素，而中間風(fēng)機停運引起外部散熱條件惡化而導(dǎo)致內(nèi)部蓄熱是自燃事故發(fā)生的外部因素。

3 事故預(yù)防技術(shù)與管理措施

根據(jù)本次事故原因與機理分析，鋅粉在除塵器風(fēng)管中沉積是導(dǎo)致事故發(fā)生的根本原因，防止積塵、防止超溫是除塵器設(shè)計改造的技術(shù)關(guān)鍵。

3.1 風(fēng)量、風(fēng)速確定

為了有效預(yù)防鋅粉事故的發(fā)生，噴鋅工作間的鋅粉濃度必須低于鋅粉的爆炸下限（LEL），電弧噴鋅工況下的鋅粉爆炸下限為每立方空氣中均勻懸浮250g的鋅粉（即250g/m3）。通常情況下，為了最大限度地降低鋅粉爆炸的風(fēng)險，噴鋅車間的通風(fēng)能力應(yīng)保證鋅粉濃度不超過鋅粉爆炸下限的20%～25%，同時吸塵管道中的風(fēng)速必須保證無鋅粉在管道中積聚。除塵器主要設(shè)計參數(shù)，見下表。

表 除塵裝置主要設(shè)計參數(shù)Tab. Technical data of dust setting chamber

通風(fēng)管風(fēng)速計算：

（1）鋅粉車間平均鋅粉濃度=每小時噴鋅間內(nèi)的鋅粉含量/每小時送風(fēng)量

為了使其濃度低于鋅粉爆炸下限的20%～25%，實際送風(fēng)應(yīng)達到：

50÷0.723＝69.2， 62.5÷0.723=86.4

所以，實際的通風(fēng)能力大約是需求的70倍以上。

（2）通風(fēng)管道內(nèi)的風(fēng)速=每秒通風(fēng)量/通風(fēng)管截面積

風(fēng)速達到16.3m/s以上才可以有效防止管道內(nèi)的鋅粉塵積聚。

（3）噴鋅間內(nèi)垂直方向的通風(fēng)速度=每秒送風(fēng)量/噴鋅間地面面積

盡管0.20m/s的垂直方向的風(fēng)速不能有效地將粉塵吸落，但測量到的地面水平方向的風(fēng)速0.3～0.9m/s足以將落到地面上的粉塵積聚減少到很低。

綜上，為保證無鋅粉在吸塵管道內(nèi)積聚，應(yīng)使管道中的最低風(fēng)速控制在16.3m/s；為保證噴鋅間的正常作業(yè)和盡量減少鋅粉在噴鋅間內(nèi)的積聚，噴鋅間內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)控制在0.25～0.5m/s內(nèi)。

3.2 風(fēng)管防積塵設(shè)計

為避免風(fēng)管積塵，設(shè)計時除確定合適的輸送速度外，合理管系結(jié)構(gòu)和布置形式也很重要[11]。風(fēng)管設(shè)計時應(yīng)盡量減少彎管，尤其要少用由水平向垂直過渡的彎管，嚴禁兩個彎管直接連接。同時風(fēng)管需禁止原除塵器中采用的擋板設(shè)計方式。

3.3 壓差監(jiān)控與預(yù)警

噴鋅除塵系統(tǒng)中除塵器運行的情況可以通過其進出口的壓力降來反應(yīng),如果其壓力降達到一定程度時，就說明除塵器應(yīng)該清灰。所以，檢測并適當調(diào)節(jié)除塵器進出口的壓力差可以保證除塵器的正常作業(yè)。

該企業(yè)在噴鋅除塵系統(tǒng)中使用的除塵裝置是袋式除塵裝置，所以在除塵器的進出口處分別設(shè)置壓力傳感器來進行壓力控制，如圖2。

（1）系統(tǒng)中除塵器中的阻力隨著過濾進行不斷增加。如果其壓力差達到一定程度后，清灰繼電器就會接通而進行清灰，使其壓力差降低到安全范圍內(nèi)。

圖2 除塵箱上壓力傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of pressing sensor on the dedusting box

（2）除塵器在濾袋結(jié)露或因其他原因發(fā)生堵塞時，其壓力差會迅速增大。在這種情況下，就會發(fā)出濾袋堵塞的報警信號。

3.4 溫度監(jiān)控

細小的鋅粉塵顆粒在空氣中會很快地冷卻，短時間接觸火焰也不會將其引燃，要有更高的能量級才能點燃它。但如果把粉塵的溫度提高到70℃時，情形就不一樣了，此時用火焰接觸粉塵就足以將其引燃。雖然其燃燒過程發(fā)展較慢，但不可逆轉(zhuǎn)。

為保證噴鋅間內(nèi)的正常作業(yè)需將鋅粉塵的溫度保持在70℃以下，再加上10℃的保險值，那么最高溫度不能超過60℃。如果發(fā)現(xiàn)溫度超標，應(yīng)立即將粉塵隔離并從加工區(qū)域和設(shè)備里排出去。通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置多處溫度控制裝置，對溫度進行控制[12]，在溫度超標時發(fā)出警報。持續(xù)升溫還會使系統(tǒng)自動切斷工序電源和壓縮空氣源，使生產(chǎn)停止。

3.5 定期清理地面積塵

建立定期清理作業(yè)面積塵管理制度，要求交接班時操作人員采用移動式真空除塵器及時清理沉降到地面的粉塵。

3.6 增設(shè)固定式滅火系統(tǒng)

本起事故粉塵爆炸是在處置自燃事故時發(fā)生的，原因之一是沒有合適的滅火方式。除塵器改造時增加惰性氣體滅火系統(tǒng)[13]，即在除塵器增加臨時管道連接惰性氣體系統(tǒng)，火災(zāi)時惰性氣體鋼瓶經(jīng)減壓后注入除塵器達到迅速控制火災(zāi)的要求。為了防止正常情況下惰性氣體漏入系統(tǒng)造成人員窒息，在連接管道設(shè)雙閥，雙閥間設(shè)放空閥（常開）。

4 結(jié)論

（1）本文以鋅粉燃爆事故為例，對事故發(fā)生的過程進行分析，經(jīng)探究粉塵堆積是造成事故發(fā)生的直接原因。在此基礎(chǔ)上，深入研究鋅粉塵爆炸機理，揭示Semenov熱自燃理論。

（2）為降低粉塵爆炸事故概率，進行新型除塵器設(shè)計。經(jīng)計算，設(shè)計管道中最低風(fēng)速要求為16.3m/s；噴鋅間內(nèi)的風(fēng)速0.25～0.5m/s，可有效減少粉塵積聚。風(fēng)管設(shè)計中拆除原除塵器中采用的擋板，減少彎管的使用，可避免風(fēng)管積塵。增設(shè)壓力傳感器控制壓力，實現(xiàn)自動清灰。增設(shè)超壓報警裝置，實現(xiàn)濾袋堵塞報警。除塵器易積塵部位設(shè)置溫度監(jiān)控，實現(xiàn)超溫報警。增設(shè)固定式滅火系統(tǒng)，可迅速控制火災(zāi)。另外，為防止滅火系統(tǒng)中惰性氣體泄漏造成人員窒息，在連接管道上增設(shè)雙閥。

（3）本次研究設(shè)計的新型除塵器自動化性能高，可降低由于積塵、超溫引發(fā)粉塵爆炸事故的概率，對減少人員傷亡和降低經(jīng)濟損失有重要意義，現(xiàn)已投入生產(chǎn)運行，具有一定的工程應(yīng)用價值和推廣價值。