粉塵爆炸預(yù)防與電氣防爆措施

盧鑫，曹興成

(1.臨沂安諾安全技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 臨沂 276300；2.山東魯信安全科技有限公司，山東 臨沂 276000)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于機械加工、塑料制品、金屬冶煉等行業(yè)所需的原材料多為粉末狀，而且這些粉末往往會通過空氣懸浮在空中，在接觸到火源后就會發(fā)生燃燒或爆炸。因為這些粉末都是可燃性物質(zhì)，所以，在生產(chǎn)過程中必須注意安全控制和預(yù)防，避免產(chǎn)生粉塵爆炸事故。根據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2020年全球共發(fā)生165起粉塵引起的火災(zāi)及60起粉塵爆炸，2021年全球共發(fā)生163起粉塵引起的火災(zāi)及53起粉塵爆炸。其中電氣設(shè)備引起的事故就占到了全部事故的四分之一。如果不加強對這些設(shè)備和產(chǎn)品制造企業(yè)生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生粉塵的預(yù)防和控制措施，就很容易產(chǎn)生粉塵爆炸事故，不僅造成財產(chǎn)損失甚至人員傷亡，而且會影響工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程。

1 粉塵爆炸概述

粉塵爆炸的概念是指在一定的條件下，懸浮在空氣中的可燃粉塵遇到點火源產(chǎn)生的高能量燃燒，發(fā)生爆炸。它是一種在特定條件下由可燃粉塵爆炸源釋放能量造成的高能量機械破壞和化學(xué)破壞現(xiàn)象。不同粉塵介質(zhì)可產(chǎn)生不同類型的粉塵爆炸，如：煤、焦炭、木材等可燃性粉塵，硅石、陶土、鋁粉、面粉等非可燃性粉塵等[1]。在生產(chǎn)過程中，可燃性粉塵與空氣形成爆炸性混合氣體，當(dāng)溫度、壓力達(dá)到爆炸下限(即爆炸下限值)時，發(fā)生爆炸。所以它與可燃性物質(zhì)或非可燃性物質(zhì)引起的爆炸有著本質(zhì)的區(qū)別，粉塵爆炸性可燃?xì)怏w的著火溫度一般低于著火溫度。

2 粉塵爆炸的機理

粉塵爆炸過程可分為三個階段：第一階段為粉塵的懸浮與擴散階段，此階段處于整個過程的初始階段，也是爆炸最容易發(fā)生的階段。第二階段為粉塵的燃燒和爆炸的化學(xué)反應(yīng)階段，此過程是整個過程的繼續(xù)，并逐步向更高一級轉(zhuǎn)化。第三個階段為粉塵燃燒爆炸極限范圍擴展、火焰?zhèn)鞑サ闹饕糠帧?/p>

(1)懸浮在空氣中的可燃粉塵達(dá)到一定濃度時，遇到火星等火源就可能引起爆炸。在一般情況下，可燃性粉塵濃度在10%以下時就有可能發(fā)生爆炸。當(dāng)粉塵濃度達(dá)到10%～20%時發(fā)生爆炸所需的最小點火能量較大，因此當(dāng)遇到火源時其危險性就更大，發(fā)生爆炸的可能性就更大。這里說的濃度一般指空氣中懸浮粉塵及其他可燃性物質(zhì)總量百分比(%)。如果可燃粉塵質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)較大時(如超過10%)，就有可能發(fā)生粉塵爆炸。

(2)在有空氣參與的可燃性粉塵爆炸過程中，與可燃?xì)怏w或蒸氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生爆炸。引起可燃性粉塵與空氣形成爆炸性混合氣體，這種爆炸性混合氣體在達(dá)到一定濃度時能發(fā)生爆炸。

(3)粉塵遇明火后產(chǎn)生燃燒反應(yīng)過程中可能會產(chǎn)生很多的可燃?xì)怏w并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成爆炸性混合氣體，當(dāng)可燃混合氣體達(dá)到一定濃度時發(fā)生爆炸[2]。

(4)由于混合氣體中可燃粉塵比例不同會引起不同性質(zhì)的爆炸。如，可燃性無機粉塵和有機粉塵混合后可能引起燃燒也可能不引起燃燒；或在可燃性爆炸物中添加惰性氣體時，可避免形成爆炸性混合物；或在某種情況下產(chǎn)生爆炸性混合物；或某些物質(zhì)在一定條件下可以發(fā)生爆炸等等。

(5)可燃粉塵遇熱、壓強增大也會引起爆炸，如：煤、焦炭、硫磺、石油焦等可燃性固體顆粒受熱時發(fā)生炭化反應(yīng)放出大量的熱，這些熱量造成顆粒的溫度急劇升高。同時固體顆粒與空氣之間形成了一個比原來更加強烈的爆炸性混合物，當(dāng)這些爆炸性混合物達(dá)到一定濃度時就會發(fā)生爆炸。

(6)在有充足的氧氣條件下，金屬粉(如鋁、鎂等)在接觸加熱時也會引起爆炸。因為這些可燃性金屬粉狀顆粒與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)合成氧化物(如Al2O3等)，在高溫下分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w。

3 粉塵爆炸產(chǎn)生的原因

3.1 粉塵本身具有可燃性

在工業(yè)生產(chǎn)中，有些粉末狀物質(zhì)大多是以煤、石油等為原料進(jìn)行加工制造而成，在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，這些粉末在接觸到火源后就會產(chǎn)生大量的熱量，容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)從而導(dǎo)致爆炸事故。另外，在對生產(chǎn)過程中所使用的設(shè)備進(jìn)行清理時，如果不使用專門清理工具或者沒有對其進(jìn)行規(guī)范管理，那么很容易會在清理過程中導(dǎo)致粉塵四處散落從而使其接觸到明火后引起爆炸事故[3]。

3.2 點燃源

粉塵爆炸主要是由于點火源引起的。一般情況下引起粉塵爆炸都是由以下幾個方面原因造成的：第一，工廠在使用粉塵進(jìn)行填充操作時或由于對設(shè)備進(jìn)行清理操作導(dǎo)致不能及時處理干凈而使其被積存下來并有一定數(shù)量的可燃性粉塵堆積起來，這些可燃性粉塵遇到點火源后就會發(fā)生爆炸。第二，在工廠進(jìn)行生產(chǎn)過程中由于采用了不正確的方法而使大量可燃性粉塵聚集在一起造成了爆炸現(xiàn)象。第三，當(dāng)工廠進(jìn)行維修或者清理時由于沒有做好防塵工作而造成大量粉塵被帶入到維修設(shè)備中而導(dǎo)致爆炸。

3.3 設(shè)備或者系統(tǒng)具有一定限度的爆炸性

在設(shè)備或者系統(tǒng)進(jìn)行檢修或者維護(hù)時沒有做好密封工作，而導(dǎo)致易燃、易爆物質(zhì)泄漏后與空氣混合形成爆炸性氣體導(dǎo)致爆炸現(xiàn)象產(chǎn)生。在維修或者維護(hù)過程中需要進(jìn)行密封檢查，因此在這個過程中要注意對周圍環(huán)境中易燃、易爆物質(zhì)等因素進(jìn)行檢測分析，避免由于易燃、易爆物質(zhì)泄漏導(dǎo)致爆炸事故產(chǎn)生。

另外由于工廠設(shè)備在使用過程中一般會使用管道系統(tǒng)輸送液體或者氣體，因此在管道系統(tǒng)運輸過程中也有可能會造成設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生大量易爆氣體導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。還有一些工廠為了提高生產(chǎn)效率往往會選擇采用較高溫度對設(shè)備進(jìn)行加工制造，導(dǎo)致粉塵顆粒被吸入到設(shè)備內(nèi)部從而引發(fā)爆炸事故產(chǎn)生。如果是可燃性粉塵當(dāng)其濃度達(dá)到爆炸極限時，就會產(chǎn)生自燃現(xiàn)象從而發(fā)生爆炸事故。在生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)環(huán)境中存在高溫、高壓等因素，當(dāng)這些可燃性粉塵懸浮在空氣中時，就會由于溫度不斷升高而產(chǎn)生自燃現(xiàn)象從而發(fā)生爆炸事故。

3.4 粉塵本身具有一定程度的腐蝕性和毒性

粉塵具有腐蝕性和毒性是指粉塵對金屬設(shè)備或者金屬構(gòu)件具有一定程度的腐蝕作用，當(dāng)這些粉塵與金屬材料接觸后就會引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)生腐蝕反應(yīng)。在這個過程中如果沒有及時處理或者處理不當(dāng)就很容易造成金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導(dǎo)致爆炸事故產(chǎn)生[4]。

4 粉塵爆炸預(yù)防與電氣防爆措施

4.1 粉塵爆炸預(yù)防措施

在生產(chǎn)過程中，粉塵爆炸事故發(fā)生的根本原因在于粉塵濃度過高，而引起粉塵濃度過高的因素較多，包括設(shè)備、工藝、管理等。針對以上原因，需要從以下幾個方面進(jìn)行預(yù)防。

(1)消除粉塵爆炸的發(fā)生條件。合理設(shè)計和正確選擇設(shè)備、管道、通風(fēng)除塵系統(tǒng)和安全泄爆裝置等。

(2)控制點火源。在粉塵爆炸發(fā)生時，只有達(dá)到一定的粉塵濃度才會發(fā)生爆炸。所以在設(shè)計和生產(chǎn)過程中要盡量降低粉塵濃度。首先在設(shè)計時必須保證工藝和設(shè)備的密封性和耐熱性；其次要對設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，防止出現(xiàn)生銹、腐蝕等現(xiàn)象；最后要定期對粉塵進(jìn)行清理，避免粉塵在空氣中形成積累。

(3)清除粉塵。在生產(chǎn)過程中必須制定嚴(yán)格的安全制度和措施，禁止工人隨意亂動機械設(shè)備。特別是在一些易燃易爆場所的機械設(shè)備上，更不能隨意亂動；其次要采取一定措施防止明火進(jìn)入作業(yè)場所。比如，在廠房內(nèi)可以安裝防爆燈，利用照明設(shè)備消除點火源；最后還要加強對廠房的管理和清掃等。

(4)隔離。在生產(chǎn)過程中要避免和減少產(chǎn)生火源的可能性，所以在設(shè)計和生產(chǎn)中要對生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行合理劃分；最后要加強對設(shè)備的管理，嚴(yán)禁私自拆除維修設(shè)備。這是防止爆炸性環(huán)境中可燃?xì)怏w、蒸汽與粉塵云接觸爆炸的有效措施，包括密閉和通風(fēng)排氣道、泄爆裝置、防爆電器和防爆設(shè)備等。

(5)通風(fēng)。在生產(chǎn)過程中必須保證充足的空氣來消除粉塵濃度。所以要建立良好的通風(fēng)系統(tǒng)并定期維護(hù)；其次可以利用排氣扇和鼓風(fēng)機等對粉塵進(jìn)行收集并使其保持充足的空氣；最后要定期清理風(fēng)機積塵。

(6)防止產(chǎn)生靜電。要定期對廠房進(jìn)行清掃，防止發(fā)生靜電積累而引起爆炸。同時在車間內(nèi)盡量少用或不用帶電的鐵件制品，如：鐵欄桿、鐵門等。因為金屬材料會產(chǎn)生火花并產(chǎn)生靜電，從而引起粉塵爆炸。

(7)防爆泄爆裝置。泄爆技術(shù)是一種以減輕爆炸事故損失為目的的安全防護(hù)技術(shù)，能在爆炸發(fā)生時將壓力迅速泄出，使爆炸對人身和環(huán)境危害減至最小。泄爆裝置主要由泄爆裝置、爆炸危險區(qū)域劃分及防爆泄爆等幾部分組成。

4.2 電氣防爆措施

(1)選用符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣設(shè)備。為了防止爆炸事故的發(fā)生，應(yīng)選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的電氣設(shè)備。選擇電氣設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)爆炸危險場所的環(huán)境條件，確定采用的電氣設(shè)備的類別和級別。為了防止產(chǎn)生電火花、電弧和高溫危險，在設(shè)計中應(yīng)盡量采用防爆電動機、防爆電纜等電氣設(shè)備。在有粉塵爆炸危險場所還應(yīng)選用防爆型開關(guān)、控制柜等電氣設(shè)備[5]。

(2)限制或消除產(chǎn)生爆炸危險因素。在電氣設(shè)計中應(yīng)采取如下措施限制或消除產(chǎn)生爆炸危險的因素，即避免產(chǎn)生積塵或積灰過多；避免溫度過高；避免粉塵積聚；避免可燃?xì)怏w濃度過高，必要時應(yīng)有良好的通風(fēng)排氣裝置；防止爆炸性粉塵進(jìn)入系統(tǒng)(如設(shè)置卸料裝置)。

(3)嚴(yán)格控制接觸火花，消除局部高溫。這是電氣防爆最根本的措施，也是預(yù)防爆炸事故最主要的措施。為了防止接觸火花，除采取消除明火和合理地使用電氣設(shè)備外，還應(yīng)根據(jù)粉塵環(huán)境條件嚴(yán)格控制接觸火花點(包括電氣設(shè)備和設(shè)施上的接觸點)。

(4)加強管理防止電火花產(chǎn)生或降低電火花釋放能量；防止電弧產(chǎn)生；防止局部高溫產(chǎn)生。

(5)加強對電氣設(shè)備及其安裝、使用過程中各項技術(shù)管理工作。對易燃易爆場所采用的電氣設(shè)備、安裝和使用進(jìn)行規(guī)范管理，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要前提，也是減少事故發(fā)生的重要手段。對運行中的電氣設(shè)備要經(jīng)常維護(hù)和檢修，發(fā)現(xiàn)問題及時解決；對檢修、試驗中發(fā)現(xiàn)有缺陷的設(shè)備要及時修理和更換，不得帶故障運行。為避免出現(xiàn)事故隱患而又不影響生產(chǎn)正常進(jìn)行，還應(yīng)認(rèn)真研究確定事故發(fā)生時可能出現(xiàn)的危險狀況，制定相應(yīng)處理措施和技術(shù)方案。在有粉塵爆炸危險場所內(nèi)不得有帶電作業(yè)；為了避免帶電作業(yè)而發(fā)生觸電事故，在帶電檢修時要按規(guī)程規(guī)定采取防觸電措施。

(6)采用合理有效的防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計。在有粉塵爆炸危險場所內(nèi)設(shè)置有效防護(hù)報警裝置及相應(yīng)的事故處理設(shè)施，這些裝置可避免人員受到傷害，并能及時發(fā)出警告信號，使人員迅速撤離現(xiàn)場。同時還應(yīng)保證設(shè)備運行正常并連續(xù)供電，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。有些場所可設(shè)置事故廣播系統(tǒng)；有些場所可設(shè)置有自動報警、自動切斷電源、自動噴水滅火等裝置；有些場所可采用防爆燈具或防爆開關(guān)等。

5 結(jié)語

綜上所述，粉塵爆炸與電氣防爆是生產(chǎn)過程中常見的現(xiàn)象，其特點是具有瞬間性，可以在瞬間引起火災(zāi)或爆炸，危害很大。在粉塵爆炸的預(yù)防和電氣防爆的控制工作中，必須從源頭抓起，做好危險因素識別及分析；控制爆炸的途徑，制定科學(xué)合理的安全措施，避免事故發(fā)生，減少人員傷亡或者財產(chǎn)損失。