可燃粉尘火灾爆炸与消防员人身安全

黄晓哲

(厦门市消防支队，福建 厦门 361000)

可燃粉尘火灾爆炸与消防员人身安全

黄晓哲

(厦门市消防支队，福建 厦门 361000)

只要满足粉尘可燃、存在点火源和助燃物、粉尘在受限空间内形成粉尘云等条件就会发生粉尘爆炸。正确理解、评价可燃粉尘操作场所的消防状况能够有效降低消防员伤亡的风险。通常存在直径小于420 μm可燃粉尘的场所发生粉尘爆炸的危险性较高。控制粉尘荷载和控制电气、摩擦等点火源并建立相应的安全规章制度能够有效降低粉尘火灾爆炸危险。采用负压式集尘管道和敞开式旋风分离器有利于避免粉尘爆炸的发生；消防员要谨慎处置袋式过滤器和粉尘储存设备火灾，以免在事故处置过程中引发粉尘云爆炸。火花探测系统、氢气探测系统和固定消防水系统能够有效防止或早期抑制粉尘爆炸；快速排放阀、泄爆板和阻火闸板则能够转移粉尘爆炸能量，保护容器设备或建筑本身。

消防；可燃粉尘；火灾爆炸；除尘设备；安全装置

近年来，国内外重特大粉尘爆炸火灾事故时有发生。2008年2月发生在美国佐治亚州萨凡纳帝国糖厂的粉尘爆炸火灾造成14人死亡、38人重伤[1]。2014年8月2日，发生在我国江苏省苏州市的昆山中荣金属制品有限公司的特别重大铝粉尘爆炸事故，当天造成75人死亡、185人受伤；30天报告期内共有97人死亡、163人受伤(事故报告期后，经全力抢救医治无效陆续死亡49人，尚有95名伤员在医院治疗，病情基本稳定)，直接经济损失3.51亿元[2]。为尽可能减小粉尘火灾爆炸事故带来的人员伤亡和财产损失，应对粉尘爆炸发生的条件、粉尘爆炸的危险、除尘系统及其安全设施有全面的认识，并在此基础上采取安全有效的灭火救援对策。

一、可燃粉尘及粉尘爆炸危险

(一)常见可燃粉尘

细小的颗粒、纤维、碎屑等可燃粉尘悬浮在空气中时，就有可能引起火灾或爆炸。可燃粉尘存在于不同类型的工业企业中，如食品加工，粮食装卸，塑料、木材、家具、纺织品、药品、金属加工等。木材、面粉、食糖、煤和一些金属粉末等原料在一定条件下可能会呈现出非常危险的状态。任何可燃物料，甚至是一些通常认为不燃的物料，在分割成足够小的颗粒后都能迅速燃烧。粉尘颗粒越小，潜在的火灾爆炸危险越大。美国消防协会(NFPA，National Fire Protection Association)的研究结果表明，直径小于420 μm的粉尘颗粒是最需要引起特别关注的。如果不同颗粒尺寸的混合物中含有2%颗粒直径小于420 μm的粉尘，就能形成爆炸性混合物。爆炸能毁掉整栋建筑并导致严重的伤亡。虽然粉尘颗粒的大小、粉尘的类型以及粉尘散布的面积不同，但只要粉尘层的厚度大于0.79 mm就足以引起爆炸。

(二)粉尘爆炸的条件

能产生可燃粉尘的场所容易出现粉尘火灾和粉尘爆炸两种不同的危险，二者都可以是起始事件，并互为因果。美国职业安全健康署(OSHA，Occupational Safety and Health Administration)的数据表明，80%以上的可燃粉尘事故为火灾，在很多情况下火灾都导致了灾难性粉尘爆炸的发生。粉尘火灾与其他普通可燃物火灾并无本质上的不同。粉尘火灾也需要满足基本的燃烧三角形，即可燃物、点火源和氧气。但可燃粉尘爆炸还需要满足另外两个条件：即粉尘颗粒的扩散和粉尘云处于容器设备、房间、建筑或管道系统等受限空间内。上述5个条件构成了粉尘爆炸五边形，如图1所示。

图1 粉尘爆炸五边形

(三)可燃粉尘层与潜在的点火源

准确评价可燃粉尘的火灾爆炸危险需要审视从原材料到成品包装的各个环节。对工业设施和生产设备的现场检查能够确定是否存在可燃粉尘环境。对于可能产生可燃粉尘的操作过程，控制可燃物荷载和控制点火源是两种降低粉尘火灾爆炸危险的主要方式。

1.可燃粉尘层

要特别注意在车间上部悬浮的可燃粉尘荷载；要考虑到所有目力不及的地方，如机器设备顶部、建筑构件的内部或上部，以及吊顶板上面。要知道任何能够产生足够震动、使粉尘漂浮起来的“声响事件”都有可能引发爆燃或爆炸。如果恰好有人处在这样的区域，就可能会造成伤亡。OSHA所采用的粉尘临界值是“粉尘区域内有5%面积的粉尘厚度达到0.79 mm”，NFPA 654《生产、加工和装卸易燃固体微粒的粉尘防火防爆标准》也采用了这一临界值[3]。

2.潜在的点火源

在关注整个设施可燃物荷载的同时，也要考虑点火源及其相应的控制方法。要检查可燃粉尘能经常接触到点火源的区域，要对电气隔离开关、控制室、电机以及有轴承、链条、传送带等设备和其他可能摩擦起火的可移动部位进行评价。在具有粉尘爆炸危险的场所设置具有防粉尘爆炸级别的防爆电气设备，风机的电机、集尘管道、集尘器和产生粉尘的机械装置应接地并跨接。另外，还要注意企业是否建立了保证可燃粉尘区域切割、焊接或研磨作业安全措施的动火作业许可制度，专用的工业卡车以及清扫设备的安全分级是否恰当，这些车辆和设备是否获准在可燃粉尘区域作业等等。

二、除尘系统及其安全装置

除尘系统主要包括风机/管道集尘系统、除尘设备和粉尘储存设备三部分。由于产生粉尘的数量和种类不同，许多场所都采用了专用集尘系统。对除尘系统有所了解，能够帮助消防员通过灭火预案更好地处置可能面临的危险或对正在发生的粉尘事故做出快速、科学的评价。

(一)除尘系统

1.风机/管道集尘系统

风机系统可以是正压气流压送(也就是风扇形成的正压推动携带粉尘的气流沿系统管道向前)，也可以是负压气流抽送(也就是风扇形成的负压抽取粉尘被过滤后的空气)。正压系统要求所有的可燃粉尘在进入过滤装置时先经过风扇；负压系统则将风扇设计在过滤后的清洁空气一侧，因而风扇要在整个系统内形成负压。负压设计因其减小了粉尘气流通过风扇时产生火花的危险而更受欢迎，而且因风扇故障(如轴承过热、扇叶损坏等)引燃系统粉尘的风险也大大减小。

2.除尘设备

敞开式旋风分离器是一种结构简单的除尘设备。当空气-粉尘气流进入旋风分离器时，空气迅速改变方向，粉尘由于重力作用不能快速改变方向而与空气流分离。干净的空气从旋风分离器顶部排出，粉尘从旋风分离器底部排出。由于这类装置是敞开的，因而系统内部没有压力。通常被称为“袋式除尘器”的粉尘过滤装置的运行方式与设有正压空气系统的大型专业除尘器类似，含有粉尘的空气流进入到设有过滤袋或过滤套筒的封闭过滤室中。当空气流通过时，过滤器分离出可燃粉尘，过滤后的空气排出设备。过滤后的干净空气可以直接排到大气中，也可以重新循环进入建筑内，以降低建筑内的负压并减少热量损失。通常使用脉冲压缩空气清理袋式过滤器内积聚的粉尘，在粉尘清理过程中只要有点火源存在就会发生粉尘爆炸。由于这种极大爆炸危险的存在，消防人员必须要对除尘设备，尤其是室内正压过滤器的爆炸危险保持警惕。

3.粉尘储存设备

粉尘储存设备有许多不同的形式，可以是圆桶、大铁桶、钢制料仓或混凝土筒仓等。这些粉尘盛装容器通常是完全密闭的，客观上提供了促使粉尘爆炸发生的受限空间。即使是空筒仓也储存有足以引发爆炸的粉尘量，某一特定时间段内筒仓储存的粉尘量多少几乎对粉尘爆炸的危险性没有任何影响。打开涉及粉尘的密闭设备时要特别注意人员安全，因为即使是开始时与粉尘系统并不直接相关的小火，也有可能进入到集尘设备内部迅速引发火灾，并造成重大伤亡。

(二)安全装置

对于能产生可燃粉尘的操作，除了采用控制可燃物荷载和控制点火源两种途径降低火灾爆炸危险，还有许多适用于可燃粉尘操作和处理系统的安全装置。一些安全装置用于降低粉尘火灾或爆炸风险，如火花探测系统、氢气探测系统和固定消防水系统等；还有一些安全装置可以转移爆炸能量，如快速排放阀、泄爆板和阻火闸板等。

1.火花探测系统与氢气探测系统

火花探测系统利用安装在主要集尘管道上的光电管监控除尘系统内部的火花或沿除尘系统移动的高温燃屑。探测到火花时，系统会启动气流下游一定距离处的水喷雾喷嘴，以便在火花到达粉尘仓之前用水喷雾冷却粉尘气流。

如果涉及到铝、钛和锆等金属粉尘爆炸危险，还可以在合适的位置设置能够探测氢气浓度的氢气探测器，当氢气达到设定浓度时氢气探测系统应能联动相应的安全装置。

2.固定消防水系统

当火灾已经在粉尘筒仓或储存设施内部发生，灭火救援往往会面临严峻的挑战。虽然粉尘过滤设备内部并不总有足以燃烧爆炸的粉尘物料量，但储存设备内部可能存有数量可观的粉尘。对于筒仓火灾的扑救，工业上研发了诸如使用氮气稀释设施内部氧气的方法，但这些方法现在并不普及，主要原因是造价过高，而且在实际应用中的成功率不高。这意味着扑救筒仓火灾的唯一办法还是利用传统的水系统。

安装在粉尘过滤器和储存设备上的自动喷水灭火系统能利用水快速方便地抑制整个装置火灾的发展以及爆炸的形成，从而大大降低消防员受伤的风险。美国使用抗冻剂的湿式自动喷水灭火系统应用较为普遍；干式自动喷水灭火系统也有使用，但干式系统存在喷水时间上的滞后，维护费用和造价也较高。还有一种方法是在受限空间中设置由感温探测器联动的开式雨淋系统。

在水源不足的地方，设置半固定式喷水灭火系统是最佳选择，既能使水进入粉尘设备内部，又能使消防员与粉尘设备保持足够的安全距离。这些系统可以在过滤器、筒仓以及各式粉尘仓上使用。灭火救援人员只要在火灾被彻底扑灭前保证充足且不间断的消防供水即可。

3.快速排放阀与泄爆板

快速排放阀是一个快速释放装置，能够将气流引导到外部泄放口，防止火球或爆炸震动返回到车间或设备内部。快速排放阀可以由火花探测系统联动启动。

泄爆板是经特殊设计、安装在粉尘设备侧面的防护板。这种防护板具有易碎结构，通过自身破碎释放爆炸能量避免设备本体受损。泄爆板也应在粉尘筒仓和其他大型粉尘储存设备上使用。整个房间都可能积聚粉尘的场所需要在屋顶设置泄爆板，或者整面墙都设计成泄爆结构，从而避免对建筑结构的严重损害。切记消防员不能将自己或消防装备置于可能的泄爆通道上。除了特殊设计的泄爆板，观察孔或其他开孔都可能成为泄爆通道，因此消防员还要尽量避开这些部位。

4.重力摇摆式阻火闸板

爆炸发生的瞬间，还会在横向接出的粉尘气流管道内产生背压，这可能会造成火焰沿粉尘气流吸入管线反向进入建筑。因此推荐在建筑与粉尘过滤器的空气吸入口之间设置重力摇摆式阻火闸板。与家用烘干机通风孔原理相似，反向气流会使阻火闸板紧急关闭，从而将火灾爆炸释放的能量阻挡在建筑外部。如果设计合理，粉尘设备可以通过特殊设计的泄爆板释放能量及火球。

三、结论

在处理可燃粉尘火灾时，消防员必须克服“见火喷水”的思维定势。受限空间的粉尘火灾就像是一个定时炸弹，只要满足粉尘爆炸五边形就会爆炸。正确理解、评价可燃粉尘操作场所的消防状况能够有效降低消防员伤亡的风险。

本文通过分析研究，得出如下结论：(1)可燃粉尘颗粒直径越小，潜在的火灾爆炸危险性越大。通常存在直径小于420 μm可燃粉尘的场所发生粉尘爆炸的危险性较高。(2)对于可能产生可燃粉尘的操作，控制粉尘荷载(例如粉尘层厚度)和控制电气、摩擦等点火源并建立相应的安全规章制度能够有效降低粉尘火灾爆炸危险。(3)采用负压式集尘管道和敞开式旋风分离器有利于降低粉尘爆炸危险。消防员要谨慎处置袋式过滤器和粉尘储存设备火灾，以免在事故处置过程中引发粉尘云爆炸。(4)火花探测系统、氢气探测系统和固定消防水系统能够有效降低粉尘火灾爆炸风险；快速排放阀、泄爆板和阻火闸板则能够转移爆炸能量，保护容器设备或建筑本身。

[1] Riecher Anton. Bitter Sweet[J]. Industrial Fire World,2008,(5-6):6-10.

[2] 国务院江苏省苏州昆山市中荣金属制品有限公司“8·2”特别重大爆炸事故调查组.江苏省苏州昆山市中荣金属制品有限公司“8·2”特别重大爆炸事故调查报告[R].

[3] NFPA 654, Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids[S].2013.

(责任编辑 马 龙)

Combustible Dust Fires & Explosions and Life Safety of Firefighters

HUANG Xiaozhe

(XiamenMunicipalFireBrigade,FujianProvince361000,China)

Dust explosion involves the dust explosion pentagon: fuel, ignition source, oxygen, dispersion of the dust particles and the confinement of the dust cloud. The risk level of firefighters’ casualties may be reduced if the fire situation of combustible dust processing locations can be understood and evaluated properly. Generally an explosive mixture exists if dust particles sized 420 microns or smaller are involved. The dust fire & explosion hazard can be mitigated by housekeeping, examining areas where dust is regularly in close contact with ignition, such as electrical and /or friction ignition source. A set of requirements are helpful involving a hot work permit program, properly rated industrial trucks and cleaning equipments, etc. The negative flow blower system and open cyclones are somewhat less dangerous, and fire personnel must be vigilant about the dust fires to avoid dust explosions because dust dispersal may occur within the confines of the filter house and storage area. Spark detection systems, hydrogen detection systems and fixed water-based extinguishing system can prevent or early suppress dust fire & explosion. And the explosive force can be removed from dust management systems and buildings by high-speed abort gates, explosion venting panels and gravity-activated swing-type damper to prevent uncontrolled release of any fireball, explosive concussion and reverse flow of fire.

fire protection; combustible dust; fire and explosion; dust extraction devices; safety equipments

2015-09-25

黄晓哲(1992— )，女，山东菏泽人。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0023-04