走进粉尘爆炸的微观世界

文/肖秋平 周 健

走进粉尘爆炸的微观世界

文/肖秋平 周 健

如何防范粉尘爆炸？首先要了解粉尘爆炸的特性——细分散的可燃粉尘颗粒被分散在空气中，在足够的浓度和高能点火源同时存在时，就有可能在有限空间内发生爆炸。

粉尘爆炸发生的条件

对于物质的燃烧而言，其过程的发生和发展必须具备三个要素，即可燃物、氧化剂（如空气）和点火能，只有这三个要素同时具备，才可能发生燃烧现象，俗称燃烧三角形，无论缺少哪一个条件，燃烧都不能发生。粉尘爆炸本质上也是燃烧，是属于快速的燃烧或爆燃现象。但要形成有效粉尘爆炸，还应在燃烧三角形的基础上，同时具备粉尘飘散和有限空间这两个条件，即俗称的粉尘爆炸五边形。这五个条件缺一不可，缺少一个要素，粉尘爆炸即不可能发生。

以木材燃烧为例，当以整块木材作为燃料时，只是缓慢地燃烧，符合燃烧三角形准则；木材粉碎成粉末，并飘散在空中进行点火时，会形成剧烈的燃烧，但并未形成爆炸；当木材粉碎成粉末，在有限空间内飘散在空中并点火时，将可能形成剧烈的爆炸现象，符合粉尘爆炸五边形准则。

图1 燃烧三角形和粉尘爆炸五边形示意图

粉尘爆炸的预防和保护

预防粉尘爆炸的原理基于上述粉尘爆炸五边形，由于粉尘爆炸的形成需要五个条件，因此，只要消除其中的一个条件即可有效遏制粉尘爆炸的发生。

粉尘云是由悬浮在空气中的分成颗粒形成的类似水滴形成的云团。防止粉尘云的形成和点火源的出现，是目前防止粉尘爆炸的重要手段。通过改进工艺条件以避免粉尘云形成或颗粒度降低、使用不可燃粉尘进行惰化、使用惰性气体保护及控制粉尘浓度在爆炸极限之外等技术措施，可实现防止形成粉尘云的目的；粉尘燃烧或闷燃、自燃、电气火花、工艺过程中热表面、动火操作时产生的明火、机械撞击产生的热量、静电放电产生的火花或电弧等，均有可能形成有效点火源，通过全面排查各类点火源，并确认是否能消除，在粉尘防爆中是极其重要的一个环节。

当不可能实施预防手段或预防手段达不到防止粉尘爆炸的效果时，我们可以通过技术手段减轻或转移粉尘爆炸所产生的危害，以达到可接受的风险水平，这些技术手段即为粉尘爆炸的保护措施，包括抗爆、泄爆、抑爆及隔爆设计。

抗爆设计，是指将容器或设备设计成可以抵抗爆炸所产生的压力或压力波，将爆炸限制在一定空间内的技术手段。

泄爆设计，是指当爆炸发生后，在爆炸压力未达到容器或设备的极限强度之前，将爆炸产生的高温高压的燃烧产物和未燃物，通过预先设置的薄弱部位向安全方位泄放，使主体不受破坏，并且避免外部人员受到损伤的技术手段。

抑爆设计，是指当爆炸发生后，通过物理化学作用扑灭火焰，使未爆炸的粉尘不再参与爆炸的防护技术。

隔爆设计是通过设置隔离装置、阻火或灭火系统，以阻止爆炸在管道内传播的技术，分为主动式和被动式隔爆。隔爆设计一般和其他措施联用，以实现更为有效的爆炸保护。

粉尘爆炸防护的认识误区

1. 按照爆炸品进行管理?

目前，全球范围内通用的危险品运输管理规章，是根据不同的危险特性将危险品分为1～9类。其中第一类为爆炸品，是指自身具有爆炸特性的一类物质或物品，如炸药、烟火药剂等，而本身没有爆炸性但能够形成爆炸性环境的气体、蒸汽或粉尘并不属于该类别。因此，粉尘爆炸性物质在生产、储存、运输等过程中的管理有别于爆炸品的严格管控措施，但也应当有防止发生粉尘爆炸的一系列技术和管理措施。

2. 需要大量的粉尘才能爆炸？

若某厂房地面累积1mm厚度的粉尘，很可能会被忽视，但这些粉尘有可能形成有效的粉尘爆炸。假设粉尘的堆积密度为500kg/m³（自然堆放，小麦粉堆积密度约为600kg/m³），如果完全飘散，1mm厚度的粉尘在5m高度的空间范围内将会形成0.1kg/m³的粉尘云，在1m高度范围内形成的粉尘云密度将高达0.5kg/m³，而一般粉尘的爆炸下限密度均不到0.1kg/m³（小麦粉下限密度约为0.06kg/m³）。可见，一旦条件适合，1mm厚度的粉尘足以形成有效的爆炸。

图2 粉尘爆炸保护措施示意图

3. 无漂浮粉尘就不会爆炸?

当判定是否会在环境或工艺中形成粉尘飘散时，不应仅看是否存在飘散的粉尘，还应考虑到是否具有形成粉尘云的潜在风险。事实上，粉尘爆炸事故一般是从设备内部引发，而后通过管道传播至厂房操作空间，若厂房内堆积有大量的粉尘，则初始爆炸产生的冲击波会将这些粉尘激扬至空中，形成粉尘云，后续到达的火焰会将大量的粉尘云点燃，形成比初始爆炸更为猛烈的二次爆炸，这也是为何粉尘爆炸事故能够造成大面积伤亡的原因。因此，在生产过程中除避免形成粉尘飘散外，还应注意定时清理累积在地面、设备表面和各个角落的粉尘，清理时还应注意采取适当的方法，如真空抽取法，避免在清扫时形成有效的粉尘云环境，人为形成爆炸隐患。

4. 采用防爆电气装置就可以防爆？

排查和消除各类点火源是粉尘爆炸预防中极其重要的一个环节，其中采取粉尘防爆电器是一项重要措施。但可能导致粉尘爆炸的点火源很多，如粉尘燃烧或闷燃、自燃、电气火花、工艺过程中热表面、动火操作时产生的明火、机械撞击产生的热量、静电放电产生的火花或电弧等。采取防爆电器只是消除电器火花和设备表面高温的重要措施之一，在采用并正确安装防爆电器的同时，还应采取更多的技术和管理措施，以减少或消除其他类型点火源的出现。

5. 从事生产多年，从未发生爆炸，粉尘爆炸这事跟我无关！

这是典型的经验主义和侥幸心理，是粉尘防爆的大忌，众多的粉尘爆炸事故就是发生在已经从事生产几十年的企业。如2008年发生在美国的帝国糖业粉尘爆炸事故，该企业成立于1924年，事故发生时企业已经正常运行了84年；2010年，我国秦皇岛骊华淀粉厂发生粉尘爆炸事故，该企业于1998年改制创建，是行业内的龙头，事故发生时企业已运行了12年；民众仍然记忆犹新的昆山“8・2”事故，造成300余人伤亡，世界为之震动，但至事发时，该企业也已成立了18年。可见，没有发生事故并不能成为粉尘防爆不作为的借口。实际上，从事生产多年的企业累积的隐患更多，一旦触发事故，后果将不堪设想。因此，企业应当重视生产安全管理，防患于未然。

结 语

实际上，粉尘爆炸防护的实际工作远比本文所述内容更为复杂，相关工作任重而道远，需要各方认识一致、齐心协力，促进我国的粉尘爆炸防护工作越做越好。

（作者单位：上海化工研究院）

图3 二次爆炸的形成示意图