船舶载运干纸浆的危险性及安全运输要求

罗 薇 林 燕 吉海龙 张春龙 傅志超

近年来，我国干纸浆运输船发生过多起火灾事故，尤其是2017年10月27日发生在舟山的“携船”轮和2018年7月19日发生在常熟港的“智海”轮等火灾事故，在行业内引起了较大的反响。干纸浆作为一种常见的普通货物，其运输多以散杂货的形式进行集装、包装运输。为进一步促进船舶纸浆运输市场的成熟，规范纸浆船舶的建造以及货物的装载和运输，有必要从干纸浆自燃机理研究入手，分析和明确干纸浆的危险特性，从干纸浆的装载和运输角度提出船舶载运干纸浆安全运输技术要求，从而降低干纸浆船运火灾事故的风险，促进行业的健康发展。

一、干纸浆介绍

纸浆是一种由植物原料通过不同方法制得的纤维状物质，主要成分为纤维素，另含有一定程度的半纤维素、淀粉、树脂、木素、色素、果胶和灰分等物质。纤维素是一种碳水化合物，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是植物细胞壁的主要成分，几乎自然界发现的任何具有较高纤维含量的维管植物中都可以提取纤维素，如木材类、禾草类、竹子类以及韧皮类等。由于纤维素具有许多满足造纸需要的性能，因此纸浆被广泛应用于造纸行业。纸浆的制造是通过生产工艺将制浆原料中的非纤维成分、树脂和油脂尽可能去除，极大程度地保留纤维素和相应程度的半纤维素的过程。目前在工业中，制作纸浆常用的方法有化学方法、化学机械法、机械法和生物法。制浆的过程通常为原料粉碎、蒸煮、洗涤、筛选、漂白、净化、烘干几个阶段。

由于纸浆是一种亲水性很强的货物，因此有干浆和湿浆两种形态。干浆也称风干纸浆，即纸浆的水分与周围环境平衡时的纸浆，根据国家和/商业合同，干浆的商业规定干度为88%或90%；湿浆是指未经干燥的水分含量较高的纸浆。由于湿浆运输不便，如果把纸浆作为商品出售，通常会经过干燥以便贮存与运输，因此船舶载运的纸浆通常为干纸浆，且多以规则的块状或板状为主。其中，块状干纸浆居多，形态类似“豆腐块”，每块重量为200～250 kg，外包装是纸浆薄片，4～8个方块堆在一起用铁丝按照“井”字形扎起来成为一捆，每捆包件约2 t重。

二、干纸浆危险性分析

在自然界中纤维状物质普遍存在。纤维由连续或间断的细丝组成，根据来源的不同可分为三种：植物纤维、动物纤维与矿物纤维。其中植物纤维是由植物体制成的纤维，源于其茎、叶、种子、果实等处，纤维素是其主要组分，也因此被称为纤维素纤维。干纸浆的原料属于植物纤维。对照国际海事组织《国际海运危险货物规则》危险货物一览表发现，干纸浆这种货物虽然没有在规则中明确列出，但考虑干纸浆自身属性，因此在分析其危险性时，可参考该规则中植物纤维货物一览表（见表1）已列明的三个条目。

表1 《国际海运危险货物规则》中植物纤维货物一览表

由表1可知，植物纤维类的货物在一定条件下具备易燃或自燃特性，属于危险货物的范畴。

（一）易燃性

《国际海运危险货物规则》指出第4.1类的易燃固体系指易于燃烧的固体或通过摩擦可能起火的固体。从货物运输危险性分类角度来看，易于燃烧的固体与火源短暂接触时易于点燃且火焰迅速蔓延，具有危险性。从表1可以看出，干燥的植物纤维类货物在海上运输时，划分为第4.1类的易燃固体，即表明这种货物易于被点燃且火焰能迅速蔓延。但是规则中还规定了“UN3360 纤维，植物的，干的”条目的例外情况，即“当用封闭货物运输组件装载交付托运的棉花，干的，密度不小于360 kg/m3；亚麻，干的，密度不小于400 kg/m3；剑麻，干的，密度不小于360 kg/m3（ISO标准8115（1986））；坦皮科纤维，干的，密度不小于360 kg/m3不适用本规则规定”。也就是说，如果棉花、亚麻、剑麻以及坦皮科纤维在堆积密度足够大时不属于此分类，因此易燃物的燃烧危险性与其堆积密度呈负相关，即相对于蓬松的易燃物质，堆积紧实的易燃物由于单位质量与氧气接触更少而不易燃烧。

通常，船舶载运的干纸浆俗称风干纸浆，为规则、密实的块状形式，干度为88%或90%，密度不小于900 kg/m3。从货物属性上划分，干纸浆货物适用于“UN 3360 纤维，植物的，干的”条目，为4.1类易燃固体，但是由于其密度较大，因此不容易被明火点燃，不具备剧烈的燃烧蔓延性。按照联合国《关于危险货物运输的建议书 试验和标准手册》第Ⅲ部分33.2.1.4试验N.1和GB/T 21618—2008《危险品 易燃固体燃烧速率试验方法》，得出干纸浆货物的燃烧性测试的试验结果，见表2。

表2 干纸浆货物易燃性试验结果

（二）自热性

除UN 3360第4.1类易燃固体外，规则其他两个条目（UN 1372和UN 1373）表明部分干纸浆在焦的、湿的、潮的或含油的情况下海上运输时，具备第4.2类的自热性，危险程度随潮湿程度或含油量而定。依据《国际海运危险货物规则》，自热物质系指除引火物质以外，在不供能量的情况下与空气接触易于自行发热的物质。这些物质只有在数量大（若干公斤）、时间长（若干小时或若干天）的情况下才会着火。即焦的、湿的、潮的或含油的纸浆在运输过程中易与空气接触发生反应产生自热效应，如果产热速度大于散热速度，热量堆积并经过一定诱导期后可自行起火或自燃。

通常，可燃物发生自热的主要方式有氧化发热（如褐煤、浸油脂物质、黄磷烷基铝、金属及橡胶粉尘、金属硫化物等）、分解放热（如硝化棉、赛璐珞、硝化甘油等）、聚合放热、吸附放热（如活性炭、还原镍和还原铁）、发酵放热（如稻草、籽棉、树叶、锯末、甘蔗渣、玉米芯等）、遇水反应放热（如金属粉末、金属氢化物、硼氢化物及金属磷化物碱金属及碱土金属）、与强氧化剂混合放热（如丙三醇与高锰酸钾混合）。从干纸浆的成分以及特性分析，我们将自热原因归结于氧化自热和发酵自热两种可能。

1.氧化自热分析

按照联合国《关于危险货物运输的建议书 试验和标准手册》第Ⅲ部分33.3.1.4的试验方法和GB/T 21612—2008《危险品 易燃固体自热试验方法》，我们发现140 ℃下、边长为100 mm的立方体干纸浆试样在24 h内，未发生自燃或自热（超过200 ℃）的现象，达不到第4.2类自热物质的分类标准，具体试验数据见图1。因此，在正常运输条件下，干纸浆不呈现自热的危险性。干纸浆的质量损失主要发生在240～360 ℃，自燃温度在240 ℃左右，干纸浆货物在正常运输条件下热稳定较好，只有在高温（240 ℃以上）时才会发生危险的热解反应，热解产物为二氧化碳、一氧化碳和水[1]。

图1 干纸浆自热性试验温度变化曲线图

2.发酵自热分析

排除氧化性自热，我们聚焦干纸浆的发酵自热问题。纤维素是一种葡萄糖多聚体，在纤维素酶的作用下可以分解为葡萄糖，从而被微生物作为碳源利用。微生物的许多代谢作用如呼吸作用是产热的。国内有专利在传统的堆肥技术的基础上利用秸秆自然霉变产热，分解秸秆，同时将秸秆霉变过程中释放的热能用于农村供暖。还有一个专利利用多个微生物群体使秸秆粉发酵产热来蒸发污泥中的水分，可见微生物发酵可以产生比较可观的热量。

微生物适合生长在温热潮湿的环境中，植物纤维素具有很强的吸水性能，干纸浆在海上运输的条件下更易吸水受潮。再者，船舶货舱的环境温度也属于微生物生长最适合的温度（20～40 ℃）。由于同时具备了微生物生长所需的营养物质与生长环境，潮湿的纸浆在海上运输的过程中有发生发酵自热的可能性。在2017年“携船”轮的事故调查报告中，有关部门指出事故原因是船舶运载的干纸浆吸水受潮并滋生大量微生物，这些微生物在有充足营养物质的情况下繁殖。由于微生物呼吸作用放出热量，再加上纸浆的主要成分纤维素在微生物纤维素酶的作用下分解也会产生大量热量，这些热量造成干纸浆内部不断升温，“携船”轮船舱又有舱盖覆盖，通风较差导致热量无法释放出去，最终当热量持续堆积使温度升高到干纸浆的自燃点时发生自燃。同时，在微生物发酵产能过程中也会产生一些易燃物质，如乙醇、甲烷等，这些易燃物也在干纸浆自燃的过程中起到了促进作用。

上述分析结论在干纸浆发酵模拟试验和微生物富集测试中也得到了验证。其中模拟试验显示，不同含水率（20%、40%、60%）的干纸浆分别在40 ℃和60 ℃的恒温密闭环境中度过28天的观察期，出现了不同程度的霉变现象且含水率越高霉变程度越大。虽然样品未表现出明显的自热或自燃现象，但货物内部温度随含水率升高而增高，40 ℃下试验结果如图2所示。微生物富集测试结果显示干纸浆环境温度和内部湿度会影响干纸浆内部细菌的生长繁殖，当纸浆货物遇湿或遇潮时，干纸浆内部的细菌浓度会随干纸浆内部湿度和环境温度的升高而增高。

图2 40 ℃时不同含水率的干纸浆样品温度和时间曲线

三、危险性认定

综上可以得出以下结论：

（1）干纸浆货物总体热稳定性较好，在140 ℃的温度条件下不会出现自热或自燃现象，只有在高温（240 ℃）时才会发生危险的热解反应，热解产物为二氧化碳、一氧化碳和水。

（2）蓬松状态的干纸浆货物，由于堆积密度减小，单位质量的可燃物与氧气接触面积增大，遇明火会发生剧烈的燃烧反应。因此，在海上运输时，应将其划分为UN 3360第4.1类易燃固体危险货物。然而，我们通常运输的干纸浆货物为压紧的密实干纸浆包，由于密度大（通常为900 kg/m3），单位质量的可燃物与氧气接触少，因此该货物虽被点燃，但不具备燃烧蔓延性，不满足第4.1类易燃固体分类标准，不属于危险货物，可以按照普通货物运输。

（3）当干纸浆货物遇湿或遇潮时，货物内部的微生物繁殖的数量会随干纸浆潮湿程度和环境温度的增高而增大，当长期积载在封闭、不通风的空间内时，容易产生霉变，从而引发发酵自热，因此在海上运输时，应将其划分为UN 1372第4.2类自热物质，属于危险货物。

（4）当干纸浆沾染油污时，含油的干纸浆易于自燃，应划分为UN 1373第4.2类自热物质，属危险货物，危险性随含油程度而定。

因此，为保障干纸浆在运输中的安全，船舶在装载和运输环节最关键的是确保干纸浆清洁和干燥，避免由于不当操作造成货物变蓬松、淋雨、受潮、沾染油污或者捆扎货物的金属丝断裂，由普通货物转变为危险货物，增加干纸浆运输过程中燃烧和自热的风险。

四、船舶安全运输干纸浆的对策和建议

（一）船舶运输风险识别和安全运输要求

基于对干纸浆货物的危险性的认定，船舶运输风险识别和安全运输要求见表3。

表3 船舶运输风险识别和安全运输要求

（二）船舶安全运输措施和建议

1.货物和装载要求

在装载和运输过程中应保持清洁和干燥状态，每个包件应包装完好并捆扎牢固，不应有严重破损、涨包、湿损或沾染油污等容易增加货物自热或燃烧风险的情况出现；装载时，应采取正确积载和系固措施，防止干纸浆发生移动和倒塌。注意，货物装载位置不得阻碍货舱通风口和灭火系统的出气口；装载过程中如遇雨雪天气时，应立即停止装卸作业，防止舱内积水和货物淋雨受潮。

2.船舶和运输要求

船舶货舱应保持清洁和干燥，做好安全防火。船舶应配备用于监测货舱内温度、湿度、烟雾及甲烷等易燃气体浓度的设备，运输过程中监控舱内的温度、湿度和舱内易燃气体浓度变化。航行期间应保持货舱通风良好。当货舱内空气湿度较大，出现凝露和结汗现象时，应采取适当的除湿或通风措施以降低货舱区域及货物的湿度。在海况良好且阳光充足的天气条件下，可适当拱起货舱舱盖或打开舱蓬，对货舱内的货物进行通风和晾晒。适当时，也可以考虑配备与货舱舱容相适应的除湿设备。

3.人员的要求

从事干纸浆装卸作业和运输的人员应熟悉干纸浆货物的性质、装卸和运输的操作要求以及事故应急处置措施等，具备相关安全作业知识和技能。装卸作业时，从事作业活动的人员应按要求配备个人防护装备。

4.应急要求

当货舱温度处于持续上升状态且有烟雾产生或着火时，应立即启动应急预案。因向货舱大量注水会导致干纸浆货物吸水膨胀，在保持船舶强度和稳性的前提下，应采用水冷却货舱舱壁的方式，降低货舱温度，并优先使用二氧化碳或惰性气体灭火系统进行灭火。当货舱温度不再持续上升且无烟雾产生时，应尽快安排卸货，并防止大量空气进入货舱。