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粉尘爆炸的预防

1906年，法国考瑞尔斯（Couriers）煤矿爆炸，导致1099人死亡，震惊各国。这时学者们才开始真正重视粉尘爆炸的研究，但是研究领域当时只局限于各大煤矿。第二次世界大战期间，粉尘爆炸的研究范围才逐渐拓宽到金属、化工原料工厂。近年来粉尘事故也相继发生，2014年8月2日，苏州昆山中荣机械厂发生铝粉尘爆炸事故；2016年4月29日，深圳市精艺星五金厂发生铝粉尘爆炸：2019年3月31日，苏州昆山汉鼎精密金属有限公司机加工车间外一存放镁合金碎屑废物的集装箱发生爆燃事故，造成7人死亡，5人受伤。这些事故的发生，造成严重的人员伤亡，给社会带来了巨大的经济损失，同时，也敲响了粉尘爆炸防控的警钟，引起了社会的高度关注。

1.粉尘爆炸的条件

通常来说，粉尘爆炸需具备五个要素：
（1）存在可燃粉尘；
（2）粉尘以一定的浓度悬浮在空气中；
（3）存在足以引起粉尘爆炸的火源；
（4）助燃剂；
（5）有限空间。
具备上述条件的粉尘之所以能爆炸，是由于悬浮于空气中的可燃粉尘形成了一个高度分散体系，其表面能（体现为吸附性和活性）极大增加：同时粉尘粒子与空气中氧之间的界面加大，氧气供给更加充足，一经能量充足的火源引燃，反应速率急刚增加而呈爆炸状态。

2.粉尘爆炸的过程和特点

绝大部分粉尘爆炸要经历以下阶段：首先，悬浮在空气中的可燃粉尘表面接受点火源的能量，表面温度迅速升高；其次，粉尘粒子表面的分子发生热分解或干馏作用，产生的可燃气体从粉尘粒子表面释放到气相中；然后，释放出的可燃气体与空气（或氧气等助燃气体）混合形成爆炸性混合气体，随后被点火源点燃产生了火焰；最后，这种火焰传播的热量又进一步促使周围的粉尘发生分解，持续不断在气相中释放可燃气体，又与空气混合，使火焰不断传播，从而导致剧烈的粉尘爆炸。

与一般气体爆炸相比，粉尘爆炸具有以下特点：
（1）多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点。第一次的爆炸气浪会把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后短时间内爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，与扬起的粉尘混合，从而引发二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓度会更高。
（2）粉尘爆炸所需的最小点火能一般在几十毫焦耳以上。
（3）粉尘爆炸压力上升较慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，破坏力强。

3.粉尘爆炸的预防和控制

防止粉尘爆炸事故的发生，避免粉尘爆炸事故的人员伤亡，降低粉尘爆炸事故的损失，这些问题都已经成为相关行业从业者及监管部门共同关注的问题。根据粉尘爆炸的五个要素和相关影响因素，只要在生产中破坏其中一个或多个的形成，就可以做到对粉尘爆炸的预防。

（1）优化布局设计  对厂房进行布局设计时，首先应该合理选择厂房的位置，粉尘车间在工厂总平面图上的位置要合理。对于集中采暖地区，应位于其他建筑物的非采暖季节主导风向的下风侧在非集中采暖地区，应位于全年主导风向的下风侧。安装有粉尘爆炸危险工艺设备或存在可燃粉尘的建（构）筑物，应与其他建（构）筑物分离，其防火间距应符合相关规定。建筑物宜为单层建筑，屋顶宜用轻型结构。
（2）控制粉尘集聚、悬浮和飞扬  及时消除悬浮在空气中的可燃粉尘，降低可燃粉尘在助燃物中的浓度，确保其不在爆炸极限范围内，从根本上预防可燃粉尘爆炸事故的发生。
a.减少粉尘暴露。通过密闭操作生产设备和为产尘点装设吸尘设备，都是有效减少粉尘暴露的技术手段。
b.抑尘措施。抑尘措施是指抑制粉尘呈浮游状态或减少粉尘产生量的措施。
c.消除正压。粉尘从生产设备中外逸的原因之一是物料下落时诱导了大量空气，在密闭罩内形成正压，为了减弱和消除这种影响，应该降低落料高度差，适当减小溜槽倾斜角，隔绝气流，减少诱导空气量，降低下部正压等。
d. 加强除尘。加强除尘是指通过通风除尘系统降低粉尘浓度的措施，可采用局部排风的除尘系统，也可辅以全面排风或自然排风。通风除尘宜按工艺分片设置相对独立的除尘系统，所有产尘点均应装设吸尘罩，风管中不应有粉尘沉降，且除尘器的安装、使用及维护应符合相关规定。除此之外，还有静电消尘与湿法消尘等措施。静电消尘装置是建立在电除尘和尘源控制方法的基础上，它主要包括高压供电设备和电收尘装置（包括密闭罩和排风管）两部分。湿法消尘是指在工艺允许的条件下，可以采用湿法消尘的措施来达到防尘的目的，在铝镁粉尘湿法消尘工艺中，采用螺旋式喷雾喷头解决了传统喷头易堵塞的问题，提高了粉尘捕集效率。另外，针对目前矿用除尘器存在的低效率、检修工作量大的问题，学者设计了一种PLC（可编程控制器）自动控制的扁布袋除尘系统，提高了除尘效率以及系统可靠性。
e.降尘措施。降尘主要是采用喷雾等方法把已经产生并转为浮游状态的粉尘捕集起来的措施。
f.控制作业场所空气相对湿度。在生产车间内合理有效地布置加湿喷雾装置，可以增加空气相对湿度，从而降低粉尘的分散度，提高粉尘沉降速度，避免粉尘达到爆炸浓度极限。当空气的相对湿度达到65%以上时，可有效促使粉尘沉降，防止形成粉尘云。
g.地面、地沟等其他设置要求。应采用不产生火花的地面材料，若采用绝缘材料作整体面层，应采取防静电措施：散发可燃粉尘、纤维的厂房，其内表面应平整、光滑，并易于清扫：厂房内不宜设置地沟，确需设置时，其盖板应严密，应采取防止可燃气体、可燃蒸气和粉尘等在地沟积聚的有效措施，且应在与相邻厂房连通处采用防火材料密封。
（3）防止粉尘云与粉尘层着火  在防止粉料自燃方面，能自燃的热粉料，储存前应设法冷却到正常储存温度；在大量储存能自燃的散装粉料时，应对粉料温度进行连续监测；当发现温度升高或气体析出时，应采取使粉料冷却的措施；卸料系统应有防止粉料聚集的措施。
（4）消除控制火源  消除控制火源是预防粉尘爆炸的关键步骤。具体到特定的火源，必须根据具体的操作环境进行有针对性的火源预防，这里提出一些具体要求和措施。
a.防止明火与热表面引燃。首先要控制人为点火源，禁止在可燃粉尘场所产生诸如烟头、照明、切割等各类明火。凡是可燃粉尘生产区域，均应列为禁火区，严格控制明火的使用。
若在粉尘爆炸危险场所确需进行明火作业时，应遵守下列规定：由安全负责人批准并取得动火证；明火作业开始前，应清除明火作业场所的可燃粉尘并配备充足的灭火器材；进行明火作业的区段应与其他区段分开或隔开：进行明火作业期间和作业完成后的冷却期间，不应有粉尘进入明火作业场所。
b.防止电弧和电火花。粉尘爆炸危险场所，应采取相应防雷措施。当存在静电危险时，应在现场安装防静电设施，对管道和设备采取静电接地等措施。所有金属设备、装置外壳、金属管道、支架、构件、部件等，一般采用防静电直接接地，不便直接接地的，可通过导静电材料或制品间接接地；直接用于盛装起电粉末的器具、输送粉末的管道（带）等，应采用金属或防静电材料制成，且所有金属管道连接处（如法兰）应进行跨接：操作人员应采取防静电措施。依照《防止静电事故通用导则》标准，对工艺流程中材料的选择、装备安装和防静电设计、操作管理等过程采取相应的预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集。
（5）控制助燃物  这个方面的预防措施主要是采用惰性气体保护。惰性气体保护的原理是在粉尘和空气的混合物中，充入既不燃又不助燃的惰性气体，降低系统中的氧气含量，从而使粉尘爆炸因缺氧而不能发生。工业中通常使用惰性气体如CO2、N2对车间进行惰化。
（6）空间受限  目前解决空间受限问题的主流方法是设置防爆泄压装置。实际经验表明，在设备或厂房的适当部位设置薄弱面（泄压面），借此可以向外排放爆炸初期的压力、火焰、粉尘和产物，从而降低爆炸压力，减小爆炸损失。采用防爆泄压技术，必须十分注意需考虑粉尘爆炸的最大压力和最大升压速度，此外应考虑设备或厂房的容积和结构，以及泄压面的材质、强度、形状及结构等。用作泄压面的设施有爆破板、旁门、合页窗等；泄压面可由金属箔、防水纸、防水布、塑料板、橡胶、石棉板、石膏板等制成。
（7）其他因素  通常来说，粉尘爆炸需具备五个要素：可燃粉尘、粉尘云、引火源、助燃物、空间受限。此外，关于粉尘爆炸还有以下几个重要影响因素，对粉尘爆炸的预防具有重要意义。
a.粉尘爆炸极限。粉尘以一定的浓度悬浮在空气中是发生粉尘爆炸的条件之一，将“一定浓度"量化就是粉尘的爆炸极限。粉尘爆炸极限是粉尘和空气混合物遇火源能发生爆炸的粉尘最低浓度（下限）或最高浓度（上限），一般用单位体积空间内所含的粉尘质量表示。在已知化学粉尘的组成和燃烧热，并做出某些简化假设的情况下，能够计算爆炸极限，但通常采用专门仪器测定。实验表明，许多工业粉尘的爆炸下限为20～60g/m³，爆炸上限为2000~6000g/m³。
b.爆炸最小引爆能。粉尘爆炸的最小引爆能，也可由火花放电能量求得。可燃粉尘触及的火源能量超过其最小引爆能，它就能发生爆炸。所以，控制粉尘的最小引爆能在粉尘爆炸的预防中具有重要意义。
c.粉尘的物理化学性质。含有可燃挥发组分越多的粉尘，爆炸的危险性越大，且其爆炸压力和升压速度越高。因为这类粉尘挥发时释放出较多可燃气，大量的可燃气与空气混合形成爆炸性的混合气，使得体系反应更加容易和猛烈。由于燃烧热高低与粉尘释放可燃气多少有关系，所以燃烧热高的粉尘容易发生爆炸；另外，氧化速度快的粉尘如镁、氧化亚铁、染料等容易发生爆炸，而且最大爆炸压力较大，容易带电的粉尘也容易爆炸。
d.粉尘的粒度。粒度是粉尘爆炸的重要影响因素。粒度越小的粉尘，比表面积越大，在空气中的分散度越大且悬浮的时间越长，吸附氧的活性越强，氧化反应速率越快，因此就越容易发生爆炸，即其最小点火能和爆炸下限越小，而且最大爆炸压力和最大升压速度相应越大。如果粉尘的粒度太大，它就会因此失去爆炸性能。如粒径大于400μm的聚乙烯、面粉及甲基纤维素等粉尘不能发生爆炸，而多数煤尘粒径小于1/15～1/10mm时才具有爆炸能力。在大于爆炸临界粒径的粗粉尘中混入一定量的可爆细粉尘后，它就可能成为可爆混合物。