粉尘爆炸特征和预防措施探讨

粉尘爆炸特征和预防措施探讨

张亚州

伊尔庚（上海）环境科技有限公司 上海市 200441 

摘要：近年来随着粉尘工业的快速发展，粉尘爆炸事件多发。本文从粉尘的定义、机理、条件以及特点等方面，分析了粉尘爆炸的基本特征、粉尘爆炸的模式及粉尘事故发生的主要因素，其中包括粉尘的状态、自身的可燃性以及所处的环境；文中列举了粉尘爆炸的预防措施，如减少粉尘暴露、从助燃剂方面进行预防、从可燃物方面进行预防、控制和杜绝点火源等四个方面，旨在对今后粉尘工业的生产有一定的指导作用和参考价值。

关键词：粉尘；爆炸；预防措施

引言

近代工业包括有机合成和粉末冶金等原料大都使用粉体，粉料的种类多，使得用量也会增多^[1]。工业上针对粉尘爆炸预防手段报道很少，针对粉体加工和储存的管理很混乱。粉尘爆炸的破坏性极强，通常会引起重大人员伤亡和巨大的经济损失。目前国内外预防粉尘爆炸的手段主要有减少粉尘暴露、控制和杜绝点火源等，许多专家学者对粉尘爆炸问题进行了分析与调查，并且有了许多研究成果，为粉尘爆炸的进一步研究打好基础。为了保证安全，必须对粉尘爆炸的机制、模式进行研究，分析爆炸预防措施，可以指导今后的安全生产，预防爆炸事故的发生^[2]。

1粉尘爆炸的基本特征

1.1粉尘爆炸的定义

粉尘爆炸即可燃物固体微粒悬浮在空气里，如果达到一定的浓度，由于火源点燃造成的爆炸^[3]。

1.2粉尘爆炸的机理

粉尘爆炸作为一种连锁反应，粉尘粒子的表面经过热辐射或者热传导在点火源处拥有能量，造成温度加速增加，加速粉尘粒子蒸发或者分解，生成分解气体或者粉尘蒸汽^[4]。这些气体和空气接触，发生点火。粉尘从自身表面开始气化和熔融，一直到内部，伴有小火花，也是周围粉尘的点火源，进而增加爆炸空间。

1.3粉尘爆炸的条件

粉尘爆炸的条件主要有以下五点^[5]：

（1）粉尘浓度达到标准。粉尘浓度的含义为单位体积内粉尘粒子的质量，其单位为g/m³，一旦浓度低，使得粉尘粒子间距很大，会产生火焰传播问题。

（2）氧含量充足。充足的氧气含量是粉尘可以充分燃烧的基础。

（3）点火源充足。粉尘爆炸需要的最低点火能量高于气体爆炸的2个数量级。

（4）粉尘需要处在粉尘云状态，加快反应速度。

（5）粉尘云应在密闭的场所，从而使温度快速增加，最后爆炸。

1.4粉尘爆炸的特点

粉尘爆炸总结起来主要有以下四个特点^[6]：

（1）粉尘爆炸的速度和压力较小，然而燃烧时间久，发出能量极大，因此燃烧和破坏现象严重。

（2）爆炸发生的时候，燃烧粒子会飞出，一旦落在人或者可燃物上，会导致可燃物在局部发生碳化反应，人身体的局部位置会烧伤。

（3）爆炸过程产生的冲击，使得地面和其他物体表面的粉尘被吹起，悬浮在空中引发二次爆炸。

（4）粉尘爆炸的不完全燃烧，气体中含有很多CO气体，因此造成工作人员中毒。

2粉尘爆炸的模式

2.1粉尘事故的统计分析

20世纪80年代，随着我国经济的复苏和发展，粉尘爆炸事故增加^[7]。

粉尘爆炸后涉及的物质包括金属、无机物、纤维等。主要爆炸事故和人员伤亡情况见表1：

表1主要爆炸事故和人员伤亡情况

从表1可以看出，不管是从死伤人数还是发生的次数来看，应该对物料进行严格控制，依据危险性程度进行排序为：金属、农产品、有机物化学药品、合成物、无机物、纤维类和煤，粉尘点火作为爆炸的必要条件，对火源进行认真分析对爆炸的控制有重要意义。

2.2粉尘事故的影响因素分析

对各种点火源造成的爆炸进行分析，主要包括人为原因、物质原因和管理失误等三个原因^[8]。其中人文原因是重要因素，主要违反了劳动纪律和操作章程，占比66.36%；物质原因主要包括设备、附件、设施和工具等存在缺陷，个人防护用品有缺陷，工作环境和通道状况差，光线不良，缺少保险、信号和防护等设施，占比25.67%；管理失误占比最小，为7.91%。

2.2.1粉尘状态是重要因素

粉尘的状态主要有颗粒分布、粒子带电、粒子大小、传热情况和热状况等。通过状态看出燃烧的难易程度，比热情况能看出粉尘是否能够阴燃或是自燃，最后导致发生爆炸。

2.2.2粉尘本身的可燃性是决定性因素

物料受热会生成可燃性物体，达到一定的燃烧速度就会爆炸。比如铝粉、铝青铜等，在氧气含量很低的环境中也可以燃烧，处在悬浮的状态就会爆炸。表示粉尘可燃性的一些指标包括：最小点火能、最小点火温度和助燃剂含量等。

2.2.3粉尘所在的环境是重要因素

粉尘所处的环境指的是大气温度、不可燃和可燃气体的浓度、粉尘湍动、大气湿度和点火源的状态等。粉尘湍流的速度越快，越容易着火，可燃性气体浓度越大，越容易爆炸，大气温度升高，能够令不具燃爆性质的粉尘具备可燃性，点火源的能量越大，粉尘越容易被点燃。

3粉尘爆炸的预防措施

3.1减少粉尘暴露

粉尘爆炸必须有氧化剂，大气和粉尘混合之后越容易爆炸，减少粉尘暴露是最先应该考虑的做法^[9]。减少粉尘暴露主要有以下两种方式：清理作用场所。沉积粉尘的存在加重了爆炸风险，粉尘容易趁机在角落、设备和地面上，管道中也有沉积的灰尘。比如，煤矿里应该经常清理沉积的煤粉，就很难出现着火这样的情况。

3.2从助燃剂方面进行预防

这个方法主要使用惰性气体进行保护，惰性气体的加入，可以减少氧气含量，使得粉尘爆炸不会发生。惰化有压力惰化^[11]和真空惰化^[10]等方式：

（1）真空惰化

在容器之中，真空惰化最为普遍，容器的尺寸已知，初始氧气浓度为y₀，惰化后的氧气浓度为y_i。假设容器最开始压力是P_H，采用P_L的真空装置来实行真空惰化。

每次把氧气浓度降低至期望的大小时，需要进行惰化，j次惰化循环之后的浓度是：

（1）

式中的y_j为第j次真空惰化之后的氧气浓度，y_o为初始的氧气浓度，n_L真空时的总摩尔数，n_H为大气中的总摩尔数，P_H为高压，P_L为低压。

j次循环之后，总摩尔数为：

（2）

式中的得特n为j次循环需要的总摩尔数，V为理想气体体积，Rg为气体常数，T为压强。

（2）压力惰化

容器经过增添带压的惰性气体实现压力惰化。压力惰化呈楼梯式，经过见图2。容器内初始压力是P_L，利用P_H的惰性气体加压。明确浓度降至需要的浓度需要的压力惰化循环次数。

计算最初摩尔比，即在第一次加压过后的氧气浓度，用y₀表示：

（3）

式中的P₀为大气压，P_H为容器处在的高压位置。

和真空惰化相比，压力惰化优势为循环时间少，需要更多的惰性气体，所以需要依照性能和成本选取最合适的惰化过程。

3.3从可燃物方面进行预防

实际生产中，粉尘爆炸不会达到最大限度，所以，对粉尘爆炸不具备真实意义，所以经常使用下限来评价爆炸的危险性。

3.4控制和杜绝点火源

严密把控点火源能够防止粉尘爆炸，在工作场所必须要控制明火，加热器械和物料区保持一定的距离，维修和安装设备以前，打扫旁边的沉积物料，加工车间，减少照明和取暖的相关设备，车辆进入车间必须带着防火罩。对于一些难以发现的点火源造成的粉尘爆炸，车间中对电器使用应该按照有关规定执行。会产生化学反应和自燃的物料包括金属粉、煤粉、磷粉、木粉和硫粉等。对这些物料依据有关规定进行使用。

总结

本论文对粉尘爆炸的特征和预防措施进行探讨， 对安全生产起到了一定的指导作用。除了采取有针对的防爆措施，我们还应该明白下面一些问题：

（1）清楚粉尘爆炸的危害，增加安全教育管理；

（2）爆炸一旦发生，尽可能减少经济损失，保证人员安全。

参考文献：

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[10]任一丹, 刘龙, 袁旌杰, et al. 粉尘爆炸中惰性介质抑制机理及协同作用[J]. 消防科学与技术, 2015(2).

[11]陈爱平. 几种实用条件下的可燃粉尘爆炸性能研究[J]. 武警学院学报(1期):13-16.

作者简介：张亚州（1990-03），男，汉族，籍贯：江苏省连云港市，当前职务：技术总监，学历：大专，研究方向：大气治理

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