粉尘爆炸浅析及安全措施

石丰（阿科玛（中国）投资有限公司上海分公司，上海200072）

1 事故回顾

2008 年2 月7 日，位于美国佐治亚州的帝国制糖厂发生的粉尘爆炸事故，造成14 死、36 伤，包装厂房全部毁坏。从美国化工安全和危害调查委员会（CSB）公布的调查报告总结有几个事发原因。首先糖粉在输送和包装过程中大量泄漏并聚集在工作区域的地板，设备及管道表面。再由于未对糖粉输送带加封闭的变更作变更管理，缺少风险管理，而使糖粉聚集在封闭空间达到爆炸极限，遇到点火源（可能是过热的输送转动设备）而产生爆炸。最后糖厂的管理层对糖粉的爆炸危险的风险认识不足，对过去糖厂发生的小的着火事故没有引起重视，对国家发布的粉尘爆炸的相关标准和建议没有遵循和采纳，同时也麻痹大意过于乐观，最后造成美国数十年最致命的工业粉尘爆炸事故。

2010年2月24 日，河北省秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司淀粉4号车间发生爆炸事故，造成19人死亡49人受伤，事故原因是车间粉尘爆炸所致。事故起因是第四车间的振动筛堵塞，是维修过程中中发生粉尘爆炸。事故调查显示由于振动筛和周围平台积累大量的粉尘，在维修前的平台清理中在振动筛周围产生了粉尘云，在维修中使用了铁质工具，在与振动筛和平台接触中产生火花而点燃了周围的粉尘云引起粉尘初次爆炸，初次粉尘爆炸又扬起整个4号车间地面、平台和设备管道表面积累的大量粉尘而形成二次粉尘爆炸的巨大粉尘云，并且初次爆炸提供点燃能量足够点燃二次粉尘爆炸的粉尘云。

2014 年8 月2 日，江苏省苏州市昆山市中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，共造成146人死亡，114人受伤。直接经济损失3.51亿元。根据事故调查报告，车间除尘过滤器及风管内大量粉尘聚集，并且整个车间内由于工位顶部没有按规定设计独立的吸尘设施，车间内也积累了大量的粉尘。大量堆积的金属粉尘与潮湿的空气发生放热的化学反应，热量慢慢积累最后达到金属粉尘的自然温度。同时除尘器的损坏，车间内通风不畅并且车间内窗户不准打开，形成了一个密闭环境。公司管理层对粉尘爆炸不够重视，存在侥幸心理，对过去发生的小火灾事故没有引起警觉，才酿成如此灾难性的事故。

2 粉尘爆炸机理

粉尘爆炸和可燃气体蒸汽爆炸一样都需要五要素：粉尘本身有可爆性并且粉尘浓度到达其爆炸下限；足够的氧气浓度；可够点燃粉尘的能量；粉尘云的扩散性（扰动）；受限空间。

粉尘的特征参数是粒径和其最小点燃能量，同一种粉尘粒径越小，最小点燃能量越低，越容易被点燃。粒径在500μm 以内的可爆性粉尘都需要考虑粉尘爆炸的风险，但也要注意粒径＞500μm 的粉尘，如果在运输、输送等过程可能摩擦产生小粒径的粉尘，也需要考虑粉尘爆炸的风险。最小点燃能量（MIE）是粉尘被点燃的最小能量，一般认为MIE＞1焦耳（J）的粉尘不容易被点燃，MIE＜30毫焦（mJ）的粉尘极易被点燃。

粉尘形式分粉尘层和粉尘云两种。粉尘层在一定厚度的自然温度是限制工厂车间内设备和管道的表面温度上限，一般保留一定的安全余量（75℃）。粉尘云则需要考虑粉尘云的浓度是否达到粉尘燃烧爆炸的最低浓度，同时粉尘也有最高可燃浓度，但因为粉尘的分散很难是均相分布，所以一般不考虑粉尘的最高可燃浓度。如果是一个完全密闭的环境，可以考虑氧含量，一般粉尘爆炸的最低氧含量不低于8%，也就是说如果使用钝化处理把系统的氧浓度控制在其最低氧含量一下，也是一个粉尘爆炸的预防措施。同时粉尘云和粉尘层一样需要考虑其自然温度，周围装置的接触温度不得高于其自然温度，并且保留一定的安全余量（粉尘云自然温度的2∕3）。最后粉尘层和粉尘云里提到的粉尘厚度和粉尘云浓度是关键，这也就是所在车间内和设备内外尽量做好清洁，避免粉尘的聚集和积累。

点火源除了达到其自然温度外还有静电、动火作业的开放火焰或火花、机械摩擦产生静电或火花、化学反应等放热反应提供的热源等。

3 粉尘爆炸危害的识别

粉尘爆炸的机理介绍了粉尘层和粉尘云两种粉尘分散型式，粉尘层型式相对比较安全，但粉尘层很容易转化为粉尘云，例如上面的事故回顾可以看出粉尘爆炸有个特点，就是粉尘云的初次爆炸会引发周围原本是粉尘层形成粉尘云并点燃而产生影响非常大、后果严重的二次爆炸。并且少量的粉尘层就可以形成相当体积的粉尘云，而形成巨大的粉尘云爆炸。

粉尘爆炸的严重性可以用两个参数来表达，一个是爆燃指数Kst，表征粉尘爆炸泄放参数。二是最大爆炸压力Pmax，表示容器内粉尘爆炸产生的最大压力，粉尘爆炸产生的最大压力一般＜10公斤（Bar）。

4 粉尘爆炸的安全保护措施

安全措施分预防措施和控制措施。预防措施主要从限制粉尘爆炸的五要素出发，限制粉尘浓度在爆炸极限下，包括保持车间清洁防止粉尘层的积累、保持车间的良好通风、避免粉尘云在密闭空间的聚积。在容器内钝化限制氧浓度确保系统内氧气浓度低于粉尘爆炸的最低氧浓度。消除点火源，禁止粉尘爆炸区动火作业，防爆区使用防爆电器，采用工程措施和管理措施消除静电等。控制措施有抑爆、隔爆和泄爆等减缓措施。

4.1 粉尘爆炸区域

存在粉尘爆炸的建筑物结构和布局需要遵循《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）[1]，不应设置在公共区域或居民生活区。建筑结构需要满足粉尘爆炸风险的预防和控制要求。

存在粉尘爆炸风险的车间内需要划定粉尘防爆区，遵循《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB 50058-2014）[2]。按粉尘爆炸环境存在的可能性分20、21和22区三个等级，不同粉尘防爆区的电器设备要求不一样。

4.2 粉尘浓度的限制

车间时刻保持清洁，尽量减少开口式作业以及工程措施减少粉尘泄漏的可能。有粉尘的泄漏应立刻进行安全清理，避免粉尘的积累。车间保持良好的通风。

存在粉尘爆炸的容器和管道内都应设置良好的抽风系统，并且粉尘尾气系统设置有效安全的粉尘过滤系统，减少粉尘外排。

存在粉尘爆炸的容器、粉尘传输系统、过滤系统和存储装置可以设置氮气钝化，控制氧含量在粉尘爆炸所需的最低氧浓度，一般粉尘的最低氧浓度（LOC）在8%以上。

4.3 消除点火源

点火源可能来源于电器设备、动火作业、转动设备、等。电器设备需严格遵循国家标准和行业标准。严格管理工厂作业，严谨粉尘防爆区实施动火作业。采取工程措施等避免转动设备、热表面和反应热点燃粉尘。对于静电的防护比较复杂，要从限制静电的产生、避免静电的积累和疏导静电的释放三个方面管理。限制静电的产生，如限制物料的流速，避免喷洒，减缓输送、转动、筛分和震动装置。避免静电的积累和疏导静电的释放，做好存在粉尘爆炸的区域所有设备设施的静电接地和跨接，管理限制人员的走动。避免使用非导电设备，尽量使用导电性能良好的化学介质或添加导电剂而增加化学介质的导电性。

4.4 控制措施

控制措施有抗爆、抑爆、隔爆和泄爆等减缓措施。抗爆就是设备管道及其连接处能承受粉尘爆炸可能产生的最大压力。抑爆就是在设备或管道上安装抑制粉尘爆炸的系统，在系统粉尘点燃引爆的第一时间监测到并瞬间喷洒抑制剂或消防灭火介质，将粉尘爆炸扼杀在最初阶段。隔爆即在设备或管道上安装隔爆设施，如隔爆阀、隔爆片等。泄爆是最常见的粉尘爆炸减缓措施，在设备或管道上安装泄爆片，如爆破片、泄爆门等。

5 结语

综上所述，从粉尘爆炸事故回顾到粉尘爆炸机理的介绍再到粉尘爆炸的风险分析，系统介绍了粉尘爆炸风险的识别，同时借鉴相关规范，针对粉尘爆炸风险提出了安全措施的建议，从风险的预防和控制减缓两个方面介绍安全措施。当然粉尘爆炸是一项复杂的课题，不管从设计还是运营管理都提出了要求，需要不断深入认识而改进。