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粉塵爆炸火災的特點及防范措施

來源:中國安全生產協會 , 發布日期:2019-05-27 , 點擊數:1855
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1 引言

  被破碎成細小顆粒的固體物質稱作粉塵。固體物質被粉碎成粉塵以后,其燃燒特性有了很大變化。原來是不燃物質可能變成可燃物質,原來是難燃物質可能變成易燃物質,在一定條件下就可能發生爆炸。粉塵爆炸是工業企業防火工作中不可忽視的重要問題,我國幾乎每年都有粉塵爆炸的事故發生,而且還常常引發重大、特別重大火災。在這些火災中,最嚴重的是鋁粉塵爆炸;其它發生爆炸事故較多的粉塵還有煤粉、飼料粉、塑料粉、鈦酸酐粉、木粉等。

  在現代企業生產中,設備在不斷地更新,對粉塵爆炸控制的措施也在不斷地加強,但粉塵爆炸事故仍有上升的趨勢。主要是因為:能產生爆炸危險的粉狀固體物料處理量的大量化,隨著技術和工藝的不斷發展出現一些新的可燃粉塵物質,以及粉塵的燃燒特性、工藝操作特性等因素所造成的。粉塵爆炸不僅多發于石油、化工、冶金、機械、輕紡等工業企業,煤炭企業、食品加工企業中也較為常見。因此掌握粉塵爆炸火災的特點和處置對策對于消防部隊來說具有十分重要的現實意義。

  2 粉塵發生爆炸的條件

  粉塵爆炸前沒有任何征兆,其后果卻會使建筑毀于一旦。而能導致粉塵爆炸的情況很多,從農產品的加工、儲存和運輸以及工業廢物的產生,到藥物、食品、有機、無機物的生產等眾多的工業生產過程中,粉塵的爆炸時有發生,危害性極大。粉塵包括的范圍很廣,但并不是隨時隨地都能爆炸,要發生粉塵爆炸必須具備幾個條件。

  粉塵本身必須是可燃的。可燃粉塵包括有機粉塵和無機粉塵,有機粉塵受熱后發生分解,放出可燃氣,并留下可燃的碳。無機粉塵如金屬粉,雖不會熱分解出可燃氣,但能熔融蒸發出可燃蒸氣進行燃燒,有些金屬顆粒本身能進行氣、固兩相燃燒。

  粉塵粒子必須具有合適的粒徑和分布狀態。粉塵能否懸浮在空氣中關鍵在干粉塵的粒徑。大的顆粒難以懸浮,即使懸浮在空中也會很快沉積下來。粒徑越少,其擴散作用大于重力作用,粉塵易形成爆炸層云,再加上粒子周圍有足夠的助燃空氣,粒子才易燃燒。粉塵粒子濃度太小,燃燒放熱太少,難以形成持續燃燒,不會發生爆炸;濃度太大,混合物中氧氣濃度太少,也不會產生爆炸。

  引燃源。引燃源是粉塵爆炸的另一個必備條件,象電弧、火焰、火花和機械碰撞等。粉塵燃燒需首先加熱,或熔融蒸發,或熱分解出可燃氣體,因此需要較多的熱量。粉塵爆炸的最小起爆能量要達到10mJ以上,為氣體爆炸的近百倍。

  3 粉塵爆炸火災的特點

  粉塵爆炸起爆能量大,約數10mJ至數100mJ

  粉塵的燃燒速度比氣體的要小,由于其燃燒時間長及產生的能量大,所以造成的破壞及燒毀的程度嚴重得多。這是因為粉塵中的碳、氫含量高,即可燃物含量多。如果按產生能量的最高值進行比較,粉塵爆炸是氣體爆炸的好幾倍,溫度可達2000—3000℃以上,最大爆炸壓力為345—690kPa

  粉塵燃燒要經過加熱熔融、離解、蒸發等復雜過程,粉塵從接觸火源到發生爆炸所需的時間即感應期要比氣體爆炸長,達數十秒。粉塵爆炸感應期長使得有可能探測爆炸的苗頭。

  粉塵爆炸能引起建筑物其它部位的粉塵再次爆炸。第一次爆炸所揚起的沉積粉塵,其濃度往往比第一次爆炸時的粉塵濃度還要大,再加上粉塵爆炸中心空氣受熱膨脹,密度變稀,經過一個極短時間后形成負壓區,新鮮空氣向爆炸中心逆流,與新揚起的粉塵重新組成爆炸性粉塵而發生第二次爆炸。而且第二次爆炸壓力比第一次爆炸壓力大,破壞性更嚴重。

  粉塵爆炸由于時間短,容易引起不完全燃燒,燃燒產物中含有大量一氧化碳,容易使人員中毒,因此粉塵爆炸毒性比較大。

  4 粉塵爆炸的火災危險性及其爆炸的過程

  粉塵爆炸的火災危險。粉塵爆炸的火災危險主要是由粉塵的燃燒特性和操作特點所決定的。可燃粉塵具有燃燒的特性,也具有爆炸的特性,粉塵的燃燒主要取決于粉塵的干燥程度和粒度大小兩個因素,粉塵越干燥、粒度越小,則越容易產生燃燒和爆炸。例如沉積在加熱表面上的粉塵,由于高溫作用,經過一段時間后會發生陰燃,而且最易發生陰燃的粉塵層厚為10-20mm,沉積的陰燃粉塵甚至在極輕微的震動下也能引起著火和爆炸。某些可燃粉塵在沉積狀態下具有自燃的特性是由于某些物質在微粒粉碎狀態下與空氣接觸時會吸附氧,并在一定條件下其粉層內溫度上升,當熱量不能充分散發時,溫度即可繼續升高而引起自燃。粉塵的自燃性不僅取決于粉層的厚度、氣流方向及其風力、空氣溫度,而且還與粉塵顆粒的細度和結構、細孔的內外表面積等因素有關。各種不同的混雜物能對粉塵的自燃性產生極大的影響。例如,含油和含脂物質的摻合料,就能促進粉塵的自燃。

  粉塵爆炸的過程。粉塵的爆炸可視為由以下三步發展形成的:第一步是懸浮的粉塵在熱源作用下迅速地干餾或氣化而產生出可燃氣體;第二步是可燃氣體與空氣混合而燃燒;第三步是粉塵燃燒放出的熱量,以熱傳導和火焰輻射的方式傳給附近懸浮的或被吹揚起來的粉塵,這些粉塵受熱汽化后使燃燒循環地進行下去。隨著每個循環的逐次進行,其反應速度逐漸加快,通過劇烈的燃燒,最后形成爆炸。這種爆炸反應以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸壓力等將持續加快和升高,并呈跳躍式的發展。

  5 預防粉塵爆炸的對策

  不言而喻,預防粉塵爆炸的主要對策首先應該是排除形成粉塵-空氣爆炸性混合物的可能性和杜絕火源。裝置、管道和設備的受熱表面經常是燃燒的點火源,因此設備的表面溫度不允許過高。任何條件下,設備的表面溫度都應稍低于粉塵層的陰燃溫度。另處,可燃粉塵在破碎機、粉碎設備、風管和其它帶攪拌裝置的設備中,經常因打出的火花而引爆,因而上述設備的零件必須用不產生火花的材料制造。

  防止粉塵沉積和及時清理粉塵。對于處理粉料的設備或場所,要防止泄漏而使粉塵到處飛揚,尤其應將易于產生粉塵的設備隔離設置在單獨房間內,并設專門的保護罩和局部排風罩或考慮吸塵裝置。此外,要及時清理沉積于廠房內各角落、設備、電纜和管道上的粉塵。一般說來,這是一項技術上困難,并非經常能夠順利解決。清理前必須濕潤粉塵,遇有不能用水濕潤的粉塵,應該用機械除塵法,例如用抽氣法定期清除粉塵,保持操作環境的清潔。當然,從改進設備和生產工藝入手,消除和減少粉塵向廠房內擴散是最根本的措施。

  加強管理,消除粉塵爆炸的點火源。由前述分析可知,粉塵爆炸的點火源有多種,必須根據操作環境可能出現的點火源種類進行針對性預防。例如,面粉加工廠的磨面機中混入金屬或砂石碎塊,就會打出火花而造成粉塵爆炸,為此,在凈麥等前處理工序就應加強操作管理,避免能造成點火源的金屬等硬物混入磨面工序,尤其要注意磁鐵失效問題。

  避免設備中粉塵爆炸。對于設備內極易形成粉塵-氣體爆炸混合物的操作,在設備中充入惰性介質、降低系統中的氧含量是目前防止設備爆炸的唯一可靠方法。在這種情況下,粉塵-空氣混合物中的氧含量會減少至火焰不能傳播的數值。惰性介質可以采用氮氣、二氧化碳、煙道氣和用惰性氣體稀釋到必要最低含氧量的空氣或其它工業廢氣以及惰性粉塵等。

  6 粉塵爆炸火災的撲救措施

  撲救粉塵爆炸事故的有效滅火劑是水,尤以霧狀水為佳。它既可以熄滅燃燒,又可濕潤未燃粉塵,驅散和消除懸浮粉塵,降低空氣濃度,但忌用直流噴射的水和泡沫,也不宜用有沖擊力的干粉、二氧化碳、1211滅火劑,防止沉積粉塵因受沖擊而懸浮引起二次爆炸。

  對一些金屬粉塵(忌水物質)如鋁、鎂粉等,遇水反應,會使燃燒更劇烈,因此禁止用水撲救。可以用干沙、石灰等(不可沖擊);堆積的粉塵如面粉、棉麻粉等,明火熄滅后內部可能還陰燃,也因引起足夠重視;對于面積大、距離長的車間的粉塵火災,要注意采取有效的分割措施,防止火勢沿沉積粉塵蔓延或引發連鎖爆炸。

  7 可燃粉塵爆炸案例分析

  案例一:19992月,美國麻薩諸塞州的某鑄造廠發生一起火災爆炸案。美國職業安全衛生署(OSHA)與州及當地政府對此次事故直行聯合調查。聯合調查報告指出,火災起因于未知點火源引燃殼模鑄造機(shell molding machine),再借由灌入鑄造造機而形成大量沉積的酚醛樹酯粉塵原料蔓延至通風系統的導管。小型的初始爆燃(deflagration)先于導管內發生,并使粉塵在導管外開始沉降。接踵而至的粉塵氣云成為了二次爆炸所需的燃料,而二次爆炸的威力足以掀起屋頂并造成墻壁損毀。聯合調查報告中所列的事故原因,包括下列缺失項目:控制粉塵累積方面管理不善;通風系統設計存在缺陷;火爐的維護不善;設備缺乏有效的安全裝置。

  案例二:20031月,美國北卡羅來納州的某制藥廠發生一起火災爆炸案。破壞力極大的火災爆炸毀壞一家位于北卡羅來納州以生產合成橡膠制藥物傳遞元件的制藥廠,造成6名員工死亡,38名人員受傷,其中包括2名消防隊員。美國化學安全與危害調查委員會(U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB),其為獨立的聯邦機構并負責調查化學品事故,公布最終報告,結論為可燃性聚乙烯粉塵的累積于天花板上而引起爆炸。CSB并沒有確定是何種原因引燃初始火災,或粉塵是如何在隱蔽的天花板空間內散布而產生爆炸性氣云。爆炸嚴重毀損此座工廠,造成附近工廠輕微損害。CSB指出事故原因,包括下列缺失項目:沒有進行危險評估;對危害認識不足;工程管理不善。

  8 結束語

  掌握了粉塵爆炸的基理,就可據以采取相應的安全措施,如密閉設備,通風除塵,抽風吸塵、潤濕降塵、清掃積塵、控制電源,清除靜電隔絕火源等。在撲救粉塵的火災中,應注意不要使沉積粉塵飛揚起來,最好采用噴霧水流,以防發生二次爆炸。

  隨著經濟的發展,塑料、有機合成、粉末冶金及糧食加工等工業也不斷發展。粉塵的種類和用量急驟增加,加之操作工藝的自動化、連續性,粉塵爆炸的潛在危險性大大增加,預防粉塵爆炸有較高的現實意義。因此在生產過程中要嚴格執行國家的技術規范和操作規程,落實各項安全規章制度,避免粉塵爆炸事故的發生。為有效防止粉塵爆炸事故的發生,生產可燃粉塵的工廠或車間的建設和管理及操作,要嚴格按照國家標準GB 15577—1995《粉塵防爆安全規程》執行。

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