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可燃粉尘爆炸危险性及预防

  
评论: 更新日期:2010年03月29日

  在容器或建筑物内,散布于空气中的金属粉尘亦可能产生爆炸。2003年10月,一家位于印第安纳州的汽车轮胎制造厂发生一起爆炸事故,CSB亦对此事故进行调查。虽然调查报告并未发布,但CSB的新闻稿报导其事故历程类似于先前所述的有机粉尘爆炸事故:在碎片熔融炉附近发生初次爆炸,而铝粉参与了初次爆炸,随后,集尘设备发生二次爆炸。

  2月28日下午13:03分,台州经济技术开发区一公司抛光车间第2生产线风道内发生爆炸,造成第2生产线以及相邻的左右两条生产线建筑物的同时跨塌,继而引发火灾。事故共造成1人死亡,3人重伤,以及其他建筑物门窗爆裂、隔墙破坏等财产损失。事故发生后,台州市、台州市经济开发区等领导到现场指导事故抢救和善后工作。台州市安监局组成了事故调查组,并了聘请了有关专家对事故原因进行了深入调查分析。经查,本次事故的经过为:抛光作业中的粉尘(主要是铁粉、铝粉)在风道内积聚,设在风道外的抛光机在抛光作业过程(用砂带抛光铁件)产生火星,并通过排风机吸风口将火星带入积聚粉尘的风道内,首先引起风道内蓄积的残留物燃烧,发生小范围火灾,员工立即停机打开风道门灭火,在使用干粉灭火器灭火失败后,有员工用水直接泼向风道内明火处灭火。在大致确认没有明火后将风道门关闭,随后开机作业,瞬间发生强烈爆炸。直接原因为:员工在初期火灾灭火时使用水介质,直接导致风道内的金属粉尘遇水反应产生易燃易爆性气体,同时也促使金属粉末自行发热到足以引起局部燃烧,在已有粉尘云存在的情况下,增加了爆炸危险。最后调查确认事故的原因为风道内悬浮粉尘遇火源发生了粉尘爆炸。铁粉铝粉发生爆炸比较罕见,对此类事故的防范意识也相对薄弱。为了加强此类事故的安全预防,杜绝类似事故的发生,台州市安监局深入调查事故原因,对生产工艺类似的企业均提出整改要求:一是应聘请有资质的专业设计单位进行风道的设计和改造,增加引风和除尘措施,消除粉尘积聚隐患。二是机械和电气设备采用火星屏蔽措施。三是粉尘爆炸环境区域内减少同时作业人员。增加与非防爆区域的隔离,避免事故后果扩大。四是加强全体员工的消防知识和安全生产知识培训;加强专用消防器材的配备或保养;建议进行针对性的消防演习。

  三、粉尘爆炸的内在原因

  处于粉尘状态的物质较之固体状态物质有所不同,尤其是在燃烧特性方面,原来非燃物质可能变为可燃物质,原来是难燃物质可能变成易燃物质,可燃、易燃物可能变为易爆炸物质,而这一变化是由粉尘的特性所决定的。

  (一)粉尘的表面自由能

  对于任何粉尘粒子来讲,其表面分子与内部分子所处的能量状态是不同的。在粉尘粒子内部的分子,因四面八方均具有同类分子包围着,所受周围分子的引力是对称的,可以相互抵消而受力总和为零,它做分子运动(震动)时不需要消耗功,而靠近粒子表面的分子,由于内部密集的同类分子的引力远大于外部其他分子(念气体分子)对它的引力,所以不能相互抵消,这些力的总和垂直于粉尘表面而指向粉尘内部,亦即表面分子受到内向的拉力,表面上的分子总比内部分子具有更高的能量,这种能量叫做表面自由能。

  (二)粉尘的分散度和表面积

  所谓粉尘的分散度就是粉尘按不同粒径(直径)分布的一种形式。其中小粒径粉尘越多,我们就称其分散度大,而分散度的大小又决定着粉尘的表面积,其分散度越大,则表面积越大,表面分子越多,导致表面自由能越大。

  (三)粉尘的吸附性

  其他物质分子在粉尘表面上相对聚集的现象称为粉尘的吸附现象。由于粉尘具有较大的表面及自由能,而物质又具有由高能态向低能态转化的趋势。能态越低越稳定,所以,它对周围分子尤其是快速移动的气体分子具有吸附性。通过吸附其他分子来降低部分表面自由能。

  综上所述,由于粉尘的分散度较大,具有较大的表面积,从而具有较高的表面自由能,使粉尘的状态不稳定,活性增高,在理化性质上表现为粉尘较之原物质具有较小的点火能量和自燃点。(如块状时不能燃烧的铁块,在粉碎成粉尘时,最小点火能量小于100mJ,自燃点小于300℃;煤粉的点火能量小于40mJ)。表面积的增大和吸附特性的存在,使得粉尘与空气中氧分子的接触面增大,增加了反应速度;表面积的增大,还使固体原有的导热能力下降,易使局部温度上升,也有利于反应进行。

  同时,粉尘在扩散作用大于重力作用时具有悬浮状态的稳定性,易与空气形成粉尘云。当各种条件具备时,粉尘就会发生爆炸。

  四、粉尘爆炸的条件

  粉尘的火灾爆炸事故多发生在煤矿、面粉厂、糖厂、纺织厂、硫磺厂、饲料、塑料、金属加工厂及粮库等厂矿企业。这与粉尘爆炸所需条件有关。粉尘爆炸本身是一类特殊的燃烧现象,它也需要可燃物、助燃物和点火源三个条件。

  (一)粉尘本身是可燃粉尘。可燃粉尘分有机粉尘和无机粉尘两类。有机粉尘如面粉、木粉、化学纤维粉尘等,基本是可燃的。而无机粉尘包括金属粉尘和一部分矿物性粉尘(如煤、硫等),也都是可燃粉尘。黄沙和尘土的粉尘也很微小,但由于它们本身不能够燃烧,因此不具危险性。

  (二)粉尘必须悬浮在助燃气体(如空气中),并混合达到粉尘的浓度爆炸极限。粉尘在助燃气体中悬浮是由于粉碎、研磨、输送、通风等机械作用造成的。大粒径的粉尘一般沉降为只有燃烧能力的沉积粉尘,只有小粒径的粉尘才能在助燃气体中悬浮。同时,爆炸粉尘的危险性也用浓度爆炸极限下限来表示,一般是20~60g/m3,低于这个浓度,难以形成持续燃烧,更谈不上爆炸。

  (三)有足以引起粉尘爆炸的点火源。粉尘具有较小的自燃点和最小点火能量,只要外界的能量超过最小点火能量(多数在10mJ~100mJ)或温度超过其自燃点(多数在400℃~500℃),就会爆炸。

  当上述三个条件同时满足时,就可能发生粉尘火灾爆炸事故。

  需指出的是,粉尘极有可能发生破坏性更大的二次爆炸。当粉尘悬浮于含有足以维持燃烧的氧气环境中,并有合适的点火源时,可能发生初次爆炸,并引起周围环境的扰动,使那些沉积在地面、设备上的粉尘弥散而形成粉尘云,遇火源形成灾难性的第二次爆炸;另外第一次爆炸后,在粉尘的爆炸点,由于空气受热膨胀,密度变小,迅速形成爆炸点逆流(俗称“返回风”),遇粉尘云和热能源,也会发生第二次爆炸。

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