鋁粉爆炸解析與預(yù)防

方志勇

（阜新市公安消防支隊，遼寧　阜新）

摘要：在日常生活特別是工業(yè)生產(chǎn)中，粉塵隨處可見，粉塵爆炸的危害觸目驚心。粉塵一旦發(fā)生爆炸，爆炸能量巨大且易引起連續(xù)爆炸，嚴重威脅人身及財產(chǎn)安全。粉塵爆炸的種類較多，鋁粉塵爆炸即為其中的一種。鋁粉又叫“銀”粉，別名鋁銀粉，傳熱性能好。鋁粉的火災(zāi)危險性在于，其粉塵飛揚與空氣混合（達到一定濃度），若遇火星、火花、閃絡(luò)，甚至靜電閃絡(luò)等會發(fā)生爆炸和燃燒。鋁粉爆炸危害性較大，純的鋁粉可以作為火箭發(fā)動機的燃料，因此了解鋁粉爆炸的機理、條件、特點、如何預(yù)防等尤為重要。本文從各方面對鋁粉爆炸進行闡述，旨在讓人們了解其爆炸危害，提高預(yù)防意識，嚴加防范，保證工業(yè)的安全生產(chǎn)，保護人身及財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸；鋁粉塵爆炸；粉塵云；爆炸極限；粒度；濃度

1　引言

近年來，由于經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們在追求利益的同時往往忽視消防安全設(shè)施建設(shè)，因而在經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，安全事故時有發(fā)生。近年來鋁粉爆炸事故頻繁，典型事故有：2011年5月富士康集團鴻富錦成都公司拋光車間發(fā)生鋁粉塵爆炸事故，造成3人死亡，16人受傷；2012年8月溫州市甌海區(qū)一棟民房在生產(chǎn)中發(fā)生鋁粉塵爆炸，導(dǎo)致坍塌并燃燒，造成13人死亡，15人受傷；2014年8月2日7時許，江蘇省昆山市中榮金屬制品有限公司汽車輪轂拋光車間發(fā)生爆炸，造成75人死亡，185人受傷。以上慘痛的事故充分說明了鋁粉塵存在較大的爆炸危險性，因此了解鋁粉塵的爆炸機理、爆炸條件，進而掌握防范措施并進一步預(yù)防尤為重要，只要防范得當，相關(guān)人員足夠重視，就能最大限度減少爆炸事故的發(fā)生。

粉塵爆炸指粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到熱源（明火或高溫熱表面）時，火焰瞬間傳播于整個混合粉塵空間，同時釋放大量的熱，形成很高的溫度和很大的壓力，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為機械功以及光和熱輻射，具有很強的破壞力。

2　鋁粉塵燃燒爆炸機理

鋁粉又叫“銀粉”，別名鋁銀粉，呈銀白色，其傳熱性能好，燃點較低。鋁粉屬于遇濕易燃品，屬危險化學品名錄所列危險化學品^［1］。鋁粉顆粒極其微小，當其懸浮在空氣中時，增大了與空氣的接觸表面，使其化學活性增加，一旦粉塵在空氣中達到一定的量時，遇到著火源，能迅速爆燃，瞬間產(chǎn)生大量的光、熱量和氧化物，使環(huán)境空間內(nèi)氣體、蒸汽等劇烈膨脹，造成爆炸。如果鋁粉過多，局部爆炸后如果防爆設(shè)施不完善，可能導(dǎo)致鋁粉再度揚起，形成二次爆炸，即殉爆。

鋁粉爆炸是一個氣、固二相流連鎖的反應(yīng)，可瞬間產(chǎn)生，其爆炸過程可分為4個階段：①供給粒子表面熱能，使其溫度上升，達到臨界溫度；②粒子表面的分子由于熱分解或干餾作用變?yōu)闅怏w，分布在粒子周圍，形成“靜電云”；③氣體與空氣混合生成爆炸性混合氣體，遇到偶然條件進而發(fā)火，產(chǎn)生火焰；④閃爆性燃燒同時產(chǎn)生巨大的光、熱量以及氣浪沖擊波，加速粉塵飛揚、分解，循環(huán)往復(fù)放出氣相可燃性物質(zhì)再與空氣混合，進一步發(fā)火傳播。

鋁金屬加工成細小的顆粒的粉末后，其總表面積增大，粉末顆粒表面與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的能力更強，蓄積熱量的能力也隨之增大，從而提高了其化學活性。經(jīng)試爆試驗可觀察到：將部分懸浮的粉塵粒加熱，粉粒表面產(chǎn)生可燃性氣體與空氣中的氧混合燃燒，放出的熱量傳導(dǎo)、輻射給附近的粉粒，這些粉塵顆粒受熱汽化，使燃燒循環(huán)持續(xù)進行。隨著每個環(huán)節(jié)的逐次進行，反應(yīng)速度逐漸加快，通過這樣循環(huán)產(chǎn)生的激烈燃燒最后形成爆炸。

3　鋁粉塵爆炸的條件、特點及影響因素

3.1　鋁粉塵爆炸的條件

鋁粉塵發(fā)生爆炸一般需要以下幾個條件。

（1）粉末的粒度應(yīng)足夠小。鋁粉塵屬于可燃粉塵，由于其密度輕、細度小，一旦遇到風吹或氣噴甚至振動極易飛揚在空中，變?yōu)閼腋》蹓m。懸浮在空氣中的粉塵顆粒形成類似于水滴形成的云團，稱為粉塵云。當鋁粉沉降在固體壁面上稱為沉積粉塵。如果粉末粒度大于420μm，就不容易產(chǎn)生粉塵爆炸。粉末粒度越小，每單位質(zhì)量的表面積越大，與氧的接觸面積也就增大，反應(yīng)就越迅速，也就越容易爆炸。不過，還要看粉塵的粒度分布情況，如果懸浮粉塵中能爆炸的細小顆粒部分占全部質(zhì)量的15％以上，則粗大的顆粒也會產(chǎn)生爆炸。但這并不意味著需要整個空間內(nèi)達到臨界條件，局部條件成熟就會產(chǎn)生閃爆繼而擴展為整個區(qū)域內(nèi)的大爆炸。

（2）鋁粉塵達到一定的濃度。鋁粉塵需要達到一定濃度，即在爆炸極限范圍內(nèi)時，才可能發(fā)生爆炸。爆炸極限包括爆炸下限和爆炸上限。粉塵爆炸下限是指在空氣中，遇火源能發(fā)生爆炸的粉塵最低濃度，一般用單位體積內(nèi)所含粉塵質(zhì)量表示，其單位為g/m³。爆炸下限越低，粉塵爆炸危險性越大。鋁粉塵的爆炸下限為50g/m³，起火點溫度為535℃。

（3）有充足的空氣和氧化劑。鋁粉屬于氧化速度快的物質(zhì)，在空氣中就有爆炸的危險。如果鋁粉處于潮濕的環(huán)境中，緩慢的吸收水分，就會發(fā)生化學反應(yīng)，放出氫氣，同時釋放出大量的燃燒熱，具有爆炸的危險。

（4）存在點火源。鋁的燃點是550℃，而鋁粉塵的燃點更低一些，只要有一顆小小的火星濺落都可能引起燃燒。而一般明火如柴火的溫度為400～600℃，火柴的明火溫度可達1200℃，點燃的香煙溫度為600～800℃。此外如電線短路、高溫摩擦、靜電火花等都可引起燃燒爆炸。點火源通常有熱表面和火花兩種：可燃物與足夠熱的表面接觸或靠近就能著火；產(chǎn)生火花的原因可能是電、摩擦、撞擊、熱切割或焊接等。

（5）粉塵處于懸浮狀態(tài)。即粉塵云，且其要處在相對密閉的空間，這樣溫度和壓力可急劇升高，進而產(chǎn)生爆炸。

3.2　鋁粉塵爆炸的特點

鋁粉塵發(fā)生爆炸，具有以下特點。

（1）鋁粉塵爆炸能引起建筑物其他部位的粉塵二次爆炸，而且二次爆炸壓力比上次爆炸壓力大，破壞性更嚴重；導(dǎo)致二次爆炸的主要因素有兩點。一是初次爆炸引起周圍環(huán)境的擾動，使那些沉積在地面、設(shè)備上的粉塵彌散而形成粉塵云，遇火源形成災(zāi)難性的第二次爆炸。二是第一次爆炸后，在粉塵的爆炸點，由于空氣受熱膨脹，密度變小，迅速形成爆炸點逆流（俗稱“返回風”），遇粉塵云和熱能源，也會發(fā)生第二次爆炸。

（2）粉塵爆炸所需的最小點火能量較高，一般在幾十毫焦耳以上。

（3）鋁粉爆炸釋放的能量大，破壞力強。按產(chǎn)生能量的最高值進行比較，鋁粉塵爆炸的能量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。

（4）鋁粉塵燃燒要經(jīng)過加熱熔融、離解、蒸發(fā)等復(fù)雜過程，粉塵從接觸火源到發(fā)生爆炸所需的時間即感應(yīng)期要比氣體爆炸長，達數(shù)十秒。

（5）粉塵爆炸的醞釀期較長，但爆炸及蔓延時間卻極短，因而被稱為“閃爆”，危害加大。

3.3　影響鋁粉塵爆炸的因素

影響鋁粉塵爆炸的因素主要有5個^［2］。

（1）粒度對爆炸的影響。粒度越大，使其開始燃燒所需熱量越大，爆炸危險性越小。粒度越小，與空氣接觸面積越大，使其開始燃燒所需熱量越小，并有利于系統(tǒng)的溫度升高，爆炸的危險性越大。粒度越小，懸浮在空氣中的時間越長，燃燒傳播越容易，發(fā)生爆炸的機會越多。

（2）環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度越高，鋁粉塵的著火溫度就越低。

（3）濃度的影響。濃度越高，越能積蓄熱能，因而著火溫度越低。

（4）與可燃氣體共存對爆炸的影響。一般鋁粉爆炸所需的最小著火能量大致是20～60MJ，鋁粉是二級遇水燃燒物品，一定溫度下與水相遇會發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生可燃氣體氫氣，其化學反應(yīng)方程式如下：。故發(fā)生事故時不能用水滅火。如果鋁粉與氫氣共存，即使后者是少量的，也會使著火所需能量、下限濃度值等降低，從而增加爆炸的可能性。

（5）爆炸時間的影響。鋁粉在危險濃度時，爆炸時間最短。在相同濃度條件下，鋁粉粒度越小，爆炸時間越短。

4　鋁粉塵爆炸的危害

鋁粉塵爆炸會帶來嚴重的后果，具體表現(xiàn)如下。

（1）具有極強的破壞性。火焰溫度高、燃燒速度快、爆炸威力大、輻射熱強。鋁粉塵燃燒時，一般呈綠藍色火焰，放出銀白色強光，爆炸壓力可達6.3kg/cm²，完全可以致房屋倒塌、人員死亡。同時，爆炸時產(chǎn)生高溫火焰及氣浪，對環(huán)境中的人員會產(chǎn)生大面積的燒傷、灼傷，尤其是呼吸道內(nèi)的燒燙傷，這也是事故中人員死亡的主要因素。

（2）容易產(chǎn)生連續(xù)爆炸。鋁粉塵容易產(chǎn)生連續(xù)爆炸，且爆炸危害一次比一次增強，由于爆炸次數(shù)的不可知性，給滅火救援等工作帶來隱患。

（3）嚴重影響人民生命財產(chǎn)安全。鋁粉是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于顏料、油漆、煙花、冶金、汽車、飛機、船舶制造業(yè)。此外，鋁粉在軍事工業(yè)中被廣泛用作固體推進劑、火炸藥與火工藥劑，其生產(chǎn)和存放過程中也可能發(fā)生爆炸。現(xiàn)代工業(yè)中，鋁合金、鋁型材等制品打磨拋光車間比比皆是，一旦發(fā)生爆炸，除給作業(yè)人員帶來人身安全威脅和巨大經(jīng)濟損失外，也給附近居民生活帶來安全影響。

5　預(yù)防鋁粉塵爆炸技術(shù)措施

預(yù)防鋁粉塵爆炸，常用的防護措施有5種^［3-5］。①預(yù)防與控制。對生產(chǎn)加工車間做好預(yù)防措施，規(guī)范合理的控制手段、控制設(shè)施是防止此類事故的前提；對空間合理分區(qū)、智能檢測、控制，將防塵、降塵、排塵有效結(jié)合是預(yù)防爆炸的積極手段。②遏制。在設(shè)計、制造粉體處理設(shè)備的時候采用增加設(shè)備厚度的方法以增大設(shè)備的抗壓強度。③泄放。利用防爆板、防爆門、無焰泄放系統(tǒng)對所保護的設(shè)備在發(fā)生爆炸的時候采取的主動爆破，泄放爆炸壓力的辦法進行泄壓，以達到保護粉體設(shè)備的安全。④抑制。在爆炸現(xiàn)象發(fā)生的初期（初始爆炸）由傳感器及時檢測到，通過在系統(tǒng)設(shè)備中快速噴射抑爆劑，從而避免設(shè)備乃至裝置的二次爆炸。⑤隔離。把有爆炸危險的設(shè)備與相連的設(shè)備隔開，從而避免爆炸的傳播，產(chǎn)生二次爆炸。

對于企業(yè)而言，應(yīng)具體從以下三個方面做好預(yù)防鋁粉塵爆炸工作。

（1）對粉塵的控制。采用封閉性能良好的設(shè)備盡量減少粉塵飛散逸出；用通風排塵、抽風排塵等除塵設(shè)施控制粉塵濃度，防止積塵；使用粉塵收集系統(tǒng)和過濾器等排除粉塵；盡量減少連接管道，管線盡量不要穿越粉塵車間，宜在墻內(nèi)敷設(shè)；車間穿管處應(yīng)密封，地溝、管道設(shè)計應(yīng)為通式，防止積塵二次飛揚；車間各部位應(yīng)平滑、易清掃，盡量避免設(shè)置一些無關(guān)設(shè)施（如窗幕、門簾等）。

（2）控制溫度和點火源。裝置、管道和設(shè)備的受熱表面經(jīng)常是熱源，控制熱表面的溫度尤其重要。在任何情況下，受熱表面的溫度應(yīng)比粉塵層的可燃溫度低5℃；作業(yè)場所采用防爆電機、防爆點燈、防爆開關(guān)等，保證選用符合規(guī)定的電氣設(shè)備；做好設(shè)備接地，避免產(chǎn)生靜電；避免產(chǎn)生機械火花和摩擦，嚴禁用鐵質(zhì)工具敲擊；凡有粉塵沉積的容器要有降溫措施，必要時可充入惰性氣體，以沖淡氧氣的含量；做好人員培訓工作，嚴禁車間使用明火、吸煙等。

（3）其他方面的控制。危險部位安裝火星探測器、自動煙感器、爆炸抑制裝置等；要慎重選擇泄壓孔位置，泄壓閥安裝在遠離粉塵危險的區(qū)域；為保證物料能安全地進行干燥處理，噴霧干燥必須盡可能利用含氧量最低的煙道氣。必要時，可用不燃性氣體或其他氣體將煙道氣稀釋至氧含量達到安全程度時再用；容器或外殼要有足夠強度，能夠承受粉塵點燃時產(chǎn)生最大爆炸壓力，使爆炸發(fā)生在空腔內(nèi)。

參考文獻

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