粉尘是指在空气中依靠自身重量可沉淀下来,但也可持续悬浮在空气中一段时间的固体微小颗粒。粉尘有多种多样的性质,按不同的物性可分为:吸湿性粉尘、不吸湿性粉尘;不粘尘、微粘尘、中粘尘、高粘尘;可燃尘、不燃尘;高比电阻尘、一般比电阻尘、导电性尘;可溶性粉尘、不溶性粉尘。与空气混合后可能燃烧或闷燃的是可燃性粉尘,可燃性粉尘又分为导电性粉尘和非导电性粉尘。以下所讲的均为可燃性粉尘。
一、可燃性粉尘的行业分布
在矿山开采、粉末冶金、粮食加工、食品生产、高分子塑料工业、合成染料和涂料,新型洗涤剂、农药和药品制造业以及植物纤维纺织工艺等普遍存在着粉尘爆炸的危险。
随着生产技术向均质化、流态化发展,出现可燃性粉尘的行业越来越多。如:金属:镁粉、铝粉、锌粉;碳素:活性炭、电炭、煤粉;粮食:面粉、淀粉、玉米面;饲料:鱼粉;农产品:棉花、亚麻、烟草、糖;林产品:木粉、纸粉;合成材料:塑料、染料等。
二、可燃性粉尘爆炸概念和原理
1.粉尘爆炸。悬浮在空气中的可燃性粉尘(又称之为爆炸性粉尘),当达到爆炸下限以上,遇点火源瞬间发生燃烧,产生高温致使有限空间内燃烧后产生的混合气体迅速膨胀、压力增大,产生声响的过程。
2.粉尘爆炸的化学反应原理。细小的、悬浮在空气中的可燃性粉尘,是反应(迅速燃烧)的还原剂、而空气中的氧气是反应中的氧化剂,爆炸过程释放大量热量,产生热波、产生破坏力。粉尘爆炸实际上是一种特殊的氧化还原化学反应。爆炸发生后,有机化合物生成了稳定的二氧化碳和水;金属粉尘爆炸后则生成了高化合价的氧化物,如铝粉(Al)爆炸后,生成三氧化二铝并释放出大量的热量。
三、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。
1.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。
2.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。粉尘越细(粒度越小),越易发生爆炸,一般当可燃粉尘的粒度大于um后,即使采用强点火源,也不能使粉尘发生爆炸,但如果在这类粗粉中混入5~10%的细粉,就足以变成可爆混合物。
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。如铝粉尘爆炸下限为40g/m3,煤粉尘爆炸下限为44~59mg/m3。
3.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-mJ)或温度超过其自燃点(多数在℃-℃),就会爆炸。如铝粉自燃温度℃,镁粉的引燃温度℃。
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。
四、可燃性粉尘爆炸的特点
1.必须有足够数量的尘粒飞扬在空气中才有可能发生粉尘爆炸。尘粒飞扬与颗粒大小及气体扰动速度有关。直径小于10μm的颗粒才能在运动气流中长时间悬浮,形成爆炸尘云。更大的颗粒扬起后,只能在空间短暂停留,随后很快沉降。
2.粉尘爆炸有产生二次爆炸的可能性。静止堆积的粉尘被风吹起,悬浮在空气中,如果遇点火源就会发生爆炸。爆炸产生的冲击波又使其它堆积的粉尘悬浮在空气中,而飞散的火花和辐射热成为点火源,引起第二次爆炸。最后整个粉尘存放场所都受到爆炸破坏。这种连续爆炸会造成极严重的破坏。
3.发生粉尘爆炸的时候,会有燃烧的粒子飞散,如果飞到可燃物或人体上,会使可燃物局部严重碳化或人体严重烧伤。
从这次江苏昆山中荣金属制品公司的爆炸可以看出,细末粉尘沉积在员工的工作服上,洗都洗不掉,遇到爆燃后,职工衣服很快引燃,看到伤亡者出来都是赤身裸体。
4.粉尘爆炸的起始能量大,达10mJ的量级,为气体的近百倍。粉尘的燃烧速度和爆炸压力虽然比气体小,但因燃烧的时间长,产生的能量大,所以产生破坏和烧毁的程度要大得多。
5.与气体相比,粉尘爆炸容易引起不完全燃烧,因而在生成气体中有大量的一氧化碳存在。此外,有些爆炸性粉尘(如塑料)自身分解出毒性气体。所以在粉尘燃烧、爆炸后,容易产生中毒身亡。煤矿因煤粉爆炸而死亡的人员中,有一大半是因为CO中毒死去的。
预防粉尘爆炸事故对策措施根据粉尘爆炸的机理、条件和特点,预防粉尘爆炸应采用以下措施。
一、技术预防措施
1.厂房位置和朝向的选择
①产尘车间在工厂总平面图上的位置,对于集中采暖地区应位于其它建筑物的非采暖季节主导风向的下风侧,在非集中采暖地区,应位于全年主导风向的下风侧。
②厂房主要进风面应与夏季风向频率最多的两个象限的中心线垂直或接近垂直。
③对I、Ⅱ、Ⅲ形平面的厂房,开口部分应朝向夏季主导风向,并在0~45o之间。
④在考虑风向的同时,应尽量使厂房的纵墙朝南北向或接近南北向,以减少西晒,在太阳辐射热较强及低纬度地区尤须特别注意。
2.工艺方法和工艺布置合理化
①采用新工艺、新设备、新材料做到机械化、自动化、消灭尘源或减少粉尘飞扬。
②工艺布置必须合理,在工艺流程和工艺设备布局时,应使主要操作点位于车间内通风良好和空气较为清洁的地方。
3.粉尘扩散的控制
①密闭控制。对产尘点的设备进行密闭,防止粉尘外逸的措施。
②消除正压。粉尘从生产设备中外逸的原因之一是由于物料下落时诱导了大量空气,在密闭罩内形成正压,为了减弱和消除这种影响,应该降低落料高差,适当减少溜槽倾斜角,隔绝气流,减少诱导空气量,降低下部正压等。
4.静电消尘与湿法消尘
①静电消尘。静电消尘装置是建立在电除尘和尘源控制方法的基础上。它主要包括高压供电设备和电收尘装置(包括密闭罩和排风管)两部分。直接利用生产设备的密闭罩和排风管作为阳极,在其空间中装设电晕线,并接上高压电源,构成简易的电除尘器。
②湿法消尘。在工艺允许的条件下,可以采用湿法消尘的措施来达到防尘的目的。
5.通风除尘
采用通风除尘系统来使工作地点的粉尘浓度达到国家卫生标准是工厂防尘工作的又一重要措施。这常采用局部排风的除尘系统,对其排气进行净化处理后排入大气。有时也辅以机械的全面排风(如屋顶通风器或轴流通风机)或自然排风(如利用通风天窗排气)。
6.采取可靠有效的防护措施
对于较小的粉碎装置,可以增加其强度,并要考虑防止爆炸火焰通过连接处向外传播;为减小爆炸的破坏性可设置泄压装置,如对车间采用轻质屋顶、墙体或增开门窗等。但应注意,泄压装置宜靠近易发生爆炸的部位,不要面向人员集中的场所和主要交通要道。
为减少助燃气体含量,在粉尘与助燃气体混合气中添加惰性气体(如N2),减少氧含量,也是可行方法之一。(但对有些场所不可能实现,且造价亦高,目前实用价值较小)。也可以采用先进的粉尘爆炸抑制装置,避免事故的发生。
7.防止明火与热表面引燃
在粉尘爆炸危险场所进行明火作业时,有安全负责人批准并取得动火证;明火作业开始前,应清除明火作业场所的可燃粉尘并配备充足的灭火器材;进行明火作业的区段应与其他区段分开或隔开;进行明火作业期间和作业完成后的冷却期间,不应有粉尘进入明火作业场所。
与粉尘直接接触的设备或装置(如光源、加热源等),其表面允许温度应低于相应粉尘的最低着火温度。
存在可燃粉尘的场所,设备和装置的传动机构的轴承应防尘密封;如有过热可能,应安装能连续监测轴承温度的探测器。
7.防止电弧和电火花
粉尘爆炸危险场所用电气设备应符合GB.1的相关规定;粉尘爆炸危险场所电力设计应按GB58的有关规定执行。
粉尘爆炸危险场所,应按GB57中有关规定采取相应防雷措施
所有金属设备、装置外壳、金属管道、支架、构件、部件等,一般应采用防静电直接接地。
8.防止摩擦、碰撞火花
粉尘云能够被碰撞产生的火花引燃时,应采取措施防止碰撞发生,同时,检修时应使用防爆工具;
应采取有效措施防止铝、镁、钛、锆等金属粉末或含有这些金属的粉末与不锈钢摩擦产生火花;
没有与明火作业等效的保护措施。不应使用旋转磨轮和旋转切盘进行研磨和切割。
9.二次爆炸的预防
工艺设备的接头、检查门、挡板、泄爆口盖等均应封闭严密。不能完全防止粉尘泄漏的特殊地点,应采取有效的除尘措施;所有可能积累粉尘的生产车间和贮存室,都应及时清扫;不应使用压缩空气进行吹扫。
应根据粉尘的物理化学性质,正确选用灭火剂;灭火时,应防止粉尘扬起形成粉尘云;若燃烧物与水接触能生成爆炸性气体,不应用水灭火。
二、组织措施
组织管理措施在大多数情况下是有效的,甚至在特定场合能替代技术预防措施,包括:
1.建立健全安全管理组织体系,制定完善的规章制度和作业规程,并严格执行。
2.加强员工教育培训,作业现场的危险有害因素员工能做到预知、预防和避险。
3.对危险场所的工作实施充分的监督和管理。
4.加强设备设施的维护、保养和清洁管理。
5.加强现场的定置、有序、清洁和清扫工作。
此外各有关职能部门必须加大对粉尘爆炸高危场所的排查力度,将其纳入我市的隐患排查体系,对有可燃性粉尘存在的场所的实施充分、有效的监管措施。
总之,随着经济的发展,塑料、有机合成、粉末冶金及粮食加工等工业也不断发展。粉尘的种类和用量急骤增加,加之操作工艺的自动化、连续性,粉尘爆炸的潜在危险性大大增加,预防粉尘爆炸有较高的现实意义。因此在生产过程中要严格执行国家的技术规范和操作规程,落实各项安全规章制度,避免粉尘爆炸事故的发生。
为有效防止粉尘爆炸事故的发生,凡是有可燃性粉尘存的工厂或车间的建设和管理及操作,要严格按照国家标准GB-《粉尘防爆安全规程》执行。
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