在第二次世界大战期间,希特勒的空军不断轰炸英国,炸弹从天而降。英国一家面粉厂的厂主暗自庆幸炸弹没有击中他的厂房,但几乎与炸弹落下的同时,车间里自己发生了大爆炸,屋顶飞上了天,爆炸的威力超过了炸弹的破坏作用。与此同时,其他几家面粉厂也发生了爆炸。
这种奇特的爆炸使工厂损失惨重,而且令人莫名其妙,因为没有炸弹落到厂房上,况且车间里只有面粉和机器,没有炸药一类爆炸物品。
那么,产生这种奇怪的爆炸原因是什么呢? 原来,由于炸弹爆炸的气浪掀起了车间里的面粉粉尘,使得空气中所含的面粉达到了一定的浓度,并且遇火后发生了爆炸。爆炸物是面粉。 其实,不光是面粉,凡是易燃烧的粉尘如可可、软木、木材、轻橡胶、皮革、塑料,以及几乎所有的有机化合物和各种无机材料如硫、铁、镁、钴等的粉尘,如果这些粉尘在空气中达到一定的浓度时,只要一遇到明火,即使是星星之火,也会引起一场轩然大波——发生剧烈的爆炸,而且有时这些细尘的爆炸也决不亚于炸弹的破坏作用。
本期聚焦:谨防隐藏的杀手——粉尘爆炸
粉尘爆炸是指一定浓度的可燃性粉尘和空气混合物(粉尘云)分散在相对密闭的空间中,被适当的点火能量点燃后,发生爆炸而造成严重破坏的现象。通常认为,工业爆炸均应该具备三大必要条件:可燃性物质、氧化剂和点燃源,即俗称的“爆炸三要素”。
工业粉尘爆炸亦不例外,但是要真正发生爆炸还需要若干个充分条件,例如,粉尘与空气均匀混合形成粉尘云,粉尘浓度达到爆炸极限,足够的氧浓度,点燃源具备足够的温度(或能量),且处于相对密闭的空间等,所以行业中有时也有粉尘爆炸“五要素”甚至“六要素”等的说法,其本质是一样的。
首先,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,无机粉尘包括金属粉尘和一部分矿物性粉尘(如煤、硫等)。最常见的可燃粉尘有煤粉尘、玉米粉尘、土豆粉尘、铝粉尘、锌粉尘、镁粉尘、硫磺粉尘等。
其次,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,爆炸粉尘的危险性由浓度爆炸极限下限来表示,一般为20-60克/立方米,低于这个浓度,难以形成持续燃烧,更谈不上爆炸。
第三,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(多在10毫焦-100毫焦)或温度超过其自燃点(多在400℃-500℃)就会爆炸。此外,易产生静电的设备未能妥善接地或电气及其配线连接处产生火花,尤其是粉碎机的进料未经筛选,致使铁物混入,产生碰撞性火星,皆可引发粉尘爆炸。
粉尘爆炸防护措施分为两类:一类是预防性措施,即通过控制和消除爆炸事故发生的条件,以减少或避免爆炸事故的发生;另一类是防护性措施,即通过控制爆炸破坏力的形成,以减轻粉尘爆炸事故的后果,即损失的严重程度。粉尘爆炸预防和防护性原理如下图所示:
根据粉尘爆炸的要素,有些条件在生产中难以消除,而下面提到的前三个条件是可以控制的。预防粉尘爆炸的关键即消除“可燃性粉尘”、“氧化剂”、“点火源”中一个或多个要素。
第一,消除点火源。粉尘爆炸必须要有足够的点火能量,因此通过对点火源的预防,可以有效地防止粉尘爆炸事故的发生。点火源分为可预见点火源和不可预见点火源。其中焊接火焰、烟头、明火等为可预见的点火源,这些点火源易于通过安全管理消除。如凡是产生可燃性粉尘的场所,均应列为禁火区,控制非生产性明火的使用,制定动火作业制度,并严格执行。
不可预见的点火源有机械火花、热表面、静电、电气火花等,是预防粉尘爆炸的重中之重。预防电气火花的产生,主要是通过定期检查电气设备,防止其线路老化、短路。或者选用粉尘防爆电气设备,替代一些易发生故障的设备设施。控制静电的产生和电荷积聚的有效途径是依照GB 12158-2006《防止静电事故通用导则》标准,进行生产工艺的防静电设计,对工艺流程中材料的选择、装备安装和操作管理等过程采取预防措施。
另外,在有条件的生产加工车间,可以安装火花探测和熄灭系统。这种系统通常安装在除尘管道上,在探测到点火源后,用适量的水雾或其他惰性介质将火花熄灭。江苏昆山“8·2”特别重大爆炸事故,是一起典型除尘系统的粉尘未及时清扫,粉尘浓度达到爆炸极限,遇到铝粉受潮,发生氧化还原反应,引发除尘系统及车间的系列爆炸。
大量的粉尘爆炸事故发生在维护和清理期间,常常在设备不运作时工艺规程含糊不清,维修人员也经常忽略停车期间残留粉尘产生的危险。此时应注意选择正确的工具,不可以使用在维修时产生冲击或摩擦起火花的工具。2010年2月24日秦皇岛骊骤淀粉厂爆炸事故,淀粉车间4名工人在清理和维修振动筛时,使用铁质工具,作业中撞击引发的机械火花,引燃了处于爆炸浓度范围的玉米淀粉粉尘云,继而引发整个车间内积累的粉尘层二次爆炸,产生毁灭性破坏。
第二,控制可燃性粉尘。只有当可燃性粉尘与空气混合达到爆炸极限浓度,才会有爆炸危险。在实际生产中,可尽量消除可燃性粉尘或合理控制空气中的粉尘浓度。采取的措施有:首先,保障处理粉料的设备、容器和输送系统具有良好的密闭性能,尽可能防止粉尘从设备中泄漏。
其次,消除粉尘或缩小粉尘扩散范围,降低可燃粉尘的浓度。如安装有效的通风和除尘系统,加强通风排尘和抽风排尘。最后,防止粉尘在工作面、设备表面的堆积,采取正确的清扫方法。如可燃性粉尘车间宜采用负压清扫,禁止使用压缩空气清扫;清扫工具应当无火花、防静电和防扬尘。
第三,限制氧含量。限制氧含量的方法是依据惰性气体保护原理。惰化防爆是一种防爆技术措施,通过向可燃粉尘和空气混合物中人为加入一定量的惰化介质,如氮气、二氧化碳等,使混合物中的氧浓度或粉尘云浓度低于其不发生爆炸所允许的最大值。但是惰性防爆不利于工作人员的身体健康,一般使用在密闭条件好、内部无人作业的筒仓等设备中。
预防技术用来完全消除粉尘爆炸的发生肯定是不可能的。因此必须对存在可燃性粉尘爆炸风险的任何场所,采用粉尘爆炸保护技术,从而减少爆炸事故带来的严重损失。
泄爆是指在粉尘云发生爆炸初始及发展阶段,通过在包围体上,人为开设泄压口的方法,将高温、高压燃烧产物和未燃物料朝安全方向泄放出去,使包围体本身及周围环境免遭破坏的一种爆炸防护技术。因成本低和易于实现等显著优点而得到广泛应用。但是泄压标准中泄压面积的计算方法只适用于单个的设备。
爆炸发生后,通过物理化学作用阻止爆炸传播的技术。目前广泛采用的是隔爆阀。为什么需要隔爆?爆炸泄压、爆炸抑制、抗爆设计用于保护单个的工艺设备。爆炸隔离可以防止爆炸在工艺系统中由初始爆炸的设备传播到其它设备,或由工艺系统传播到人员作业区域。绝大部分的灾难性的事故是爆炸在工艺系统中传播导致的!只有采取爆炸隔离措施才可以防止灾难性的爆炸事故!
爆炸抑制主要适用于不允许进行爆炸泄压的情况,爆炸抑制是在爆炸燃烧火焰发生显著加速的初期,通过喷洒抑爆剂的方法,来抑制爆炸作用范围及猛烈程度,使设备内爆炸压力不超过其耐压强度,避免设备遭到损坏或人员伤亡的防爆技术。
在设备使用寿命期间,能够承受粉尘爆炸而不产生破坏。但设备成本昂贵,用于不适合爆炸泄压的场所,例如有毒性、腐蚀性粉尘、火炸药以及厂房内部。
从20世纪40年代中期开始,美国、德国等国就开始了粉尘防爆标准的制定。特别是美国,在2008年2月7日美国帝国糖业制糖厂发生粉尘爆炸事故后,极大促进了粉尘防爆标准的制定、修订工作。
作业场所、生产线上,原料或产品的运输贮存中所产生的各种粉尘,如粮食粉尘、纤维粉尘、药物粉尘、化学药品粉尘、金属粉尘、矿物粉尘等上千种粉尘,都有发生爆炸的可能性。随着生产工艺自动化程度的提高和粉末工艺的广泛应用,各种粉爆事故不断发生,粉尘爆炸危害性问题引起了各国政府和有关人士的高度重视,粉尘防爆标准已经成为我国安全生产标准体系中的重要组成部分。
美国帝国糖厂的粉尘爆炸
2008年2月7日晚7点15分,位于美国乔治亚州温特沃斯港萨凡纳市的帝国制糖厂发生了美国数十年来最致命的工业粉尘爆炸事故,造成14死、36伤,包装厂房全部毁坏。
我国虽然于20世纪50年代对煤矿爆炸进行了研究,但工业粉尘爆炸实验研究却始于20世纪80年代初。当时随着经济开始快速发展,粉尘爆炸事故也随之增多,有关科研机构开始了粉尘爆炸研究。1987年,哈尔滨亚麻厂发生了特大粉尘爆炸事故(58人死亡、177人受伤)。事故发生后,由原劳动部负责,国家设立了粉尘爆炸科研项目,建立了防爆示范工程,建立了粉尘爆炸实验室,并成立了全国粉尘防爆标准化技术委员会。使我国粉尘防爆工作进入法制轨道。全国粉爆标委会成立以后历经3届委员会。全国粉尘防爆标准化技术委员会成立后,共制定了11项国家标准:
1、GB/T18154-2000监控式抑爆装置技术要求;
2、GB17440-1998粮食加工、储运系统粉尘防爆安全规程(已有新版替代,2008版);
3、GB17918-1999港口散粮装卸系统粉尘防爆安全规程(已有新版替代,2008版);
4、GB/T17919-1999粉尘爆炸危险场所用收尘器防爆导则(已有新版替代,2008版);
5、GB/T15605-1995粉尘爆炸泄压指南(已有新版替代,2008版);
6、GB/T15604-1995粉尘防爆术语(已有新版替代,2008版);
7、GB15577-1995粉尘防爆安全规程(已有新版替代,2018版);
8、GB16543-1996高炉喷吹烟煤系统防爆安全规程(已有新版替代,2008版);
9、GB19081-2003饲料加工系统粉尘防爆安全规程(已有新版替代,2008版);
10、GB17269-2003铝镁粉加工粉尘防爆安全规程;
11、GB19881-2005亚麻纤维加工系统粉尘防爆安全规程。
下面我们来一起看看,这11条国家标准的适用范围:
2005年,国家标准化管理委员会对国家标准进行了清理工作,粉尘防爆的11项标准经清理评价后,有8项标准列入国家标准修订计划。2006年,根据安全标准的主管部门国家安全监管总局的统一部署,全国粉尘防爆标准化技术委员会撤消,粉爆标准由全国安全生产标准化委员会粉尘防爆分技术委员会归口管理。粉尘防爆安全标准目前已涵盖了冶金、有色、机械、轻工、纺织、烟草等行业及行业所属的细分领域。相关法律法规标准目录,像《工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015版)》、《GB50016-2010 建筑设计防火规范》、《GB50057-2010 防雷规范》、《GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范》等涉及面比较广的大家可以自行去查阅(搜索法规,可以上 www.ehs.cn/law)。关于现行的粉尘防爆安全标准体系,我们再来看以下几条标准的适用范围:
目前,国际上以美国、欧盟的粉尘防爆标准体系较为完善与权威,美国以防火协会(NFPA)粉尘防爆标准体系为主。欧盟以EN系列标准为主。我国现有粉尘防爆系列测试标准和泄爆等标准多修改采用自这些粉尘防爆标准体系。
欧美一些先进国家的工厂事故率低,源于有基于研究基础的标准,有整套防爆法规,工厂都装备有防爆设备。通过比较得出的结论,我国每发生一起重大或特别重大粉尘爆炸事故后,国家对粉尘防爆标准的制定、修订就会重视一段时间,但是往往几年时间以后就没有人重视了,基础研究也没人搞了,资金也没人投入了。目前,我国尚未形成具有适合中国国情、体系较为完整的具有先进性、应用性、可操作性的粉尘防爆标准体系。例如,由于对防爆系统有效性评估及检验非常必要,美国的爆炸性环境及防护设备安全性评估类标准不断完善,而我国在这一方面则是空白。