预防镁铝金属粉尘爆炸防爆设计分析
褚福涛
（山东省济宁市公安消防支队，山东 济宁）
摘要：镁铝金属制品机械加工企业量多面广，其中不少是“多合一”家庭作坊式加工，生产条件差、工艺落后，不具备基本的安全生产条件，违法违规生产，由此导致镁铝粉尘火灾爆炸事故时有发生，给人民群众生命财产造成重大损失。本文从镁铝粉尘爆炸危险特性入手，通过爆炸案例分析和相关数据归纳总结出了镁铝粉尘爆炸防爆设计的几个要点，即小粒径粉尘越多，分散度越大，粉尘的表面积越大，导致粉尘表面自由能越大；潮湿环境下的镁铝粉尘更容易发生由析出的氢气爆炸从而引发的粉尘爆炸。从做好厂房建筑的整体规划入手，使防爆和疏散满足设计要求。通过设计合理的粉尘清理工艺和科学的泄爆措施，达到本质安全的效果。
关键词：镁铝金属；粉尘；建筑；防爆；设计
1 引言
近年来随着社会经济的快速增长，金属制品在各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。但是由于社会对金属金属制造加工的片面认识，认为金属加工均属于不燃材料加工（即戊类生产），普遍对镁铝等金属制品机械加工的火灾爆炸危险性认识不足，镁铝制品机加工企业在抛光等作业中产生的铝、镁粉尘，触及明火或电火花等火源时极易发生爆炸，造成群死群伤恶性火灾爆炸事故相继发生。
2014年8月2日7：34，位于江苏省苏州市昆山市昆山经济技术开发区的昆山中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，共造成97人死亡、163人受伤，直接经济损失3.51亿元。经调查，事故发生的直接原因是：事故车间除尘系统未按规定定期清理，铝粉尘大量集聚，除尘系统风机开机后，打磨过程产生的高温铝粉尘颗粒在集尘桶上方形成爆炸性粉尘云。1号除尘器集尘桶未及时维护锈蚀破损，桶内大量铝粉尘受潮，与水发生反应产生氢气，可燃气体浓度达到爆炸极限后，遇火源与空气中的氧发生氧化放热反应，达到粉尘云的引燃温度，引发整个除尘系统及抛光车间的连续爆炸。因没有按照国家标准设计安装泄爆、抑爆装置，爆炸产生的高温气体和燃烧产物瞬时通过除尘管道经由各抛光工位设置的吸尘口喷向工位，导致全车间所有工位从事抛光作业人员直接受到爆炸冲击，造成群死群伤。
2 镁铝粉尘爆炸的特性
2.1 粉尘基本特性使表面自由能扩大
处于粉尘状态的物质与固体块状物质的理化特性有所不同，尤其是在燃烧特性方面，原来在常温下的不燃烧物质可能变为可燃物质，原来是难燃烧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。在粉尘粒子内部的分子，因有同类分子包围着，所受周围分子的引力是互相对称的，可以相互抵消而受力总和为零，粉尘粒子表面上的分子要比内部分子具有更高的能量，即呈现为表面自由能。
2.2 镁铝粉尘的粒度小到一定程度
一定质量的铝、镁，其总表面积与颗粒的尺寸密切相关，表面积为6cm2，边长为1cm的正方体粉粒经过粉碎后，从一个正方体粉粒粉碎为多个粉粒，其总面积增大情况如表1所示。
表1 边长为1cm的粉粒粉碎后的理想情况下总表面积
铝条本身不会自主燃烧，但是在破碎成粉尘15～17μm颗粒后，最小点火能量为132.94mJ［1］（见表2）。通过以上数据可见随着粉尘粒径的减小，导致粉尘表面积的增大再加上粉尘特有的吸附特性的存在，其最小点火能也随之减小，爆炸下限浓度也越低；随着表面积的增大，还使镁铝金属原有的良好导热能力急剧下降，热量积聚导致局部温升，也有利于化学放热反应进行。当各种爆炸条件同时具备时，镁铝粉尘就会发生爆炸。如果粉尘粒径大于420μm，就不容易产生粉尘爆炸［2］。
表2 铝粉尘粒径与最小点火能即爆炸下限浓度关系
2.3 达到爆炸极限后一定浓度助燃气体起到关键作用
一般，镁铝粉尘堆积起来，即使着火也不爆炸。当铝、镁粉尘分散在空气中，并达到爆炸极限时，遇点火源才可能发生爆炸。除了一般爆炸性可燃粉尘的特性外，镁铝粉尘最大的特性是遇水气会产生化学反应产生可燃气体氢气，混合在空气中的氢气的爆炸极限范围内遇点火源后会发生爆炸其反应式如下。
我们知道氢气的最小点火能是0.02mJ，与镁铝粉尘约100mJ的最小点火能相比低得多，更由于氢气爆炸极限为4.1％～74.2％（体积浓度）其爆炸极限范围比较宽，可见在潮湿环境下的镁铝粉尘更容易发生由析出的氢气爆炸从而引发的粉尘爆炸。
2.4 存在有效引火源
镁铝粉尘必须有引火源才能发生燃烧爆炸。除明火外，使镁铝粉尘着火的引火源通常有灼热表面和火花两种。我们知道，可燃物与达到一定温度的固体表面接触或靠近，就能着火。另外一种引火源是火花。产生火花的原因可能是静电、摩擦、撞击、电、热切割或焊接等，在实际生产中这种情况比较多，是较为典型的引火源。
3 镁铝粉尘爆炸后的影响
3.1 形成较长时间爆炸压力
爆炸压力是爆炸反应产生的机械效应，是镁铝粉尘爆炸燃烧事故伤亡、损失的主要因素。
在镁铝粉尘浓度较低的范围内，粉尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率随着粉尘浓度的上升而快速上升，突破一定临界浓度后.在较宽的浓度范围内其最大爆炸压力和最大压力上升速率维持在较高值位。
3.2 爆炸冲击波对人体形成伤害
在爆炸瞬间当能量突然释放到周围空气中就会产生冲击波。冲击波的最初强度取决于在释放瞬间的气体压力。一般来讲粉尘爆炸压力上升缓慢，但压力持续时间长。对于镁铝粉尘来讲由于其强烈爆炸主要为离散相燃烧，而不是像有机粉尘以分解析出的可燃气体在气相燃烧［3］，所以镁铝粉尘一般不会发生二次爆炸，但是如果厂房建筑无防爆设计情况下其爆炸压力无法释放导致冲击波将会很大。冲击波对人体的伤害程度见表3。
表3 冲击波对人体的伤害程度
4 预防镁铝粉尘爆炸防护措施及建筑防爆设计
4.1 预防镁铝粉尘爆炸设备防护措施
常用的防护措施或方案主要有四种：遏制、泄放、抑制、隔离。主要防护设备包括：防爆板（Explosion Panel）、防爆门（Explosion Vent）、无焰泄放系统（Flameless Venting）、隔离阀（Explosion Isolation Valve）以及抑爆系统（Explosion Suppression Systems）［4］。在设计使用中，并不是将其中一种防护措施单独使用，往往采用几种防护措施进行组合运用，以达到经济可靠的防护目的。
4.1.1 遏制
遏制就是在设计制造产生、收集粉体设备的时候采用增加设备外壳防护厚度的方法以增大设备的抗压强度，防止粉尘爆炸突破设备外壳对生产加工现场人员、设备的伤害，这种措施将会大大提高设备制造成本。也可以设置防爆墙体、防爆单元和防爆门斗等，将爆炸控制在有限范围内。
4.1.2 泄放
泄放分为正常情况下的压力泄放和无火焰泄放。是利用防爆板、防爆门、无焰泄放系统对所保护的设备在发生爆炸的时候采取的主动爆破，泄放爆炸压力的办法进行泄压，以达到保护粉体处理设备的安全。要慎重选择泄压孔位置，避开常年上方方向和人员较多区域等措施避免损害扩大。实践证明，凡是内部粉尘浓度很高的设备，都容易发生粉尘爆炸，应在镁铝制品的磨削、打磨、抛光、抛丸喷砂工艺装置的集尘口附近、布袋除尘器和粉尘浓度较高的管道都要加泄爆口。
4.1.3 抑制
抑制即在粉尘爆炸的初始阶段，早期探测爆炸的发生并阻止爆炸发展，控制爆炸在预定的范围内。定期对系统的可燃气体浓度和湿度进行分析，利用氧气浓度检测系统对产生镁铝粉末的系统进行氧气含量检测等手段早期预警保证系统的安全。抑制点火源的产生，使用防爆的电气设备；定期保养润滑防止机械特别是传动部分由于摩擦、撞击、故障等原因而产生火花或异常的高温；采取防止静电积聚措施，使用不易产生静电设备材料并采取静电接地保护措施；使加热器具等保持良好散热，维持在安全的温度范围内；使用防火花工具以防止产生撞击火花。使用的电气设备应严格按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》和《镁铝粉加工粉尘防爆安全规程》进行设计、安装，达到整体防爆要求。
4.1.4 隔离
隔离就是把有爆炸危险的设备与相连的设备隔离开，从而避免爆炸的传播，产生二次爆炸。隔离分为机械隔离和化学隔离。一般在设备的物料入口安装化学隔离，在设备的物料出口安装机械隔离阀。将生产铝、镁粉的装置、容器、管道等尽量做成密闭系统，使用惰性气体进行保护（由于镁会和二氧化碳和氮气反应，在镁粉尘中不得用二氧化碳和氮气抑爆），避免粉碎后具有新鲜表面的粉粒与氧气发生急剧反应而导致自燃或爆炸。
4.2 预防镁铝粉尘爆炸建筑防爆设计
4.2.1 做好厂房建筑的整体规划
镁铝制品磨削、打磨、抛光、抛丸喷砂厂房建筑物布置时应远离商业住宅区、文化教育等公共场所；距离单、多层民用建筑及高层民用建筑的裙房不应小于25m；距离高层民用建筑不得小于50m；与工业建筑间距不应小于《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）第3.4.1条乙类厂房与其他工业建筑的间距。
镁铝制品磨削、打磨、抛光、抛丸喷砂车间的厂房建筑物一般应按照乙类厂房单独设置，如果设置在联合厂房内，则应布置在联合厂房的靠外墙部分，并采取耐火极限不低于3.00h的非燃烧体防爆墙严格与主厂房分隔。
4.2.2 厂房建筑结构要满足防爆要求
镁铝粉尘环境爆炸危险区的厂房建筑结构应符合下列要求：厂房建筑结构强度应能承受粉尘爆炸产生的冲击，不致导致整体垮塌；厂房一般设置在单层建筑内，单层建筑屋面应采用轻质结构，多层建筑应采用框架结构，楼层之间隔板的强度能承受爆炸的冲击，应按照GB 50016—2014、GB/T 15605的要求在厂房建筑的四周墙体设有足够泄压面积，如果将窗户或其他开口作为泄压口，应核算并保证在粉尘爆炸时能有效地进行泄压。作为泄压设施轻质结构屋面和墙体的质量不宜大于60kg/m3。确定泄爆面积大小的常用方法已经给出，用泄爆面积与有效空间的比值来衡量，其公式为A=10CV2/3（式中，A为泄压面积；V为建筑的容积；C为泄压比；针对镁铝粉尘C≥0.11）［5］。
4.2.3 厂房建筑要满足安全疏散要求
镁铝粉尘环境爆炸危险区的厂房建筑安全疏散应符合下列要求：厂房安全出口应分散设置，两个出口最近边缘之间的水平距离不应小于5m；厂房的门应向疏散逃生的方向开启；在厂房内任意一点至最近安全出口的直线距离，应符合GB 50016中第3.7.4条规定；疏散通道应保证畅通，严禁堆放或摆放的任何物品；厂房内严禁设置员工宿舍并不应设置办公室、休息室等生活场所及设施。
5 设计合理的粉尘清理工艺是防止镁铝粉尘爆炸的有效手段
5.1 除尘设备要考虑合理的防爆原则
一是除尘设备的总风量必须略大于其配套所有排风机的风量总和，使输出管网系统在运行时处于负压状态；二是建筑物穿管处应密封，防止积尘二次飞扬；三是应将主要危险源即除尘器设在生产建筑物外面；四要注意镁铝粉尘不能用湿式除尘设备；五是除尘器应有良好的静电接地；六是设备启动时应先开除尘设备，后开主机，停机时则正好相反，防止粉尘飞扬。
5.2 合理设计除尘风网，降低产尘点的粉尘浓度
设计除尘风网时应根据尘源的不同危险级别，合理地划分为若干个独立的系统。经危险评估最易发生粉尘爆炸的设备，应避免同其他设备设置在同一风网中，因为一旦发生爆炸，高温有毒烟气就会沿着管道快速传递，并在其他设备中发生二次爆炸，并快速将压力反馈至各集尘点，导致每个集尘点作业员工受到爆炸伤害。如果必须组合在同一风网中，就必须设法在管道上安装隔爆阀，防止粉尘爆炸的传递。
在设计除尘风网时，最好按照不超过每个防爆单元的原则集中设置集尘点，分别设置除尘器，避免使用过长的管道，因为长的管道会带来很大的阻力，导致粉尘积聚摩擦生热。应尽量使风管组合简洁流畅，减少弯曲构件的使用，否则也会增加管道阻力，导致粉尘积聚。
5.3 要考虑环境气候因素的影响
要考虑气候的因素，南方沿海地区由于空气潮湿，在作业过程中粉尘易吸湿，吸湿后的镁铝粉尘会粘结在通风管内壁上，并产生化学反应生成氢气，与空气中的氧混合达到爆炸极限后在热量积聚或外界点火源作用下发生爆炸。因此，在通风管道中，应每隔一定长度设一清灰口，以便定期清灰。
6 结论
通过案例和相关数据分析得出了镁铝粉尘的爆炸特性，有针对性地提出了预防镁铝粉尘爆炸的防护措施和建筑防爆设计的要点，在实践中既要遵守相关规范的设定又要符合防爆的科学规律，在经济合理的原则下实现预防镁铝粉尘爆炸的最终目标。
参考文献
［1］ 陈成.铝粉及TNT粉尘的最小点火能和爆炸下限研究，太原：中北大学，2013.
［2］ 高吉峰.可燃性粉尘的爆炸危险性和预防措施.安全健康和环境，2007，7：5-7.
［3］ 任纯利.敏感条件对粉尘云最小点火能的影响规律分析.中国安全科学学报，2009，19：77-83.
［4］ NFPA 69.Standard on Explosion Prevention Systems（2008）.
［5］ GB 50016—2014.