在容器或建筑物內(nèi),散布于空氣中的金屬粉塵亦可能產(chǎn)生爆炸。2003年10月,一家位于印第安納州的汽車輪胎制造廠發(fā)生一起爆炸事故,CSB亦對此事故進行調(diào)查。雖然調(diào)查報告并未發(fā)布,但CSB的新聞稿報導其事故歷程類似于先前所述的有機粉塵爆炸事故:在碎片熔融爐附近發(fā)生初次爆炸,而鋁粉參與了初次爆炸,隨后,集塵設備發(fā)生二次爆炸。
2月28日下午13:03分,臺州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)一公司拋光車間第2生產(chǎn)線風道內(nèi)發(fā)生爆炸,造成第2生產(chǎn)線以及相鄰的左右兩條生產(chǎn)線建筑物的同時跨塌,繼而引發(fā)火災。事故共造成1人死亡,3人重傷,以及其他建筑物門窗爆裂、隔墻破壞等財產(chǎn)損失。事故發(fā)生后,臺州市、臺州市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等領導到現(xiàn)場指導事故搶救和善后工作。臺州市安監(jiān)局組成了事故調(diào)查組,并了聘請了有關專家對事故原因進行了深入調(diào)查分析。經(jīng)查,本次事故的經(jīng)過為:拋光作業(yè)中的粉塵(主要是鐵粉、鋁粉)在風道內(nèi)積聚,設在風道外的拋光機在拋光作業(yè)過程(用砂帶拋光鐵件)產(chǎn)生火星,并通過排風機吸風口將火星帶入積聚粉塵的風道內(nèi),首先引起風道內(nèi)蓄積的殘留物燃燒,發(fā)生小范圍火災,員工立即停機打開風道門滅火,在使用干粉滅火器滅火失敗后,有員工用水直接潑向風道內(nèi)明火處滅火。在大致確認沒有明火后將風道門關閉,隨后開機作業(yè),瞬間發(fā)生強烈爆炸。直接原因為:員工在初期火災滅火時使用水介質(zhì),直接導致風道內(nèi)的金屬粉塵遇水反應產(chǎn)生易燃易爆性氣體,同時也促使金屬粉末自行發(fā)熱到足以引起局部燃燒,在已有粉塵云存在的情況下,增加了爆炸危險。最后調(diào)查確認事故的原因為風道內(nèi)懸浮粉塵遇火源發(fā)生了粉塵爆炸。鐵粉鋁粉發(fā)生爆炸比較罕見,對此類事故的防范意識也相對薄弱。為了加強此類事故的安全預防,杜絕類似事故的發(fā)生,臺州市安監(jiān)局深入調(diào)查事故原因,對生產(chǎn)工藝類似的企業(yè)均提出整改要求:一是應聘請有資質(zhì)的專業(yè)設計單位進行風道的設計和改造,增加引風和除塵措施,消除粉塵積聚隱患。二是機械和電氣設備采用火星屏蔽措施。三是粉塵爆炸環(huán)境區(qū)域內(nèi)減少同時作業(yè)人員。增加與非防爆區(qū)域的隔離,避免事故后果擴大。四是加強全體員工的消防知識和安全生產(chǎn)知識培訓;加強專用消防器材的配備或保養(yǎng);建議進行針對性的消防演習。
三、粉塵爆炸的內(nèi)在原因
處于粉塵狀態(tài)的物質(zhì)較之固體狀態(tài)物質(zhì)有所不同,尤其是在燃燒特性方面,原來非燃物質(zhì)可能變?yōu)榭扇嘉镔|(zhì),原來是難燃物質(zhì)可能變成易燃物質(zhì),可燃、易燃物可能變?yōu)橐妆ㄎ镔|(zhì),而這一變化是由粉塵的特性所決定的。
?。ㄒ唬┓蹓m的表面自由能
對于任何粉塵粒子來講,其表面分子與內(nèi)部分子所處的能量狀態(tài)是不同的。在粉塵粒子內(nèi)部的分子,因四面八方均具有同類分子包圍著,所受周圍分子的引力是對稱的,可以相互抵消而受力總和為零,它做分子運動(震動)時不需要消耗功,而靠近粒子表面的分子,由于內(nèi)部密集的同類分子的引力遠大于外部其他分子(念氣體分子)對它的引力,所以不能相互抵消,這些力的總和垂直于粉塵表面而指向粉塵內(nèi)部,亦即表面分子受到內(nèi)向的拉力,表面上的分子總比內(nèi)部分子具有更高的能量,這種能量叫做表面自由能。
?。ǘ┓蹓m的分散度和表面積
所謂粉塵的分散度就是粉塵按不同粒徑(直徑)分布的一種形式。其中小粒徑粉塵越多,我們就稱其分散度大,而分散度的大小又決定著粉塵的表面積,其分散度越大,則表面積越大,表面分子越多,導致表面自由能越大。
?。ㄈ┓蹓m的吸附性
其他物質(zhì)分子在粉塵表面上相對聚集的現(xiàn)象稱為粉塵的吸附現(xiàn)象。由于粉塵具有較大的表面及自由能,而物質(zhì)又具有由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。能態(tài)越低越穩(wěn)定,所以,它對周圍分子尤其是快速移動的氣體分子具有吸附性。通過吸附其他分子來降低部分表面自由能。
綜上所述,由于粉塵的分散度較大,具有較大的表面積,從而具有較高的表面自由能,使粉塵的狀態(tài)不穩(wěn)定,活性增高,在理化性質(zhì)上表現(xiàn)為粉塵較之原物質(zhì)具有較小的點火能量和自燃點。(如塊狀時不能燃燒的鐵塊,在粉碎成粉塵時,最小點火能量小于100mJ,自燃點小于300℃;煤粉的點火能量小于40mJ)。表面積的增大和吸附特性的存在,使得粉塵與空氣中氧分子的接觸面增大,增加了反應速度;表面積的增大,還使固體原有的導熱能力下降,易使局部溫度上升,也有利于反應進行。
同時,粉塵在擴散作用大于重力作用時具有懸浮狀態(tài)的穩(wěn)定性,易與空氣形成粉塵云。當各種條件具備時,粉塵就會發(fā)生爆炸。
四、粉塵爆炸的條件
粉塵的火災爆炸事故多發(fā)生在煤礦、面粉廠、糖廠、紡織廠、硫磺廠、飼料、塑料、金屬加工廠及糧庫等廠礦企業(yè)。這與粉塵爆炸所需條件有關。粉塵爆炸本身是一類特殊的燃燒現(xiàn)象,它也需要可燃物、助燃物和點火源三個條件。
?。ㄒ唬┓蹓m本身是可燃粉塵??扇挤蹓m分有機粉塵和無機粉塵兩類。有機粉塵如面粉、木粉、化學纖維粉塵等,基本是可燃的。而無機粉塵包括金屬粉塵和一部分礦物性粉塵(如煤、硫等),也都是可燃粉塵。黃沙和塵土的粉塵也很微小,但由于它們本身不能夠燃燒,因此不具危險性。
(二)粉塵必須懸浮在助燃氣體(如空氣中),并混合達到粉塵的濃度爆炸極限。粉塵在助燃氣體中懸浮是由于粉碎、研磨、輸送、通風等機械作用造成的。大粒徑的粉塵一般沉降為只有燃燒能力的沉積粉塵,只有小粒徑的粉塵才能在助燃氣體中懸浮。同時,爆炸粉塵的危險性也用濃度爆炸極限下限來表示,一般是20~60g/m3,低于這個濃度,難以形成持續(xù)燃燒,更談不上爆炸。
?。ㄈ┯凶阋砸鸱蹓m爆炸的點火源。粉塵具有較小的自燃點和最小點火能量,只要外界的能量超過最小點火能量(多數(shù)在10mJ~100mJ)或溫度超過其自燃點(多數(shù)在400℃~500℃),就會爆炸。
當上述三個條件同時滿足時,就可能發(fā)生粉塵火災爆炸事故。
需指出的是,粉塵極有可能發(fā)生破壞性更大的二次爆炸。當粉塵懸浮于含有足以維持燃燒的氧氣環(huán)境中,并有合適的點火源時,可能發(fā)生初次爆炸,并引起周圍環(huán)境的擾動,使那些沉積在地面、設備上的粉塵彌散而形成粉塵云,遇火源形成災難性的第二次爆炸;另外第一次爆炸后,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。
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