消防理论研究
粉尘爆炸的特点与防控
应志刚，蔡文行
（）杭州市消防支队，浙江杭州３１００１６
结合近年来国内发生的粉尘爆炸情况，分析了粉 摘 要：
尘爆炸发生的条件，粉尘爆炸发生的过程和发生机理，介绍了粉尘爆炸的危险性评估，讨论了粉尘爆炸的防控措施，指出了计算设备耐压值和泄爆口径存在的不足。
关键词：粉尘爆炸；危险评估；防控措施
中图分类号：Ｘ９２８．７，Ｘ９１３．４ 文献标志码：Ｂ（）文章编号：１００９－００２９２０１３０３－０２４７－０５
２ 粉尘爆炸发生过程
悬浮的粉尘颗粒在点火源的瞬间点火能作用下迅速被氧化剂氧化，发生氧化还原反应，反应时又释放出更大的热量，点燃周边的可燃粉尘。在物体表面沉积的粉尘也会被强烈空气流动扬起参与燃烧，这种连锁反应非常瞬间产生大量的热能并使空间压力上升，当压力超过快，
密闭的空间外壳能承受的压力值，便会发生爆炸。值得大多数严重的粉尘爆炸事故都是由二次爆炸注意的是，
造成的。粉尘爆炸一开始往往发生在空间或设备内一个很小的区域，这种爆炸称为一次爆炸，其威力不大，但往／形成危险的粉尘云。１ｍｍ往会扬起附近沉积的粉尘，
２
厚总质量５ｍ００ｇ的粉尘沉积层可以形成一个５ｍ高、３／的可燃粉尘云。这些粉尘云如被第一次爆炸１００ｇｍ
粉尘爆炸是悬浮在空气中的可燃性固体微粒接触到明火）或电火花等点火源时发生的爆炸。粉尘爆炸火焰（
一旦发生，往往会造成严重的人员伤亡，并给企业带来巨严重威胁工业生产安全。金属粉尘、煤大的经济损失，
塑料粉尘、有机物粉尘、纤维粉尘及农副产品谷物面粉、
粉等都可能发生粉尘爆炸事故。据统计，２０世纪以来，全世界范围内平均每天都会有至少一起粉尘爆炸事故发在粉尘爆炸事故中约有７火生，５％的损失由爆炸产生，灾造成的损失占２剩余损失则由毒性气体泄漏造０％，成。抛光车间是铝粉尘爆炸的高危区。１ 粉尘爆炸发生的条件
粉尘发生爆炸具备５个必要因素：可燃粉尘，氧化点火源，粉尘和空气的有效混合浓度比，相对封闭的剂，
目前７空间。有分析称，０％的工业生产产生的粉尘都具有易燃特性。其中容易造成粉尘爆炸的可燃粉尘也有很主要有镁铝金属粉尘、面粉和饲料粉尘、仓库存放的多，
粮食粉尘、木屑、煤尘、塑料粉尘、化学药品、淀粉、糖粉烟草等。氧化剂是粉尘燃烧过程中提供给氧化还原尘、
粉尘爆炸中的氧化剂最常见的是空气反应的助燃物质，
中的氧气。少数情况下二氧化碳和氮气也可成为氧化如在铝粉尘中空气中的二氧化碳也会参与反应，镁粉剂，
尘中氮气也会参加反应，这使得二氧化碳和氮气不能作为铝镁粉尘的抑制剂。通常认为热能高于１０ｍＪ的火星或温度大于４００℃的过热表面都可成为粉尘爆炸的点火源，常见的粉尘爆炸点火源有外界明火和外界热源、粉尘堆积自发热量积聚闷烧、高温设备、电火花、摩擦火花和热能、静电、碰撞产生的火花等。
爆炸往往将沉积的大量粉尘抛向空中，因此一次小规模的粉尘爆炸往往会引发连锁反应，造成更严重的二次爆炸。容易聚集粉尘并发生爆炸的设备和场所包括木粉尘收集器、鼓风机、静电除尘器、过材和金属的粉碎机、
滤器、研磨机、干燥机、搅拌机、通风管道、存储区域等。
消防科学与技术２０１３年３月第３２卷第３期
会产生一系列威力更大的爆炸，即二次爆炸。点燃，
３ 粉尘爆炸的防控措施
粉尘爆炸的防控包括两类工作：一是粉尘爆炸的预防，即在粉尘爆炸未发生时防患于未然；二是粉尘爆炸的即粉尘爆炸发生时通过相应的应急措施将爆炸产控制，
生的危害减少到最少。具体到实际的防控措施需要做到三方面的内容：粉尘爆炸的危险性评估；专业的防爆设施和设备的研制；专业粉尘防爆知识的宣传。３．１ 粉尘爆炸的预防
粉尘爆炸的预防措施首先要针对容易发生粉尘爆炸的生产厂家制定完善的粉尘爆炸危险性评估。粉尘爆炸的危险性评估应根据粉尘的种类和性质并结合生产条件详细给出，包括：定量测出可燃粉尘的最小燃烧能（、、可燃粉尘的最低点火温度（在特定容器内ＭＩＥ）ＭＩＴ）可燃粉尘的压力上升率、可燃粉尘的安全浓度范围、可燃粉尘的化学特性以及是否与常用惰性气体存在反应、相应浓度下可燃粉尘爆炸的剧烈程度、粉尘颗粒大小对粉尘爆炸性质的影响；列出生产中可能出现的非人为点火源（如机械热，闷烧等）与可能的人为点火源（抽烟，切割、等）各点火源的危险程度分级等；环境湿度对可燃粉尘的影响、工作空间大小、工作空间的密封性、给出粉尘沉积的最小危险厚度、不同设备间的电气关系。国外对粉对粉尘爆炸危险尘爆炸的危险性评估进行了深入研究，
性评估的专业软件的设计进行了积极尝试，如ＧｅｘＣｏｎ（／），公司基于Ｃ可以精ＣＭＲＣＭＩＦＤ技术开发的ＦＬＡＣＳ确模拟复杂几何区域的通风、气体及粉尘的扩散和爆炸
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过程，并可模拟爆炸减灾的措施，能将统计的天气数据、通风条件、泄漏频率、点火概率和爆炸减灾的措施等整合，到定量风险评估的流程中（如图１所示）进行精确的ＦＬＡＣＳ定量爆炸风险评估
。
因素引起的。人为因素如工人吸烟，打开明火，开启电源，进行非法焊接、切割、研磨工作等。可通过对工人进完善的工作规章制度来消除这行专业培训并制定严格、
类点火源。非直接人为因素是加工过程本身不可避免的一些点火源如加工过程中的明火、机械热、闷烧、电火花和静电放电等。这些点火源是实际生产过程中不可避免只能通过采用预防措施减少危险发生，如将可能产生的，
点火花的设备接地；发生异常现象时严格检查原因；严格定期清理累积指定点的灰尘堆积。遵守操作过程规范，
如图２与图３中氧浓度值对粉尘爆炸的典型曲线所示，适度减少空间中氧气的含量，可以提高粉尘云的最低。在点火能量，并有效降低粉尘爆炸产生的压力（ＫＳＴ）爆炸力）和最小点火能量粉尘中加入惰性气体对ＫＳＴ（（的影响非常显著，可降低粉尘发生爆炸和点燃的ＭＩＥ）可能性
。
图１ ＦＬＡＣＳ定量爆炸风险评估流程
生产过程中的安全生产预防工作包括：防止可燃粉尘悬浮，减少粉尘积累量；消除粉尘点火源；使用抑制粉尘燃烧的惰性气体。防止可燃粉尘悬浮应具体到工作的如在对生产设备进行加料时应避免灰尘从高各个环节，
处直接垂直倒入漏斗；在使用扫帚或刷子对设备进行除尘工作时要控制动作不要太大等。
生产中保证可燃性粉尘云的浓度低于引起爆炸的浓度水平是很难的，因为粉尘的最低爆炸浓度有时远远低在不可避免产生高浓度粉尘于实际能够保持的浓度值，
的情况下，应防止较小的粉尘堆积。对于易燃粉尘，也应最大限度地减少灰尘的积累，对粉尘容易堆积的地方尽量多地进行清理，在有些情况下即使粉尘悬浮的浓度低于爆炸范围，当设备进行启动、关闭或发生故障的情况下，一次爆炸”可能扬起附近的粉尘堆，引发也可能造成“
“。包括其他表面上的灰尘，二次爆炸”如房梁、管道、电固定设备上的粉尘，这些粉尘可以参与二次粉尘的爆缆、
炸，因此也必须考虑在一个房间里的有效灰尘覆盖面积内。此外附着在墙壁上和其他垂直表面上的粉尘也应考虑在其中。所有可能积累灰尘的表面，其设计和建造都要考虑尽量减少灰尘积聚和便于清理因素。对于无法清扫的地方要保证密封好。
防止粉尘积累应做好以下几点。一是在制定安全的粉尘清扫计划时必须考虑相关粉尘的具体特点（如最低；点火导电特性，化学特性）二是粉尘清扫工作必须对所有可能积聚可燃粉尘的地方进行全面细致的清扫；三是清扫进行前首先关闭电源和消除所有的点火源。清扫过程中必须努力抑制粉尘云的产生；四是必须制定和执行定期清洗任务。灰尘积累到一定程度后必须进行清扫。消除粉尘的点火源。
粉尘爆炸点火源都是由直接人为因素或非直接人为
在加工区域或容器内注入惰性气体使氧气浓度比降低到一定水平，这样粉尘云就不能形成可自我维持的火焰，减弱甚至完全防止粉尘爆炸的发生，减少爆炸危险。目前常用的惰性气体有氮气、二氧化碳、水蒸气和稀有气体，这些惰性气体的使用技术也比较成熟。选用哪种惰性气体取决于其自身与相应的粉尘气体之间是否可能发生氧化还原反应。３．２ 粉尘爆炸的控制
粉尘爆炸的影响因素较多，增加了对其预防的难度。现实中生产厂家即使做了很多预防工作，粉尘爆炸还是不能完全消除。为了最大限度地减少粉尘爆炸的损失，
，，ＦｉｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＭａｒｃｈ２０１３Ｖｏｌ３２Ｎｏ．３ ｇｙ，
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在粉尘爆炸发生后也可以采用相应的粉尘爆炸控制措施。粉尘爆炸的控制即在粉尘爆炸已经发生或者即将发生时，通过采用一定的控制设施弱化爆炸的威力造成的损失或有效制止粉尘爆炸的发生。目前，粉尘爆炸的控制方法主要有耐压法、隔离法、抑爆法和泄爆法。３．２．１ 耐压法
耐压法是一种被动爆炸控制方法，设计耐压设备时，需确定其最大承压力。传统的确定方法是根据设备中存这种方法忽略了设在的粉尘的最大爆炸压力Ｐｍａｘ确定，将设备看成一个独立的容器。备存在连通管道的可能，
而实际生产中设备总是存在通过管道与其他空间相连接的情况，会发生一种爆压现象，可通过图４进行阐述。图中两个容器Ａ当将容器Ａ１与Ａ２通过管道相连，１中的粉尘点燃时，压力将逐渐增加，一些未燃尽的粉尘在压力的作用下会从Ａ１流入到Ａ２。当高温粉尘进入Ａ２中后，剧烈的喷射火焰将会使Ａ如图所２中压力快速上升，示Ａ２产生的压力将高于Ａ１的压力
。
３．２．２ 爆炸隔离法
爆炸隔离是采用隔爆系统来阻止粉尘爆炸从一次爆炸位置向其他工作单元、工作空间蔓延的方法。常用的物理隔爆装置，如应用于工业传输管道中隔爆系统包括：
的旋转阀和阻爆器以及应用于煤矿巷道中用于隔绝瓦斯煤尘爆炸传播的水槽、水袋及岩粉棚等。这些物理填充隔爆装置在粉尘爆炸发生后利用爆炸冲击波或爆风，以自身固有的物理特性形成隔离带，阻止爆炸的蔓延；防爆安装在管道与管道连接处，并由安装的压力或光隔离阀，
学爆炸探测器激活，采用爆炸探测器触发距火焰前方一隔离阀在爆炸发生后定距离处安装的快速关断阀动作，
迅速关闭并能抵抗高压，防止火焰和爆炸波传播；自动隔将爆炸探测器安装于传输管道或巷道中，在探测爆系统，
器后方一定距离处置可触发喷射的灭火剂，爆炸发生后爆炸探测器触发隔爆装置，形成消焰剂带，隔绝随后达到的传播火焰
。
图５ 压缩因子与连通容器体积比的关系曲线
与抑爆系统不同，爆炸隔离系统的有效性受火焰速度的影响较大，要求监控单元对火焰速度进行计算，同时
图４ 爆压现象示意图
在火焰到达之触发安装在距传感器足够远的隔爆装置，
前完全关闭管道断面或者形成和维持一定区段的隔爆防止火焰或爆炸产物向其他场所传播形成二次爆炸，带，
把爆炸事故控制在特定的区域范围内。爆炸隔离设备有如旋转下料阀、芬特克斯阀、监控式隔爆闸板阀、监多种，
控式隔爆喷射罐等。图６为旋转下料阀的隔离原理示意图，旋转下料阀在没有爆炸发生时，叶片在转轴带动下正常转动，当爆炸发生时，旋转的叶片立即停止起到爆炸隔离的作用。芬特克斯阀在爆炸产生的压力波作用下使阀形成爆炸隔离效果，隔爆原理如图７体移动并封闭管道，所示。３．２．３ 抑爆法
抑爆法是通过探测器监测生产设备或工作区域内粉尘爆炸发生并能立即激活抑爆处理系统，迅速喷射抑制剂阻止爆炸的蔓延和重生，从而消除爆炸危害的控制方法。其抑爆原理如图８所示。爆炸抑制系统必须具备４个基本属性：一是应在爆炸发生后的最短时间延迟内迅速得到激活；二是在很短的时间（一般在１０～３０ｍｓ完
因此，对于设备最大耐压值的设计，需要首先考虑设在一个独立密封容器时设备计容器之间是否存在互连，
最大耐压值为Ｐｍａ在各设备进行连接情况下，设备的最ｘ，
’
）设计。大耐压值Ｐｍ１ａｘ可用式（
Ｐｍａｒ＜０．０５ｍ）ｘ（
）ＰｍａＦ（０．０５ｍ＜ｒ＜０．２５ｍ，２５’ｘ·Ｃη＞０．（）Ｐｍａ１ｘ＝（Ｐｍａ２５，ｒ＞０．２５ｍ）＞０．ｘ·
２η式中：设初始点火η为两个相互连通的容器体积的比值，／发生在体积为Ｖ１的容器中，则η＝Ｖ２Ｖ１；ｒ为连接两容器的管道的横截面半径值；由图５中与ηＣＦ为压缩因子，关系曲线给出。
同时耐压法对设备结构进行优化设计，使其在满足结构要求的情况下尽量保持轴对称性并避免大的平面，避免设备外形出现棱角，这样在发生爆炸时即使容器和设备没有附加防护措施，也能够承受一定的爆炸压力，避免被炸碎而产生爆炸碎片和产生二次爆炸。
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）成，如图９所示粉尘爆炸的发展时间最小为３应注０ｍｓ入足够数量的抑制剂以防止爆炸和火焰的继续扩散传三是关闭设备；四是防止设备重新启动，直到爆炸危播；
害被缓解。抑爆技术的有效性和可靠性取决于粉尘的物理化学性质、爆炸特性参数（如最大爆炸压力Ｐｍａ爆炸ｘ、、抑爆空间的几何参数及初始流动状态、抑指数Ｋｍａｘ等）爆系统的爆炸探测方式、抑爆剂的选择及抑爆器的各种技术参数等
。
所有这些因素都会影响爆炸压力的升高速率。另外需要泄压口各单元的几何形状、泄压口的考虑爆炸压力降低、
压力、泄压口面积、泄压口的分布等
。
图９ 粉尘爆炸发生的时间特性
对于泄压口面积的计算方法，国内修订的泄压标准／粉尘爆炸泄压指南》中给出了如式ＧＢＴ１５６０５－２００８《 （））的计算公式。２６～式（
当Ｐ０．１５ＭＰａ时：，ｒｅｄｍａｘ＜
Ａ＝Ｂ １＋Ｃ·ｌｇ
Ｐ０．１５ＭＰａ时：，ｒｅｄｍａｘ≥
（））
ＤＥ
（）２
Ａ＝Ｂ
－０．５６９
８．８０５×１０－４·Ｐｍａ， Ｂ＝［ｘ·Ｋｍａｘ·Ｐｍａｘ＋ｒｅｄ
－０．５７５３
（）·Ｐ·Ｖ０．Ｐ０．０１０．８５４，ｓｔａｔ－ｍａｘ］ｒｅｄ
）Ｃ＝（－４．３０５·ｌＰ３．５４７，ｇｒｅｄｍａｘ－
ＤＥ＝２·
（）３（）４（）５（）６
＊
π
式中：Ｐ０．０１ＭＰａ≤，ｒｅｄｍａｘ为最大泄爆压力有效范围，；Ｐ０．０２ＭＰａＰｓ，ｒｅｄｍａｘ≤ｔａｔ为泄压设备开启压力有效范围，０．０１ＭＰａ０．１ＭＰａ且ＰＶ为设备的，≤Ｐｓｔａｔ≤ｒｅｄｍａｘ≤Ｐｓｔａｔ；
３３
；／容积有效范围，０．１ｍ００００ｍＬＤＥ≤２０为设≤Ｖ≤１
／备的长度；ＤＥ为设备的直径，ＬＤＥ≤２０；Ｐｍａｘ为粉尘的最大爆炸压力；Ｋｍａｘ为粉尘的最大压力上升速率。对粉尘／／爆炸参数特性值为１ＭＰａ·ｍｓ３０ＭＰａ·ｍｓ≤Ｋｍａｘ≤；的粉尘，对粉尘爆炸参数特性值０．５ＭＰａ１ＭＰａ≤Ｐｍａｘ≤／／为３０ＭＰａ·ｍｓ≤Ｋｍａ０ＭＰａ·ｍｓ的粉尘，０．５ｘ≤８。ＭＰａ１．２ＭＰａ≤Ｐｍａｘ≤
３．２．４ 泄爆法
泄爆法是当粉尘爆炸发生时能显著降低粉尘爆炸破坏性的有效方法。当爆炸发生时及时通过固定的泄压口进行卸压，同时将高温高压粉尘和助燃气体排放到外界，把粉尘爆炸时的压力限制在容器材料强度所能承受的某减少爆炸对设施和人员造成的伤害。卸压装置一数值，
可分为一次性（如爆破膜）和重复使用的装置（如安全，阀）对泄压口大小的设计需要考虑所有影响粉尘爆炸严包括粉尘浓度、初始压力、初始温度、重程度的决定因素，
初始湍流、点火源、存在易燃气体或惰性气体／粉尘等。
对于泄压口的计算方法，国内粉尘爆炸泄压标准／但在ＧＢＴ１５６０５－２００８与欧盟标准ｐ１４４９１一致，ｒＥＮ 欧盟标准ｐ上述公式被标明只针对未连接１４４９１中，ｒＥＮ 在没有应用管道的情况下管道的泄压口径计算。然而，
通过加泄压口对容器、筒仓与设备进行泄压保护时，泄压口喷出的火焰对于周围的环境非常危险，如果大量的未燃尽粉尘由泄压孔喷出，甚至可能造成二次爆炸。此种情况下，在泄压口上应用泄压管道能有效避免类似情况，的发生。为此在以上公式的基础上给出了式（用于表７）示具有管道的泄压口的泄压口径计算。
，，ＦｉｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＭａｒｃｈ２０１３Ｖｏｌ３２Ｎｏ．３ ｇｙ，
２５０
Ｐ，ｒｅｄｍａｘ
＝１＋１７．３０．’５３
Ｖ７Ｐ，ｒｅｄｍａｘ
］
１．６
Ｌ
（）７
’
，ｒｅｄｍａｘ
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃
·科技信息·
式中：ＰＰ，ｒｅｄｍａｘ为无泄爆管道时的最大泄爆压力；设备的容积；Ｌ为设备的长度。
为
具有泄爆管道的最大泄爆压力；Ａ为通风口的面积；Ｖ为
汽车与住宅防火指南发布
Ｐｅ，ｄｍａｘ
，令ｎ＝ｒ图１０为比值ｎ在设备容积Ｖ＝１００’
Ｐ，ｒｅｄｍａｘ
３
、设备长度Ｌ＝１ｍ０ｍ时随着通风口径Ａ变化的趋势
针对汽车最ＮＦＰＡ发布了一份新信息报告，
常见的机械或电气问题所引起的火灾提供指南。该信息报告包括防火、危急火情报警信号确认、汽车火灾安全响应等方面的内容。
即图。图中显示ｎ随着通风口径Ａ的变大也显著变大，
’
带有管道的泄压口的最大泄爆压力值Ｐ，ｒｅｄｍａｘ恒小于
当通风口径Ａ变大，ＰＰ，，ｒｅｄｍａｘ；ｒｅｄｍａｘ会越来越小
。
’
ＮＦＰＡ发布的另一指南提供了关于对家庭中
过度堆积易燃物的防火安全指导意见。该指南认
为过度储藏易燃物可导致人员出入口阻塞以及火燃物储藏情况，并在社区中积极发挥作用来解决住宅内过度储藏易燃物问题。
灾荷载过大。该指南要求消防部门确定住宅内易
李艳艳 供稿
图１０ 通风口径与ｎ的关系
以上４种减少粉尘爆炸危害的控制措施，可针对各自的特点分别应用在不同的工作场合下，也可以组合使用。如耐压法可以通过对危险设备进行外部保护和优化设计，可以保证设备爆炸时不发生破碎性损坏，保护工作人员和周边设施的安全；爆炸隔离法用在设备与设备、工用于防止粉尘爆炸的作环境与工作环境的连通管道处，
蔓延和扩张；抑爆法则是在爆炸发生初期对工作区域发泄爆法针对爆炸产生的危险隐患及时探测并予以消除；
减少空间中的爆炸压力，缓生的巨大压力进行有效释放，解爆炸威力。４ 结束语
在对粉尘爆炸进行了详细介绍的基础上，给出了几种常用的粉尘爆炸的防控措施，并针对在设计防爆设备给出耐压值和泄爆口径时存在的不足之处进行了讨论，了改进方案。
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：；ｒ；ｐＫｅｗｏｒｄｓｄｕｓｔｅｘｌｏｓｉｏｎｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｐｙ ｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓ
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｕｓｔｅｘｌｏｓｉｏｎ ｐ
ａｎｄｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ ｐ
，ａｎＹＩＮＧＺｈｉＣＡＩＷｅｎｈａｎ －ｇ －ｇｇ
，ＨａｎｚｈｏｕＦｉｒｅＤｅｔａｃｈｍｅｎｔＺｈｅｉａｎＨａｎｚｈｏｕ３１００１６， （ ｇｊｇｇ
，作者简介：应志刚（男，杭州市消防支队１９７０－）高级工程师，学士，主要从事消防监督管理工作，浙江省杭州市鲲鹏路３６３号，３１００１６。
收稿日期：２０１２－１１－１６
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