黃曉哲

(廈門市消防支隊，福建 廈門 361000)

可燃粉塵火災爆炸與消防員人身安全

黃曉哲

(廈門市消防支隊，福建 廈門 361000)

只要滿足粉塵可燃、存在點火源和助燃物、粉塵在受限空間內形成粉塵云等條件就會發(fā)生粉塵爆炸。正確理解、評價可燃粉塵操作場所的消防狀況能夠有效降低消防員傷亡的風險。通常存在直徑小于420 μm可燃粉塵的場所發(fā)生粉塵爆炸的危險性較高。控制粉塵荷載和控制電氣、摩擦等點火源并建立相應的安全規(guī)章制度能夠有效降低粉塵火災爆炸危險。采用負壓式集塵管道和敞開式旋風分離器有利于避免粉塵爆炸的發(fā)生；消防員要謹慎處置袋式過濾器和粉塵儲存設備火災，以免在事故處置過程中引發(fā)粉塵云爆炸?；鸹ㄌ綔y系統(tǒng)、氫氣探測系統(tǒng)和固定消防水系統(tǒng)能夠有效防止或早期抑制粉塵爆炸；快速排放閥、泄爆板和阻火閘板則能夠轉移粉塵爆炸能量，保護容器設備或建筑本身。

消防；可燃粉塵；火災爆炸；除塵設備；安全裝置

近年來，國內外重特大粉塵爆炸火災事故時有發(fā)生。2008年2月發(fā)生在美國佐治亞州薩凡納帝國糖廠的粉塵爆炸火災造成14人死亡、38人重傷[1]。2014年8月2日，發(fā)生在我國江蘇省蘇州市的昆山中榮金屬制品有限公司的特別重大鋁粉塵爆炸事故，當天造成75人死亡、185人受傷；30天報告期內共有97人死亡、163人受傷(事故報告期后，經全力搶救醫(yī)治無效陸續(xù)死亡49人，尚有95名傷員在醫(yī)院治療，病情基本穩(wěn)定)，直接經濟損失3.51億元[2]。為盡可能減小粉塵火災爆炸事故帶來的人員傷亡和財產損失，應對粉塵爆炸發(fā)生的條件、粉塵爆炸的危險、除塵系統(tǒng)及其安全設施有全面的認識，并在此基礎上采取安全有效的滅火救援對策。

一、可燃粉塵及粉塵爆炸危險

(一)常見可燃粉塵

細小的顆粒、纖維、碎屑等可燃粉塵懸浮在空氣中時，就有可能引起火災或爆炸?？扇挤蹓m存在于不同類型的工業(yè)企業(yè)中，如食品加工，糧食裝卸，塑料、木材、家具、紡織品、藥品、金屬加工等。木材、面粉、食糖、煤和一些金屬粉末等原料在一定條件下可能會呈現(xiàn)出非常危險的狀態(tài)。任何可燃物料，甚至是一些通常認為不燃的物料，在分割成足夠小的顆粒后都能迅速燃燒。粉塵顆粒越小，潛在的火災爆炸危險越大。美國消防協(xié)會(NFPA，National Fire Protection Association)的研究結果表明，直徑小于420 μm的粉塵顆粒是最需要引起特別關注的。如果不同顆粒尺寸的混合物中含有2%顆粒直徑小于420 μm的粉塵，就能形成爆炸性混合物。爆炸能毀掉整棟建筑并導致嚴重的傷亡。雖然粉塵顆粒的大小、粉塵的類型以及粉塵散布的面積不同，但只要粉塵層的厚度大于0.79 mm就足以引起爆炸。

(二)粉塵爆炸的條件

能產生可燃粉塵的場所容易出現(xiàn)粉塵火災和粉塵爆炸兩種不同的危險，二者都可以是起始事件，并互為因果。美國職業(yè)安全健康署(OSHA，Occupational Safety and Health Administration)的數(shù)據(jù)表明，80%以上的可燃粉塵事故為火災，在很多情況下火災都導致了災難性粉塵爆炸的發(fā)生。粉塵火災與其他普通可燃物火災并無本質上的不同。粉塵火災也需要滿足基本的燃燒三角形，即可燃物、點火源和氧氣。但可燃粉塵爆炸還需要滿足另外兩個條件：即粉塵顆粒的擴散和粉塵云處于容器設備、房間、建筑或管道系統(tǒng)等受限空間內。上述5個條件構成了粉塵爆炸五邊形，如圖1所示。

圖1 粉塵爆炸五邊形

(三)可燃粉塵層與潛在的點火源

準確評價可燃粉塵的火災爆炸危險需要審視從原材料到成品包裝的各個環(huán)節(jié)。對工業(yè)設施和生產設備的現(xiàn)場檢查能夠確定是否存在可燃粉塵環(huán)境。對于可能產生可燃粉塵的操作過程，控制可燃物荷載和控制點火源是兩種降低粉塵火災爆炸危險的主要方式。

1.可燃粉塵層

要特別注意在車間上部懸浮的可燃粉塵荷載；要考慮到所有目力不及的地方，如機器設備頂部、建筑構件的內部或上部，以及吊頂板上面。要知道任何能夠產生足夠震動、使粉塵漂浮起來的“聲響事件”都有可能引發(fā)爆燃或爆炸。如果恰好有人處在這樣的區(qū)域，就可能會造成傷亡。OSHA所采用的粉塵臨界值是“粉塵區(qū)域內有5%面積的粉塵厚度達到0.79 mm”，NFPA 654《生產、加工和裝卸易燃固體微粒的粉塵防火防爆標準》也采用了這一臨界值[3]。

2.潛在的點火源

在關注整個設施可燃物荷載的同時，也要考慮點火源及其相應的控制方法。要檢查可燃粉塵能經常接觸到點火源的區(qū)域，要對電氣隔離開關、控制室、電機以及有軸承、鏈條、傳送帶等設備和其他可能摩擦起火的可移動部位進行評價。在具有粉塵爆炸危險的場所設置具有防粉塵爆炸級別的防爆電氣設備，風機的電機、集塵管道、集塵器和產生粉塵的機械裝置應接地并跨接。另外，還要注意企業(yè)是否建立了保證可燃粉塵區(qū)域切割、焊接或研磨作業(yè)安全措施的動火作業(yè)許可制度，專用的工業(yè)卡車以及清掃設備的安全分級是否恰當，這些車輛和設備是否獲準在可燃粉塵區(qū)域作業(yè)等等。

二、除塵系統(tǒng)及其安全裝置

除塵系統(tǒng)主要包括風機/管道集塵系統(tǒng)、除塵設備和粉塵儲存設備三部分。由于產生粉塵的數(shù)量和種類不同，許多場所都采用了專用集塵系統(tǒng)。對除塵系統(tǒng)有所了解，能夠幫助消防員通過滅火預案更好地處置可能面臨的危險或對正在發(fā)生的粉塵事故做出快速、科學的評價。

(一)除塵系統(tǒng)

1.風機/管道集塵系統(tǒng)

風機系統(tǒng)可以是正壓氣流壓送(也就是風扇形成的正壓推動攜帶粉塵的氣流沿系統(tǒng)管道向前)，也可以是負壓氣流抽送(也就是風扇形成的負壓抽取粉塵被過濾后的空氣)。正壓系統(tǒng)要求所有的可燃粉塵在進入過濾裝置時先經過風扇；負壓系統(tǒng)則將風扇設計在過濾后的清潔空氣一側，因而風扇要在整個系統(tǒng)內形成負壓。負壓設計因其減小了粉塵氣流通過風扇時產生火花的危險而更受歡迎，而且因風扇故障(如軸承過熱、扇葉損壞等)引燃系統(tǒng)粉塵的風險也大大減小。

2.除塵設備

敞開式旋風分離器是一種結構簡單的除塵設備。當空氣-粉塵氣流進入旋風分離器時，空氣迅速改變方向，粉塵由于重力作用不能快速改變方向而與空氣流分離。干凈的空氣從旋風分離器頂部排出，粉塵從旋風分離器底部排出。由于這類裝置是敞開的，因而系統(tǒng)內部沒有壓力。通常被稱為“袋式除塵器”的粉塵過濾裝置的運行方式與設有正壓空氣系統(tǒng)的大型專業(yè)除塵器類似，含有粉塵的空氣流進入到設有過濾袋或過濾套筒的封閉過濾室中。當空氣流通過時，過濾器分離出可燃粉塵，過濾后的空氣排出設備。過濾后的干凈空氣可以直接排到大氣中，也可以重新循環(huán)進入建筑內，以降低建筑內的負壓并減少熱量損失。通常使用脈沖壓縮空氣清理袋式過濾器內積聚的粉塵，在粉塵清理過程中只要有點火源存在就會發(fā)生粉塵爆炸。由于這種極大爆炸危險的存在，消防人員必須要對除塵設備，尤其是室內正壓過濾器的爆炸危險保持警惕。

3.粉塵儲存設備

粉塵儲存設備有許多不同的形式，可以是圓桶、大鐵桶、鋼制料倉或混凝土筒倉等。這些粉塵盛裝容器通常是完全密閉的，客觀上提供了促使粉塵爆炸發(fā)生的受限空間。即使是空筒倉也儲存有足以引發(fā)爆炸的粉塵量，某一特定時間段內筒倉儲存的粉塵量多少幾乎對粉塵爆炸的危險性沒有任何影響。打開涉及粉塵的密閉設備時要特別注意人員安全，因為即使是開始時與粉塵系統(tǒng)并不直接相關的小火，也有可能進入到集塵設備內部迅速引發(fā)火災，并造成重大傷亡。

(二)安全裝置

對于能產生可燃粉塵的操作，除了采用控制可燃物荷載和控制點火源兩種途徑降低火災爆炸危險，還有許多適用于可燃粉塵操作和處理系統(tǒng)的安全裝置。一些安全裝置用于降低粉塵火災或爆炸風險，如火花探測系統(tǒng)、氫氣探測系統(tǒng)和固定消防水系統(tǒng)等；還有一些安全裝置可以轉移爆炸能量，如快速排放閥、泄爆板和阻火閘板等。

1.火花探測系統(tǒng)與氫氣探測系統(tǒng)

火花探測系統(tǒng)利用安裝在主要集塵管道上的光電管監(jiān)控除塵系統(tǒng)內部的火花或沿除塵系統(tǒng)移動的高溫燃屑。探測到火花時，系統(tǒng)會啟動氣流下游一定距離處的水噴霧噴嘴，以便在火花到達粉塵倉之前用水噴霧冷卻粉塵氣流。

如果涉及到鋁、鈦和鋯等金屬粉塵爆炸危險，還可以在合適的位置設置能夠探測氫氣濃度的氫氣探測器，當氫氣達到設定濃度時氫氣探測系統(tǒng)應能聯(lián)動相應的安全裝置。

2.固定消防水系統(tǒng)

當火災已經在粉塵筒倉或儲存設施內部發(fā)生，滅火救援往往會面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。雖然粉塵過濾設備內部并不總有足以燃燒爆炸的粉塵物料量，但儲存設備內部可能存有數(shù)量可觀的粉塵。對于筒倉火災的撲救，工業(yè)上研發(fā)了諸如使用氮氣稀釋設施內部氧氣的方法，但這些方法現(xiàn)在并不普及，主要原因是造價過高，而且在實際應用中的成功率不高。這意味著撲救筒倉火災的唯一辦法還是利用傳統(tǒng)的水系統(tǒng)。

安裝在粉塵過濾器和儲存設備上的自動噴水滅火系統(tǒng)能利用水快速方便地抑制整個裝置火災的發(fā)展以及爆炸的形成，從而大大降低消防員受傷的風險。美國使用抗凍劑的濕式自動噴水滅火系統(tǒng)應用較為普遍；干式自動噴水滅火系統(tǒng)也有使用，但干式系統(tǒng)存在噴水時間上的滯后，維護費用和造價也較高。還有一種方法是在受限空間中設置由感溫探測器聯(lián)動的開式雨淋系統(tǒng)。

在水源不足的地方，設置半固定式噴水滅火系統(tǒng)是最佳選擇，既能使水進入粉塵設備內部，又能使消防員與粉塵設備保持足夠的安全距離。這些系統(tǒng)可以在過濾器、筒倉以及各式粉塵倉上使用。滅火救援人員只要在火災被徹底撲滅前保證充足且不間斷的消防供水即可。

3.快速排放閥與泄爆板

快速排放閥是一個快速釋放裝置，能夠將氣流引導到外部泄放口，防止火球或爆炸震動返回到車間或設備內部。快速排放閥可以由火花探測系統(tǒng)聯(lián)動啟動。

泄爆板是經特殊設計、安裝在粉塵設備側面的防護板。這種防護板具有易碎結構，通過自身破碎釋放爆炸能量避免設備本體受損。泄爆板也應在粉塵筒倉和其他大型粉塵儲存設備上使用。整個房間都可能積聚粉塵的場所需要在屋頂設置泄爆板，或者整面墻都設計成泄爆結構，從而避免對建筑結構的嚴重損害。切記消防員不能將自己或消防裝備置于可能的泄爆通道上。除了特殊設計的泄爆板，觀察孔或其他開孔都可能成為泄爆通道，因此消防員還要盡量避開這些部位。

4.重力搖擺式阻火閘板

爆炸發(fā)生的瞬間，還會在橫向接出的粉塵氣流管道內產生背壓，這可能會造成火焰沿粉塵氣流吸入管線反向進入建筑。因此推薦在建筑與粉塵過濾器的空氣吸入口之間設置重力搖擺式阻火閘板。與家用烘干機通風孔原理相似，反向氣流會使阻火閘板緊急關閉，從而將火災爆炸釋放的能量阻擋在建筑外部。如果設計合理，粉塵設備可以通過特殊設計的泄爆板釋放能量及火球。

三、結論

在處理可燃粉塵火災時，消防員必須克服“見火噴水”的思維定勢。受限空間的粉塵火災就像是一個定時炸彈，只要滿足粉塵爆炸五邊形就會爆炸。正確理解、評價可燃粉塵操作場所的消防狀況能夠有效降低消防員傷亡的風險。

本文通過分析研究，得出如下結論：(1)可燃粉塵顆粒直徑越小，潛在的火災爆炸危險性越大。通常存在直徑小于420 μm可燃粉塵的場所發(fā)生粉塵爆炸的危險性較高。(2)對于可能產生可燃粉塵的操作，控制粉塵荷載(例如粉塵層厚度)和控制電氣、摩擦等點火源并建立相應的安全規(guī)章制度能夠有效降低粉塵火災爆炸危險。(3)采用負壓式集塵管道和敞開式旋風分離器有利于降低粉塵爆炸危險。消防員要謹慎處置袋式過濾器和粉塵儲存設備火災，以免在事故處置過程中引發(fā)粉塵云爆炸。(4)火花探測系統(tǒng)、氫氣探測系統(tǒng)和固定消防水系統(tǒng)能夠有效降低粉塵火災爆炸風險；快速排放閥、泄爆板和阻火閘板則能夠轉移爆炸能量，保護容器設備或建筑本身。

[1] Riecher Anton. Bitter Sweet[J]. Industrial Fire World,2008,(5-6):6-10.

[2] 國務院江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司“8·2”特別重大爆炸事故調查組.江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司“8·2”特別重大爆炸事故調查報告[R].

[3] NFPA 654, Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids[S].2013.

(責任編輯 馬 龍)

Combustible Dust Fires & Explosions and Life Safety of Firefighters

HUANG Xiaozhe

(XiamenMunicipalFireBrigade,FujianProvince361000,China)

Dust explosion involves the dust explosion pentagon: fuel, ignition source, oxygen, dispersion of the dust particles and the confinement of the dust cloud. The risk level of firefighters’ casualties may be reduced if the fire situation of combustible dust processing locations can be understood and evaluated properly. Generally an explosive mixture exists if dust particles sized 420 microns or smaller are involved. The dust fire & explosion hazard can be mitigated by housekeeping, examining areas where dust is regularly in close contact with ignition, such as electrical and /or friction ignition source. A set of requirements are helpful involving a hot work permit program, properly rated industrial trucks and cleaning equipments, etc. The negative flow blower system and open cyclones are somewhat less dangerous, and fire personnel must be vigilant about the dust fires to avoid dust explosions because dust dispersal may occur within the confines of the filter house and storage area. Spark detection systems, hydrogen detection systems and fixed water-based extinguishing system can prevent or early suppress dust fire & explosion. And the explosive force can be removed from dust management systems and buildings by high-speed abort gates, explosion venting panels and gravity-activated swing-type damper to prevent uncontrolled release of any fireball, explosive concussion and reverse flow of fire.

fire protection; combustible dust; fire and explosion; dust extraction devices; safety equipments

2015-09-25

黃曉哲(1992— )，女，山東菏澤人。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0023-04