雷偉剛，畢海普，王凱全

(常州大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

粉塵爆炸事故在世界范圍內(nèi)廣泛存在[1]，首次有記錄的粉塵爆炸事故是1785年意大利都靈發(fā)生的面包作坊面粉爆炸[2]；2014年8月，我國江蘇省昆山中榮金屬制造品有限公司發(fā)生鋁粉爆炸，導致146人死亡、114人受傷[3]，此類是經(jīng)濟損失和社會影響重大的鋁粉爆炸事故。傳統(tǒng)上，由于金屬粉塵反應(yīng)強烈，它的爆燃抑制被認為難以解決。然而，Going等[4]詳細描述了抑制爆炸技術(shù)的進步，通過早期的壓力檢測和更快的抑制劑注入使得抑爆得以實現(xiàn)，這大大提高了爆炸抑制系統(tǒng)的效率；Taveau等[5]通過在4.4 m3的容器中利用SBC(碳酸氫鈉)抑爆劑進行抑爆試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該抑爆劑主要通過改變鋁粉爆炸的性能參數(shù)來大規(guī)模、有效地抑制鋁粉爆炸，以降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。近年來，隨著安全意識的提高，國內(nèi)研究機構(gòu)和企業(yè)開始關(guān)注和研究鋁粉爆炸的危害性，發(fā)現(xiàn)可以通過改變鋁粉爆炸的性能參數(shù)，從而防范與控制鋁粉爆炸事故的發(fā)生[6]。如以碳酸鈣為惰性材料，通過爆炸嚴重程度的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣是防止金屬粉塵點燃的有效方法，且抑爆效果隨著碳酸鈣粒徑的減小而增強[7-9]；抑爆劑碳酸氫鈉可顯著降低火焰強度，發(fā)現(xiàn)其惰化抑制作用在微米級與其粒徑成反比關(guān)系，其粒徑越小，對鋁粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种菩Ч胶肹10]；抑爆劑磷酸二氫銨對金屬粉塵爆炸的抑制作用比碳酸鈣顯著，且隨著磷酸二氫銨質(zhì)量分數(shù)的增加，對金屬粉塵的抑爆效果越來越好[11]。通過將碳酸鈣、碳酸氫鈉、磷酸二氫銨等抑爆劑作為抑爆介質(zhì)，討論其濃度、粒徑及點火能量對最大爆炸壓力的影響，發(fā)現(xiàn)磷酸二氫銨是最有效的金屬粉塵抑爆劑，碳酸鈣的惰化效果優(yōu)于碳酸氫鈉，而碳酸鈣的抑爆效果次于碳酸氫鈉[12-13]。

目前，國內(nèi)外對于鋁粉爆炸和抑爆劑抑爆效果的試驗研究比較成熟，但基于試驗測試結(jié)果分析鋁粉抑爆劑的適用性能還需要考慮環(huán)境影響等副作用。例如磷酸鹽、鹵化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽都具有一定的抑爆作用[14]，而鹵化物因其對環(huán)境的危害現(xiàn)已逐步被取代。因此，本文基于層次分析法(AHP)建立了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估模型和計算方法，并結(jié)合抑爆劑的環(huán)境毒理影響、處理難度、安全抑爆效果、運行成本等幾方面進行評估與分析，為現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中預防鋁粉爆炸事故提供數(shù)據(jù)支持。

1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估方法

1. 1　綜合評價指標體系的建立

本文在對某拋光企業(yè)鋁粉進行實地調(diào)查研究和查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)專業(yè)人員進行打分測評，并參考鋁粉抑爆劑的環(huán)境毒理影響、鋁粉爆炸及抑爆試驗的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系，詳見圖1。

圖1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系Fig.1　　　　Comprehensive evaluation index system of the application of explosion suppressant of aluminum powder

鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系(即評估模型)包含5個一級指標，分別為：環(huán)境毒理影響(即對環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)可能的影響)、后處理難度、前處理難度、安全抑爆效果和運行成本。其中抑爆劑的環(huán)境毒理影響是指抑爆劑本身的理化性質(zhì)，包括污染性、毒害性、腐蝕性和水溶性；抑爆劑的后處理難度是指生產(chǎn)中集塵管道加入抑爆劑后的清掃及處理難度，包括集塵桶清潔難度、粉塵排出難度、粉塵清除確認難度、管道清潔難度和內(nèi)部清掃難度；抑爆劑的前處理難度是指抑爆劑在現(xiàn)實中獲取的難度以及與粉塵惰化過程中的預處理難度，包括抑爆劑的獲得難度、預處理難度、噴粉難度和與爆炸粉塵混合度；抑爆劑的安全抑爆效果是指工業(yè)粉塵惰化后的爆炸性能參數(shù)，包括最小點火能、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)；抑爆劑的運行成本是指制作抑爆系統(tǒng)的成本以及后期運行和管理成本，包括抑爆劑成本、噴粉系統(tǒng)成本、噴粉設(shè)備維護成本和管理成本。

1. 2　評價指標權(quán)重的計算

本文應(yīng)用層次分析法的基本原理及步驟計算相應(yīng)的指標權(quán)重。層次分析法的基本步驟包括：將具有豐富經(jīng)驗的專家對各影響因素的相對重要性進行兩兩對比評估打分，構(gòu)造判斷矩陣；根據(jù)判斷矩陣計算得到的相對權(quán)重進行判斷矩陣的一致性檢驗；計算不同層次各指標對于系統(tǒng)目標的權(quán)重[15-16]?；趯＜掖蚍值玫降臉硕扰袛嗑仃?，計算各層指標權(quán)重、最大特征值(λmax)及一致性檢驗指標(CR)，其計算結(jié)果見表1。

表1　各層指標權(quán)重及一致性檢驗Table 1　　　　Weight of indicators of each layer and consistency test

目標層的最大特征值λmax為5.000，一致性檢驗指標CR=0.000 1<0.1，通過一致性檢驗。在一級指標中，權(quán)重最大的兩個指標為安全抑爆效果(0.436 4)和環(huán)境毒理影響(0.327 3)，其次依次為運行成本(0.109 1)、前處理難度(0.072 7)、后處理難度(0.054 5)，其中環(huán)境毒理影響、前處理難度和后處理難度均屬于環(huán)境影響類，指標權(quán)重之和達0.454 5，高于安全抑爆效果，此外工業(yè)應(yīng)用中還需考慮運行成本。

在二級指標中，B1的4個指標因素中毒害性的權(quán)重最大，占主要影響，其次是腐蝕性、水溶性和污染性；B2的5個指標因素中管道清潔難度和內(nèi)部清掃難度的權(quán)重最大，其次是集塵桶清潔難度、粉塵排出難度和粉塵清除確認難度；B3的4個指標因素中權(quán)重大小依次是抑爆劑獲得難度、預處理難度、與爆炸粉塵混合度和噴粉難度；B4的4個指標因素中最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)的權(quán)重最大，其他依次是最大爆炸壓力上升速率和最小點火能；B5的4個指標因素中抑爆劑成本的權(quán)重最大，占主要影響，其他依次是噴粉系統(tǒng)成本、管理成本和噴粉設(shè)備維護成本。

2　3種典型鋁粉抑爆劑的應(yīng)用分析

2. 1　基于試驗的指標賦值與分析

抑爆劑主要是在爆炸初期使用，最早使用于煤礦行業(yè)，后來逐漸應(yīng)用于其他行業(yè)，在選取抑爆劑時主要考慮的是抑爆性能、實用性和危害性。碳酸鈣(CaCO3)、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)和碳酸氫鈉(NaHCO3)是目前國內(nèi)外研究最多的典型抑爆劑，而且在市場上的應(yīng)用也比較廣泛，其污染性小，幾乎無毒害性，且抑爆性能相對其他抑爆劑較好，所以本文選取這三種典型鋁粉抑爆劑進行了20 L爆炸球試驗，測試其抑爆性能。

20 L球形爆炸測試裝置由容積為20 L的不銹鋼球形罐、壓力檢測系統(tǒng)、分散系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。球形罐的底部安有粉塵擴散器，儲塵罐的容積為0.6 L，可承受2.5 MPa的壓力；球形罐的側(cè)面設(shè)置有觀察窗，通過觀察窗可觀察到罐內(nèi)爆炸時產(chǎn)生的火光。20 L爆炸球試驗主要用于測試粉塵云的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、最小點火能和爆炸指數(shù)等參數(shù)。鋁粉的平均粒徑為40～52 μm，進行試驗前期在烘干箱60℃烘干6 h。

基于物質(zhì)的物理屬性和試驗測定的抑爆劑的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家打分對各個指標進行賦值，賦值規(guī)則采用5分制，5分表示得分最高，相應(yīng)鋁粉抑爆劑適用性貢獻度最優(yōu)，其賦值結(jié)果如下：

(1) 環(huán)境毒理影響：結(jié)合3種抑爆劑環(huán)境毒理性質(zhì)(見表2)對指標賦值。其中，污染性由于3種抑爆劑污染性幾乎不計，所以賦值為4；毒害性由于碳酸鈣和磷酸二氫銨是無毒的，所以賦值為5，碳酸氫鈉具有微毒性，所以賦值為4；腐蝕性由于三者都無腐蝕性，因此賦值為5；水溶性由于碳酸氫鈉易溶于水，所以賦值為0，磷酸二氫銨溶于水，賦值為1，碳酸鈣不溶于水但易潮解，因此賦值為4。

(2) 后處理難度： 結(jié)合3種抑爆劑在20 L爆炸球試驗后的狀態(tài)(見圖2)對指標賦值。其中，集塵桶清潔難度由于在工業(yè)生產(chǎn)中屬于爆炸和抑爆混合粉塵，比較容易清理，所以三者都賦值為4；粉塵排出難度由于生產(chǎn)中磷酸二氫銨呈結(jié)晶體狀態(tài)，因此其排出難度要高于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為3，碳酸鈣和碳酸氫鈉賦值為4；粉塵清除確認難度由于在生產(chǎn)中屬于全自動化掃描確認，結(jié)合該試驗后的狀態(tài)(見圖2)發(fā)現(xiàn)三者都屬于比較容易確認清除的，因此三者均賦值為3；管道清潔難度由于碳酸鈣、碳酸氫鈉和磷酸二氫銨都屬于易潮解的，即易呈塊狀集結(jié)在管道內(nèi)部，結(jié)合該試驗后的狀態(tài)(見圖2)發(fā)現(xiàn)磷酸二氫銨(抑爆后呈結(jié)晶體)屬于比較難清理的，因為在抑爆過程中與鋁粉結(jié)合成塊狀物質(zhì)附著在管道壁面，所以賦值為2，而碳酸鈣和碳酸氫鈉(抑爆后呈粉末狀)在試驗過程中比較好清理，因此賦值為3；內(nèi)部清掃難度包括噴粉裝置表面清掃和抑爆裝置表面清掃等，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣和碳酸氫鈉均賦值為3。

表2　3種抑爆劑的環(huán)境毒理性質(zhì)Table 2　Properties of three kinds of explosion suppressants

圖2　3種鋁粉抑爆劑在20 L爆炸球試驗后的狀態(tài)圖Fig.2　　　　State diagram of three kinds of explosion supp- ressants after the experiment in 20 L blast ball

(3) 前處理難度：抑爆劑的獲得難度由于碳酸鈣和碳酸氫鈉都易獲得，所以賦值為5，磷酸二氫銨屬于稍微易獲得，因此賦值為4；抑爆劑的預處理難度由于碳酸鈣在試驗中預處理最簡單，只需烘干，所以賦值為4，碳酸氫鈉在試驗中易結(jié)塊，在實驗室還需要輕微研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為3，磷酸二氫銨在試驗中需要研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為2.5；抑爆劑的噴粉難度由于三者在試驗中經(jīng)過預處理后噴粉難度是一樣的，但結(jié)合現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中磷酸二氫銨噴粉難于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為4，碳酸氫鈉和碳酸鈣賦值為5；抑爆劑與爆炸粉塵的混合度由于三者混合難易度相同，因此均賦值為3(0代表不混合，5代表完全混合)。

(4) 安全抑爆效果：結(jié)合不同濃度3種抑爆劑對鋁粉的抑爆效果試驗數(shù)據(jù)(見表3、表4和表5)對指標賦值,“0”表示20 L爆炸球內(nèi)沒有發(fā)生爆炸，“1”表示20 L爆炸球內(nèi)發(fā)生爆炸。其中，最小點火能由于磷酸二氫銨抑爆所需最小點火能最大，所以賦值為4，碳酸鈣次之，賦值為2，碳酸氫鈉賦值為1；最大爆炸壓力由于在試驗過程中爆炸壓力降低定值需加入10%的磷酸二氫銨，而碳酸鈣需加至40%，碳酸氫鈉需加至80%，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為1，碳酸氫鈉賦值為0.5；最大爆炸壓力上升速率由于試驗過程中分別加入等量的磷酸二氫銨、碳酸鈣和碳酸氫鈉，測試數(shù)據(jù)顯示磷酸二氫銨的最大爆炸壓力上升速率最小(鋁粉濃度為500 g/m3爆炸時最大爆炸壓力上升速率為24.9 MPa/s，加入磷酸二氫銨后其減小為4.98 MPa/s)，碳酸鈣和碳酸氫鈉的最大爆炸壓力上升速率相近但大于磷酸二氫銨(碳酸鈣為10.86 MPa/s，碳酸氫鈉為13.58 MPa/s)，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2；爆炸指數(shù)與最大爆炸壓力上升速率呈正比關(guān)系，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2。

表3　不同濃度的磷酸二氫銨對鋁粉的抑爆效果Table 3　　　　Effect of different concentration of ammonium dihydrogen phosphate on the explosion suppression of aluminum powder

表4　不同濃度的碳酸鈣對鋁粉的抑爆效果Table 4　　　　Effect of different concentration of calcium carbonate on the explosion suppression of aluminum powder

表5　不同濃度的碳酸氫鈉對鋁粉的抑爆效果Table 5　　　　Effect of different concentration of sodium bicarbonate on the explosion suppression of aluminum powder

(5) 運行成本：抑爆劑成本由于碳酸鈣和碳酸氫鈉屬于同等價格，價格低廉，價格為30元/kg左右，所以兩者賦值為3，而磷酸二氫銨價格為40元/kg，所以賦值為2.25；噴粉系統(tǒng)成本由于磷酸二氫銨和碳酸氫鈉都具有水溶性，所以在噴粉系統(tǒng)中要維持干燥，而磷酸二氫銨后期難清理，碳酸氫鈉在高于50℃時開始分解，因此要保持噴粉系統(tǒng)溫度低于50℃，所以碳酸氫鈉和磷酸二氫銨均賦值為2，碳酸鈣賦值為3；噴粉設(shè)備維護成本賦值同上，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣賦值為3；管理成本結(jié)合上述得出，碳酸鈣管理最簡單，所以賦值為3，碳酸氫鈉和磷酸二氫銨管理成本類似，均賦值為2。

2. 2　鋁粉抑爆劑適用性能指標的計算與評估

基于層次模型中各級指標的權(quán)重，利用試驗數(shù)據(jù)給各個指標賦值并進行適用性能計算，得到3種鋁粉抑爆劑適用性能一級指標(B1～B5)值和綜合指標值的對比結(jié)果，見圖3。

圖3　3種鋁粉抑爆劑適用性能指標的對比Fig.3　　　　Comparison of performance of three kinds of explosion suppressants

為了便于橫向?qū)Ρ?，?種鋁粉抑爆劑適用性能一級指標按下式進行計算[17]:

(1)

式中：ζ為性能指標比對值(%)；A為一種鋁粉抑爆劑的性能指標值；B為另一種鋁粉抑爆劑的性能指標值。

由圖3，并結(jié)合公式(1)的計算結(jié)果可知，在環(huán)境毒理影響方面，碳酸鈣性能指標值略高于磷酸二氫銨(高15.1%)，碳酸氫鈉性能指標值最?。辉诤筇幚黼y度方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標值最小(低22.4%)；在抑爆劑前處理難度方面，碳酸鈣性能指標值略高于碳酸氫鈉和磷酸二氫銨，說明在抑爆劑的獲取方面碳酸鈣比后兩者易獲取(高碳酸氫鈉7.0%，高磷酸二氫銨29.0%)；在安全抑爆效果方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標值遠低于磷酸二氫銨(碳酸鈣低61.7%，碳酸氫鈉低70.0%)，說明前者的安全抑爆效果優(yōu)于后兩者；在運行成本方面，碳酸鈣運行成本最低(低磷酸二氫銨29.6%)。綜合3種鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估結(jié)果表明，磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉抑爆劑適用性能綜合指標值分別為3.680、3.011、2.413)。

3　結(jié)　論

本文綜合考慮環(huán)境風險、安全抑爆效果和運行成本，建立了鋁粉抑爆劑適用性能評估模型，并以典型的3種鋁粉抑爆劑為例進行了應(yīng)用分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 基于專家打分計算得到的評價指標權(quán)重顯示，一級指標層5個指標因素中安全抑爆效果占主要影響作用，其次是環(huán)境毒理影響、運行成本、前處理難度和后處理難度；通過對比二級指標的權(quán)重大小可知，最大爆炸壓力最重要，其次是爆炸指數(shù)和毒害性，粉塵清除確認難度和預處理難度的影響最小。

(2) 綜合考慮3種鋁粉抑爆劑的適用性能指標可以得出，在工業(yè)生產(chǎn)中鋁粉抑爆劑磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉塵抑爆劑適用性能指標綜合值分別為3.680、3.011、2.413)。

(3) 基于行業(yè)專家打分，計算不同的標度矩陣及指標權(quán)重，本模型也適用于其他涉粉行業(yè)抑爆劑的評估與選取。

參考文獻：

[1] 李紅玉，樊運曉.基于系統(tǒng)思考的AL Solutions粉塵爆炸事故分析[J].安全與環(huán)境工程，2016，23(2)：90-95.

[2] 李迪.鋁粉爆炸泄放特性及二次爆炸現(xiàn)象實驗硏究[D].大連：大連理工大學，2012.

[3] 胡東濤，陳曦.工業(yè)粉塵惰化抑爆技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2016，42(12)：10-13.

[4] Going J E,Snoeys J.Explosion protection with metal dust fuels[J].ProcessSafetyProgress,2002,21(4):305-312.

[5] Taveau J,Vingerhoets J,Snoeys J,et al.Suppression of metal dust deflagrations[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2015,36:244-251.

[6] 曹衛(wèi)國，潘峰，徐森.小麥淀粉粉塵爆炸特性參數(shù)的研究[J].安全與環(huán)境學報，2012，12(2)：213-216.

[7] 甘媛，蒯念生，劉龍.碳酸鈣對粉塵爆炸抑制效力的實驗研究[J].消防科學與技術(shù)，2014，33(2)：128-131.

[8] Miao N,Zhong S,Yu Q.Ignition characteristics of metal dusts generated during machining operations in the presence of calcium carbonate[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2016,40:174-179.

[9] Kuai N,Li J,Chen Z.Experiment-based investigations of magnesium dust explosion characteristics[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2011,24:302-313.

[10]王玉潔，陳曦，陳先鋒.碳酸氫鈉粉體粒徑對鋁粉火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊慬J].中國安全科學學報，2016，26(3)：53-57.

[11]李亞男.磷酸二氫銨對金屬粉塵的爆炸抑制研究[D].太原：中北大學，2015.

[12]伍毅，袁旌杰，蒯念生.碳酸鹽對密閉空間粉塵爆炸壓力影響的試驗研究[J].中國安全科學學報， 2010，20(10)：92-96.

[13]Amyotte P R.Solid inertants and their use in dust explosion prevention and mitigation[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2006,19:161-173．

[14]左前明，程衛(wèi)民，湯家軒.粉體抑爆劑在煤礦應(yīng)用研究的現(xiàn)狀與展望[J].煤炭技術(shù)，2010，29(11)：78-80.

[15]鄭重，趙云勝，張衛(wèi)中.改進的模糊層次分析法在采動滑坡穩(wěn)定性影響因素評價中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2016,23(5)：109-112.

[16]劉小琴，何中其，郭效德.基于灰色層次分析法的硝基胍噴霧干燥系統(tǒng)風險評價[J].安全與環(huán)境工程，2017，24(4)：109-113.

[17]畢海普.三峽庫區(qū)突發(fā)水污染事故的數(shù)值模擬及風險評估研究[D].重慶：重慶大學，2011.