铝粉爆炸解析与预防

方志勇

（阜新市公安消防支队，辽宁　阜新）

摘要：在日常生活特别是工业生产中，粉尘随处可见，粉尘爆炸的危害触目惊心。粉尘一旦发生爆炸，爆炸能量巨大且易引起连续爆炸，严重威胁人身及财产安全。粉尘爆炸的种类较多，铝粉尘爆炸即为其中的一种。铝粉又叫“银”粉，别名铝银粉，传热性能好。铝粉的火灾危险性在于，其粉尘飞扬与空气混合（达到一定浓度），若遇火星、火花、闪络，甚至静电闪络等会发生爆炸和燃烧。铝粉爆炸危害性较大，纯的铝粉可以作为火箭发动机的燃料，因此了解铝粉爆炸的机理、条件、特点、如何预防等尤为重要。本文从各方面对铝粉爆炸进行阐述，旨在让人们了解其爆炸危害，提高预防意识，严加防范，保证工业的安全生产，保护人身及财产安全。

关键词：粉尘爆炸；铝粉尘爆炸；粉尘云；爆炸极限；粒度；浓度

1　引言

近年来，由于经济飞速发展，人们在追求利益的同时往往忽视消防安全设施建设，因而在经济飞速发展的同时，安全事故时有发生。近年来铝粉爆炸事故频繁，典型事故有：2011年5月富士康集团鸿富锦成都公司抛光车间发生铝粉尘爆炸事故，造成3人死亡，16人受伤；2012年8月温州市瓯海区一栋民房在生产中发生铝粉尘爆炸，导致坍塌并燃烧，造成13人死亡，15人受伤；2014年8月2日7时许，江苏省昆山市中荣金属制品有限公司汽车轮毂抛光车间发生爆炸，造成75人死亡，185人受伤。以上惨痛的事故充分说明了铝粉尘存在较大的爆炸危险性，因此了解铝粉尘的爆炸机理、爆炸条件，进而掌握防范措施并进一步预防尤为重要，只要防范得当，相关人员足够重视，就能最大限度减少爆炸事故的发生。

粉尘爆炸指粉尘在爆炸极限范围内，遇到热源（明火或高温热表面）时，火焰瞬间传播于整个混合粉尘空间，同时释放大量的热，形成很高的温度和很大的压力，系统的能量转化为机械功以及光和热辐射，具有很强的破坏力。

2　铝粉尘燃烧爆炸机理

铝粉又叫“银粉”，别名铝银粉，呈银白色，其传热性能好，燃点较低。铝粉属于遇湿易燃品，属危险化学品名录所列危险化学品^［1］。铝粉颗粒极其微小，当其悬浮在空气中时，增大了与空气的接触表面，使其化学活性增加，一旦粉尘在空气中达到一定的量时，遇到着火源，能迅速爆燃，瞬间产生大量的光、热量和氧化物，使环境空间内气体、蒸汽等剧烈膨胀，造成爆炸。如果铝粉过多，局部爆炸后如果防爆设施不完善，可能导致铝粉再度扬起，形成二次爆炸，即殉爆。

铝粉爆炸是一个气、固二相流连锁的反应，可瞬间产生，其爆炸过程可分为4个阶段：①供给粒子表面热能，使其温度上升，达到临界温度；②粒子表面的分子由于热分解或干馏作用变为气体，分布在粒子周围，形成“静电云”；③气体与空气混合生成爆炸性混合气体，遇到偶然条件进而发火，产生火焰；④闪爆性燃烧同时产生巨大的光、热量以及气浪冲击波，加速粉尘飞扬、分解，循环往复放出气相可燃性物质再与空气混合，进一步发火传播。

铝金属加工成细小的颗粒的粉末后，其总表面积增大，粉末颗粒表面与氧发生氧化反应的能力更强，蓄积热量的能力也随之增大，从而提高了其化学活性。经试爆试验可观察到：将部分悬浮的粉尘粒加热，粉粒表面产生可燃性气体与空气中的氧混合燃烧，放出的热量传导、辐射给附近的粉粒，这些粉尘颗粒受热汽化，使燃烧循环持续进行。随着每个环节的逐次进行，反应速度逐渐加快，通过这样循环产生的激烈燃烧最后形成爆炸。

3　铝粉尘爆炸的条件、特点及影响因素

3.1　铝粉尘爆炸的条件

铝粉尘发生爆炸一般需要以下几个条件。

（1）粉末的粒度应足够小。铝粉尘属于可燃粉尘，由于其密度轻、细度小，一旦遇到风吹或气喷甚至振动极易飞扬在空中，变为悬浮粉尘。悬浮在空气中的粉尘颗粒形成类似于水滴形成的云团，称为粉尘云。当铝粉沉降在固体壁面上称为沉积粉尘。如果粉末粒度大于420μm，就不容易产生粉尘爆炸。粉末粒度越小，每单位质量的表面积越大，与氧的接触面积也就增大，反应就越迅速，也就越容易爆炸。不过，还要看粉尘的粒度分布情况，如果悬浮粉尘中能爆炸的细小颗粒部分占全部质量的15％以上，则粗大的颗粒也会产生爆炸。但这并不意味着需要整个空间内达到临界条件，局部条件成熟就会产生闪爆继而扩展为整个区域内的大爆炸。

（2）铝粉尘达到一定的浓度。铝粉尘需要达到一定浓度，即在爆炸极限范围内时，才可能发生爆炸。爆炸极限包括爆炸下限和爆炸上限。粉尘爆炸下限是指在空气中，遇火源能发生爆炸的粉尘最低浓度，一般用单位体积内所含粉尘质量表示，其单位为g/m³。爆炸下限越低，粉尘爆炸危险性越大。铝粉尘的爆炸下限为50g/m³，起火点温度为535℃。

（3）有充足的空气和氧化剂。铝粉属于氧化速度快的物质，在空气中就有爆炸的危险。如果铝粉处于潮湿的环境中，缓慢的吸收水分，就会发生化学反应，放出氢气，同时释放出大量的燃烧热，具有爆炸的危险。

（4）存在点火源。铝的燃点是550℃，而铝粉尘的燃点更低一些，只要有一颗小小的火星溅落都可能引起燃烧。而一般明火如柴火的温度为400～600℃，火柴的明火温度可达1200℃，点燃的香烟温度为600～800℃。此外如电线短路、高温摩擦、静电火花等都可引起燃烧爆炸。点火源通常有热表面和火花两种：可燃物与足够热的表面接触或靠近就能着火；产生火花的原因可能是电、摩擦、撞击、热切割或焊接等。

（5）粉尘处于悬浮状态。即粉尘云，且其要处在相对密闭的空间，这样温度和压力可急剧升高，进而产生爆炸。

3.2　铝粉尘爆炸的特点

铝粉尘发生爆炸，具有以下特点。

（1）铝粉尘爆炸能引起建筑物其他部位的粉尘二次爆炸，而且二次爆炸压力比上次爆炸压力大，破坏性更严重；导致二次爆炸的主要因素有两点。一是初次爆炸引起周围环境的扰动，使那些沉积在地面、设备上的粉尘弥散而形成粉尘云，遇火源形成灾难性的第二次爆炸。二是第一次爆炸后，在粉尘的爆炸点，由于空气受热膨胀，密度变小，迅速形成爆炸点逆流（俗称“返回风”），遇粉尘云和热能源，也会发生第二次爆炸。

（2）粉尘爆炸所需的最小点火能量较高，一般在几十毫焦耳以上。

（3）铝粉爆炸释放的能量大，破坏力强。按产生能量的最高值进行比较，铝粉尘爆炸的能量是气体爆炸的好几倍，温度可达2000～3000℃以上，最大爆炸压力为345～690kPa。

（4）铝粉尘燃烧要经过加热熔融、离解、蒸发等复杂过程，粉尘从接触火源到发生爆炸所需的时间即感应期要比气体爆炸长，达数十秒。

（5）粉尘爆炸的酝酿期较长，但爆炸及蔓延时间却极短，因而被称为“闪爆”，危害加大。

3.3　影响铝粉尘爆炸的因素

影响铝粉尘爆炸的因素主要有5个^［2］。

（1）粒度对爆炸的影响。粒度越大，使其开始燃烧所需热量越大，爆炸危险性越小。粒度越小，与空气接触面积越大，使其开始燃烧所需热量越小，并有利于系统的温度升高，爆炸的危险性越大。粒度越小，悬浮在空气中的时间越长，燃烧传播越容易，发生爆炸的机会越多。

（2）环境温度的影响。环境温度越高，铝粉尘的着火温度就越低。

（3）浓度的影响。浓度越高，越能积蓄热能，因而着火温度越低。

（4）与可燃气体共存对爆炸的影响。一般铝粉爆炸所需的最小着火能量大致是20～60MJ，铝粉是二级遇水燃烧物品，一定温度下与水相遇会发生化学反应，产生可燃气体氢气，其化学反应方程式如下：。故发生事故时不能用水灭火。如果铝粉与氢气共存，即使后者是少量的，也会使着火所需能量、下限浓度值等降低，从而增加爆炸的可能性。

（5）爆炸时间的影响。铝粉在危险浓度时，爆炸时间最短。在相同浓度条件下，铝粉粒度越小，爆炸时间越短。

4　铝粉尘爆炸的危害

铝粉尘爆炸会带来严重的后果，具体表现如下。

（1）具有极强的破坏性。火焰温度高、燃烧速度快、爆炸威力大、辐射热强。铝粉尘燃烧时，一般呈绿蓝色火焰，放出银白色强光，爆炸压力可达6.3kg/cm²，完全可以致房屋倒塌、人员死亡。同时，爆炸时产生高温火焰及气浪，对环境中的人员会产生大面积的烧伤、灼伤，尤其是呼吸道内的烧烫伤，这也是事故中人员死亡的主要因素。

（2）容易产生连续爆炸。铝粉尘容易产生连续爆炸，且爆炸危害一次比一次增强，由于爆炸次数的不可知性，给灭火救援等工作带来隐患。

（3）严重影响人民生命财产安全。铝粉是一种重要的工业原料，广泛应用于颜料、油漆、烟花、冶金、汽车、飞机、船舶制造业。此外，铝粉在军事工业中被广泛用作固体推进剂、火炸药与火工药剂，其生产和存放过程中也可能发生爆炸。现代工业中，铝合金、铝型材等制品打磨抛光车间比比皆是，一旦发生爆炸，除给作业人员带来人身安全威胁和巨大经济损失外，也给附近居民生活带来安全影响。

5　预防铝粉尘爆炸技术措施

预防铝粉尘爆炸，常用的防护措施有5种^［3-5］。①预防与控制。对生产加工车间做好预防措施，规范合理的控制手段、控制设施是防止此类事故的前提；对空间合理分区、智能检测、控制，将防尘、降尘、排尘有效结合是预防爆炸的积极手段。②遏制。在设计、制造粉体处理设备的时候采用增加设备厚度的方法以增大设备的抗压强度。③泄放。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，以达到保护粉体设备的安全。④抑制。在爆炸现象发生的初期（初始爆炸）由传感器及时检测到，通过在系统设备中快速喷射抑爆剂，从而避免设备乃至装置的二次爆炸。⑤隔离。把有爆炸危险的设备与相连的设备隔开，从而避免爆炸的传播，产生二次爆炸。

对于企业而言，应具体从以下三个方面做好预防铝粉尘爆炸工作。

（1）对粉尘的控制。采用封闭性能良好的设备尽量减少粉尘飞散逸出；用通风排尘、抽风排尘等除尘设施控制粉尘浓度，防止积尘；使用粉尘收集系统和过滤器等排除粉尘；尽量减少连接管道，管线尽量不要穿越粉尘车间，宜在墙内敷设；车间穿管处应密封，地沟、管道设计应为通式，防止积尘二次飞扬；车间各部位应平滑、易清扫，尽量避免设置一些无关设施（如窗幕、门帘等）。

（2）控制温度和点火源。装置、管道和设备的受热表面经常是热源，控制热表面的温度尤其重要。在任何情况下，受热表面的温度应比粉尘层的可燃温度低5℃；作业场所采用防爆电机、防爆点灯、防爆开关等，保证选用符合规定的电气设备；做好设备接地，避免产生静电；避免产生机械火花和摩擦，严禁用铁质工具敲击；凡有粉尘沉积的容器要有降温措施，必要时可充入惰性气体，以冲淡氧气的含量；做好人员培训工作，严禁车间使用明火、吸烟等。

（3）其他方面的控制。危险部位安装火星探测器、自动烟感器、爆炸抑制装置等；要慎重选择泄压孔位置，泄压阀安装在远离粉尘危险的区域；为保证物料能安全地进行干燥处理，喷雾干燥必须尽可能利用含氧量最低的烟道气。必要时，可用不燃性气体或其他气体将烟道气稀释至氧含量达到安全程度时再用；容器或外壳要有足够强度，能够承受粉尘点燃时产生最大爆炸压力，使爆炸发生在空腔内。

参考文献

［1］　危险化学品名录（2015）.北京：国家安全生产监督管理局，2015.

［2］　秦涧，谭迎新，尉存娟.水平管道内铝粉爆炸特性的试验研究.中国安全科学学报，2011，24（4）：66-70.

［3］　GB 15577—2007.

［4］　GB 17269—2003.

［5］　林荷梅，于德源，陈永远.铝镁粉尘爆炸与对策.轻合金加工技术，2001，29（9）：47-48.