摘要：粉尘爆炸产生的破坏力极强、危害极大,了解粉尘爆炸的原理及危害,掌握预防措施尤为重要。对此，为了有效控制铝粉尘发生爆炸事故,避免导致惨重伤亡。文章结合铝粉的理化性质和火灾危险性，针对铝粉尘发生爆炸的机理，提出了相应的预防对策。
关键词：铝粉；爆炸条件；预防对策
许多工农业生产过程中都能产生粉尘，这些粉尘不仅污染厂区和作业环境，危害人们的健康，而且还严重威胁现场作业人员的生命，这是因为某些粉尘在特定的情况下会发生爆炸。近年来,我国发生多起可燃性粉尘引发的燃烧、爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失,引起各级政府和社会各界的高度重视。
一、铝及其粉尘的理化性质分析
（一）铝的物理性质
铝是银白色的轻金属，较软。工业上广泛使用的纯铝，其物理性质包括：熔点低，熔点与纯度有关，99.996％的铝熔点为660.37℃，99.97％的铝为659.8℃；密度小，密度与温度和纯度有关，室温下纯度为99.996％铝的密度为2698.9kg/m3，约为铁密度的35％，可制造轻结构，有“会飞金属”之称；可强化，纯铝强度不高，冷加工硬化能使强度提高一倍以上，当然塑性变低，可通过添加各种元素合金化（变成铝合金），使其强度提高，塑性下降不太大；塑性好，易加工，可高速进行车、铣、镗、刨等机械加工，无低温脆性；抗腐蚀，铝表面上极易生成致密而牢固的氧化铝（Al2O3）薄膜，而且被破坏后会立即生成，保护铝不被腐蚀；导热、导电性好，铝的导热、导电性仅次于金、银和铜，其热导率（0～100℃）为22.609W/（m·K）。另外，铝还有无磁性、反射性强、有吸音性、耐核辐射和美观等特性[1]。
（二）铝的化学性质
铝元素位于元素周期表第三周期、第ⅢＡ族，是较活泼的金属元素，铝的原子序数是13。其具有的化学性质包括：铝最外层有三个电子，因此易和氧化性较强的物质发生氧化还原反应而至其失去最外层三个电子，变成三价铝离子，如图1所示。铝可与氧气发生反应：4Al＋3O2＝2Al2O3，该反应在常温或点燃的情况下均可发生，若点燃，则现象为发光，并伴着较大的能量变化。在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；熔融的铝能与水猛烈反应；铝是两性的，即易溶于强碱，也能溶于稀酸，能产生氢气。
图1 铝的还原性
根据铝的还原性推断，铝可以与水反应：2Al＋6H2O（ｇ）＝2Al（OH）3↓＋3H2↑，但实验发现，铝与沸水几乎没有反应现象，不过铝在加热条件下可以与水蒸汽发生明显反应。铝与比其弱的金属氧化物在高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属，即可发生铝热反应，反应得到该金属单质和铝的氧化物（绝大多数情况下为三氧化二铝），以氧化铁为例，反应方程式是：2Al＋Fe2O3＝Al2O3＋2Fe，反应需满足高温条件，多数情况下，在实验室中用引燃的镁条引发此反应。
（三）铝粉尘的特性分析
对于一定的物质来说，被粉碎的程度越大，即颗粒越小，则比表面积越大，那么表面能也越大。例如，一块1公斤重的二氧化硅的表面能为0.2焦耳，这是很小的，它只相当于把1公斤的物体举高0.02米所做的功。但是，若把它粉碎成面粉一样细小的粉尘后，其表面能可达27000焦耳，即相当于把同样重的物体举高2700米所做的功，表面能竟增大了107倍。
国际上一般将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期地在大气中漂浮，有时也称为浮游粉尘。由于铝粉尘粒子总表面积增加、温度升高热分解或干馏为气体分布于粒子周围等，使其活泼性得以充分发挥，更易发生与水蒸气、氧气的反应和铝热反应，表现出遇湿易燃以及与空气混合可能燃烧爆炸的危险特性[2]。
二、铝粉尘爆炸发生过程与机理分析
将物质在短时间内由一种状态变为另一种状态，而且在瞬间放出大量能量的现象称为爆炸。可以说，爆炸是一种高度聚合能量的瞬间释放现象。化学爆炸是发生在一定容积中并产生突然、显著压力上升的化学放热过程。铝粉尘的爆炸显然不是简单并长时间进行的化学反应现象，其能量来源应是短时间剧烈的复杂化学反应提供的。因为，简单的化学反应不会释放出大量的热量。
（一）铝粉尘爆炸发生过程分析
铝金属被加工成细小粉尘后，其总表面积增大，粉尘粒子表面与氧发生氧化反应的能力大大增强，蓄热能力也随之增大，从而提高其化学活性。通过实验可以观察到铝粉尘爆炸发生过程（图2所示）可划分为以下4个阶段：
（1）部分悬浮的铝尘粒子表面被加热：从点火源获得能量，表面温度升高。
（2）粉尘粒子表面层气化、分解：温度达到粉尘粒子的分解和蒸发温度时，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可燃性粉末蒸气。
（3）气体燃烧：粒子表面产生的可燃性气体（例如氢气）与空气中的氧混合燃烧，产生火焰。
（4）成为新的点火源：火焰产生热能，放出的热量经传导、辐射给附近的粒子，这些粒子受热加速分解和气化，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，使燃烧循环持续进行。
随着上述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。还需说明的是，粉尘粒子本身相继发生熔融气化可迸发出微小火花，也成为周围未燃烧粉尘的点火源，使之着火，从而扩大了爆炸范围。
图2 铝粉尘爆炸发生过程分析
（二）铝粉尘爆炸机理分析
从铝粉尘爆炸发生过程分析结果可以看出，铝粉尘爆炸中有固体颗粒，也有粉尘蒸气或分解气体与空气混合所形成的气相体系内进行的氧化反应。因此，铝粉尘爆炸属于不稳定的气固二相流反应，实质上是气相爆炸，也可认为是可燃性气体贮藏在粉尘自身之中的一个爆炸性混合物爆炸。
当某一燃烧反应在一定空间内进行，如散热困难，反应温度则不断提高，而温度提高又加快了反应速度，这样最后就发展成爆炸。这种爆炸是由于热效应而引起的，称为热爆炸。故反应时的热效应是断定物质能否爆炸的一个重要条件。铝粉尘爆炸之前，由一个铝核和外面一层保护层Al2O3组成的铝粉颗粒，在外部热环境及自身内部蓄热的作用下，达到铝的熔点时，发生熔化、气化和分解，氧化铝保护层受到热应力的拉伸，薄的氧化层可能发生破裂，这样铝就直接暴露于空气和水蒸汽的氧化环境中，进而在氧的作用下发生较剧烈的氧化反应（局部燃烧）并释放出大量热量，如散热困难则反应温度不断提高；同时铝与水发生显著还原反应，并大量放热和放出氢气，进一步提高温度，致使在粉尘云局部发展成有限度热爆炸（即剧烈的热反应）。
根据连锁反应理论，气态分子间的作用，不是两个分子直接作用得出最后产物，而是活性分子自由基与另一分子起作用，作用结果产生新基，新基又迅速参与反应，如此延续下去而形成一系列连锁反应。连锁反应通常分直链反应与支链反应两种。直链反应的基本特点是：每个自由基与其他分子反应后只生成一个新自由基，氯与氢的反应就是典型的直链反应。支链反应是指在反应中一个游离基能生成一个以上的新的游离基，如氢和氧的连锁反应属于此类反应。在铝粉尘云局部发生剧烈热反应之后，反应产生的氢气和水分子在高温高能条件的作用下，便有原子或自由基（H＋、OH－）生成而成为连锁反应的作用中心，发生剧烈的支链反应，释放出巨大热量，热以及连锁载体都向外传播，促使临近的一层爆炸混合物起化学反应，然后这一层又成为热和连锁载体的源泉而引起另一层爆炸混合物的反应。火焰是以一层层同心圆球面的形式往各方面蔓延的[3]。
根据上述分析，可以做出这样的判断：铝粉尘爆炸发端于热反应，诱发支链反应，支链反应进而加剧热反应，热反应和支链反应交互叠加作用，两者快速持续交替循环发生，直至导致剧烈的爆炸。这就是铝粉尘爆炸发生机理的交互叠加作用模型，如图3所示。
图3 铝粉尘爆炸发生机理的交互叠加作用模型
三、铝粉尘发生爆炸的基本条件分析
依据铝金属的化学性质、铝粉尘爆炸发生过程以及发生机理的分析结果，可以总结出铝粉尘发生爆炸应当具备的基本条件包括（见图4所示）：一定浓度和相对湿度的铝粉尘云，一定能量的点火源，含有一定范围内氧浓度和氧含量的密闭空间。
（一）一定浓度的铝粉尘云
存在一定数量的、粒径足够小的且在空中悬浮性好的铝粉尘，形成铝粉尘云，是爆炸发生的前提条件。一般情况，铝粉尘堆积起来，即使着火也不爆炸；颗粒直径小于100μm的铝粉尘，在空气中的悬浮性好，易形成粉尘云。对于颗粒直径大于560μm的铝粉尘，则不容易产生粉尘爆炸。如果悬浮粉尘中能爆炸的细小颗粒部分（粒径小于100μm）占全部质量的10％以上，则粗大的颗粒也会产生爆炸。铝粉尘平均颗粒直径小于22μm时，其粉尘云爆炸下限浓度为30g/m3；镁－铝（50％～50％）合金粉尘云爆炸下限浓度为50g/m3。当铝粉尘粒径增加时，其爆炸下限浓度也会相应提高。
图4 铝粉尘发生爆炸的基本条件
（二）一定能量的点火源
铝粉尘云必须遇到一定能量的点火源才能引发爆炸。衡量点火源能量的参数叫最小点火能，它是指能够引起粉尘云燃烧（或爆炸）的最小火花能量，亦称为最小火花引燃能或者临界点火能。铝镁粉尘最小点火能为200－240毫焦。40克的颗粒物从1米高度落到地面产生的能量为200毫焦。铝粉尘最小点火能随着粒径的增加而增加。引起铝粉尘点火的主要类型有静电点火、过热机器（如轴承）表面点火、金属碰撞摩擦点火、火花（如热切割或焊接）点火、火焰点火等。
在对很多铝粉尘爆炸事故进行调查时发现，铝粉尘爆炸时往往相对湿度较高，铝尘吸湿受潮，事发前两天当地空气湿度最高达97％。这是个不容忽视的爆炸发生辅助条件。环境内适量水分的增加可以促进铝粉爆炸反应的发生，氢气的产生也增强了爆炸的猛烈程度[4]。
（三）含有一定范围内氧浓度和氧含量的密闭空间
铝粉尘云处于一种相对密闭的空间，如设备（储罐、容器、管道等）内或厂房内等，并具有足以支持氧化反应持续进行的足够量的氧气或含有足够氧浓度的空气，是铝粉尘发生爆炸的一个必要条件。没有足够量的氧气，氧化反应不能持续进行，则爆炸不可能发生。只有当空间受限时，粉尘燃烧爆炸后，其快速膨胀不能得到迅速扩散和缓解，能量得不到快速释放，才能产生瞬间的剧烈爆炸损毁结果。
四、预防铝粉尘爆炸的对策与方法
根据铝粉尘爆炸发生的机理和基本条件，只要消除铝粉尘爆炸所需条件中的任何一个条件或者使这些条件不要同时出现，就可有效防止铝粉尘爆炸事故的发生。一般可采取以下对策和方法来预防铝粉尘爆炸事故的发生：
（一）防止铝粉尘沉积，及时清理铝粉尘
对于产生铝粉尘的铝金属加工设备或场所全部设立专门的除尘吸尘装置，防止铝粉尘到处飞扬；应将集尘器置于室外，并设有泄爆装置和防雨措施，对集尘设施中的铝粉尘必须及时进行清理；所有产尘点均应装设吸尘罩，风管中不应有粉尘沉降。回收的铝粉尘应当储存在独立干燥的堆放场所。
（二）加强现场管理，消除可能引发铝粉尘爆炸的点火源
首先，配备铝金属粉尘生产、收集、贮存防水防潮设施，保证系统干燥，杜绝水进入系统和铝尘发生接触；采用通风换气方法，防止系统温度过高；同时，应加强对铝粉尘除尘集尘系统的维护保养和管理，及时维修除尘集尘设备，避免锈蚀，从而防止发生铝热反应。其次，存在铝粉尘爆炸危险的生产场所所有电气设备必须采用防爆电气设备，防止产生电气火花；采用静电接地，防止静电蓄积和静电放电火花。再者，在可能形成铝粉尘云的环境，必须防止机械特别是传动部分，由于磨擦、撞击、故障等原因而产生火花或异常的高温，使用有色金属手持工具以防止产生摩擦火花或撞击火花[5]。在铝粉尘爆炸危险区生产作业的人员，应穿着阻燃材质的防静电工作帽和衣裤。
（三）使用惰性气体进行保护，降低氧含量，避免爆炸性铝粉尘云的形成
将有铝粉尘的装置、容器、管道等尽量做成密闭系统后，用氮、二氧化碳、卤代烃等抑制剂取代空气中的氧，对铝粉尘和空气的混合物进行惰化，避免铝粉尘具有新鲜表面的粉粒与氧气发生急剧反应而导致自燃或爆炸。当氧含量下降一半左右时，可以防止铝粉尘爆炸的发生；当气体组分为10％的氧和90％氮时，铝粉尘不具有爆炸性。同时，应利用氧气表对有铝粉尘的系统进行氧气含量监测，定期对系统的氧气浓度进行分析等监控手段，以保证惰性气体保护的有效性[6]。
（四）存在铝粉尘爆炸危险的生产场所应保证有足够面积的泄爆口，在爆炸时有效泄爆
铝粉尘爆炸发生后，形成气体产物，释放热量，提高了封闭设施内空气的温度。由于气体遇热膨胀，如果没有足够的排气面积（泄压面积）释放尚未到危险压力的热气体，这类破坏压力就会施加于周围的封闭设施上。
（五）有效控制扬尘，对积聚的铝粉尘采取有效的防水防潮和降温措施，并做好积尘的清扫
人们在处理铝金属加工过程中产生的铝粉尘时，更加注意铝粉尘的扬尘控制，而往往容易忽略积聚的铝粉尘在较高的温度条件下能与足量的水（包括水蒸气）发生化学反应而产生氢气并放出热量的情况，导致铝粉尘的防水防潮问题解决得很不好。这是铝粉尘频繁发生爆炸事故的主要原因之一。在贮存能自燃的散装铝粉料时，应采取防水防雨措施，并对粉料温度进行连续监测；当发现温度升高或气体析出时，必须采取使粉料冷却的措施。只要有效抑制铝粉尘的扬尘，同时对积聚铝粉尘采取有效的防水防潮和降温措施，就能很好地防止铝粉尘爆炸事故的发生。
五 结束语
总之，粉尘爆炸是危害人类生产生活的一类主要事故，不仅会造成巨大的经济损失，还会对人民的生命安全造成严重的威胁。因此，在实际工作中，要有效预防粉尘爆炸事故造成的危害，准确掌握其爆炸原理，针对其爆炸特性采取相关的预防对策，防止粉尘爆炸事故的发生，确保人民的生命财产安全。
参考文献：
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[6]周德红,李文,冯豪等.镁铝粉尘爆炸事故树分析与控制措施[J].价值工程, 2015(29):45-48.
论文作者:龙赤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/30
标签：铝粉论文; 粉尘论文; 发生论文; 火源论文; 粒子论文; 气体论文; 温度论文; 《防护工程》2018年第19期论文;