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北極星大氣網訊:摘要：通過對鋁塵的爆炸機理的分析，探討鋁塵的爆炸條件及針對性的控制措施。研發了鋁塵防爆溼法處理工藝設備，設計了在線監測和連鎖控制系統，形成了完整的本質安全防爆型解決方案，為消除金屬粉塵爆炸隱患奠定了基礎。
鋁製品是當代生產生活不可或缺的物質，其生產加工過程中伴生著金屬粉塵的爆炸事故隱患。近年來我國發生了多起鋁粉塵爆炸事故，其中2014 年8 月江蘇崑山中榮金屬製品有限公司汽車輪轂拋光車間發生特別重大鋁粉塵爆炸事故，造成146 人死亡、95 人重傷，直接經濟損失達3.51 億元。安監總局對粉塵爆炸做出嚴格的督查規定，但仍然事故不斷。2016 年4 月深圳精藝星五金加工廠五金拋光打磨工序又發生爆炸，造成5 人死亡，5 人重傷的較大事故。事故頻發的原因在於涉塵企業沒有解析鋁粉塵爆炸的機理，沒有從根本上消除鋁粉塵爆炸隱患。
通過對鋁粉塵爆炸機理以及爆炸事故典型案例的分析，筆者所在的公司立項研發本質安全型的鋁塵防爆工藝技術，並申報獲批2016 年度原國家安監總局重大隱患攻關專項。項目組團結協作，攻克了工藝、技術、設備的一系列難關，技術成果在裝備製造企業成功應用。
1 鋁粉塵爆炸機理
鋁製品打磨拋光產生的細微粉塵，其表面Al2O3 鈍化層被剝落，呈現出單質鋁的活潑性質。一方面，鋁是容易氧化的物質，其氧化放熱的能量達到點火溫度，可以引起自燃，粉塵集聚能夠引發爆炸。另一方面，鋁常溫下可以與水反應，生成氫氣，集聚的氫氣遇點火源能夠發生爆炸。
1.1 鋁粉氧化導致的爆炸
鋁粉塵比表面積大，點火能量低，具有可燃性及導電性，容易發生燃燒爆炸。導致鋁粉塵爆炸有以下五個因素。
(1)粉塵粒度：鋁製品拋光打磨形成的粉塵顆粒度越小，單位質量的表面積越大，與氧反應就越迅速，產生爆炸的速率越大，通常粒度≤75 μm 的粉塵即可發生爆炸。
(2)粉塵云：鋁粉塵分散在空氣中形成粉塵雲，粉塵雲爆炸濃度下限為60 g/m3(D 50=23 μm)。收塵系統內的鋁粉塵濃度往往是高於爆炸下限的，工作場所內長期沉降的粉塵受外力衝擊飛揚，形成的粉塵雲也是可以達到爆炸下限的。
(3)點火源：鋁的粉塵雲引燃溫度為560 ℃，最小點火能29 mJ，屬於高爆炸級別[1]。鋁製品在打磨過程中產生的火花，工作環境中的明火、電氣火花、靜電、熱表面均可構成點火源。
(4)有限空間：鋁製品打磨涉及的生產車間、除塵器、風管都屬有限空間，通常除塵器內粉塵的濃度最高，發生爆炸的機率最大。除塵器一旦發生爆炸，衝擊波沿除塵通風管道回傳，將沉積在工作場所臺面、地面、梁柱上的粉塵吹揚起來，形成粉塵雲，誘發二次爆炸。二次爆炸的能量、破壞力通常比一次爆炸更大。
(5)氧氣：是鋁粉塵爆炸的助燃氣體，也是操作人員不可或缺的生存氣體。正常情況下工作場所的氧氣濃度在20 %~22 %，難以人為調節。
1.2 鋁粉產生氫氣導致的爆炸
鋁在空氣中易於氧化，其氧化產物Al2O3 附著在鋁製品表面，形成緻密的鈍化膜，保護內層鋁材不受侵蝕。鋁製品在拋光打磨過程中，表面的鈍化膜受到破壞，鋁塵呈現出既有的化學活性。
鋁可與水發生置換反應，產生氫氣，反應方程式如下。
2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑
氫氣是甲類易燃易爆氣體，其在空氣中的爆炸濃度範圍
4 %~75 %(體積濃度)，在有限空間中，氫氣的排放逸散十分重要。
1.3 控制鋁粉塵爆炸的措施
1.3.1 鋁粉塵濃度控制
鋁粉的爆炸下限為60 g/m3，控制有限空間的粉塵雲濃度低於爆炸下限，可以防止粉塵爆炸的發生。為此應採取以下控制措施。
(1)在工作場所設置在粉塵在線濃度監測裝置。
(2)打磨臺應與收塵系統連接，收塵系統必須保持有效運作。
(3)收塵系統應當及時卸灰，工作場所內的積塵必須及時清理。
1.3.2 點火源控制
鋁製品打磨拋光作業中存在的點火源較多，控制措施有以下3 方面。
1.3.2.1 明火源的預防
打磨能夠產生火花，應在除塵風管內設置火花捕集器，控制除塵系統內的點火源。工作場所內的動火作業，動火前應清理現場粉塵，動火及冷卻期間停止粉塵作業。拋光打磨車間禁止吸菸。
1.3.2.2 防爆電氣
按《可燃性粉塵環境用電氣設備》(GB12476)選型、安裝、使用粉塵防爆電氣設備，不能用氣體防爆電機代替粉塵防爆電機。
1.3.2.3 靜電火源預防
生產區域內的所有機電設備應靜電接地，形成可靠閉合的接地幹線。
1.3.3 氫氣控制
室內禁止溼法作業，防止產生氫氣；室外可以採用溼法除塵，應及時逸散氫氣。
(1)作業場所保持乾燥，控制室內空氣溼度。
(2)禁止室內使用地下管溝式排風除塵系統。
(3)室外溼法除塵系統設置氫氣逸散口。
(4)除塵器與室內管路連接處設置隔爆閥。
2 防爆型鋁塵溼法處理工藝
防爆型鋁塵溼法處理工藝綜合考慮鋁塵濃度控制、點火源控制、氫氣逸散控制、爆炸傳導控制、職業病危害控制等因素，形成了兼顧本質安全和職業健康的一體化方案。
2.1 工藝流程圖
2.2 工藝流程說明
(1)打磨出的細微鋁塵通過風路系統輸送至室外溼式除塵器。除塵管路內進入的打磨火花通過流程衰減後，至溼式除塵器熄滅；控制系統的風量風速，使管道內粉塵濃度低於爆炸下限，保證管道系統的本質安全。
(2)通風管內設置鋁塵在線濃度監測儀，與氣動工具連鎖。設定在線監測濃度響應閾值(閾值可設為600 mg/m3，為鋁塵爆炸下限1 %)，粉塵濃度達到響應閾值時，控制系統輸出信號，啟動聲光報警，提示管道通風運行異常，同時連鎖切斷氣動工具氣源，保證管道內粉塵濃度符合本質防爆要求。
(3)打磨臺周圍設置鋁塵在線濃度監測儀，設定職業健康濃度響應閾值3 mg/m3(職業健康接觸限值)，與變頻風機和氣動工具連鎖，粉塵濃度達到響應閾值時，控制系統輸出信號，啟動聲光報警，同時連鎖變頻風機滿負荷運行並切斷氣動工具氣源，保證工作場所粉塵濃度符合本質防爆和職業健康雙重要求。
(4)室外溼式除塵器設置氫氣逸散排放裝置，保證系統運行和停機狀態均無氫氣集聚，避免氫氣爆炸產生。
(5)室內外風管連接處設隔爆閥，防止除塵器意外爆炸的衝擊波回傳，避免二次爆炸發生。
2.3 防爆型溼法除塵裝置設備
2.3.1 打磨工作檯
打磨工作檯為立式，臺面設有孔洞，雙面操作設置，中間為吸入式抽風廊道，接重力沉降收塵器。打磨拋光作業中產生的鋁塵經過立面風孔和臺面孔洞進入抽風廊道，較大顆粒鋁塵自然沉降，進入重力沉降收塵器，細小顆粒鋁塵經風管進入溼法除塵器。
2.3.2 通風管道
管道材質一般採用鍍鋅鋼板，通風管道安裝一定坡度(1 %-2 %)，減少鋁塵的沉降聚集。風管彎頭及變徑前後均安裝快速檢查孔，長線直管設置可視檢查口，檢查口間距不超過6 m。
2.3.3 隔爆閥
風管與水噴淋除塵器在室外連接，連接處設隔爆閥。正常工況下，隔爆閥沿引風方向開啟；若除塵器意外爆炸，產生的壓力逆向推動閥芯關閉，從而阻隔爆炸的衝擊波向室內回傳，避免二次爆炸發生。
2.3.4 溼法除塵裝置
溼法除塵裝置由噴淋塔、排氫裝置以及引風機組成。打磨作業中產生的細微鋁塵通過風管吸入噴淋塔中，高壓噴頭產生的霧化水與鋁塵接觸，增加鋁塵運動阻力，將鋁塵束縛於噴淋塔中；塔內設置了固液分離器，鋁塵沉降收集，噴淋水循環使用。除塵器儲水箱安裝液位傳感器，當液位低於最低限值時，除塵器報警並自動加水。除塵器底部設置有刮板裝置，可將底部沉澱物定期排出。除塵器後端風管頂部設置氫氣逸散閥，閥門與引風機連鎖，引風機工作時，氫氣逸散閥關閉，氫氣由總排風口排出，引風機關閉時，氫氣逸散閥開啟，除塵器內產生的氫氣通過逸散口排出。
2.3.5 粉塵在線監測與控制系統
粉塵在線監測與控制系統由粉塵濃度監測儀、聲光報警器、控制器組成，實現工作場所和除塵系統的粉塵濃度在線監測、聲光報警、引風機連鎖、氣動打磨工具連鎖。
2.3.5.1 粉塵濃度在線監測
在打磨工作場所和通風管道上分別設置粉塵濃度在線監測儀，並設定不同的濃度報警閾值。打磨工作場所的粉塵濃度閾值設定為3 mg/m3，該閾值既控制作業場所粉塵濃度，又保護工作人員的職業健康。通風管道粉塵濃度閾值設定為600 mg/m3，該閾值可及時發現風路系統故障，防止管路系統粉塵集聚。
2.3.5.2 控制系統
防爆控制系統連鎖粉塵濃度在線監測儀、聲光報警器、引風機、打磨工具氣源、氫氣逸散閥。當粉塵濃度在線監測達到設定閾值時，控制系統自動加大引風機風量，關閉打磨工具氣源；當引風機關閉時，控制系統自動打開氫氣逸散閥。
水位控制系統連鎖噴淋塔水箱液位傳感器，當液位低於設置值時，設備報警並自動加水。
3 應用案例
安徽省大富機電技術有限公司是裝備製造業上市公司，其產品涉及鋁質外殼通信射頻器組件。大富機電在其打磨拋光車間安全隱患整改工程中採用了本公司研發的防爆型鋁製品打磨溼法除塵系統。
該技改項目於2017 年9 月實施，2017 年11 月完成安裝調試，系統試運行穩定可靠。工作場所鋁塵濃度經第三方檢測，多檢測點結果處於0.7~1.0 mg/m3 濃度範圍，既符合職業健康接觸限值要求，又滿足粉塵防爆要求。2017 年12 月，大富機電的鋁塵隱患整改項目通過蚌埠市安監局組織的安全驗收。2018 年4 月，本項目通過原國家安監總局組織的重大隱患攻關專項驗收。
4 總結
(1)本項目研究了鋁塵爆炸機理，開發了可以同時控制鋁塵氧化放熱爆炸和鋁水反應產生氫氣爆炸的工藝技術，並實現設備、儀器、裝置的優化配置，形成完整的鋁塵防爆除塵系統。
(2)本項目研發的在線監測和連鎖處理工藝，能夠實現鋁塵濃度檢測、系統故障預警、職業健康防護、設備節能運行等多重功能，系統的自控運行，可以實現工作場所本質安全防爆目的，同時符合職業健康防控的要求。
(3)本項目採用的溼法除塵系統，在室外安裝使用，具有裝備設施少、維護成本低、使用安全度高的特點，可以與鋁塵打磨企業的室內作業工序配套，具有很強的經濟性和適用性。
(4)本項目防爆系統工藝機理清晰，可應用於鎂粉塵、鋁鎂合金粉塵處理。本項目研發成功，可以解決長期困擾裝備製造業鋁鎂粉塵的防爆難題，具有廣闊的應用推廣前景。
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