摘要：本文提供了粉塵爆炸原因分析以及防護措施，并提供生產線安全改造實例：環氧粉末涂料生產線安全合規性改造。
粉塵爆炸原因分析如下。
圖1（a）原木燃燒；（b）堆柴的篝火；（c）粉塵燃燒。從左到右，火勢越來越大，從中你能體會到粉塵燃燒瞬間的能量有多大。其實粉塵爆炸是由粉塵燃燒在一定條件下產生的。
而粉塵爆炸的條件共有5個，除了燃燒的三要素氧氣、可燃物、點火源外，另加上兩個：密閉空間和粉末分布。即所謂的粉塵爆炸五要素：氧氣、可燃物（粉塵），點火源、密閉空間和粉末分布。“氧氣”存在于空氣，人也需要氧氣來生存，很難在生產過程中被去除。“可燃粉塵”一般為產品，是我們生產的目的。“密閉空間”是車間，是我們生產的場所，也不能被去除。剩下的只有“點火源”和“粉末擴散”，這是我們重點要控制的要素。
2
可燃物粉塵的爆炸參數
（1）Kst——點燃到爆炸壓力最大的時間。
（2）Pmax——最大爆炸力（由粉塵材料決定）。
（3）Mie——最低引爆能量，當MIE<100mJ（毫焦），必須有粉塵防爆控制。
（4）Mec——粉塵到達爆炸點的濃度。
3
粉塵爆炸的相關術語
（1）第二次爆炸。一個容器內爆炸通過管道或設備引起另一個地方的粉塵爆炸稱為第二次爆炸。第二次爆炸會產生巨大的破壞力并且更具危險性。通常會使用隔爆裝置來避免這種情況發生。
（2）減少的壓力（Pred）。為了減小爆炸的破壞力，通常設計卸壓的裝置來降低容器內的爆炸力，Pred一般設計為容器極限抗壓力等級的三分之二。
（3）爆炸隔離。爆炸隔離是防止爆炸從一個地方傳遞到另一個地方。通常有幾種傳遞形式：爆炸釋放的壓力，爆炸前的火星，爆炸疊加的壓力，伴隨的爆炸。
4
揚塵溶度/顆粒度與粉塵爆炸的關系
判斷粉塵空間有爆炸的危險情況如下。
（1）25W燈在2米之外看不清，粉塵濃度大約在每立方米40克。
（2）設備表面的顏色看不清或積灰厚度大于0.8mm(大約回形針的厚度）。
（3）超細粉末更危險，容易先點燃。同樣的材質顆粒度不同會表現出不同的危險等級（比如白砂糖與綿白糖）。
5
粉末產品生產線安全防爆的規范
美國消防協會（NFPA，National Fire Protection Association）制定了一系列的標準來規范可燃粉塵生產，工藝以及任何處置設備的基本要求。NFPA 652 是美國消防協會針對可燃粉末最新版本的標準。下面例舉新標準強調的部分以幫助我們發現問題并整改問題。
重點1，粉末危害分析(DHA，dust hazard analysis）要求的提出。新標準引入了DHA（dusthazardanalysis）粉末危害分析的要求和方法。對粉末生產工藝及設備危害分析必須用文字記錄，并歸檔保存。粉塵危害分析包括下列三個部分。
（1）確認危害存在的危險區域。
（2）確認已有的安全裝置。
（3）確認需要增加的安全防護裝置。
DHA（粉末危害分析）文檔必須具有可追溯性。對現有的工藝，設備的改動，設備負責人和操作者必須完成粉末危害分析（DHA）文件。如工藝，設備沒有變化，每3 年也必須進行粉末危害分析（DHA）文件檢討修訂。
重點2，OSHA 被引入NFPA 標準OSHA（Occupational Safety and Health Administration）職業安全和健康被要求列入可燃粉塵的控制文件。NFPA654（美國消防協會標準654）適用于任何生產、工藝和可燃粉塵的處置（儲存和運輸）。防爆裝置的設計必須符合美國消防協會標準NFPA 69 和NFPA68。
重點3，隔離裝置被要求引入NFPA69 是這樣描述的，當爆炸發生時，隔離裝置提供快速阻隔爆炸發生的設備與其他設備的聯系。NFPA69 提供下列幾種方法（但不限于下例）。
（1）化學阻爆。
（2）快速動作的機械隔斷閥。
（3）外部控制隔斷閥。
（4）被動夾管閥。
上例隔離裝置的功能以及應用會在環氧粉末涂料生產線防爆安全改造的實例中加以說明。由于生產線各區域粉塵顆粒度和其它條件（比如生產過程中有熱量產生）不一樣，粉塵產品生產線發生爆炸事故區域的概率也是不一樣的。
6
粉塵生產線防爆安全改造實例
（環氧防腐粉末涂料生產線改造）
（1）確定環氧防腐粉末涂料生產過程中的可燃粉塵（粉塵爆炸5要素中的可燃物）防腐粉末涂料主要原材料為環氧樹脂、填料和若干添加劑，環氧樹脂占63%，填料占30%，其它各類添加劑7%。環氧樹脂是可燃物，但提供的原料是顆粒不是粉狀，有爆炸危險性（危害等級不高），但需要控制措施。填料是硅灰石，不是可燃物，沒有爆炸的危險性。各類添加劑有可燃物，有爆炸的風險，量不多，但也需要有控制措施。最終成品（環氧防腐涂料粉末）是可燃物且呈粉狀，有爆炸風險且危害等級很高，由于車間占比量巨大，是主要的爆炸可燃物的風險源，需要重點加強控制。粉末的爆炸參數可以通過查閱有關技術資料或進行粉末小樣測試得知，國外有專業機構提供這方面的服務。
我們通過提供所生產的樣品到專業機構測試得知其爆炸參數MIE<100mJ 毫焦；Pmax（ 最大爆炸壓力）= 9.7 公斤/ 平方厘米。根據美國NFPA 消防協會標準，生產線的爆炸防護等級設定為第2類，第2分部，第G 組（Class II, Div ision 2, Grou p G，）粉塵生產線所有含環氧粉末產品的密閉空間環路中的設備、裝置、管道等每一環節都必須能承受11 公斤/ 平方厘米的爆炸壓力（簡稱PSR11），我們根據這一最大爆炸壓力Pmax 值作為依據來完成生產線防爆安全升級改造工作的。
（2）劃定生產線（車間）防爆區域。
防腐粉末涂料簡單生產工藝流程：①按配方比例自動加原料→②預混合機原料攪拌預混合→③擠出機原料混合擠出→④展壓成片且冷卻→⑤碎片粉碎機粉碎→⑥原料空氣分離→⑦粉塵粒度篩選→⑧成品包裝通過DHA（粉塵危害分析），工序①稱重配料；②預混料機；⑤碎片粉碎機；⑥原料空氣分離的氣流分級機；⑦產品粒度篩選機以及輔助生產裝置：中間粉塵傳輸管道和超細粉工藝集成器定義為粉塵爆炸危險區域。對防爆區域必須加裝防爆安全裝置來進行生產線安全生產的全面升級改造。
（3）防爆區域加裝安全防護裝置。
圖2 為升級改造后的工藝設備流程圖。
#1 配料站的喂料螺桿改為密封結構。目的是不讓粉塵漏出，杜絕車間粉塵爆炸的危險。
#2 對預混料機進行防爆電器等級改造，使其符合第2 類，第2 分部，第G 組（Class II, Div ision 2, Gro up G）電器防爆標準，外壁加厚以提高能承受11公斤/平方厘米的粉塵爆炸所產生的壓力（環氧粉末產品的最大爆炸力9.7 公斤/平方厘米），在轉軸的軸承處增加溫度傳感器監測腔體內部溫度。一旦超過標準設置的溫度立即停機。
#3 環氧防腐涂料成品輸送管道系統均更換為PN16/20標準的無縫管，耐壓超過11公斤/ 平方厘米，以起到可以防爆的要求。
#4 在線氣流分級機以及旋風分離器改造，材料加厚以使其能承受超過11 公斤/ 平方厘米的粉塵爆炸所生產的壓力。
#5 旋轉閥升級改裝為西屋的防爆旋轉閥。
#6 在集塵器與在線氣流分級機之間加裝一個隔離閥。當集塵器發生粉塵爆炸時，該閥可以阻隔集塵器與在線氣流分級機之間的聯系，防止氣流分級機發生第2次爆炸。集塵器儲存的都是超細粉，該區域是粉塵爆炸危險等級最高的。根據粉塵爆炸事故概率統計，52%粉塵爆炸事故發生在集塵器。
#7 在集塵器加裝BS&B抑爆裝置，該裝置可在爆炸啟動瞬間噴發干粉撲滅粉塵火苗以扼殺粉塵爆炸在萌芽之中。
#8 在集塵器與工藝風機之間加裝一個隔離閥，目的是一樣的，防止集塵器可能的爆炸影響工藝風機以及后面的設備。
#9 在粉碎機與干風機之間加裝一個隔離閥。當粉碎機的粉塵發生爆炸時，爆炸壓力會推動閥芯切斷粉碎機與干風機之間的聯系，以防止粉碎機粉塵爆炸影響到干風機以及之后的設備。粉碎機是防爆設計，能承受11公斤/平方厘米以上的粉塵爆炸壓力。
除工藝流程圖標注的9處安全防爆裝置，我們還控制了生產線，車間可能產生的靜電，靜電是粉塵爆炸可怕的點火源。
生產線上所有設備單元之間要用導線跨接并一同接地，目的是消除所有設備，裝置以及設備之間管道的靜電。
車間地皮會有積粉塵，也必須導電消除靜電。開始我們用傳統的導電環氧地坪，剛鋪好通過導電率的測試，沒什么問題。但過了幾個月，發現所生產的產品（環氧涂料粉末）粘在導電環氧地坪表面，影響其原先的導電性能。后改為在地坪上鋪鋼板解決了這個問題。它的成本比導電環氧地坪還要低。
（4）環氧防腐涂料生產線安全防爆裝置的維護保養。
環氧防腐涂料生產線安全改造完成后安全防護裝置的保養維護同樣十分重要。下面列舉重點來說明。
第一，集塵器加裝的抑爆裝置（也有生產線安裝泄壓裝置）要定期測試其功能是否有效。（建議開始每3月一次，以后有信心，可以延長到半年或1 年）。
第二，所有的隔離閥要定期測試其功能是否有效，隔離閥有機械的，也有氣電控制的。建議用機械式的，在條件不具備使用機械式隔離閥的情況下，才考慮選用氣電控制閥，機械隔離閥保養相對比較簡單。（同樣建議開始每3月一次，以后有信心，可以延長到半年或1年）。
第三，粉塵產品輸送管道要定期檢測管壁厚度，檢測點一般選在彎頭處，并作永久的標志，每次測同一個地方以觀察它的變化。一旦發現管壁厚度接近極限，考慮更換新的無縫鋼管。（建議每年測一次，并記錄保存管壁厚度值）。
第四，靜電是粉塵爆炸的點火源，它必須被絕對消除。維修技術員必須定期檢測設備與大地的電阻小于4歐姆，車間地坪與大地電阻小于10 歐姆，建議每年一次。
第五，生產線防爆安全裝置有關的備件必須是生產線設計所規定的品牌、型號，并保存質量保證證書。如各種原因更改備件品牌，型號必須走DHA（粉塵危害分析）管理程序。
7
結語
對任何點燃能量MIE<100mJ 毫焦的粉末生產、儲存等操作，必須有DHA（粉塵危害分析）流程并加裝安全控制措施。根據粉塵爆炸事故統計，集成間是最危險的區域，集成器里超細粉，極易被點燃爆炸，該區域必須安裝泄壓裝置或化學抑爆裝置，前后加裝隔離閥，在可能爆炸發生時，隔斷與前后設備的聯系。粉碎機是第二危險區域，必須選用防爆粉碎機，且安裝隔離閥使其與設備之間有阻隔要求（當粉碎機發生爆炸時）。除了升級改造粉末生產線硬件之外，還要建立起一套完整的安全生產規章制度。注意以下幾點。
（1）車間要經常打掃，不要讓沉積粉塵超過0.8mm。
（2）生產線設備，車間要有防止靜電措施。靜電是可怕的粉塵爆炸點火源。
（3）一定要建立起一整套生產線，車間安全防護裝置PM（預防性維修）計劃。
（4）大包裝（頓包裝）粉末原料/ 成品包裝袋必須有接地線并接地。
（5）車間禁止抽煙和有關動火作業，如一定要動火作業，必須停止生產并移走粉末原料和成品。
（6）對從事粉末產品生產全體人員（管理人員，工程師，維修技術員，生產線操作工）的粉塵生產安全培訓是非常重要的，讓所有從事粉末生產的員工掌握粉塵爆炸以及防范的知識，杜絕操作上任何失誤。
總之，安全生產人人有責，特別是有粉塵爆炸危害的生產線，從我做起，真正做到零事故安全生產。
文/樂仲麟
3M中國有限公司
延伸閱讀
點擊標題即可查看