堆积粉尘的自燃及其防控措施

可燃粉尘会发生自燃火灾以及爆炸事故与粉尘的性质密不可分，对于可燃粉尘的定义，GB 15577《粉尘防爆安全规程》将其定义为一定条件下能与气态氧化剂（主要是空气）发生剧烈氧化反应的粉尘，一般我们认为可燃粉尘：指与空气中氧反应能放热的粉尘，例如有机物粉尘煤粉、木粉，与氧气发生反应时会产生CO2和H2O。可燃性粉尘还存在着粉尘爆炸的危险，在GB/T15604-2008《粉尘防爆术语》中指细微的固体颗粒，而美国 NFPA654 和欧盟1127-1又分别规定了可爆粉尘的粒径，分为粒径小于420μm和粒径为1mm以内的粉尘。例如铝粉、镁粉、钛粉和铁粉等金属粉尘，硫矿粉、煤粉等化学物质的粉尘，食品和木材等物质颗粒的粉尘都是可爆粉尘。

堆积粉尘阴燃是指堆积可燃物质体系内局部温度升高，且会发生持续、有烟、无气相火焰的缓慢燃烧现象。可燃物质堆积引发阴燃是所有自燃事故的始端，能否有阴燃，取决于堆积可燃粉尘自身的物理化学性质和外部环境。

堆积可燃粉尘能够发生阴燃的自身物理化学性质是该堆积粉尘内部发生反应产热后能够蓄热且可以继续燃烧。这些堆积可燃粉尘包括纸张碎屑、锯末、纤维织物产生的粉尘。

堆积可燃粉尘能够发生阴燃的外部条件包括环境内空气不流通和适宜的热源。空气流速能够促使自燃体系内部与外界的对流传热，体系内部散热快于蓄热，使蓄热条件变差，则自燃反应速率变慢，因此堆积可燃物质体系周围的低空气流速给了其内部良好的蓄热条件，产生阴燃。适宜的热源给堆积可燃物质体系提供了稳定的热量供给，蓄热能力增强，它包括着自燃热源（堆积可燃物质体系内部发生的反应放热）、一种阴燃引起另一种阴燃的热源以及有焰燃烧熄灭后的热源。堆积可燃物质周围的氧气作为助燃物质加快了阴燃的蔓延，若周围一直存在着稳定的氧气浓度，极易发生阴燃向有焰燃烧的转变。

涉粉工艺众多，极易发生粉尘火灾爆炸事故，而事故调查原因显示发生粉尘爆炸事故时满足以下条件。

（1）粉尘具有可燃性或可爆性。这与粉尘自身的理化性质有关。

（2）粉尘与助燃气体混合且达到其浓度爆炸极限。可燃粉尘堆积状态下只能发生自燃，不能发生爆炸，而堆积的粉尘在研磨、粉碎、运输等工艺过程中一旦被扬起，形成预混气，极易发生爆炸事故。这与粉尘的粒径、密度、环境湿度等条件有关。

（3）存在点火源。粉尘的自燃点和最小点火能量与粉尘的性质有关，多数有10mJ-100mJ的最小点火能量或400℃-500℃的自燃温度。而自燃火灾爆炸事故通常由可燃粉尘在认为难以成为点火源的较低温度的加热表面上堆积时间过长、面积过大时，内部不断积热，达到该粉尘的自燃点，发生自燃，自燃的粉尘飞扬后，落到堆积的粉尘上引发爆炸。

（4）粉尘具有扩散性。粉尘扩散是与助燃气体混合，从而具有爆炸能力。

（5）粉尘爆炸空间是封闭受限空间。

综合由堆积可燃粉尘自燃引发阴燃、着火、爆炸事故案例分析，可以得到堆积粉尘事故的影响因素分别为其自身的性质原因和外部的环境原因，如下图所示。 

由图可知，发生事故的可燃粉尘自身原因为其物理化学性质，物理性质包括粉尘的浓度和粒度、堆积形状、比热、热传导率、粉尘表面状态、带电性及粉尘凝聚性等性质，化学性质包括粉尘燃烧热、燃烧速度、与水汽或二氧化碳等的反应性等。这些自身的物理性质是不能改变的，其中燃烧热高的粉尘易发生爆炸，且爆炸的威力较大；氧化速度快的粉尘，如镁、氧化亚铁、染料等粉尘，容易发生爆炸，容易带电的粉尘同样容易发生事故；可燃粉尘浓度处于爆炸浓度极限范围内会发生粉尘爆炸，粉尘的爆炸下限浓度和粉尘的粒度密切相关；粒度越小的粉尘，比表面积越大，在空气中的分散度也就越大，吸附氧的活性越强，氧化反应速度也就越快，就越容易发生事故。不同可燃粉尘的物理化学性质不同，其造成的事故危害也不相同。

另一方面，发生事故的可燃粉尘外部原因包括堆积粉尘所处环境中的通风条件（氧气浓度）、阻燃性粉尘的浓度和灰度、点火源强度或点火方式、可燃粉尘环境中的水分、窒息气浓度以及其他因素等。这些外部条件可根据实际情况进行人工调节，其中通风条件（氧浓度）对阴燃和和爆炸事故影响最大，氧气有助于堆积粉尘阴燃事故发生蔓延，当氧气浓度达到某一值时，就可发生向有焰燃烧的转变。环境中的窒息气可以减少粉尘爆炸发生，可通入一定量的惰性气体增加窒息气的浓度，从而降低氧含量，使粉尘爆炸的浓度范围降低，进而减少事故发生；阻燃性粉尘的浓度和灰度可以一定程度起到对可燃粉尘的冷却、抑制悬浮、负催化作用，使其可燃性、爆炸性降低；点火源强度或点火方式给堆积粉尘所处环境提供稳定热源，火源温度越高越易发生自燃，从而引发火灾爆炸事故；可燃粉尘环境中的水分根据可燃粉尘的种类可起到催化或抑制两种不同作用，如煤粉、抛光铝粉、硝化棉在湿润环境中更易发生自燃，而对于淀粉类粉尘，通过加入水分来增加了其不燃成分；窒息气浓度以及其他因素包括着压力环境、多种物质混合堆积、堆积时间等因素，我们可以改变堆积可燃粉尘的外部条件来减少事故发生。

（1）减少堆积粉尘的堆积体积量

①降低粉尘泄漏。生产场所的工艺设备应密封防止粉尘逸出，保证环境内的设备、管道的密闭性，避免因设备、管道密封不良而出现粉尘外泄堆积问题，比如，加强对破煤设备、运输管道的密闭性检测。

②及时清理或转移堆积粉尘。对于不可避免产生粉尘的场所，如煤粉制备系统的煤粉仓、除尘系统的灰斗等易堆积粉尘的场所，依据实验室测定堆积粉尘的自燃温度，可以推测大体积量堆放粉尘的自燃温度和临界储存时间，也可以根据环境温度和储存条件推测堆积粉尘的临界体积量，如1m3的褐煤常温下最多储存七天，确保在可储存的时间内，把工艺中生产、储存和使用环节及时清理和转移堆积粉尘。

③加强粉尘扩散的控制。防止粉尘扩散是为了避免形成爆炸性环境，堆积粉尘产热引爆粉尘云，尤其是防止粉尘飞扬，粉尘外逸的措施。

④多种方式除尘。根据不同性质的粉尘选择不同的除尘方式，例如粉料装卸设备处可采用干雾抑尘装置；以煤为燃料的工厂、电站，可以采用静电除尘方式去除烟气中的煤灰和粉，在工艺允许的条件下，可以采用湿法消尘，采用局部排风的除尘系统，采用全面排风或自然排风多种方式抑尘除尘。

（2）严格控制环境温度

①堆积粉尘自燃探测技术。对于堆积粉尘的场所增加温度监控，在线探测其温度、挥发气体和氧含量等，可采用直接温度探测法、气体探测法、遥感探测法和红外热像仪监测预测等方式确保环境温度低于其自燃温度，及时降温，防止堆积粉尘的自燃。

②防止出现点火源。点火源强度或点火方式给堆积粉尘所处环境提供稳定热源，火源温度越高越易发生自燃，从而引发火灾爆炸事故。对于大量堆积粉尘的生产工艺场所，常见的点火源有高温热表面和明火，两类点火源会导致环境内的温度短时间上升，所以防止明火与热表面引燃以及采取防止发生摩擦、碰撞的措施，防止摩擦、碰撞火花的产生。

（3）减少粉尘的堆积时间。

一般粉尘在短时间内堆积没有自燃现象，但可能在很长一段时间内发生自燃着火，所以，当粉尘从工艺设备中泄漏到车间的过程设置有效的除尘系统控制工艺设备中的粉尘浓度，减少粉尘的堆积时间。对于大量堆积粉尘的场所如筒仓，长时间不能清理，可以根据不同体积量堆积粉尘发生自燃的诱导时间对数与体积表面积比率对数的关系式，在其诱导时间内及时转移或清理堆积粉尘。

（4）其他方面。

由实验结果分析，通风条件、水分以及是否存在催化剂等都是影响堆积粉尘自燃的因素。

①水分对于不同的自燃物质有不同作用。对于植物纤维、金属粉末以及堆放的煤，适量的水分能使自燃反应速率加快，所以其环境要保持干燥。而对于与水分不反应的物质，由于水的热容量和导热率比较大，不利于保温和蓄热，不利于自燃的发生，所以该环境要适当保持水分。

②通风条件可以起到加快可燃物质堆积体系内与外的传热速率的作用，降低其蓄热条件，防止其自燃。所以，在可产生堆积粉尘的场所要保持通风，避免形成密闭性的爆炸环境。

③对堆积粉尘进行惰化。堆积粉尘环境中若是存在对可燃粉尘有催化作用的物质，极快地加大发生自燃的概率，比如酸中微量重金属及脂肪皂，对油酸的自燃发热起到促进作用，所以粉尘场所减少多种粉尘混合存放堆积，另外，在易形成爆炸性环境的场所用氮气、二氧化碳代替氧气进行惰化，例如对于煤粉仓等相对封闭储存设备或管道等，应及时检测堆积粉尘的氧浓度、储存温度和挥发气体含量等，一旦超过惰化系统动作氧浓度，可以及时补充氮气、二氧化碳等惰性气体进行保护，降低堆积粉尘自燃概率，预防火灾事故发生。如发电厂、煤化工行业的煤粉制备系统等，可以采用低压二氧化碳惰化保护装置进行堆积粉尘的抑制保护。