覃小玲 李曉泉

(廣西大學資源環(huán)境與材料學院 南寧 530004)

0 引言

從第一起被記錄的糧食粉塵爆炸事故——意大利都靈(Turin)面粉廠的面粉爆炸開始[1]，到2008年美國皇家糖廠發(fā)生的震驚世界的蔗糖粉塵爆炸事故[2]，再到2010年河北省秦皇島驪驊特大玉米淀粉粉塵爆炸事故[3]，人們逐漸認識到糧食粉塵的危險性。糧食粉塵是一種具有可燃性的有機粉塵，在糧食的運輸、儲存、裝卸和粉碎加工的工程中，都會伴生大量的谷物粉塵，如玉米粉塵、小/大麥粉塵、大豆粉塵、高粱粉塵等，這些粉塵在一定條件下會發(fā)生嚴重的粉塵爆炸事故，不僅影響糧食企業(yè)的生產(chǎn)安全，還會造成重大人員傷亡和嚴重的財產(chǎn)損失。因此，通過對大量的糧食粉塵事故案例進行統(tǒng)計分析，總結(jié)糧食企業(yè)在生產(chǎn)過程中容易引發(fā)粉塵爆炸的工藝設(shè)備、點火源以及粉塵種類，從過去的事故中吸取經(jīng)驗教訓，有助于糧食行業(yè)為預防糧食粉塵爆炸采取一定的預防措施。

1 粉塵爆炸研究現(xiàn)狀

1.1 理論研究

國內(nèi)外專家學者對粉塵爆炸進行了大量的理論研究。REDDY P D等[4]采用穩(wěn)態(tài)熱爆炸模型研究了煤粉塵層在恒溫熱板加熱條件下的最低著火溫度。ECKHOFF R K[5]從物理與化學兩方面對粉塵云的產(chǎn)生及燃燒進行了理論研究。鐘圣俊等[6-7]采用歐拉-拉格朗日模型構(gòu)建兩相流模型追蹤有機粉塵顆粒的軌跡和粒度分布，還在另一文中闡述了糧食與飼料行業(yè)粉塵爆炸的情況，并針對存在的問題提出了相應的應對措施。AMYOTTE P R等[8]結(jié)合爆炸五邊形和爆炸特性參數(shù)進一步闡釋了引起粉塵爆炸的原因，并提出了一些預防和控制措施。

1.2 實驗研究

RANI S I等[9]利用計算流體力學的方法分析了筒倉內(nèi)玉米粉塵的分布情況，結(jié)果表明筒倉內(nèi)粉塵分布情況符合歐拉-朗格拉日分布和羅欣-拉姆勒分布，而且筒倉底部粉塵濃度最高，爆炸湍流會將底部粉塵激起參與爆炸。肖國清等[10]利用20 L球形爆炸裝置研究糖粉粉塵的爆炸特性，實驗表明隨著糖粉粉塵質(zhì)量濃度和徑粒的減小，糖粉粉塵爆炸下限會先減小后增加且爆炸壓力呈指數(shù)增長。任純力[11]采用MIKE3裝置研究了玉米淀粉、小麥粉和石松子粉等有機粉塵的最小點火能，并通過揮發(fā)分及析出濃度等參數(shù)研究了有機粉塵在電氣火花作用條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。李科恩等[12]通過實驗研究了國產(chǎn)谷物與進口谷物的爆炸特性，結(jié)果表明進口谷物粉塵爆炸特性參數(shù)均低于國產(chǎn)谷物粉塵。王健[13]利用自主研發(fā)的粉塵爆炸測試系統(tǒng)研究了大型管道相連容器系統(tǒng)中的玉米淀粉和土豆淀粉爆炸情況，并進行了相應的數(shù)值模擬。JIANG H P等[14]研究了生物質(zhì)粉塵爆炸實驗中火焰?zhèn)鞑シ绞胶蜏囟茸兓卣?，得出最大火焰溫度變化與生物質(zhì)粉塵濃度一致。陳春燕等[15]通過20 L球形爆炸測試裝置對影響甘薯粉塵爆炸特性的因素進行實驗研究，結(jié)果表明對粉塵爆炸的影響由小到大依次是粉塵粒徑、點火能量、質(zhì)量濃度。陳先鋒等[16]研究了小麥粉塵在受限空間的爆炸燃燒特性，結(jié)果表明隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加，小麥粉塵火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧娣逯禍囟认仍龃蠛鬁p小。

1.3 糧食粉塵爆炸事故數(shù)據(jù)收集

KAMEYAMA Y等[17]比較了美國1958—1968年與1968—1978年的糧食粉塵爆炸事故數(shù)據(jù)，表明粉塵爆炸造成的人員傷亡急劇上升。美國化學安全調(diào)查委員會(CSB)統(tǒng)計了1985—2005年的粉塵爆炸事故共281 起；按粉塵種類分，食品粉塵占 36%；按行業(yè)分，食品行業(yè)占24%[18]。GOING J E 等[19]統(tǒng)計了德國(HSE)1965—1985年發(fā)生了426次粉塵爆炸，其中食品與飼料粉塵爆炸事故占25%。YUAN ZH等[20]分析了1785—2012年全球發(fā)生的2000多起粉塵爆炸事故，并對其進行了分類。王東巖[21]統(tǒng)計了1980—1989年我國發(fā)生的粉塵爆炸事故，結(jié)果表明糧食加工和儲運行業(yè)粉塵爆炸事故占統(tǒng)計總數(shù)的64.7%。仝策明等[22]分析了2006—2015年我國發(fā)生粉塵爆炸事故的總體情況，共發(fā)生粉塵爆炸類事故74起，造成 424人死亡。

本文收集的事故案例主要來源于學術(shù)論文、期刊、安全專業(yè)的教科書、報紙和一些國家機構(gòu)的報告及事故統(tǒng)計(如安全管理網(wǎng)，CSB，HSE，F(xiàn)SA等)，在收集數(shù)據(jù)的過程中也遇到了一些難題。一方面，由于實際中發(fā)生的事故遠遠高于收集到的事故數(shù)量和缺乏國內(nèi)外糧食粉塵爆炸事故的權(quán)威統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文所收集到的事故案例大部分都來自不同的文獻、報告，在一定程度上影響了信息的準確性；另一方面，許多爆炸事故隨著時間的推移，已經(jīng)無法查到引起事故發(fā)生的準確原因，傷亡人數(shù)也可能隨著時間的推移而改變，也不排除有人為因素存在。因此本文統(tǒng)計的事故案例并不能完全反映糧食粉塵爆炸事故的本質(zhì)，需要結(jié)合具體問題再進行相應的詳細分析。

2 糧食粉塵爆炸概述

2.1 粉塵簡介

國際標準化組織 (ISO)將粉塵定義為徑粒小于75 μm的固體懸浮小顆粒, 在氣溶膠力學中將直徑小于100 μm、能暫時懸浮在空氣中的固體細小顆粒稱為粉塵[23]。生活中常見具有爆炸性的粉塵主要分為金屬類粉塵、碳制品粉塵、合成品類粉塵、林產(chǎn)品類粉塵、糧食類粉塵、農(nóng)副產(chǎn)品類粉塵和肥料。按照粉塵的性質(zhì)可分為有機性粉塵、無機性粉塵和混合性粉塵。糧食粉塵顆粒屬于有機粉塵,主要成分為蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、纖維素和灰分，主要是由C，H，O等元素構(gòu)成的碳水化合物，這些成分都能與空氣中的氧發(fā)生燃燒，由于糧食粉塵多為顆粒較大的有機物，粉塵顆粒先吸收外界熱量使粉塵粒子表面發(fā)生熱分解，析出的可燃氣體與空氣混合被點燃后釋放的能量促使周圍的粒子析出更多的可燃氣體，最終引發(fā)爆炸。由于糧食粉塵爆炸過程涉及分解、蒸發(fā)等物理和化學過程，因此糧食粉塵所需的引爆時間較長。

2.2 粉塵爆炸的條件與特點

經(jīng)過專家學者的研究，得出了如下的粉塵爆炸“五要素”[24]，即粉塵本身具有可燃性、空氣中呈懸浮狀態(tài)、一定濃度的含氧量、能量足夠的點火源和相對受限的空間。粉塵爆炸的最主要特點是容易引發(fā)二次或連鎖爆炸，這是因為初始爆炸產(chǎn)生的沖擊波會使沉積的粉塵揚起，在新的空間產(chǎn)生爆炸，或者是在初始爆炸的地點形成更為嚴重的二次爆炸；其次是粉塵爆炸所需的起始點火能量大，通常所需點火時間也較長且爆炸釋放出的能量較大，因此爆炸事故后果也比較嚴重；最后粉塵爆炸容易引起不完全燃燒，會產(chǎn)生CO等有毒有害氣體，造成人員中毒，而且在一些密閉的場所還會引發(fā)氣體爆炸。

2.3 糧食粉塵的形成與危害

糧食粉塵是一種粉塵顆粒粒度范圍在0.1～500 μm的有機粉塵，一般在糧食運輸和加工過程中產(chǎn)生，分為夾雜性粉塵、有機性粉塵、浮塵和積塵。當糧食粉塵以一定的濃度懸浮在空氣中時，遇到一定的點火源，就會迅速爆炸和燃燒，并以光和熱的形式釋放能量。粉塵爆炸的實質(zhì)是可燃性粉塵與空氣或氧的快速氧化反應，即化學爆炸。部分糧食粉塵沉積在地面、墻面和設(shè)備的內(nèi)外表面，一部分則滯留在通風死角，因此在糧食的加工車間、除塵室、筒倉等相對密封的環(huán)境容易引發(fā)粉塵爆炸事故。此外，粉塵初始爆炸產(chǎn)生的沖擊波會將沉積在地面、墻面和設(shè)備上的粉塵揚起，從而引發(fā)二次或多次爆炸，這也正是粉塵爆炸殺傷力大的原因之一。

3 糧食粉塵爆炸事故分析

3.1 事故發(fā)生時間與地點

將收集的事故按發(fā)生時間進行分類如表1所示，可以看出，糧食粉塵爆炸事故主要集中在20世紀70—90年代，1970—1979年則是糧食粉塵爆炸事故發(fā)生的高峰期，占事故總數(shù)的30%，其次是1980—1989年和2010—2017年。從表2中可以看出，糧食粉塵爆炸事故大部分發(fā)生在美國、日本、中國，其他國家如加拿大、法國、荷蘭等也發(fā)生糧食粉塵爆炸事故，但由于文獻資料的局限性，無法收集到更多的事故案例。在本文統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，發(fā)生在美國的糧食粉塵爆炸事故占總數(shù)的34%，居首位；其次是中國和日本，分別是33%和19%。結(jié)合時間和地點分析，如圖1所示，美國和日本在1970—1979年記錄的粉塵爆炸事故次數(shù)較多。在2000年之后，中國則是糧食粉塵爆炸事故高發(fā)的國家，這很大程度上是由于美國、日本、中國是糧食出口大國，糧食的運輸、加工和儲存的作業(yè)量非常大，導致粉塵爆炸事故頻發(fā)。最主要原因是由于這一時期的糧食加工行業(yè)發(fā)展迅速，但由于設(shè)備缺陷或缺乏安全措施，導致事故多發(fā)。

表1 不同時期糧食粉塵爆炸分布

表2 不同國家糧食粉塵爆炸分布

圖1 各個國家在不同時間段發(fā)生糧食粉塵爆炸事故分布

3.2 粉塵種類

糧食粉塵的種類如表3所示，可以看出由小麥面粉引起的粉塵爆炸事故占總數(shù)的26%，其次是玉米淀粉和糖粉，這也是美國、中國和日本發(fā)生粉塵爆炸事故的主要粉塵種類；其他種類的糧食粉塵如大豆粉塵，高粱粉塵、食品添加劑粉塵等也會引發(fā)粉塵爆炸事故。此外，由于糧食粉塵爆炸的不確定性，仍有36%的糧食粉塵爆炸事故無法確定引起其爆炸的粉塵種類。在表4中可以看出，小麥粉塵、玉米淀粉、面粉、糖粉這幾種粉塵的最小點火能(MIE)在20～60 MJ之間，粉塵層最低著火溫度(MITL)在310～440 ℃之間，粉塵云狀最低著火溫度(MITC)在370～550 ℃之間[25]，其中小麥粉塵的點火能最低，如若在生產(chǎn)過程中遇到明火、焊接火花、機械火花等高溫點火源，則有很大可能發(fā)生粉塵爆炸事故。

表3 糧食粉塵爆炸事故中的引燃源種類

表4 幾種糧食粉塵的爆炸特性參數(shù)

3.3 點火源種類

點火源作為爆炸五邊形的重要組成之一，常見的點火源主要有明火、電火花、靜電火花、熱表面、焊接火花、摩擦發(fā)熱、機械火花等。引起粉塵爆炸的引燃源種類劃分如表5所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，工業(yè)動火、靜電火花、摩擦火花、熱表面是引起粉塵爆炸事故最主要的點火源，一共占了所有事故的49%，其中由工業(yè)動火引起的粉塵爆炸事故所占比例最大。這類事故之所以頻發(fā)的部分原因是企業(yè)的安全管理不到位，對危險區(qū)域的動火作業(yè)未嚴加管理；另一部分原因則是操作人員缺乏安全意識，對動火作業(yè)現(xiàn)場未認真檢查、清理就盲目作業(yè)，最終導致了粉塵爆炸的悲劇，如德國布萊梅羅蘭面粉廠淀粉爆炸和山東省壽光市新粉淀粉廠的玉米粉塵爆炸等。由機械火花引起的重大粉塵爆炸事故如秦皇島驪驊淀粉粉塵爆炸，是由于操作人員使用鐵質(zhì)工具與機械撞擊產(chǎn)生火花，引燃了粉塵云。此外有41%的糧食粉塵爆炸事故的原因無法查明，這也說明了糧食粉塵爆炸事故發(fā)生的復雜性。

根據(jù)文獻資料可知，在焊接過程中灑落的火花溫度可達2 000～3 000 ℃，機械火花的溫度可達1 200 ℃[26]。機械碰撞產(chǎn)生的火花瞬時溫度可達3 000 ℃以上，電火花可達3 000～6 000 ℃，這些火花溫度足以引燃積塵或懸浮在空氣中粉塵，這也正是這類點火源引發(fā)粉塵爆炸事故次數(shù)最多的緣故。

表5 糧食粉塵爆炸事故中點火源種類

3.4 事故涉及設(shè)備種類

在糧食加工過程中，涉及到多個工藝和設(shè)備，比如除塵系統(tǒng)中的袋式除塵器、旋風收粉器，儲存運輸過程中的筒倉、緩存?zhèn)}、氣力輸送機、斗式提升機、皮帶輸送機等，干燥過程中的帶式干燥機、閃蒸干燥機、噴霧干燥機、流化床干燥等，還有對糧食進行粉碎篩分的粉碎機和篩分設(shè)備等。在生產(chǎn)過程中，糧食粉塵從這些工藝和設(shè)備運行中逸出，如不定期進行清理，這些沉積在設(shè)備或地面的粉塵將會是粉塵爆炸中造成更為嚴重的二次爆炸的粉塵來源。

對本文分析統(tǒng)計的糧食粉塵爆炸事故案例所涉及的設(shè)備進行分類，結(jié)果如表6所示。可以看出，提升機、筒倉、輸送機、干燥機、除塵室是最容易發(fā)生粉塵爆炸的機械設(shè)備，一共占了事故總數(shù)的60%，其中在筒倉中發(fā)生的爆炸事故最多，達到總數(shù)的21%。此外，高達33%的糧食粉塵爆炸事故無法查明粉塵爆炸發(fā)生的部位，這也讓糧食行業(yè)時刻謹記注重對日常生產(chǎn)設(shè)備的安全檢查，降低粉塵爆炸發(fā)生概率。

表6 粉塵爆炸事故涉及設(shè)備種類

4 討論

根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，美國、日本和中國是發(fā)生糧食粉塵爆炸事故最多的國家，很大程度上是因為這些國家的糧食加工產(chǎn)品產(chǎn)出量高，可能由于預防措施不到位或設(shè)備缺陷，致使發(fā)生了多起糧食粉塵爆炸事故；另一個原因可能是這些國家有較為良好的事故研究報告系統(tǒng)，這些系統(tǒng)記錄了更為詳細的事故報告數(shù)據(jù)，也許還有大量事故未報告，仍有待查明。雖然報告的事故數(shù)量與實際數(shù)量可能存在很大出入，但是記錄的報告數(shù)據(jù)仍有助于了解糧食粉塵爆炸機理，并讓糧食行業(yè)采取一定的預防措施。玉米粉塵和小麥粉塵引起的爆炸事故最多，一方面可能是工作人員沒有認識到這兩類粉塵的危險性，另一方面可能是由于這兩類粉塵的最小點火能比其他種類都要低，所以比較容易發(fā)生爆炸。

工業(yè)動火和機械火花是引發(fā)糧食粉塵爆炸的主要引燃源。焊接火花引燃事故可能是由于工作人員在進行焊割動火時，沒有清理現(xiàn)場積塵和懸浮塵或沒有將儲存粉末裝置與動火位置進行安全隔離。機械火花可能是由于設(shè)備轉(zhuǎn)動部件發(fā)生碰撞或異物剮蹭，也可能是操作人員使用了鐵質(zhì)操作工具。由靜電火花和熱表面引發(fā)的粉塵爆炸事故也不少，靜電火花可能來源于人體、物料移動或設(shè)備沒有除靜電裝置等；熱表面可能來源于照明燈具、軸承發(fā)熱等。提升機、筒倉、輸送機和干燥機等設(shè)備比較容易發(fā)生粉塵爆炸，由于這些設(shè)備內(nèi)部或放置的地方粉塵濃度高，一方面原因可能是這些設(shè)備產(chǎn)生的高溫熱表面、機械火花、靜電火花等點火源，另一方面可能是維修人員或動火作業(yè)人員對這些設(shè)備內(nèi)部不了解或粉塵防爆意識不強而盲目作業(yè)。因此，加強安全管理或進行定期清掃可以降低粉塵爆炸的可能性。

5 結(jié)語

隨著時間的推移，國外糧食粉塵爆炸事故逐漸減少，而我國的糧食粉塵爆炸事故卻在增加，這是因為早期國外頻繁地發(fā)生糧食粉塵爆炸事故，所以對于糧食粉塵防爆研究較早，不斷提高設(shè)備的可靠性和完善安全管理；而國內(nèi)雖然糧食加工行業(yè)發(fā)展迅速，但安全管理和人員的安全教育還相對滯后，導致糧食粉塵爆炸事故不斷發(fā)生。無數(shù)的粉塵爆炸事故帶來嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，要從中探索和總結(jié)這些事故發(fā)生的特點和規(guī)律，讓企業(yè)管理者和操作人員認識到容易引發(fā)糧食粉塵爆炸的粉塵種類和設(shè)備工藝，并能有針對性地去預防和抑制這一類危險源，從而降低糧食粉塵發(fā)生爆炸的概率。