鎂粉的風(fēng)險管理與控制

　　鎂粉在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用：在鋼鐵冶金中用作脫硫劑；在航天工業(yè)中用作推進(jìn)劑添加劑；在煙花爆竹生產(chǎn)中用作焰色反應(yīng)藥劑；在防腐耐磨噴涂中用作油漆添加劑。鎂粉極其活潑的化學(xué)性質(zhì)，決定了其具有極大的燃燒爆炸危險性。在生產(chǎn)、貯存、運輸、使用過程中懸浮狀態(tài)的鎂粉達(dá)到一定濃度后，遇適當(dāng)?shù)狞c火源就可能發(fā)生粉塵爆炸事故。近幾十年來，國內(nèi)外鎂粉爆炸事故屢見不鮮。1978年，東北某輕合金加工廠在清理除塵器排氣管時發(fā)生鎂粉爆炸事故，造成5死2傷；2001年，日本宮城縣某工廠發(fā)生鎂粉爆炸事故，造成6人受傷；2007年，深圳某鎂合金廠抽風(fēng)機(jī)里殘存的鎂粉遇水燃燒引發(fā)爆炸，造成16人受傷；2008年，湖北省化工設(shè)計院某車間發(fā)生鎂粉爆炸事故，造成1死1傷。研究鎂粉爆炸特性，探尋減災(zāi)防護(hù)手段，有重要的意義。

筆者將本質(zhì)安全原理與鎂粉爆炸風(fēng)險控制聯(lián)系成為一個整體。采用20L球形爆炸測試裝置進(jìn)行實驗，系統(tǒng)地探尋了鎂塵濃度、鎂粉粒徑、點火強(qiáng)度、環(huán)境壓力、惰化劑種類、惰化劑含量、惰化劑粒徑等7個因素對鎂粉爆炸危害特性的影響；將實驗結(jié)論結(jié)合本質(zhì)安全原理中最小化、替代、緩和3個原則，提出了預(yù)防鎂粉爆炸、降低爆炸危害的風(fēng)險控制策略。

1本質(zhì)安全原理本質(zhì)安全的提出源于20世紀(jì)50年代宇航技術(shù)的發(fā)展，是人類在生產(chǎn)實踐的發(fā)展過程中對事故由被動接受到積極事先預(yù)防，以實現(xiàn)從源頭杜絕事故和人類自身安全保護(hù)需要，在安全認(rèn)識上取得的一大進(jìn)步。它的誕生標(biāo)志了事故的預(yù)防由被動的末端控制向主動的源頭消減轉(zhuǎn)變。

英國化工專家TrevorKletz在1977年正式闡述了本質(zhì)安全的理念：通過消除危險或降低危險程度來降低事故發(fā)生的可能性與嚴(yán)重性。與通過附加安全防護(hù)措施控制危險的傳統(tǒng)安全技術(shù)不同，本質(zhì)安全強(qiáng)調(diào)從源頭上消減危險，將安全功能融入生產(chǎn)過程的基本功能或?qū)傩浴ｏ@而易見，本質(zhì)安全思想與傳統(tǒng)的安全技術(shù)相比，技術(shù)實現(xiàn)更為簡單、成本更低且能有效避免因附加安全系統(tǒng)失效帶來的事故。

本質(zhì)安全的思想可用以下詞語來描述：強(qiáng)化、代替、減弱、影響的限制、簡化、容錯。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了由四條基本原則組成的本質(zhì)安全原理。

本質(zhì)安全思想已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理、風(fēng)險評價以及事故分析中。20世紀(jì)80年代以來，美、歐等國家和地區(qū)對本質(zhì)安全開展了一系列研究和實際應(yīng)用：1997年，歐盟資助INSIDE項目研究了本質(zhì)安全技術(shù)在歐洲過程工業(yè)中的應(yīng)用，同時提出了一系列本質(zhì)安全應(yīng)用技術(shù)方法；1998年，歐盟頒布的SevesoDirective要求重大危險源、重大危險設(shè)施優(yōu)先采用本質(zhì)安全設(shè)計；2000年，美國化工過程研究中心在2020年展望報告中指出美國要維護(hù)化學(xué)工業(yè)未來的國際競爭力，必須重視化工本質(zhì)安全的研究。近年來，我國也廣泛開展了該領(lǐng)域的研究：李求進(jìn)等研究了基于本質(zhì)安全的化學(xué)工藝風(fēng)險評價方法；吳宗之等研究了基于本質(zhì)安全理論的安全管理體系。

2實驗裝置與系統(tǒng)鎂粉的爆炸危害特性通常用下列三個參數(shù)進(jìn)行描述：最大爆壓pmax，表征爆炸過程釋放的總能量；最大爆壓上升速率（dp/dt）max，表征爆炸過程能量釋放的速率；爆炸下限LEL，表征爆炸能夠持續(xù)進(jìn)行的最低粉塵云濃度。筆者選取國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國際電工委員會IEC31H共同推薦的20L球形爆炸測試裝置對上述三個參數(shù)進(jìn)行測量，所示。

　實驗時，用壓縮空氣將儲粉罐內(nèi)的鎂粉經(jīng)機(jī)械兩向閥和分散噴嘴噴至預(yù)先抽成真空的球罐內(nèi)部；同時開始計算機(jī)采樣并用化學(xué)點火頭引爆粉塵云；最后對采樣結(jié)果進(jìn)行分析、計算，完成實驗。

3運用本質(zhì)安全原理控制鎂粉爆炸風(fēng)險3.1最小化原則3.1.1控制鎂塵濃度粉塵爆炸的實質(zhì)是非均相燃燒化學(xué)反應(yīng)，其特性極大程度受到粉塵云濃度的影響。實驗采用10kJ點火強(qiáng)度，對粒徑為2743m的鎂粉測量了鎂塵質(zhì)量濃度由30g/m3遞增到1000g/m3對應(yīng)的pmax和（dp/dt）max。給出的實驗結(jié)果可知，pmax和（dp/dt）max均隨鎂塵濃度增大而增大。因此，適當(dāng)控制鎂塵濃度，可將爆炸危害降至較小程度。

可燃粉塵與空氣混合物僅在其爆炸范圍內(nèi)才能引燃。將鎂塵濃度控制在LEL之下就能防止粉塵爆炸。實驗依照粉塵云爆炸下限濃度測定方法（GB/T16425-1996），采用10kJ點火強(qiáng)度分別測量了2743m、4375m、75125m三種粒徑鎂粉的LEL，結(jié)果由給出?？紤]到粒徑為2743m的鎂粉已經(jīng)極其細(xì)微，而日常工業(yè)中生產(chǎn)、使用的鎂粉大都高于該粒徑范圍，故可認(rèn)為一般情況下確保鎂塵質(zhì)量濃度低于15g/m3則不會發(fā)生爆炸。

基于最小化原則的本質(zhì)安全對策：一是采用通風(fēng)等措施減少懸浮在受限空間的鎂粉顆粒，最理想的狀態(tài)是使鎂塵濃度低于LEL，從本質(zhì)上杜絕爆炸發(fā)生的可能。二是及時清掃散落在地面、管道、設(shè)備中的堆積鎂粉，避免意外揚塵形成可爆性鎂塵氛圍。

　3.1.2控制點火源點火強(qiáng)度也是影響爆炸特性的重要因素。實驗對粒徑為4375m的鎂粉在鎂粉塵質(zhì)量濃度400g/m3的條件下分別測量了1、2、5、10kJ點火強(qiáng)度對應(yīng)的pmax和（dp/dt）max。給出的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，點火強(qiáng)度越大，pmax（dp/dt）max越大；且（dp/dt）max對于點火強(qiáng)度的增加更為敏感。因此，控制點火強(qiáng)度可降低爆炸事故破壞程度；若消除點火源，則從本質(zhì)上消除了爆炸隱患。

　基于最小化原則的本質(zhì)安全對策：一是消除明火和控制高熱。具體包括：在爆炸危險區(qū)域配置防爆電器；鍋爐

　二是防止撞擊摩擦和控制靜電。具體包括：所有生產(chǎn)設(shè)備須接地良好；鎂粉輸送管路須采用全金屬材料制作且接地良好；易發(fā)生鎂粉顆粒撞擊的設(shè)備部件應(yīng)采用防爆合金材料制作，避免產(chǎn)生火星等

　3.2替代原則粉體粒徑會顯著影響燃燒過程的表面反應(yīng)速率，并顯著影響爆炸特性。實驗采用10kJ點火強(qiáng)度于500、750g/m3鎂塵質(zhì)量濃度下分別測量了2743m、4375m、75125m三種粒徑鎂粉的pmax和（dp/dt）max。

　　給出的實驗結(jié)果可知，粒徑越小，pmax和（dp/dt）max越大。這主要是因為：鎂粉顆粒與氧氣的接觸面積隨粒徑減小而增大，故顆粒表面燃燒放熱速率隨之加快；此外，顆粒與周圍氣體對流熱速率隨粒徑減小而加快，導(dǎo)致顆粒點火馳豫時間縮短。

　粒徑也會顯著影響可燃性粉塵的LEL.由可知，2743m、4375m、75125m三種粒徑鎂粉的LEL逐級遞增，故粒徑越小，LEL越低，爆炸風(fēng)險越大。

基于替代原則的本質(zhì)安全對策：在工藝條件允許的情況下，采用較為安全的大粒徑鎂粉替代較為危險的小粒徑鎂粉，能從本質(zhì)上降低爆炸風(fēng)險。

3.3緩和原則3.3.1控制環(huán)境壓力緩和原則認(rèn)為，倘若危險物質(zhì)的使用不可避免，應(yīng)盡量在較安全的環(huán)境中使用，便可弱化風(fēng)險、限制災(zāi)害；相反，若使事故發(fā)生于較危險的環(huán)境中，則會加劇災(zāi)害。實驗對于4375m、75125m兩種粒徑的鎂粉，在500g/m3鎂粉質(zhì)量濃度和10kJ點火強(qiáng)度的條件下考察不同的環(huán)境壓力對pmax的影響。由給出的實驗結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境壓力越高，鎂粉爆炸的pmax值越大，其爆炸威力越強(qiáng)。

　基于緩和原則的本質(zhì)安全對策：避免采用過高的風(fēng)壓輸送鎂粉；避免鎂粉輸送管路堵塞。

　3.3.2添加惰化劑緩和原則認(rèn)為，將危險性物質(zhì)溶解于安全的溶劑中便可弱化風(fēng)險、限制災(zāi)害。惰化是指在可燃粉塵中加入一定量惰性介質(zhì)，通過其吸收火焰熱量、阻隔可燃顆粒與氧氣的接觸、降低火焰?zhèn)鞑ニ俾省⑽毡_擊達(dá)到有效破壞燃燒反應(yīng)條件的抑爆技術(shù)措施。工業(yè)安全領(lǐng)域知名專家Amyotte將惰化認(rèn)定為一種本質(zhì)安全方法。

實驗選取粒徑為4375m的鎂粉分別與重質(zhì)碳酸鈣、碳酸氫鈉兩種常用惰化劑粉末按一定比例組成混合試樣。在500g/m3鎂當(dāng)量質(zhì)量濃度和10kJ點火強(qiáng)度的條件下測量了各試樣的pmax。隨著重質(zhì)碳酸鈣含量的增加，pmax呈下降趨勢，選其作為惰化劑能有效地抑制爆炸威力；相反，隨著碳酸氫鈉含量的增加，pmax反而呈上升趨勢（原因是碳酸氫鈉受熱分解出的二氧化碳是鎂粉燃燒的助燃物），這說明碳酸氫鈉不能作為鎂粉抑爆的惰化劑。

　為探討惰化劑粒徑對鎂粉爆炸抑制能力的影響，實驗選取6m和38m重質(zhì)碳酸鈣粉末添加于4375m的鎂粉中，鎂塵當(dāng)量質(zhì)量濃度保持在500g/m3，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)按10遞增。由給出的實驗結(jié)果表明，小粒徑的惰化劑比大粒徑的惰化劑抑爆能力更強(qiáng)。若以pmax超過0.15MPa作為發(fā)生爆炸的判據(jù)，當(dāng)惰化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80時，可以認(rèn)定鎂粉未能發(fā)生爆炸。

基于緩和原則的本質(zhì)安全對策：在工藝條件允許的情況下加入適量惰化劑（如重質(zhì)碳酸鈣粉末）能有效抑制爆炸威力，甚至使鎂粉轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗嘉?；且?yīng)該盡量選擇小粒徑的惰性介質(zhì)作為惰化劑。

4結(jié)論

（1）鎂粉爆炸特性pmax、（dp/dt）max隨鎂塵濃度、點火強(qiáng)度減小而降低?；谧钚』瓌t，在生產(chǎn)、貯存、運輸、使用等環(huán)節(jié)應(yīng)盡量降低鎂塵云濃度，并消除點火源或盡量降低發(fā)火強(qiáng)度。

（2）鎂粉爆炸特性pmax、（dp/dt）max隨鎂粉粒徑增大而降低；LEL隨粒徑增大而升高。相對大粒徑鎂粉，小粒徑鎂粉燃爆風(fēng)險更高，應(yīng)特別注重細(xì)小鎂粉的防爆?；谔娲瓌t，工藝中可考慮采用粗鎂粉替代細(xì)鎂粉。

（3）鎂粉爆炸特性pmax隨環(huán)境壓力的減小而降低，而發(fā)生在高于常壓環(huán)境中的鎂粉爆炸具有更大的破壞力。基于緩和原則，工藝中應(yīng)避免高風(fēng)壓輸送鎂粉且嚴(yán)防輸運管路堵塞。<

（4）常用惰化劑碳酸氫鈉粉末并不適用于鎂粉抑爆，而重質(zhì)碳酸鈣粉末則可有效抑制鎂粉爆炸威力，且小粒徑的碳酸鈣粉末抑爆效果更好。隨惰化劑含量的增加，鎂粉爆炸威力逐漸降低，甚至可以轉(zhuǎn)化為不燃物。基于緩和原則，在工藝條件允許的情況下加入適量惰化劑（如重質(zhì)碳酸鈣粉末）能有效控制爆炸風(fēng)險，且應(yīng)該盡量選擇小粒徑的惰性介質(zhì)作為惰化劑。