摘要：通过对铝尘的爆炸机理的分析，探讨铝尘的爆炸条件及针对性的控制措施。研发了铝尘防爆湿法处理工艺设备，设计了在线监测和连锁控制系统，形成了完整的本质安全防爆型解决方案，为消除金属粉尘爆炸隐患奠定了基础。
铝制品是当代生产生活不可或缺的物质，其生产加工过程中伴生着金属粉尘的爆炸事故隐患。近年来我国发生了多起铝粉尘爆炸事故，其中2014 年8 月江苏昆山中荣金属制品有限公司汽车轮毂拋光车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，造成146 人死亡、95 人重伤，直接经济损失达3.51 亿元。安监总局对粉尘爆炸做出严格的督查规定，但仍然事故不断。2016 年4 月深圳精艺星五金加工厂五金抛光打磨工序又发生爆炸，造成5 人死亡，5 人重伤的较大事故。事故频发的原因在于涉尘企业没有解析铝粉尘爆炸的机理，没有从根本上消除铝粉尘爆炸隐患。
通过对铝粉尘爆炸机理以及爆炸事故典型案例的分析，笔者所在的公司立项研发本质安全型的铝尘防爆工艺技术，并申报获批2016 年度原国家安监总局重大隐患攻关专项。项目组团结协作，攻克了工艺、技术、设备的一系列难关，技术成果在装备制造企业成功应用。
1 铝粉尘爆炸机理
铝制品打磨抛光产生的细微粉尘，其表面Al2O3 钝化层被剥落，呈现出单质铝的活泼性质。一方面，铝是容易氧化的物质，其氧化放热的能量达到点火温度，可以引起自燃，粉尘集聚能够引发爆炸。另一方面，铝常温下可以与水反应，生成氢气，集聚的氢气遇点火源能够发生爆炸。
1.1 铝粉氧化导致的爆炸
铝粉尘比表面积大，点火能量低，具有可燃性及导电性，容易发生燃烧爆炸。导致铝粉尘爆炸有以下五个因素。
(1)粉尘粒度：铝制品抛光打磨形成的粉尘颗粒度越小，单位质量的表面积越大，与氧反应就越迅速，产生爆炸的速率越大，通常粒度≤75 μm 的粉尘即可发生爆炸。
(2)粉尘云：铝粉尘分散在空气中形成粉尘云，粉尘云爆炸浓度下限为60 g/m3(D 50=23 μm)。收尘系统内的铝粉尘浓度往往是高于爆炸下限的，工作场所内长期沉降的粉尘受外力冲击飞扬，形成的粉尘云也是可以达到爆炸下限的。
(3)点火源：铝的粉尘云引燃温度为560 ℃，最小点火能29 mJ，属于高爆炸级别[1]。铝制品在打磨过程中产生的火花，工作环境中的明火、电气火花、静电、热表面均可构成点火源。
(4)有限空间：铝制品打磨涉及的生产车间、除尘器、风管都属有限空间，通常除尘器内粉尘的浓度最高，发生爆炸的几率最大。除尘器一旦发生爆炸，冲击波沿除尘通风管道回传，将沉积在工作场所台面、地面、梁柱上的粉尘吹扬起来，形成粉尘云，诱发二次爆炸。二次爆炸的能量、破坏力通常比一次爆炸更大。
(5)氧气：是铝粉尘爆炸的助燃气体，也是操作人员不可或缺的生存气体。正常情况下工作场所的氧气浓度在20 %~22 %，难以人为调节。
1.2 铝粉产生氢气导致的爆炸
铝在空气中易于氧化，其氧化产物Al2O3 附着在铝制品表面，形成致密的钝化膜，保护内层铝材不受侵蚀。铝制品在抛光打磨过程中，表面的钝化膜受到破坏，铝尘呈现出既有的化学活性。
铝可与水发生置换反应，产生氢气，反应方程式如下。
2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑
氢气是甲类易燃易爆气体，其在空气中的爆炸浓度范围
4 %~75 %(体积浓度)，在有限空间中，氢气的排放逸散十分重要。
1.3 控制铝粉尘爆炸的措施
1.3.1 铝粉尘浓度控制
铝粉的爆炸下限为60 g/m3，控制有限空间的粉尘云浓度低于爆炸下限，可以防止粉尘爆炸的发生。为此应采取以下控制措施。
(1)在工作场所设置在粉尘在线浓度监测装置。
(2)打磨台应与收尘系统连接，收尘系统必须保持有效运作。
(3)收尘系统应当及时卸灰，工作场所内的积尘必须及时清理。
1.3.2 点火源控制
铝制品打磨抛光作业中存在的点火源较多，控制措施有以下3 方面。
1.3.2.1 明火源的预防
打磨能够产生火花，应在除尘风管内设置火花捕集器，控制除尘系统内的点火源。工作场所内的动火作业，动火前应清理现场粉尘，动火及冷却期间停止粉尘作业。抛光打磨车间禁止吸烟。
1.3.2.2 防爆电气
按《可燃性粉尘环境用电气设备》(GB12476)选型、安装、使用粉尘防爆电气设备，不能用气体防爆电机代替粉尘防爆电机。
1.3.2.3 静电火源预防
生产区域内的所有机电设备应静电接地，形成可靠闭合的接地干线。
1.3.3 氢气控制
室内禁止湿法作业，防止产生氢气；室外可以采用湿法除尘，应及时逸散氢气。
(1)作业场所保持干燥，控制室内空气湿度。
(2)禁止室内使用地下管沟式排风除尘系统。
(3)室外湿法除尘系统设置氢气逸散口。
(4)除尘器与室内管路连接处设置隔爆阀。
2 防爆型铝尘湿法处理工艺
防爆型铝尘湿法处理工艺综合考虑铝尘浓度控制、点火源控制、氢气逸散控制、爆炸传导控制、职业病危害控制等因素，形成了兼顾本质安全和职业健康的一体化方案。
2.1 工艺流程图
2.2 工艺流程说明
(1)打磨出的细微铝尘通过风路系统输送至室外湿式除尘器。除尘管路内进入的打磨火花通过流程衰减后，至湿式除尘器熄灭；控制系统的风量风速，使管道内粉尘浓度低于爆炸下限，保证管道系统的本质安全。
(2)通风管内设置铝尘在线浓度监测仪，与气动工具连锁。设定在线监测浓度响应阈值(阈值可设为600 mg/m3，为铝尘爆炸下限1 %)，粉尘浓度达到响应阈值时，控制系统输出信号，启动声光报警，提示管道通风运行异常，同时连锁切断气动工具气源，保证管道内粉尘浓度符合本质防爆要求。
(3)打磨台周围设置铝尘在线浓度监测仪，设定职业健康浓度响应阈值3 mg/m3(职业健康接触限值)，与变频风机和气动工具连锁，粉尘浓度达到响应阈值时，控制系统输出信号，启动声光报警，同时连锁变频风机满负荷运行并切断气动工具气源，保证工作场所粉尘浓度符合本质防爆和职业健康双重要求。
(4)室外湿式除尘器设置氢气逸散排放装置，保证系统运行和停机状态均无氢气集聚，避免氢气爆炸产生。
(5)室内外风管连接处设隔爆阀，防止除尘器意外爆炸的冲击波回传，避免二次爆炸发生。
2.3 防爆型湿法除尘装置设备
2.3.1 打磨工作台
打磨工作台为立式，台面设有孔洞，双面操作设置，中间为吸入式抽风廊道，接重力沉降收尘器。打磨抛光作业中产生的铝尘经过立面风孔和台面孔洞进入抽风廊道，较大颗粒铝尘自然沉降，进入重力沉降收尘器，细小颗粒铝尘经风管进入湿法除尘器。
2.3.2 通风管道
管道材质一般采用镀锌钢板，通风管道安装一定坡度(1 %-2 %)，减少铝尘的沉降聚集。风管弯头及变径前后均安装快速检查孔，长线直管设置可视检查口，检查口间距不超过6 m。
2.3.3 隔爆阀
风管与水喷淋除尘器在室外连接，连接处设隔爆阀。正常工况下，隔爆阀沿引风方向开启；若除尘器意外爆炸，产生的压力逆向推动阀芯关闭，从而阻隔爆炸的冲击波向室内回传，避免二次爆炸发生。
2.3.4 湿法除尘装置
湿法除尘装置由喷淋塔、排氢装置以及引风机组成。打磨作业中产生的细微铝尘通过风管吸入喷淋塔中，高压喷头产生的雾化水与铝尘接触，增加铝尘运动阻力，将铝尘束缚于喷淋塔中；塔内设置了固液分离器，铝尘沉降收集，喷淋水循环使用。除尘器储水箱安装液位传感器，当液位低于最低限值时，除尘器报警并自动加水。除尘器底部设置有刮板装置，可将底部沉淀物定期排出。除尘器后端风管顶部设置氢气逸散阀，阀门与引风机连锁，引风机工作时，氢气逸散阀关闭，氢气由总排风口排出，引风机关闭时，氢气逸散阀开启，除尘器内产生的氢气通过逸散口排出。
2.3.5 粉尘在线监测与控制系统
粉尘在线监测与控制系统由粉尘浓度监测仪、声光报警器、控制器组成，实现工作场所和除尘系统的粉尘浓度在线监测、声光报警、引风机连锁、气动打磨工具连锁。
2.3.5.1 粉尘浓度在线监测
在打磨工作场所和通风管道上分别设置粉尘浓度在线监测仪，并设定不同的浓度报警阈值。打磨工作场所的粉尘浓度阈值设定为3 mg/m3，该阈值既控制作业场所粉尘浓度，又保护工作人员的职业健康。通风管道粉尘浓度阈值设定为600 mg/m3，该阈值可及时发现风路系统故障，防止管路系统粉尘集聚。
2.3.5.2 控制系统
防爆控制系统连锁粉尘浓度在线监测仪、声光报警器、引风机、打磨工具气源、氢气逸散阀。当粉尘浓度在线监测达到设定阈值时，控制系统自动加大引风机风量，关闭打磨工具气源；当引风机关闭时，控制系统自动打开氢气逸散阀。
水位控制系统连锁喷淋塔水箱液位传感器，当液位低于设置值时，设备报警并自动加水。
3 应用案例
安徽省大富机电技术有限公司是装备制造业上市公司，其产品涉及铝质外壳通信射频器组件。大富机电在其打磨抛光车间安全隐患整改工程中采用了本公司研发的防爆型铝制品打磨湿法除尘系统。
该技改项目于2017 年9 月实施，2017 年11 月完成安装调试，系统试运行稳定可靠。工作场所铝尘浓度经第三方检测，多检测点结果处于0.7~1.0 mg/m3 浓度范围，既符合职业健康接触限值要求，又满足粉尘防爆要求。2017 年12 月，大富机电的铝尘隐患整改项目通过蚌埠市安监局组织的安全验收。2018 年4 月，本项目通过原国家安监总局组织的重大隐患攻关专项验收。
4 总结
(1)本项目研究了铝尘爆炸机理，开发了可以同时控制铝尘氧化放热爆炸和铝水反应产生氢气爆炸的工艺技术，并实现设备、仪器、装置的优化配置，形成完整的铝尘防爆除尘系统。
(2)本项目研发的在线监测和连锁处理工艺，能够实现铝尘浓度检测、系统故障预警、职业健康防护、设备节能运行等多重功能，系统的自控运行，可以实现工作场所本质安全防爆目的，同时符合职业健康防控的要求。
(3)本项目采用的湿法除尘系统，在室外安装使用，具有装备设施少、维护成本低、使用安全度高的特点，可以与铝尘打磨企业的室内作业工序配套，具有很强的经济性和适用性。
(4)本项目防爆系统工艺机理清晰，可应用于镁粉尘、铝镁合金粉尘处理。本项目研发成功，可以解决长期困扰装备制造业铝镁粉尘的防爆难题，具有广阔的应用推广前景。
