鎂粉的風險管理與控制

　　鎂粉在現代工業中得到了廣泛的應用：在鋼鐵冶金中用作脫硫劑；在航天工業中用作推進劑添加劑；在煙花爆竹生產中用作焰色反應藥劑；在防腐耐磨噴涂中用作油漆添加劑。鎂粉極其活潑的化學性質，決定了其具有極大的燃燒爆炸危險性。在生產、貯存、運輸、使用過程中懸浮狀態的鎂粉達到一定濃度后，遇適當的點火源就可能發生粉塵爆炸事故。近幾十年來，國內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生鎂粉爆炸事故，造成5死2傷；2001年，日本宮城縣某工廠發生鎂粉爆炸事故，造成6人受傷；2007年，深圳某鎂合金廠抽風機里殘存的鎂粉遇水燃燒引發爆炸，造成16人受傷；2008年，湖北省化工設計院某車間發生鎂粉爆炸事故，造成1死1傷。研究鎂粉爆炸特性，探尋減災防護手段，有重要的意義。

筆者將本質安全原理與鎂粉爆炸風險控制聯系成為一個整體。采用20L球形爆炸測試裝置進行實驗，系統地探尋了鎂塵濃度、鎂粉粒徑、點火強度、環境壓力、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；將實驗結論結合本質安全原理中最小化、替代、緩和3個原則，提出了預防鎂粉爆炸、降低爆炸危害的風險控制策略。

1本質安全原理本質安全的提出源于20世紀50年代宇航技術的發展，是人類在生產實踐的發展過程中對事故由被動接受到積極事先預防，以實現從源頭杜絕事故和人類自身安全保護需要，在安全認識上取得的一大進步。它的誕生標志了事故的預防由被動的末端控制向主動的源頭消減轉變。

英國化工專家TrevorKletz在1977年正式闡述了本質安全的理念：通過消除危險或降低危險程度來降低事故發生的可能性與嚴重性。與通過附加安全防護措施控制危險的傳統安全技術不同，本質安全強調從源頭上消減危險，將安全功能融入生產過程的基本功能或屬性。顯而易見，本質安全思想與傳統的安全技術相比，技術實現更為簡單、成本更低且能有效避免因附加安全系統失效帶來的事故。

本質安全的思想可用以下詞語來描述：強化、代替、減弱、影響的限制、簡化、容錯。經過數十年的發展，形成了由四條基本原則組成的本質安全原理。

本質安全思想已廣泛應用于各行業的設計、生產、管理、風險評價以及事故分析中。20世紀80年代以來，美、歐等國家和地區對本質安全開展了一系列研究和實際應用：1997年，歐盟資助INSIDE項目研究了本質安全技術在歐洲過程工業中的應用，同時提出了一系列本質安全應用技術方法；1998年，歐盟頒布的SevesoDirective要求重大危險源、重大危險設施優先采用本質安全設計；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化學工業未來的國際競爭力，必須重視化工本質安全的研究。近年來，我國也廣泛開展了該領域的研究：李求進等研究了基于本質安全的化學工藝風險評價方法；吳宗之等研究了基于本質安全理論的安全管理體系。

2實驗裝置與系統鎂粉的爆炸危害特性通常用下列三個參數進行描述：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，表征爆炸能夠持續進行的最低粉塵云濃度。筆者選取國際標準化組織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進行測量，所示。

　實驗時，用壓縮空氣將儲粉罐內的鎂粉經機械兩向閥和分散噴嘴噴至預先抽成真空的球罐內部；同時開始計算機采樣并用化學點火頭引爆粉塵云；最后對采樣結果進行分析、計算，完成實驗。

3運用本質安全原理控制鎂粉爆炸風險3.1最小化原則3.1.1控制鎂塵濃度粉塵爆炸的實質是非均相燃燒化學反應，其特性極大程度受到粉塵云濃度的影響。實驗采用10kJ點火強度，對粒徑為2743m的鎂粉測量了鎂塵質量濃度由30g/m3遞增到1000g/m3對應的pmax和（dp/dt）max。給出的實驗結果可知，pmax和（dp/dt）max均隨鎂塵濃度增大而增大。因此，適當控制鎂塵濃度，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點火強度分別測量了2743m、4375m、75125m三種粒徑鎂粉的LEL，結果由給出。考慮到粒徑為2743m的鎂粉已經極其細微，而日常工業中生產、使用的鎂粉大都高于該粒徑范圍，故可認為一般情況下確保鎂塵質量濃度低于15g/m3則不會發生爆炸。

基于最小化原則的本質安全對策：一是采用通風等措施減少懸浮在受限空間的鎂粉顆粒，最理想的狀態是使鎂塵濃度低于LEL，從本質上杜絕爆炸發生的可能。二是及時清掃散落在地面、管道、設備中的堆積鎂粉，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的鎂粉在鎂粉塵質量濃度400g/m3的條件下分別測量了1、2、5、10kJ點火強度對應的pmax和（dp/dt）max。給出的結果不難發現，點火強度越大，pmax（dp/dt）max越大；且（dp/dt）max對于點火強度的增加更為敏感。因此，控制點火強度可降低爆炸事故破壞程度；若消除點火源，則從本質上消除了爆炸隱患。

　基于最小化原則的本質安全對策：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：所有生產設備須接地良好；鎂粉輸送管路須采用全金屬材料制作且接地良好；易發生鎂粉顆粒撞擊的設備部件應采用防爆合金材料制作，避免產生火星等

　3.2替代原則粉體粒徑會顯著影響燃燒過程的表面反應速率，并顯著影響爆炸特性。實驗采用10kJ點火強度于500、750g/m3鎂塵質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，爆炸風險越大。

基于替代原則的本質安全對策：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，能從本質上降低爆炸風險。

3.3緩和原則3.3.1控制環境壓力緩和原則認為，倘若危險物質的使用不可避免，應盡量在較安全的環境中使用，便可弱化風險、限制災害；相反，若使事故發生于較危險的環境中，則會加劇災害。實驗對于4375m、75125m兩種粒徑的鎂粉，在500g/m3鎂粉質量濃度和10kJ點火強度的條件下考察不同的環境壓力對pmax的影響。由給出的實驗結果可知，當環境壓力越高，鎂粉爆炸的pmax值越大，其爆炸威力越強。

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

　3.3.2添加惰化劑緩和原則認為，將危險性物質溶解于安全的溶劑中便可弱化風險、限制災害。惰化是指在可燃粉塵中加入一定量惰性介質，通過其吸收火焰熱量、阻隔可燃顆粒與氧氣的接觸、降低火焰傳播速率、吸收爆炸沖擊達到有效破壞燃燒反應條件的抑爆技術措施。工業安全領域知名專家Amyotte將惰化認定為一種本質安全方法。

實驗選取粒徑為4375m的鎂粉分別與重質碳酸鈣、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鎂當量質量濃度和10kJ點火強度的條件下測量了各試樣的pmax。隨著重質碳酸鈣含量的增加，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重質碳酸鈣粉末添加于4375m的鎂粉中，鎂塵當量質量濃度保持在500g/m3，碳酸鈣質量分數按10遞增。由給出的實驗結果表明，小粒徑的惰化劑比大粒徑的惰化劑抑爆能力更強。若以pmax超過0.15MPa作為發生爆炸的判據，當惰化劑質量分數達到80時，可以認定鎂粉未能發生爆炸。

基于緩和原則的本質安全對策：在工藝條件允許的情況下加入適量惰化劑（如重質碳酸鈣粉末）能有效抑制爆炸威力，甚至使鎂粉轉變為不燃物；且應該盡量選擇小粒徑的惰性介質作為惰化劑。

4結論

（1）鎂粉爆炸特性pmax、（dp/dt）max隨鎂塵濃度、點火強度減小而降低。基于最小化原則，在生產、貯存、運輸、使用等環節應盡量降低鎂塵云濃度，并消除點火源或盡量降低發火強度。

（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，小粒徑鎂粉燃爆風險更高，應特別注重細小鎂粉的防爆。基于替代原則，工藝中可考慮采用粗鎂粉替代細鎂粉。

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

（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（如重質碳酸鈣粉末）能有效控制爆炸風險，且應該盡量選擇小粒徑的惰性介質作為惰化劑。