PCB工厂粉尘爆炸危险性分析及预防

郭兴龙

（广东世运电路科技股份有限公司，广东 江门 529700）

0 引言

粉尘爆炸是一种生产安全事故，会造成严重的生命及财产损失。据不完全统计，2005年～2018年，我国共发生粉尘爆炸事故70多起，伤亡800多人。在现代企业生产中，随着设备更新和技术提高，对粉尘爆炸也采取了更多的控制措施，但仍有事故发生。

2016年4月29日，广东省深圳市光明新区精艺星五金加工厂发生铝粉爆炸，造成4人死亡、6人受伤。受此次粉尘爆炸事件影响，该工业园30多家印制电路板（PCB）厂被安监部门责令停产。这些PCB厂被关停的理由是专家将该园区PCB厂取样的粉尘拿去做了测试，测试结果是这些粉尘有可能引起爆炸。因此，为了避免这种安全事故，分析粉尘爆炸事故，了解行业粉尘场所风险，总结经验教训采取保护措施，对粉尘爆炸预防具有重要的意义。

1 粉尘爆炸概述

1.1 粉尘爆炸的过程

粉尘通常指的是在空气中悬浮的固体颗粒，直径在75 μm以下，粉尘的特点是表面积大、体积小、有一定能量，能够与空气混合形成爆炸性混合物。

粉尘爆炸是指悬浮于空气中的可燃粉尘，与空气混合形成爆炸性混合物，触及明火或电火花等点火源时发生的爆炸现象。粉尘爆炸化学反应速度极快，物质急剧氧化或分解反应产生温度和压力增加，系统的能量转化为机械功以及光和热的辐射，具有很强的破坏力。

对一些在受热源作用下分解、熔融蒸发或升华而释放出可燃气体的粉尘而言，如木粉、纸粉、樟脑粉等，发生爆炸的过程可视为由以下三步发展形成：第一步是悬浮的粉尘在热源作用下迅速地干馏并产生出可燃气体；第二步是可燃气体与空气混合后被引火源引燃发生有焰燃烧，火焰从局部传播、扩散；第三步是粉尘燃烧放出的热量，以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的或被吹扬起来的粉尘，这些粉尘受热分解或干馏后使燃烧循环地进行下去。随着每个循环的逐次进行，其反应速度逐渐加快，通过剧烈的燃烧，最后形成爆炸。这种爆炸反应及爆炸火焰传播速度、爆炸波传播速度、爆炸压力等将持续加快和升高并呈跳跃式发展。

对于木炭、焦炭和一些非挥发性金属粉尘，它们在接受引火源的热能后直接与空气中的氧气发生剧烈氧化反应并着火，产生的反应热使火焰传播。在火焰传播过程中，炽热的粉尘或其氧化物加热周围的粉尘和空气，使高温空气迅速膨胀，从而导致粉尘爆炸，但在整个爆炸中并不释放可燃气体。

1.2 粉尘爆炸的条件

粉尘爆炸一般需要具备三个条件：一是粉尘本身是可燃的，可燃性粉尘包括有机粉尘和无机粉尘两大类，但并非所有的可燃粉尘都能发生爆炸，常见具有爆炸性的粉尘见表1；二是粉尘必须悬浮在空气中，并且其浓度处于一定的范围；三是有足以引起粉尘爆炸的引火源，粉尘燃烧需要经过加热、熔融蒸发或者受热裂解，放出可燃气体，因此需要较多的能量。一般来说，最小点火能大致是10～100 mJ，比可燃气的最小点火能大100～1000倍（见表1）。

1.3 粉尘爆炸的特点

（1）与可燃气体爆炸相比，粉尘爆炸压力上升和下降速度都较缓慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，爆炸的破坏性和对周围可燃物的烧毁程度较严重。而且，粉尘爆炸容易引起不完全燃烧，有些沉积的粉尘还有阴燃现象。因而在爆炸产物中还含有大量的一氧化碳、氯化氢、氰化氢以及PCB粉尘自身分解产生的溴气等有毒气体易使人员中毒。此外，粉尘爆炸后，会有大量灼热的粉尘飘散和停留在空气中，在紧急逃生期间，如果吸入这些粉尘，会造成肺部严重损伤，甚至导致死亡。

（2）粉尘爆炸在设备之间蔓延。由于蔓延，一个较小的初次爆炸可能发展成一起大爆炸，造成的损失范围往往比初次爆炸的区域大的多。而且在蔓延过程中，破坏能力会增强。比较典型的例子是在集尘器内发生爆燃，然后沿着集尘器的进风管蔓延到上游设备或操作岗位，甚至引发整个厂房发生火灾。

（3）粉尘初始爆炸产生的气浪会使沉积的粉尘扬起，在新的空间内形成爆炸性混合物，从而可能会发生二次爆炸。二次爆炸往往比初次爆炸压力更大，破坏更严重，在连续化生产系统中，甚至可能形成连锁爆炸，有的能达到爆轰的程度。

（4）粉尘爆炸比气体爆炸所需的点火能大、引爆时间长、过程复杂，所以可以利用这一特点，通过仪器装置探测爆炸的前兆，及时采取措施有效遏制爆炸的发展。

表1 常见具有爆炸性的粉尘

1.4 影响爆炸的因素

影响粉尘爆炸的因素主要有以下几方面：

（1）粉尘本身的物理化学性质。各类可燃性粉尘因其燃烧热的高低、氧化速度的快慢、带电的难易度、含挥发物的多少等物理化学性质的不同而具有不同的爆炸特性。此外粉尘颗粒的尺寸也是粉尘爆炸的重要影响因素，颗粒越小，其比表面积越大，在空气中分散度越大且悬浮时间越长，吸附氧的活性越强，爆炸危险性越大。

（2）粉尘浓度。可燃粉尘必须在其浓度处于爆炸极限范围内才会发生爆炸。在一定粒径条件下，粉尘浓度越高，其着火温度越低。

（3）环境条件。环境中的水分会削弱粉尘的爆炸性能。水分含量越高，作用越强。环境的温度和压力升高时，粉尘爆炸的危害性也相应增加。

（4）可燃气体和惰性气体的含量。当可燃粉尘和空气混合物中混入一定量可燃气体时，粉尘的爆炸危险就会显著增大，这体现在最小点火能和爆炸下限降低，爆炸压力和升压速度升高。相反，当混合物中混入一定量的惰性气体时，会因粉尘环境氧含量下降，降低爆炸的压力和升压速度。毒性气体的加入也会削弱可燃粉尘的爆炸性能。

（5）其他。引火源强度或点火方式以及容器的大小、结构等因素，均会对粉尘爆炸产生一定影响。

2 PCB粉尘爆炸性分析

PCB粉尘会不会爆炸？答案是肯定的，下面我们将从两个方面来验证PCB粉尘是否有燃烧爆炸的危险：

2.1 PCB粉尘可燃性分析

PCB粉尘为混合粉尘，非单一性质粉尘，主要由铜粉、环氧树脂、玻璃纤维、木纤维和铝粉混合而来，由于PCB混合粉尘中的木纤维和铝分量少，根据美国消防协会标准NFPA中的规定“不可燃粉尘:爆炸粉尘≥5:1时，则混合物不再有爆炸性”的原则，PCB粉尘是否可燃主要考虑铜粉和环氧树脂。

2.1.1 环氧树脂

环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称。它是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物，在《常用危险化学品的分类及标志中》（GB 13690-92），将该物质划为第3.2类中闪点易燃物体，其粉尘与空气形成爆炸性混合物，粉尘浓度达到20 g/m³时，触及15 mJ的点火能时发生粉尘爆炸，其粉尘云引燃温度540 ℃（表2）。

2.1.2 铜粉

在《化学品安全技术说明书》中描述：铜粉为可燃粉尘，遇高温、明火能燃烧，粉尘云点燃温度700 ℃。由此可说明只要满足一定的条件，铜粉同样有爆炸的可能。

2.2 PCB粉尘爆炸性测试

2016年5月20日，国家防爆设备质量监督检验中心（广东），出具的《PCB粉尘爆炸性测试检测报告书》报告书编号6254-2016-0222，也说明了粉尘的爆炸特性。

送检单位：深圳市泽浩实业发展有限公司

送检试样：硬板除尘器：样品呈浅绿色粉末；硬板除尘器：样品呈白色粉末；软板除尘器：样品呈土黄色絮状。

检测项目：粉尘爆炸性测试

检测依据：VDI2263-1-1990（Test methods for the determination of the safety characteristic of dusts 粉尘安全特性的确定方法）

表2 常见可燃粉尘爆炸特性

检测结果：产生持续性火焰，发生爆炸。

2.3 结论

综合以上两种情况分析，得出的结论是：PCB粉尘可燃，有爆炸的危险。

3 警惕PCB工厂除尘系统粉尘爆炸

（1）PCB企业涉及粉尘作业的岗位一般有：钻孔、铣板、刨边、磨钢板、开料等，其设备一般都设有独立的通风除尘系统、且密闭化自动化程度较高，岗位粉尘浓度0.2～2.0 mg/m3，这个数值是安全的（图1）。但吸尘罩可以将作为火源的火花吸入，故要引起注意。例如压合回流线打磨钢板时产生的火花，如果和其它设备（可燃性粉尘发生源）共用一台除尘器就非常危险，应该采取隔离措施。

（2）为了防止粉尘侵害作业人员的健康和粉尘爆炸，采用除尘系统及时排出工作环境中的粉尘，降低车间内的粉尘浓度是必要的手段。但对于可燃性粉尘来说，除尘设备也必须采取防火、防爆措施，否则一旦使用不当也会造成爆炸起火事故。除尘系统发生爆炸、起火的原因主要是因为一般除尘器都是吸入空气后再排出，故除尘系统内氧气供给充足。据调查，能引起除尘系统起火可能性的主要为静电火花、自燃火、冲击摩擦和明火（表4）。其中静电火花是由于除尘器管路带电造成的。自燃火是由于捕集下来的粉尘在灰斗内缓慢进行氧化反应而积蓄下的氧化热造成的。冲击摩擦一般认为是除尘系统吸入的铁片碰撞，或者是检修清扫过程中用锤头振落附着在灰斗或袋室内的粉尘时因碰撞而产生的火星。明火是由于检修时气焊火焰及电焊火花产生的，见表3。

（3）除尘设备的风管发生爆炸的实例也比较多，这是因为粉尘在管内沉积，当受到某种冲击时，可燃性粉尘再次飞扬，在瞬间形成高浓度粉尘云，若遇上火源，很容易爆炸。粉尘在风管内沉积的主要原因，是输送风速太小或有漏风现象。所以为防止发生爆炸，可燃性粉尘的除尘管路应尽可能短些，对于系统中的弯头，变径管等，在设计时应使弯头曲率半径在管道直径D的1.5倍以上，变径管的展开角在15°以下，以减少阻力。据国外经验，若可燃性粉尘的粒径小于15 μm，其沉降速度在0.1 m/s左右时，管内的风速应该是沉降速度的100～200倍。当粉尘浓度增大时，输送风速也应相应地加大。对于除尘器来说，灰斗部分是工作条件最为恶劣的地方，也最容易产生起火爆炸。因为吸入风管的粉尘有一部分直接落入灰斗，或者在灰斗内的加强筋上及钢板焊缝上堆积起来。如果由于某种原因造成粉尘二次飞扬，条件适宜，又遇上火源，将是非常危险的。

图1 PCB企业工作场所粉尘检测结果

表3 常见引发爆炸的引火源

4 PCB粉尘爆炸的防治

4.1 防止粉尘爆炸事故的基本原则和预防性技术措施

根据粉尘燃烧、爆炸原理，防止粉尘爆炸事故的基本原则是：控制可燃粉尘和助燃物浓度、温度、压力及混触条件，避免粉尘处于燃爆的危险状态；消除一切足以引起起火爆炸的点火源；采取各种阻隔手段，阻止爆炸事故的扩大。

预防性技术措施：

（1）排除能引起粉尘爆炸的各类可燃物质。比如，生产设备、除尘系统应尽可能保持密闭，防止粉尘外溢；粉尘作业场、集尘房所加强通风；定期清洁，防止粉尘积聚。

（2）消除或控制能引起爆炸的各种能源。例如，防止撞击、摩擦产生火花；防止电气故障；消除静电火花；防止明火等。

4.2 建筑防爆措施

（1）采取泄压措施。在建筑围护结构设计中根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014，2018版）给出的公式计算、设置一些泄压口或泄压面，当爆炸发生时。这些泄压口或泄压面首先被破坏，使高温高压气体得以释放，从而降低爆炸压力，使主要承重或受力结构不发生破坏。

（2）采用抗爆性能良好的建筑结构。加强建筑结构的主体强度和刚度，使其在爆炸中足以抵抗爆炸冲击而不倒塌。

（3）采取合理的建筑布置。通过对有爆炸危险的场所合理地考虑建筑的布局及平面布置。有爆炸危险粉尘的干式除尘器宜布置在厂房外的独立建筑内，且建筑外墙与所属厂房的防火间距不应小于10 m。对符合一定条件的干式除尘器，可以布置在厂房内的单独房间内，其耐火极限分别不低于3H的防火隔墙和耐火极限不低于1.5 H的楼板与其他部位分隔；

4.3 电气防爆措施

为了防止和减少在爆炸危险性环境中使用的电气设备的引爆因素，必须在设备本体防爆和运行防爆两个方面采取必要措施。

（1）正常运行时产生火花、电弧和危险温度的电气设备和线路，宜将布置在爆炸危险较小或没有爆炸危险的环境内。电气线路的设计、施工应根据爆炸危险环境物质特性，选择相应的敷设方式、导线材质、配线技术、连接方式和密封隔断措施等。

（2）采用防爆的电气设备。在满足工艺生产及安全的前提下，应减少防爆电气设备的数量。如无特殊需要，不宜采用携带式电气设备。

（3）按有关电力设备接地设计技术规程规定的一般情况不需要接地的部分，在爆炸危险区域内仍应接地，电气设备的金属外壳应可靠接地。

（4）设置漏电火灾报警和紧急断电装置。在电气设备可能出现故障之前，采取相应补救措施或切断爆炸危险区域电源。

（5）安全使用防爆电气设备。正确地划分爆炸危险环境类别，根据粉尘的种类，选择防尘结构或尘密结构的粉尘防爆电气设备，正确地维护、检修防爆电气设备。

4.4 安全管理

（1）企业应建立及完善防范发生粉尘爆炸事故的安全生产责任制，应重点明确及落实企业负责人、安全生产管理人员、粉尘涉爆设备的管理维护及使用人员，以及粉尘清扫人员等重要岗位的安全生产职责。

（2）企业负责人应依法依规参加安全生产监管部门组织的防范发生粉尘爆炸事故的专项培训,并认真普及粉尘防爆知识，使职工了解本企业粉尘爆炸危险场所的危险程度和防爆措施；

（3）企业应依照法规标准规定并结合该场所存在的可燃粉尘的爆炸极限、中位粒经、比重、自燃温度、导电性等物理性质，并实测空气中可燃粉尘的浓度，在根据这些参数制定详细的粉尘防爆实施细则和安全检查表，并按安全检查表认真进行粉尘防爆检查。

（4）企业应制定及完善安全生产应急预案中针对粉尘涉爆事故的现场处置方案，并进行针对性的培训及演练。

（5）企业应按照有关法规标准规定正确使用粉尘涉爆设备（包括按防爆安全要求使用除尘系统），并定期进行维护检修，应建立维护检修管理台帐。

5 结语

总之，凡是存在可燃粉尘爆炸危险的PCB生产场所、部位，都应明确粉尘爆炸的发生原理和形成条件，采取严格的爆炸预防和防护措施，遏制粉尘爆炸，确保企业生命财产安全，不断提升相关产业的整体安全生产水平。