典型废旧轮胎裂解炭黑粉尘火灾爆炸危险分析与事故预防

Analysis of fire and explosion hazards and accident prevention for carbon black dust from pyrolysis of typical waste tires

摘要

以某企业废旧轮胎裂解工艺为实际案例，分析了炭黑在粉尘层和粉尘云两种形态下的火灾爆炸特性，结果显示：粉尘层的最低着火温度大于400 °C，粉尘层在特定条件下若遇到火源，有引发火灾的潜在风险；粉尘云的最低着火温度为620 °C，并且粒度分布符合超细粉尘特征，在粉尘云状态下炭黑发生火灾爆炸的风险较高。采用危险与可操作性分析（HAZOP）对该工艺的危险性进行分析，识别出炭黑后处理系统中12条风险剧情（其中75%风险剧情为I级风险）以及8个潜在的泄漏源，并构建了炭黑粉尘泄漏后在不同情况下的火灾爆炸事故场景。基于“5流3化3不”一体化安全管控思想，在“物质流”“能量流”不失控以及“控制流”不失误层面，提出控制炭黑粉尘浓度、增强生产设备密封性、制定粉尘爆炸应急预案、增设可燃粉尘实时监测仪表等多项事故预防与缓解措施。研究结果可为废旧轮胎裂解炭黑深加工过程的安全管理提供理论依据和可行性建议。

Abstract

Taking the waste tire pyrolysis process of a typical enterprise as a practical case， the fire and explosion characteristics of carbon black in both dust layer and dust cloud forms were analyzed. The results show that the minimum ignition temperature of the dust layer exceeds 400 °C. If the dust layer comes into contact with a fire source under certain conditions， there is a potential fire risk. The minimum ignition temperature of the dust cloud is 620 °C， and the particle size distribution is in the ultra-fine dust region. In the case of a carbon black dust cloud， the risk of fire and explosion is relatively high. Hazard and operability analysis （HAZOP） identified 12 risk scenarios in the carbon black post-treatment system （75% of which were level I risks） and 8 potential leakage sources. Additionally， fire and explosion accident scenarios were constructed for carbon black dust leakage under various conditions. Based on the integrated safety management concept of “five flows–three transformations–three controls”， at the levels where “material flow” and “energy flow” are not out of control and “control flow” is error-free， several accident prevention and mitigation measures have been proposed. These include controlling the concentration of carbon black dust， enhancing the sealing performance of production equipment， formulating emergency plans for dust explosions， and installing real-time monitoring instruments for combustible dust. These results can provide a theoretical basis and feasible suggestions for the safety management of carbon black deep processing in waste tire pyrolysis.

Graphical abstract

关键词

废旧轮胎裂解 / 炭黑粉尘 / 火灾爆炸 / 危险性分析 / 5流3化3不

Key words

waste tire pyrolysis / carbon black dust / fire and explosion / hazard analysis / five flows-three transformations-three controls

引言

炭黑作为一种重要的工业产品，广泛应用于轮胎、橡胶制品、油墨、涂料、塑料等领域。随着我国工业的快速发展，炭黑产量逐年增长。据中国橡胶工业协会炭黑分会对31家会员企业的统计数据，2024年和2025年炭黑总产量分别为512万吨和536万吨^［1-2］。目前，炭黑的生产方法主要有炉法、槽法和热裂解法等，其中废旧轮胎裂解生产炭黑是一种重要的炭黑制造技术，不仅可以有效解决废旧轮胎的存放问题，而且在一定程度上可减轻废旧轮胎的环境污染问题，对促进循环经济和可持续发展具有重要意义。

炭黑在粉尘状态下具有一定的燃烧和爆炸危险性，在生产、运输、储存等过程中容易引起安全事故。在我国，粉尘爆炸事故屡有发生，导致严重的人员伤亡和经济损失。例如，2024年1月20日江苏常州燊荣金属科技有限公司发生粉尘爆炸事故，造成8人死亡、8人轻伤，直接经济损失1 483万余元^［3］；2025年2月15日，山东青岛仟佰味食品配料有限公司发生较大粉尘爆炸事故，造成5人死亡，直接经济损失约840万元^［4］；2025年3月8日，秦皇岛华川机械加工有限公司发生一般粉尘爆炸事故，造成5人轻伤，直接经济损失115.8余万元^［5］。目前，我国各级应急管理部门已将粉尘涉爆列为防范遏制重特大事故的重要领域^［6］，对炭黑粉尘爆炸危险性进行分析和评估，对于保障企业生产安全、减少事故发生具有重要意义。

近年来，诸多学者对粉尘爆炸进行了研究。陈刚等^［6］对2005—2020年我国粉尘爆炸事故的特点及风险进行了统计分析，为提升我国粉尘防爆工作的针对性和有效性提供了有益参考；Pang等^［7］构建了贝叶斯网络模型（BN）用于评估粉尘爆炸风险，揭示了风险节点之间的耦合机制；Widodo等^［8］探讨了不同点火器能量对煤尘最小爆炸浓度的影响，为粉尘爆炸的触发条件研究提供了新思路；Guan等^［9］通过文献计量分析法，对1998—2021年的粉尘爆炸相关论文进行了系统性分析，归纳了该领域的研究前沿和整体趋势；张晓蕾等^［10］利用模糊综合评价法对67起粉尘爆炸事故进行了统计分析，全面评估了各种风险因素对粉尘爆炸的影响。以上对粉尘爆炸风险的研究取得了一定的成果，但是其研究对象主要是金属、粮食、煤炭粉尘等，缺乏针对废旧轮胎裂解炭黑粉尘火灾爆炸事故危险的分析研究。目前，常见的危险分析方法有危险与可操作性分析（HAZOP）^［11］、事故树分析（FTA）^［12］、贝叶斯网络^［13］和保护层分析（LOPA）^［14］等，其中HAZOP是最常用的工艺危害分析方法，可全面识别和评估工艺中存在的潜在危险和有害因素^［15］，已广泛应用于全球石油化工企业的安全生产研究^［16-19］。

裂解炭黑的生产过程具有典型的流程工业特性，如何实现其一体化安全管控是流程工业领域亟待解决的问题。一些研究者将流程的安全风险总结为“流”的特征，并开展了较为深入的研究^［20-25］。“流”指以系统中各元素、单元、子系统为连接点，并沿着特定的流动路径流动，形成具有一定结构的网络。张建文等^［26］创新性地提出以“5流3化3不”为核心的流程工业一体化安全管控新思路，探讨了如何突破“物质流”“能量流”到“数字流”映射过程的数字化鸿沟、“数字流”到高质量“信息流”转变的数智化壁垒、“信息流”到“控制流”转换的数滞化障碍，为流程工业一体化安全管控研究提供了全新的框架体系基础。

基于以上分析，本文以某企业的废旧轮胎裂解炭黑生产工艺为实际案例，采用HAZOP方法分析该工艺的危害特性，并结合炭黑粉尘的物化特性构建了不同情境下的事故场景，最后基于“5流3化3不”一体化安全管控思想提出相应的事故预防与缓解措施。研究结果可为废旧轮胎裂解炭黑深加工过程的安全管理提供理论依据和可行性建议。

1 典型废旧轮胎裂解工艺

废旧轮胎裂解工艺是将废旧轮胎转化为多种有用资源的技术。某企业废旧轮胎高值转化与利用项目中包含废旧轮胎裂解工艺，其总体工艺流程如图1所示。废旧轮胎裂解生产炭黑工艺的物料、设备及条件如下。

1.1 工艺物料

典型废旧轮胎裂解工艺的主要原料为废旧轮胎，其主要成分为橡胶、炭黑以及多种有机、无机助剂（增塑剂、防老剂、硫磺和氧化锌等）。

1.2 工艺设备

废轮胎裂解工艺所需的主要设备如下。

1）裂解炉。裂解炉是废轮胎裂解的核心设备，在无氧或缺氧条件下对轮胎进行加热裂解。裂解炉一般采用炉外加热、微负压、贫氧等热裂解条件，以确保裂解过程的安全和高效。

2）加料系统、冷却系统和分馏系统。这些系统用于辅助完成进料、裂解炉冷却及产物分馏等任务。

3）收集系统。炭黑和钢丝等固体产物通过收集系统进行收集和包装。炭黑收集过程在全封闭条件下进行，顶部设布袋除尘器，此过程易发生炭黑泄漏，存在粉尘爆炸的安全隐患。

1.3 工艺条件

废旧轮胎裂解的关键工艺条件主要包括温度和压力，其中温度是影响裂解产物分布和裂解效率的关键因素，裂解温度通常为110~450 ℃，具体温度根据裂解产物的需求而定。裂解过程通常在微负压（-200~0 Pa）环境下进行，这有助于提高热裂解效率并减少污染物排放。

2 炭黑粉尘的危险有害特性分析

2.1 炭黑粉尘的本征危险和有害特性

炭黑粉尘的本征危险和有害特性主要涉及其物理性质、化学性质以及对人体健康和环境的影响。

1）物理性质。炭黑粉尘的粒径细小，容易聚集，在空气中的悬浮和分散能力较强，可增加人体接触的风险^［27］。

2）化学性质。炭黑可通过氧化应激、DNA损伤等方式诱发癌症、呼吸与心血管疾病^［28］，并且炭黑中可能含有重金属铅^［26］及少量硫^［29］，对人体健康构成潜在威胁。

3）对人体健康和环境的影响。有研究表明，炭黑与哮喘、慢性阻塞性肺疾病等呼吸系统疾病的恶化有关^［30］，动物实验显示严重颗粒过载可能诱发肺部肿瘤^［31］，但这种现象在人类中并不常见。此外，炭黑粉尘的排放不仅影响空气质量，还可能引起土壤和水体污染等环境问题。

2.2 不同形式炭黑的火灾爆炸特性

炭黑泄漏到空气中后，主要以粉尘层和粉尘云两种形式存在，二者的火灾爆炸特性是工业安全领域的重要研究内容。该企业现场的炭黑泄漏严重，整个炭黑后处理工段落满了炭黑粉尘，如图2所示。其中炭黑粉尘中夹杂粒径较小的细粉炭黑，细粉炭黑经研磨后得到超细炭黑（平均粒径小于10 μm），存在较大的安全隐患，本文以超细炭黑为试验样本进行粉尘火灾爆炸的危险性分析。

2.2.1 粉尘层

粉尘层指在地面或其他表面沉积的一层由粉尘颗粒组成的较厚覆盖层。这种沉积层的形成主要归因于粉尘颗粒在重力作用下从空气中沉降，其沉积形成的层状结构表现出较高的稳定性，不易重新悬浮进入空气中，因此粉尘层并不具有爆炸性，但沉积的炭黑粉尘在遇到火源时仍可能引发火灾。为了更准确地评估炭黑粉尘层的火灾风险，本文测试了其最低着火温度（MIT）。

①测试依据：GB/T 16430—2018《粉尘层最低着火温度测定方法》；

②测试仪器：HTM 130型加热板测试仪（瑞士Adolf Kühner AG公司）；

③测试环境：温度24 ℃，相对湿度72%；

④粉尘层的堆积密度：0.28 g/cm³；

⑤样品处理：以原始状态进行试验；

⑥测试结果：MIT>400 ℃。

测试结果表明企业现场的粉尘层在特定条件下若遇到火源，有引发火灾的潜在风险。测试数据不仅有助于理解炭黑粉尘层在特定条件下的火灾行为，也为相关的安全防护措施提供了科学依据。

2.2.2 粉尘云

粉尘云指在空气中悬浮的大量粉尘颗粒，这些颗粒在空间中分布较为均匀，形成一个相对稳定的悬浮状态，通常在粉尘释放源附近形成，具有显著的悬浮性和扩散性。鉴于粉尘云在特定条件下（如遇到点火源）可能引发爆炸的特性，深入研究炭黑粉尘云的火灾和爆炸特性显得尤为重要。为了全面了解炭黑粉尘云的潜在风险，本文测定了其最小爆炸浓度（MEC）和MIT。

1）MEC

①测试依据：GB/T 16425—2018《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》；

②测试仪器：Siwek 20 L型爆炸球（瑞士Adolf Kühner AG公司）；

③测试环境：温度24 ℃，相对湿度69%；

④样品处理：以原始状态进行试验；

⑤点火源：两个能量为1 kJ的化学点火具；

⑥测试结果：50 g/m³<MEC<60 g/m³。

2）MIT

①测试依据：GB/T 16429—1996《粉尘云最低着火温度测定方法》；

②测试仪器：MITC-1000A型高德伯尔格-格润瓦尔德试验炉（杭州仰仪科技有限公司）；

③测试环境：温度24 ℃，相对湿度72%；

④样品处理：以原始状态进行试验；

⑤测试结果：MIT=620 ℃。

此外，炭黑粉尘的电阻率、水分含量和粒径分布对爆炸特性也有显著影响，这些参数不仅决定了粉尘的物理和化学行为，还直接影响其在空气中的悬浮稳定性和反应活性，因此本文还对这些参数进行了测试。

1）电阻率

①测试依据：GB/T 3836.12—2019《爆炸性环境第12部分：可燃性粉尘物质特性试验方法》；

②技术要求：GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》；

③测试仪器：ST2722型粉末电阻率测试仪（苏州晶格电子有限公司）；

④测试环境：温度23.2 ℃，标准大气压（101 kPa）；

⑤样品处理：以原始状态进行试验；

⑥测试结果：电阻率的平均值为14 Ω·m，粉尘分级为IIIC类导电性粉尘。

2）水分含量

①测试依据：GB/T 2914—2008《塑料 氯乙烯均聚和共聚树脂挥发物（包括水）的测定》；

②测试仪器：MA35M-1CN230V1型水分测定仪（德国Sartorius公司）；

③样品处理：以原始状态进行试验；

④测试结果：含水率为1.92%（质量分数）。

3）粒径分布

①测试依据：IOS 13320：2020《Particle size analysis—Laser diffraction methods》；

②测试仪器：BT-9300H型TopSizer激光粒度分析仪（珠海欧美克仪器有限公司）；

③样品处理：以原始状态进行试验；

④测试结果：d(\mathrm{0.1})=\mathrm{0.5}\mathrm{\mu }\mathrm{m}，d(\mathrm{0.5})=\mathrm{1.9}\mathrm{\mu }\mathrm{m}，d(\mathrm{0.9})=\mathrm{4.4}\mathrm{\mu }\mathrm{m}，其中d(\mathrm{0.1})、d(\mathrm{0.5})和d(\mathrm{0.9})分别代表粒径分布中小于等于该直径的颗粒体积占总体积的10%、50%和90%。

测试结果表明，炭黑在粉尘云状态下具有导电性，且符合超细粉尘特征，引发火灾爆炸的风险较高。

3 工艺危害分析与事故场景构建

3.1 工艺危害分析

针对该企业废旧轮胎裂解炭黑工艺的炭黑后处理部分，采用HAZOP分析危险有害因素（如压力异常、物料泄漏等）和可能的炭黑泄漏来源。根据装置及流程特点，将炭黑后处理工艺流程划分为3个系统：研磨系统、收集系统和造粒系统。HAZOP分析结果：1）工艺管道和仪表流程图（P&ID）2张；2）重要剧情12条，其中Ⅴ级、Ⅳ级风险剧情0条、占比0，Ⅲ级风险剧情1条、占比8.3%，Ⅱ级风险剧情2条、占比16.7%，Ⅰ级风险剧情9条、占比75%；3）建议措施1项。

风险评估部分采用风险矩阵法进行分析，其中风险为事故发生概率等级（表1）与事故后果严重程度等级（表2）的乘积，风险矩阵如图3所示。例如，事故发生概率等级为3级，事故后果严重程度等级为4级，则风险为3 × 4 = 12，风险评估结果为Ⅲ级风险（橙色）。

带有设备编号的炭黑后处理工艺流程如图4所示，炭黑可能的泄漏源如下。

1）粗炭黑储罐V03001的布袋除尘器密封性差，粗炭黑从中逸出；

2）在粗炭黑储罐V03001的紧急卸料口处，炭黑从气动粉尘蝶阀中逸出；

3）冲击磨M03002的密封性差，研磨后的炭黑从中逸出；

4）细粉收集袋滤器V04002出口处，旋转给料机的密封性差，炭黑从中逸出，收集袋滤器V04001A与V04001B可能存在同样问题；

5）细粉收集袋滤器V04002外排大气中夹杂炭黑细粉；

6）粉状炭黑储罐V04003受压缩空气压力波动的影响，炭黑从该罐的呼吸阀逸出；

7）粉状炭黑储罐V04003破裂，炭黑从中逸出；

8）干燥机X04001的外排烟气中夹杂炭黑，在干燥车间的外排烟气取样口处外逸。

炭黑泄漏的主要风险点集中在后处理工段（干燥、收集、储存）的排放口、储罐呼吸阀以及各输送设备的动密封点，其中干燥机和袋滤器的排气夹杂炭黑是最难以避免的泄漏源。此外，当操作频繁时粉状炭黑储罐的呼吸阀变为持续性的泄漏源，需重点关注。

3.2 事故场景构建

炭黑在与其他化合物混合时，其形态特征会因混合比例的不同而有所变化，这表明炭黑的形态和结构受到其他组分的影响，进而影响炭黑在混合物中的行为和反应性，这使得炭黑在与某些有机化合物混合时可能具有潜在的爆炸风险^［32］。由于燃料油通常含有多种有机化合物，这些化合物的种类和比例可能会影响炭黑的火灾爆炸特性。对于粉尘与燃料油、油气混合的情况，炭黑的火灾爆炸特性有待深入研究。基于此，本研究构建了炭黑粉尘泄漏后在不同情况下的事故场景，如图5所示。

炭黑泄漏后大致有3种场景：1）若炭黑粒径较大，则无危险特性；2）若炭黑粒径较小，形成粉尘层，在生产车间与泄漏的燃料油混合后具有易燃特性，遇点火源极易发生火灾；3）若炭黑粒径较小，形成粉尘云，与泄漏的油气混合后形成爆炸性混合物，遇点火源极易发生火灾爆炸。

4 基于“5流3化3不”的事故预防与缓解措施

流程工业安全风险体现在“物质流”“能量流”“数字流”“信息流”和“控制流”这“5流”的多源、多尺度、多时空等特征方面^［33］。“物质流”是液体、气体、固体和多相介质在生产过程中的输送与处理；“能量流”是热量、电能、机械能等在生产过程中的传递与转换；“数字流”是工艺感知的第一环，指物理信号经模数转换后以数字编码形式流动的信息集合；“信息流”是信息传输的载体，指数字信号在不同设备与系统间传输的过程；“控制流”刻画了工艺流程及业务流程中各个活动之间的逻辑关系。“3化”问题可概括为传感“数字化”、通信“数滞化”、决策“数智化”。流程工业装置事故的预防与缓解通过“3不”实现：“物质流”“能量流”不失控，“数字流”和“信息流”不失真，“控制流”不失误^［26］。

本文基于以上“5流3化3不”一体化安全管控思想，提出针对该企业的事故预防与缓解措施。由于废旧轮胎裂解工艺流程较短，在保障“数字流”和“信息流”不失真的情况下，在生产、运输、储存等方面做好“物质流”“能量流”不失控、“控制流”不失误，可以有效预防火灾爆炸事故的发生。

1）“物质流”“能量流”不失控

①控制炭黑粉尘的浓度，避免过高浓度的粉尘积聚；

②控制炭黑粉尘的粒径，避免过小的粉尘粒子产生；

③控制炭黑粉尘的湿度，避免过低的湿度产生；

④控制炭黑粉尘与空气的混合比例，使其偏离爆炸极限区间；

⑤避免点火源的产生，如明火、静电、摩擦等；

⑥加强通风，保持空气流通，避免粉尘积聚；

⑦增强设备密封性，减少炭黑粉尘逸出。

2）“控制流”不失误

①制定炭黑粉尘爆炸的应急预案，明确责任、流程和措施，提高应对突发事件的能力；

②增设可燃粉尘监测仪表，实时监测生产车间的粉尘浓度，避免粉尘聚集达到最小爆炸浓度。

5 结论

（1）不同存在形式炭黑的火灾爆炸特性测试结果表明：粉尘层的最低着火温度大于400 ℃，粉尘层在特定条件下若遇到火源，有引发火灾的潜在风险；粉尘云的最低着火温度为620 ℃，并且粒度分布符合超细粉尘特征，在粉尘云状态下炭黑发生火灾爆炸的风险较高。

（2）HAZOP识别出12条风险剧情，其中I级风险剧情9条，占比75%，炭黑后处理系统存在8个可能的泄漏源，其中输送设备的动密封点、储罐呼吸阀等为主要风险点。

（3）基于“5流3化3不”一体化安全管控思想，提出控制炭黑粉尘浓度、增强生产设备密封性、制定粉尘爆炸应急预案、增设可燃粉尘实时监测仪表等多项事故预防与缓解措施，这些措施可有效降低“物质流”“能量流”的失控，减少“控制流”的失误。

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基金资助

中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项资金(2023JBKY19)