综述：铝合金粉末爆炸风险的双重维度：干系统中干粉爆炸与湿系统中氢气释放爆炸的综述

《Powder Technology》：The dual dimensions of the explosion risk of aluminum alloy powder: A review of dry powder explosion in dry systems and hydrogen evolution explosion in wet systems

　　**摘要**
铝合金在切割、研磨和抛光等加工过程中不可避免地会产生金属粉尘。这种粉尘面临“干粉爆炸”和“湿氢爆炸”的双重危险。本文综述了铝合金在粉尘应用中的现状及粉尘安全研究，系统地分析了干粉系统和湿粉系统中铝合金粉尘爆炸风险的相关危险因素，并重点阐述了各种抑制剂对粉尘-氢混合爆炸的预防和控制机制。在干粉系统中，阐明了铝合金粉尘爆炸的机制，重点研究了化学成分、颗粒大小、粉尘云浓度、氧气浓度和压力等因素对粉尘爆炸特性的影响。总结了单一无机和复合抑制剂对铝合金粉尘爆炸的物理化学协同抑制途径。在湿粉系统中，阐明了铝合金粉尘产生氢气爆炸的机理，重点研究了化学成分、颗粒大小、温度、压力和pH值等因素对氢气产生特性的影响。此外，还总结了有机和无机抑制剂在铝合金表面形成膜层及抑制氢气产生的机制。最后，基于现有研究，建议加强干粉爆燃与湿氢产生之间耦合风险的研究，并优化抑制剂的适应性，为涉粉企业的粉尘去除与安全防护提供新的理论基础和技术支持。

**引言**
自“十三五”规划实施以来，中国的粉末制造业经历了转型升级，加速了铝合金型材的市场供求。因此，中国已成为全球主要的铝合金材料生产和消费国[1]。铝合金材料是一种新型轻质合金材料，具有低密度、高比强度、强耐腐蚀性和低成本等显著优势，与强调轻量化、节能和高效率的现代制造业发展方向高度契合[2]。铝合金材料广泛应用于航空航天、汽车制造、海洋工程和电子等领域，并逐渐扩展到3D打印等增材制造新兴领域。这些材料的市场需求呈现出逐年稳步增长的趋势[3][4]。

在铝合金材料制成最终产品之前，需要经过切割、研磨和抛光等加工环节，这些过程不可避免地会产生大量细粒度铝合金粉尘和废屑[5]。铝合金粉尘的爆炸风险具有双重性质：在干燥条件下，铝合金粉尘具备可燃粉尘爆炸所需的所有条件；当粉尘以一定浓度悬浮在空气中并与具有足够能量的点火源接触时，会发生剧烈的氧化燃烧反应，短时间内释放大量热量并产生高压气体，从而引发爆炸。研究表明，铝合金粉尘的最小点火能量可低至0.1–0.2 mJ，最大爆炸压力可超过0.525 MPa，显示出较高的爆炸危险性。在潮湿环境中，特别是湿粉收集系统中，铝合金粉尘与水接触时会发生放热化学反应，生成氢氧化铝并释放氢气，这一过程被称为“湿氢产生”。释放出的氢气与空气混合后形成高度易燃的混合气体，其爆炸威力往往远超粉尘爆炸本身。更值得注意的是，铝合金粉尘与水的反应还伴随大量热量释放，可能导致粉尘自燃，进一步加剧事故的严重性。上述双重爆炸风险使得铝合金粉尘的安全管理比传统有机粉尘面临更复杂的挑战。

2006年，美国化学安全委员会（CSB）发布了一份研究报告，指出1980至2005年间美国共发生281起粉尘爆炸事故，导致119人死亡、718人受伤，其中金属粉尘爆炸占事故总数的约20%[6]。在英国，1969至1976年间发生了400多起粉尘爆炸[7]。在日本，1952至1995年间共发生64起金属粉尘爆炸事故，占爆炸事故总数的约24%[8]。国内方面，闫等人员[9]统计显示1981至2011年间共发生72起粉尘爆炸事故，金属粉尘爆炸占约10%，其中铝粉爆炸占比高达57%。可见金属粉尘爆炸事故的发生频率和危险性较高，尤其是铝粉的爆炸风险最为突出。为预防金属粉尘爆炸事故，大多数涉粉企业采用粉尘收集系统来捕获生产区域产生的金属粉尘。根据粉尘收集方式的不同，这些系统可分为干粉收集系统和湿粉去除系统[10][11][12]。干粉收集系统利用干粉收集器捕捉生产区域产生的废屑和粉尘，但存在一定的风险：设计缺陷和人为失误可能导致爆炸性粉尘云的形成，遇到静电或火花时可能引发爆炸[13][14]。最严重的一次事故发生在2014年江苏省昆山市中荣金属制品有限公司，涉及铝粉干粉收集系统和车间，造成146人死亡、91人受伤，直接经济损失达3.51亿元人民币[15]。相比之下，湿粉去除系统（如湿粉收集器）更为有效，通过水幕和水雾等方式捕获铝基合金粉尘，有效抑制粉尘云的爆炸浓度，降低爆炸风险。然而，铝基合金粉尘具有高敏感性和反应性，与水反应时会发生水解反应释放大量氢气，可能引发氢气爆炸[16]。近年来，因铝水反应产生的氢气爆炸事件频发：2011年江苏省镇江市一家精密加工公司发生爆炸，原因是静电积累导致铝镁合金外壳加工车间的喷淋管道爆炸，造成21人受伤；2024年1月20日，江苏省常州市神荣金属科技有限公司的生产车间内湿粉收集器发生爆炸，导致8人死亡、8人受伤。目前，湿粉收集器通过安装氢气浓度报警系统、强制通风系统和安全防爆装置来预防和控制氢气爆炸，但这些系统和装置仅具有监测和预警功能，无法抑制氢气的生成。综上所述，现有干粉和湿粉去除系统均存在技术局限性，无法从根本上解决铝合金粉尘的爆炸风险。因此，预防和控制铝合金粉尘爆炸已成为涉粉企业安全生产的首要任务。

近年来，关于铝合金粉尘爆炸安全性的研究受到了越来越多的关注。在干粉燃烧爆炸领域，研究人员系统地研究了铝合金粉尘的爆炸特性参数，包括最低爆炸极限浓度、最小点火能量、最小点火温度、最大爆炸压力和爆炸指数等关键指标，并探讨了颗粒大小、浓度和氧含量等因素对爆炸行为的影响。在湿氢产生领域，研究人员揭示了铝合金粉尘与水反应的多阶段机制，包括“氧化膜破裂、氢氧化物成核和放热链反应”。研究发现在合金成分、温度、湿度和杂质等因素的共同作用下，氢气产生的效率受到调控。然而，现有研究仍存在局限：干粉燃烧爆炸和湿氢产生研究属于不同领域，两者之间的关联和耦合风险尚未得到系统整合；铝合金粉尘与水反应产生的氢气的爆炸特性及其与粉尘爆炸的协同效应缺乏深入研究；实际生产场景中动态粉尘分散和湿润程度不均匀等因素对爆炸风险的影响仍需进一步探索。

本文旨在系统总结铝合金粉尘在干粉收集系统和湿粉收集系统中的爆炸研究结果，分析两种爆炸风险的诱导机制、关键影响因素及相互关系，总结现有预防和控制技术的优缺点，并探讨干粉系统和湿粉系统下的协同预防和控制技术途径，为涉及铝合金粉尘爆炸危险的企业提供理论支持和技术参考。

**部分摘录**
**干粉环境中铝合金粉尘的爆炸风险**
与有机燃料相比，铝粉和镁粉等金属粉尘的爆炸危险性更高[17]。在全球范围内，研究人员主要关注粉尘爆炸机制、影响因素、爆炸敏感性和爆炸严重性的研究。

**湿粉环境中铝合金粉尘的爆炸危险**
铝粉在切割、研磨和抛光过程中会产生，这些粉尘在潮湿环境中与空气中的水分子发生氧化还原反应生成氢气。氢气被视为理想的清洁燃料，因为其燃烧产物仅为水，不会产生二氧化碳[61]，但同时具有高度易燃和爆炸性的特点[62]。国际上公认，湿粉收集技术可以有效降低爆炸风险。

**结论**
本研究系统分析了干粉系统和湿粉系统中铝合金粉尘爆炸风险的相关危险因素，总结了国内外关于铝合金粉尘爆炸风险的研究成果。在干粉系统中，探讨了化学成分、颗粒大小、粉尘云浓度、氧气浓度和压力等因素对爆炸后果的影响。

**作者贡献声明**
张玉媛：撰写初稿、方法学设计、数据调查、数据分析、概念构建
宋博磊：数据验证、方法学设计、数据分析、概念构建
徐凯莉：审稿与编辑、数据验证、项目监督
刘波：资金获取、数据管理
马慧强：资源协调、项目管理
李丽：数据可视化、数据分析
郝腾腾：数据可视化、资源支持

**资金支持**
本研究得到了辽宁省教育厅基础科学研究项目（LJ212510148041）、辽宁省教育厅青年科学家基础科学研究项目（LJ212410148044）以及辽宁省自然科学基金博士研究项目（2025-BS-0423）和辽宁省科技创新团队项目（LJ222510148002）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

张玉媛 | 宋博磊 | 徐凯莉 | 刘波 | 马慧强 | 李丽 | 郝腾腾