粉尘为何会爆炸？

前不久，江苏昆山发生大爆炸，伤亡惨重，令人扼腕，这也让我们再次意识到粉尘爆炸的危害。粉尘爆炸是一个世界性的难题，不仅理论上没有完美的解决方法，现实生产当中，即便在美国等发达国家也没有完全解决“有针对性的防范”问题，所以每一次事故带来的经验和教训都需要认真研究，以便减少未来类似事件带来的损失。

　　粉尘爆炸与一般火灾的区别

　　粉尘爆炸的危害来自固体燃料，固体的金属等物质是如何被点燃的呢？

　　原来，固体燃料的点火有一个“传热”的限制。首先，粉尘燃烧的关键在于其固体粒子直径很小，通常粒子越小，其表面积与体积之比越大，而传热效率与该比值有关，当该比值大到一定程度，外部传热就决定了点火的速度。例如，正常情况下我们无法点燃铁棒，因为铁是很好的导体，如果点燃铁棒的一端，能量立即被导热散失，所以表面温度很难升上去。当高温遇到粉尘粒子后，粉尘粒子只吸热不散热（粒子内部蓄热少，等于无散热），表面温度上升异常迅速。当粒子直径小到一定程度，可燃固体粒子就会像可燃气体一样点燃和爆炸，这是燃料的形态带来的异常风险。

　　其次，沉淀在其他固体表面的粉尘通常不易点燃，因为粒子的热量会转移到固体表面。只有当其他的爆炸过程扬起了粉尘，把粉尘粒子比较均匀地散布到空气中，达到不多不少的浓度（太少点不着，太多又容易熄火），才会发生爆炸现象。比如，矿井的粉尘爆炸，总是有甲烷气体先爆炸，扬起煤炭粉尘之后，才会引燃粉尘，发生二次爆炸。所以，有粉尘的环境，总是需要安装吸尘设备或粒子沉降设备，保证空中悬浮的粉尘粒子不足以支持点燃的过程。

　　第三，和气体燃料相比，固体燃料单位质量下的能量密度比较高，粉尘爆炸有可能比气体爆炸更猛烈。当处于悬浮状态的粒子达到点火温度之后，火焰“蔓延速度”决定破坏力和后果——如果速度达到音速之上，就是爆炸。

　　火灾和爆炸到底是什么关系呢？从本质上说，两者都是发光发热的燃烧反应，后者反应速度快一点。但火灾一般是指扩散燃烧，燃料与氧气在反应之前没有混合。爆炸必须有预先的混合，而且还要有空间的限制。混合后的燃料反应面会在预混气体中蔓延，反应对周围的影响是以声波（压力波）的形式进行的。当压力波受到壁面的反射作用，和入射波叠加时，会产生更大的压力波，造成极高的压力。在极高的压力下，预混燃料可以自动点火（不需要等待火焰的蔓延过程），能量释放更加迅速，点火蔓延的速度达到或超过音速，形成爆炸。 所以，爆炸通常需要封闭或半封闭的空间结构。

　　第四，如果是金属粉尘，则反应过程温度极高，足以“烁铁熔金”，其高温足以让很多常见的灭火剂失效，或者干脆分解周围的水，产生氢气和氧气，带来更大的危险。这种高温也会带来强大的热辐射，让人很难靠近。金属火灾通常很难扑灭，需要使用特殊的沙子或其他金属氧化物去应对，所以通常把金属火灾单独归类（D类火灾），是非常难以扑灭的一种火灾。

　　粉尘爆炸如何对人造成伤害

　　那么，粉尘爆炸是如何对人体造成危害的呢？首先，爆炸产生极强的压力波，对人体的听力和内脏系统产生较大的破坏力，那些受伤者往往与爆炸产生的压力波有关。所以昆山事故的受害者被送往医院之后，死亡人数还在增加；其次，金属燃烧产生极高的温度（可达3000℃以上），产生极强的辐射，会烧伤皮肤，留下显著的疤痕；第三，由于粉尘爆炸过程极为短促，短时间内消耗掉所有的氧气，所以很多遇难者是当场缺氧窒息，迅速死亡。

　　如何降低粉尘爆炸的危害

　　那么，粉尘爆炸如何控制呢？

　　1.与火灾的灭火动作相比，爆炸保护的关键是动作要快（毫秒量级），一旦发生预兆性的压力波动，立即释放灭火剂，可以把点火的苗头压下去。对付爆炸的灭火剂，理论上只要不易燃烧的材料都可以，实际应用中需要仔细选择适合快速排放的介质。通常一套爆炸保护系统的价格是被保护设备的30%～50%。

　　2.由于立即灭火的成本太高，人们就想办法对爆炸发生进行结果控制，于是研究者设计了一种防爆减压窗。一旦室内压力太高，该窗立即爆破，让压力波顺利泄漏出去，避免压力波返回去点燃更多的粉尘。这是一种结构防爆设计。

　　3.还有一种防爆设计是预防性设计，主要是降低仪表作为点火源的可能性。工作在粉尘或可燃气体场合的仪表，需要对内部的微量电流加以控制，因为电压虽然小，但放电的能量足以点燃预混之后的气体，为此需要控制每一个可能造成点火的环节，防范仪表本身成为点火源。1816年，戴维爵士为防范地下煤矿爆炸设计了一种安全灯，这种安全灯基于金属网吸热导热的原理，防范灯火点燃煤气。其安全防爆的原理现在仍然应用在各种防爆仪表的设计当中。

　　4.既然是粉尘爆炸，当然需要控制粉尘的产生。管理者对粉尘环境的规范，通常是靠量一量地面堆积的粉尘厚度，作为是否超标的参数。看上去很简单，可是对于日常有产生粉尘的工业过程，做到这一点很困难。对此有各种工业通风设计，防止粉尘的积聚。

　　现在，我们就很容易明白昆山大爆炸的事故调查结果了。根据国家安全生产监督管理总局公布的事故原因，是工厂内粉尘遇上因生产设备短路产生的火花引发爆炸（也就是说，设备缺乏防爆设计）。厂房没有按照二类危险品场所进行设计和建设，违规双层设计工厂（也就是说防爆设计不足，且人员设置过多）。此外，生产线过于密集，除尘能力不足，工厂内所有电器设备没有按照防爆要求配置（设备防爆设计），亦无清理管道的积尘，造成粉尘浓度超标（环境通风设计不到位）。

　　【责任编辑】张小萌