粉尘为何会爆炸?

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所属分类:百科知识2014年

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

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