粉塵為何會(huì)爆炸？

麻庭光

前不久，江蘇昆山發(fā)生大爆炸，傷亡慘重，令人扼腕，這也讓我們?cè)俅我庾R(shí)到粉塵爆炸的危害。粉塵爆炸是一個(gè)世界性的難題，不僅理論上沒(méi)有完美的解決方法，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)當(dāng)中，即便在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也沒(méi)有完全解決“有針對(duì)性的防范”問(wèn)題，所以每一次事故帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)都需要認(rèn)真研究，以便減少未來(lái)類似事件帶來(lái)的損失。

粉塵爆炸與一般火災(zāi)的區(qū)別

粉塵爆炸的危害來(lái)自固體燃料，固體的金屬等物質(zhì)是如何被點(diǎn)燃的呢？

原來(lái)，固體燃料的點(diǎn)火有一個(gè)“傳熱”的限制。首先，粉塵燃燒的關(guān)鍵在于其固體粒子直徑很小，通常粒子越小，其表面積與體積之比越大，而傳熱效率與該比值有關(guān)，當(dāng)該比值大到一定程度，外部傳熱就決定了點(diǎn)火的速度。例如，正常情況下我們無(wú)法點(diǎn)燃鐵棒，因?yàn)殍F是很好的導(dǎo)體，如果點(diǎn)燃鐵棒的一端，能量立即被導(dǎo)熱散失，所以表面溫度很難升上去。當(dāng)高溫遇到粉塵粒子后，粉塵粒子只吸熱不散熱（粒子內(nèi)部蓄熱少，等于無(wú)散熱），表面溫度上升異常迅速。當(dāng)粒子直徑小到一定程度，可燃固體粒子就會(huì)像可燃?xì)怏w一樣點(diǎn)燃和爆炸，這是燃料的形態(tài)帶來(lái)的異常風(fēng)險(xiǎn)。

其次，沉淀在其他固體表面的粉塵通常不易點(diǎn)燃，因?yàn)榱Ｗ拥臒崃繒?huì)轉(zhuǎn)移到固體表面。只有當(dāng)其他的爆炸過(guò)程揚(yáng)起了粉塵，把粉塵粒子比較均勻地散布到空氣中，達(dá)到不多不少的濃度（太少點(diǎn)不著，太多又容易熄火），才會(huì)發(fā)生爆炸現(xiàn)象。比如，礦井的粉塵爆炸，總是有甲烷氣體先爆炸，揚(yáng)起煤炭粉塵之后，才會(huì)引燃粉塵，發(fā)生二次爆炸。所以，有粉塵的環(huán)境，總是需要安裝吸塵設(shè)備或粒子沉降設(shè)備，保證空中懸浮的粉塵粒子不足以支持點(diǎn)燃的過(guò)程。

第三，和氣體燃料相比，固體燃料單位質(zhì)量下的能量密度比較高，粉塵爆炸有可能比氣體爆炸更猛烈。當(dāng)處于懸浮狀態(tài)的粒子達(dá)到點(diǎn)火溫度之后，火焰“蔓延速度”決定破壞力和后果——如果速度達(dá)到音速之上，就是爆炸。

火災(zāi)和爆炸到底是什么關(guān)系呢？從本質(zhì)上說(shuō)，兩者都是發(fā)光發(fā)熱的燃燒反應(yīng)，后者反應(yīng)速度快一點(diǎn)。但火災(zāi)一般是指擴(kuò)散燃燒，燃料與氧氣在反應(yīng)之前沒(méi)有混合。爆炸必須有預(yù)先的混合，而且還要有空間的限制?；旌虾蟮娜剂戏磻?yīng)面會(huì)在預(yù)混氣體中蔓延，反應(yīng)對(duì)周圍的影響是以聲波（壓力波）的形式進(jìn)行的。當(dāng)壓力波受到壁面的反射作用，和入射波疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的壓力波，造成極高的壓力。在極高的壓力下，預(yù)混燃料可以自動(dòng)點(diǎn)火（不需要等待火焰的蔓延過(guò)程），能量釋放更加迅速，點(diǎn)火蔓延的速度達(dá)到或超過(guò)音速，形成爆炸。 所以，爆炸通常需要封閉或半封閉的空間結(jié)構(gòu)。

第四，如果是金屬粉塵，則反應(yīng)過(guò)程溫度極高，足以“爍鐵熔金”，其高溫足以讓很多常見(jiàn)的滅火劑失效，或者干脆分解周圍的水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，帶來(lái)更大的危險(xiǎn)。這種高溫也會(huì)帶來(lái)強(qiáng)大的熱輻射，讓人很難靠近。金屬火災(zāi)通常很難撲滅，需要使用特殊的沙子或其他金屬氧化物去應(yīng)對(duì)，所以通常把金屬火災(zāi)單獨(dú)歸類（D類火災(zāi)），是非常難以撲滅的一種火災(zāi)。

粉塵爆炸如何對(duì)人造成傷害

那么，粉塵爆炸是如何對(duì)人體造成危害的呢？首先，爆炸產(chǎn)生極強(qiáng)的壓力波，對(duì)人體的聽(tīng)力和內(nèi)臟系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞力，那些受傷者往往與爆炸產(chǎn)生的壓力波有關(guān)。所以昆山事故的受害者被送往醫(yī)院之后，死亡人數(shù)還在增加；其次，金屬燃燒產(chǎn)生極高的溫度（可達(dá)3000℃以上），產(chǎn)生極強(qiáng)的輻射，會(huì)燒傷皮膚，留下顯著的疤痕；第三，由于粉塵爆炸過(guò)程極為短促，短時(shí)間內(nèi)消耗掉所有的氧氣，所以很多遇難者是當(dāng)場(chǎng)缺氧窒息，迅速死亡。

如何降低粉塵爆炸的危害

那么，粉塵爆炸如何控制呢？

1.與火災(zāi)的滅火動(dòng)作相比，爆炸保護(hù)的關(guān)鍵是動(dòng)作要快（毫秒量級(jí)），一旦發(fā)生預(yù)兆性的壓力波動(dòng)，立即釋放滅火劑，可以把點(diǎn)火的苗頭壓下去。對(duì)付爆炸的滅火劑，理論上只要不易燃燒的材料都可以，實(shí)際應(yīng)用中需要仔細(xì)選擇適合快速排放的介質(zhì)。通常一套爆炸保護(hù)系統(tǒng)的價(jià)格是被保護(hù)設(shè)備的30%～50%。

2.由于立即滅火的成本太高，人們就想辦法對(duì)爆炸發(fā)生進(jìn)行結(jié)果控制，于是研究者設(shè)計(jì)了一種防爆減壓窗。一旦室內(nèi)壓力太高，該窗立即爆破，讓壓力波順利泄漏出去，避免壓力波返回去點(diǎn)燃更多的粉塵。這是一種結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計(jì)。

3.還有一種防爆設(shè)計(jì)是預(yù)防性設(shè)計(jì)，主要是降低儀表作為點(diǎn)火源的可能性。工作在粉塵或可燃?xì)怏w場(chǎng)合的儀表，需要對(duì)內(nèi)部的微量電流加以控制，因?yàn)殡妷弘m然小，但放電的能量足以點(diǎn)燃預(yù)混之后的氣體，為此需要控制每一個(gè)可能造成點(diǎn)火的環(huán)節(jié)，防范儀表本身成為點(diǎn)火源。1816年，戴維爵士為防范地下煤礦爆炸設(shè)計(jì)了一種安全燈，這種安全燈基于金屬網(wǎng)吸熱導(dǎo)熱的原理，防范燈火點(diǎn)燃煤氣。其安全防爆的原理現(xiàn)在仍然應(yīng)用在各種防爆儀表的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4.既然是粉塵爆炸，當(dāng)然需要控制粉塵的產(chǎn)生。管理者對(duì)粉塵環(huán)境的規(guī)范，通常是靠量一量地面堆積的粉塵厚度，作為是否超標(biāo)的參數(shù)。看上去很簡(jiǎn)單，可是對(duì)于日常有產(chǎn)生粉塵的工業(yè)過(guò)程，做到這一點(diǎn)很困難。對(duì)此有各種工業(yè)通風(fēng)設(shè)計(jì)，防止粉塵的積聚。

現(xiàn)在，我們就很容易明白昆山大爆炸的事故調(diào)查結(jié)果了。根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布的事故原因，是工廠內(nèi)粉塵遇上因生產(chǎn)設(shè)備短路產(chǎn)生的火花引發(fā)爆炸（也就是說(shuō)，設(shè)備缺乏防爆設(shè)計(jì)）。廠房沒(méi)有按照二類危險(xiǎn)品場(chǎng)所進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，違規(guī)雙層設(shè)計(jì)工廠（也就是說(shuō)防爆設(shè)計(jì)不足，且人員設(shè)置過(guò)多）。此外，生產(chǎn)線過(guò)于密集，除塵能力不足，工廠內(nèi)所有電器設(shè)備沒(méi)有按照防爆要求配置（設(shè)備防爆設(shè)計(jì)），亦無(wú)清理管道的積塵，造成粉塵濃度超標(biāo)（環(huán)境通風(fēng)設(shè)計(jì)不到位）。

【責(zé)任編輯】張小萌endprint