粉塵為何會爆炸？

麻庭光

前不久，江蘇昆山發生大爆炸，傷亡慘重，令人扼腕，這也讓我們再次意識到粉塵爆炸的危害。粉塵爆炸是一個世界性的難題，不僅理論上沒有完美的解決方法，現實生產當中，即便在美國等發達國家也沒有完全解決“有針對性的防范”問題，所以每一次事故帶來的經驗和教訓都需要認真研究，以便減少未來類似事件帶來的損失。

粉塵爆炸與一般火災的區別

粉塵爆炸的危害來自固體燃料，固體的金屬等物質是如何被點燃的呢？

原來，固體燃料的點火有一個“傳熱”的限制。首先，粉塵燃燒的關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，當該比值大到一定程度，外部傳熱就決定了點火的速度。例如，正常情況下我們無法點燃鐵棒，因為鐵是很好的導體，如果點燃鐵棒的一端，能量立即被導熱散失，所以表面溫度很難升上去。當高溫遇到粉塵粒子后，粉塵粒子只吸熱不散熱（粒子內部蓄熱少，等于無散熱），表面溫度上升異常迅速。當粒子直徑小到一定程度，可燃固體粒子就會像可燃氣體一樣點燃和爆炸，這是燃料的形態帶來的異常風險。

其次，沉淀在其他固體表面的粉塵通常不易點燃，因為粒子的熱量會轉移到固體表面。只有當其他的爆炸過程揚起了粉塵，把粉塵粒子比較均勻地散布到空氣中，達到不多不少的濃度（太少點不著，太多又容易熄火），才會發生爆炸現象。比如，礦井的粉塵爆炸，總是有甲烷氣體先爆炸，揚起煤炭粉塵之后，才會引燃粉塵，發生二次爆炸。所以，有粉塵的環境，總是需要安裝吸塵設備或粒子沉降設備，保證空中懸浮的粉塵粒子不足以支持點燃的過程。

第三，和氣體燃料相比，固體燃料單位質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。當處于懸浮狀態的粒子達到點火溫度之后，火焰“蔓延速度”決定破壞力和后果——如果速度達到音速之上，就是爆炸。

火災和爆炸到底是什么關系呢？從本質上說，兩者都是發光發熱的燃燒反應，后者反應速度快一點。但火災一般是指擴散燃燒，燃料與氧氣在反應之前沒有混合。爆炸必須有預先的混合，而且還要有空間的限制。混合后的燃料反應面會在預混氣體中蔓延，反應對周圍的影響是以聲波（壓力波）的形式進行的。當壓力波受到壁面的反射作用，和入射波疊加時，會產生更大的壓力波，造成極高的壓力。在極高的壓力下，預混燃料可以自動點火（不需要等待火焰的蔓延過程），能量釋放更加迅速，點火蔓延的速度達到或超過音速，形成爆炸。 所以，爆炸通常需要封閉或半封閉的空間結構。

第四，如果是金屬粉塵，則反應過程溫度極高，足以“爍鐵熔金”，其高溫足以讓很多常見的滅火劑失效，或者干脆分解周圍的水，產生氫氣和氧氣，帶來更大的危險。這種高溫也會帶來強大的熱輻射，讓人很難靠近。金屬火災通常很難撲滅，需要使用特殊的沙子或其他金屬氧化物去應對，所以通常把金屬火災單獨歸類（D類火災），是非常難以撲滅的一種火災。

粉塵爆炸如何對人造成傷害

那么，粉塵爆炸是如何對人體造成危害的呢？首先，爆炸產生極強的壓力波，對人體的聽力和內臟系統產生較大的破壞力，那些受傷者往往與爆炸產生的壓力波有關。所以昆山事故的受害者被送往醫院之后，死亡人數還在增加；其次，金屬燃燒產生極高的溫度（可達3000℃以上），產生極強的輻射，會燒傷皮膚，留下顯著的疤痕；第三，由于粉塵爆炸過程極為短促，短時間內消耗掉所有的氧氣，所以很多遇難者是當場缺氧窒息，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.與火災的滅火動作相比，爆炸保護的關鍵是動作要快（毫秒量級），一旦發生預兆性的壓力波動，立即釋放滅火劑，可以把點火的苗頭壓下去。對付爆炸的滅火劑，理論上只要不易燃燒的材料都可以，實際應用中需要仔細選擇適合快速排放的介質。通常一套爆炸保護系統的價格是被保護設備的30%～50%。

2.由于立即滅火的成本太高，人們就想辦法對爆炸發生進行結果控制，于是研究者設計了一種防爆減壓窗。一旦室內壓力太高，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燃更多的粉塵。這是一種結構防爆設計。

3.還有一種防爆設計是預防性設計，主要是降低儀表作為點火源的可能性。工作在粉塵或可燃氣體場合的儀表，需要對內部的微量電流加以控制，因為電壓雖然小，但放電的能量足以點燃預混之后的氣體，為此需要控制每一個可能造成點火的環節，防范儀表本身成為點火源。1816年，戴維爵士為防范地下煤礦爆炸設計了一種安全燈，這種安全燈基于金屬網吸熱導熱的原理，防范燈火點燃煤氣。其安全防爆的原理現在仍然應用在各種防爆儀表的設計當中。

4.既然是粉塵爆炸，當然需要控制粉塵的產生。管理者對粉塵環境的規范，通常是靠量一量地面堆積的粉塵厚度，作為是否超標的參數。看上去很簡單，可是對于日常有產生粉塵的工業過程，做到這一點很困難。對此有各種工業通風設計，防止粉塵的積聚。

現在，我們就很容易明白昆山大爆炸的事故調查結果了。根據國家安全生產監督管理總局公布的事故原因，是工廠內粉塵遇上因生產設備短路產生的火花引發爆炸（也就是說，設備缺乏防爆設計）。廠房沒有按照二類危險品場所進行設計和建設，違規雙層設計工廠（也就是說防爆設計不足，且人員設置過多）。此外，生產線過于密集，除塵能力不足，工廠內所有電器設備沒有按照防爆要求配置（設備防爆設計），亦無清理管道的積塵，造成粉塵濃度超標（環境通風設計不到位）。

【責任編輯】張小萌endprint