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。
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。
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。
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。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。