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粉尘为何会发生爆炸

2015-07-10 14:15:39

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。

 

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压力波为何没有伤到希特勒?

1943720,几位年轻的德国军官看到希特勒政府正在走向危险的方向,计划刺杀希特勒以挽回败局。当时德国的火药性能不够,他们专门寻找英国的炸药(当时世界上最好的炸药原料硝石产于智利,而智利在英国的管理之下)来制造炸弹。当时放炸弹的提包放在离希特勒很近的地方,定时爆炸以后,却没有达到预期的目的。原来,希特勒临时把原来应该在“狼穴”地堡中举行的会议安排到一个地面小木屋进行。小木屋不耐压力,遇到压力冲击波立即崩散,降低了压力继续升高的可能性,行刺对象希特勒除了在精神方面受到冲击之外,基本没有受到什么身体的伤害。尽管炸药威力巨大,计划也十分周密,但刺杀地点的变化却导致了刺杀失败。可见,防范粉尘爆炸的压力冲击波危害,结构的防爆设计很重要。

 

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令人窒息的燃烧弹

19501125,朝鲜上空一颗从天而降的燃烧弹,结束了毛岸英年轻的生命。他牺牲时只有28岁,尸体已经无法辨认,仅凭苏联手表的残骸才能确认是他。从燃烧弹的性质,可以推断他是先窒息后被烧死的。因为燃烧弹除了主要燃料是汽油之外,还有两种重要的添加剂,一种是橡胶,可以增加液体燃料对固体表面的胶结程度,可以说沾上就很难拿下;另一种是金属粉末,可以提高火焰的燃烧温度,增加火焰的辐射强度,扩大燃烧弹的点火效果,同时避免了燃烧弹火焰被扑灭的可能性。由于汽油是一种高挥发性的液体燃料,其蒸气极易燃,燃烧非常快,氧气消耗极为迅速,所以燃烧弹造成的主要伤害是窒息,次要伤害才是烧伤。这一点,与昆山大爆炸有很多相同之处。

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