粉尘爆炸本质上就是一种剧烈的氧化还原反应,氧化剂就是空气中的氧气,还原剂就是可燃的粉尘,另外还需要有火源来启动这样的化学反应。但要让粉尘发生爆炸,还需几个条件。
可燃性粉尘或者气体在空气中燃烧需要氧气的支持,但只有它们与氧气的比例适中时才会剧烈燃烧,并发生爆炸。当可燃性粉尘和氧气的比例刚好符合氧化还原反应的配比时,反应会达到最剧烈的程度,爆炸的威力也就最强。如果可燃粉尘的浓度低于爆炸下限,那么,它们没有危险性,不会发生爆炸。如果可燃粉尘的浓度高于爆炸上限,那么,它们也不会有危险性,同样不会发生爆炸。
在一些工厂车间中,环境相对封闭,可燃粉尘可能就会在空气中大量聚集,当它们的浓度介于爆炸下限和上限之间时,此时就会有爆炸的风险。如果有明火,或者设备释放出电弧,或者静电引发的放电,甚至是摩擦产生的火花,这些有效的引火源就会让可燃粉尘与氧气发生剧烈的氧化还原反应,从而发生粉尘爆炸。
除了比例之外,之所以可燃粉尘非常易燃易爆,是因为它们的尺寸很小,具有很大的比表面积。只有在可燃物的表面才会发生氧化还原反应,所以增大接触面积,反应就会变得更加迅猛。
举个例子,面粉的密度大约是0.52克/每立方厘米,那么,1千克重的面粉球半径约为7.714厘米,其表面积约为0.075平方米。如果把同样质量的面粉分解成293.8亿颗半径为25微米的粉尘,其总表面积将会高达231平方米,相当于面粉球的3080倍。
因此,比表面积大幅度增加的粉尘更容易与氧气发生反应,其燃烧的速率将会急剧增加,在封闭的空间中就容易引发粉尘爆炸。
可燃性的粉尘主要有以下几类:粮食,包括面粉、淀粉、糖粉。金属,包括铝粉、镁粉、锌粉、铁粉。天然矿物,包括煤、硫。合成材料,包括塑料、纤维、染料。
粉尘的爆炸威力十分强大,历史上曾经发生过多起严重的粉尘爆炸事件,由此造成严重的人员伤亡和建筑毁坏。例如,2008年的美国一家糖厂爆炸就是由糖粉爆炸所引起的,此次事件造成工厂厂房全毁,另外还有数十名人员伤亡。
由于粉尘爆炸十分危险,所以需要严格做好预防措施。为了防止粉尘爆炸,需要尽量降低空气中的粉尘浓度,增加空气中的湿度,严格控制火源,甚至可以在一些特殊场合加入氮气、二氧化碳等较为惰性的气体来减少氧气浓度。