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粉尘燃烧

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石松粉（英语：Lycopodium powder）的粉尘燃烧实验。石松粉是石松门植物（或一些蕨类）之孢子的通称，易燃的特性使其经常用作剧场或影视的特效道具

粉尘火灾（英语：Dust fire），化学上称为粉尘燃烧（Dust combustion）指悬浮在封闭或局限空间中，或户外环境的可燃粉尘颗粒燃烧，如果在封闭环境中，可燃颗粒或局限在大气或是氧分子等其他合适的气体介质中分散浓度足够高，更剧烈的粉尘爆炸（Dust explosion）就有可能出现。

粉尘爆炸常被特效艺术家、电影工作者和烟火设计师使用。

燃烧构成条件

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粉尘起火燃烧(闪火)(1~4点)或爆炸(1~5点)有下列必备条件：

  1. 可燃粉尘
  2. 粉尘云或浮尘
  3. 助燃物（一般为大气中的氧）
  4. 有效引火源
  5. 局限空间

决定燃烧强弱的物理学因素

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据研究：[1]

  • 粒度：由于燃烧反应发生在粉尘粒子表面，由燃烧所产生压力上升速率，在很大程度上是依赖于分散粉尘粒子表面区域，一般粒径越小，所产生爆炸威力越大，粒径在420 microns以下。
  • 浓度：粉尘在空气有所谓“最小爆炸浓度”，最常见粉尘粒子浓度是1000 g/m3以下。而控制其反应速率不是由最大浓度，而是粉尘粒子表面积与质量比。浓度过高或过低，则不足以支持燃烧爆炸所需的速率。[2]
  • 紊流：悬浮的粉尘／空气混合物中处于紊流情况，将大幅提高燃烧率，导致压力上升速率加快。
  • 水分：增加粉尘粒子水分含量，会造成其起火所需最小能量和起火温度皆会提高。在水分极限值以上时，悬浮粉尘将无法点燃。但是，一旦起火，周围空气中水分含量，对其传播反应没有多大的影响。
  • 粉尘最小起火能量：能产生粉尘爆炸之起火源，已经证实有明火、烟蒂、电灯泡灯丝、焊接／切割、电弧、静电放电、摩擦火花、高温表面以及自燃。对于大多数粉尘之起火温度范围从320℃到590℃之间，而粉尘比大多数易燃气体有较高之最小起火能量，一般范围是在10至40 mJ。
  • 多重爆炸：在一定空间内的粉尘爆炸，通常会形成一系列发生。即第一次爆炸时，会把更多粉尘扬起产生悬浮状态，这会导致更多的爆炸。

原理

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粉尘具有非常大的表面积质量比。燃烧只发生在与氧发生反应的固体或液体表面上，这导致粉尘比散装物料更易燃。如1公斤球状物质的密度为每立方公分1克，直径为12.4公分，表面积为0.048平方米。然而，若将其分解成直径50微米的球形尘埃颗粒（约面粉颗粒大小），表面积为120平方米，物质的燃烧速率就会大大增加，每个颗粒的质量非常小，因为热传导材料的损失，还使其着火时比主体材料用更少的热量，尤其是仓库或地窖等压力显著增加的密闭空间。铝等传统意义上不可燃物质或燃烧缓慢的木材，被细碎时也可产生剧烈的爆炸，即便是微小的火花亦能将其引燃。

粉尘爆炸

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二次（继发性）爆炸

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粉尘爆炸时会释放大量的能量，即高温燃烧气体并使环境空气升至高温状态。这种能量可以点燃附近的可燃物，或导致周围人员之灼伤。如此形成二次火灾，经常发生在相对宽敞分散之区划空间，其起爆处形成大面积火球，此种热辐射具有高强度及较短持续时间。[1]

粉尘爆炸有原发性（一次）和继发性（二次）之分。粉尘爆炸主要发生在工厂或类似建筑内，一般可通过专用管道将压力释放到大气。继发性粉尘爆炸指工厂内的灰尘堆积被扬起，因原发性爆炸起火，导致工作场内的爆炸危险多不受控制。从历史上看，造成人员伤亡的粉尘爆炸，基本上由继发性粉尘爆炸导致。

实验图

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  • 露天粉尘爆炸示范
  • 实验配置
    实验配置
  • 细磨面粉散开
    细磨面粉散开
  • 点燃面粉云团
    点燃面粉云团
  • 火球迅速扩散
    火球迅速扩散
  • 巨大的辐射热能至此再无可点燃的东西
    巨大的辐射热能至此再无可点燃的东西
  • 火球和超热气体上升
    火球和超热气体上升
  • 爆炸的后果；地上散落未燃烧的面粉
    爆炸的后果；地上散落未燃烧的面粉

粉尘种类

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基本上，当细粒固体物质分散（悬浮）在空气中，即有可能起燃。包括粮食（谷物、饲料、面粉、奶粉、糖）、粉末状金属（铝、镁、钛），还有木屑、纸屑、染料、颜料、合成橡胶等[3]。[1]面粉厂、锯木厂、糖厂在加工过程中排放的屑，尤其是滚动、展开、被切割成薄片的情况下，并处于封闭的厂区，在世界各地都有爆炸记录。

若粉尘由具备高表面积与体积比且非常小的颗粒构成，从而使所有的粒子组成比颗粒更大的灰尘还要大的表面积，这就使燃烧更可能发生。粉尘定义为颗粒直径小于500微米的粉末，但较小的粉末，会比总表面积较大的颗粒组成的粗颗粒更加危险。在特效中，石松粉和脱脂奶粉是安全生产、控制火焰效果的不二之选。

在21世纪流行的彩色粉末娱乐活动中，曾有玉米淀粉做成爆炸意外的记录。

类别 常见粉尘名称
金属 铝、镁、铁、锰、硅、钛、锌、钠
农产品 淀粉、棉花、稻谷、豆类、小麦、烟草、饲料、木屑
塑胶 醋酸纤维、硝酸纤维、木质素树脂
酚醛树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、染料、合成橡皮
矿物 煤炭、硫黄

火源种类

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2005年德国的粉尘燃烧统计：[4]

  • 30.0 % 机械设备产生电弧
  • 11.5 % 不明
  • 9.0 % 摩擦
  • 9.0 % 静电放电
  • 9.0 % 闷烧（Smouldering，即没有明火，只有白烟）
  • 8.0 % 明火（例如烟蒂）
  • 6.5 % 过热的物体表面（例如轴承过热）
  • 6.0 % 自燃
  • 5.0 % 焊接工序
  • 3.5 % 电子设备
  • 2.5 % 其他

然而，通常很难在爆炸后确定火的确切来源。当源头不能发现时，通常被认为是静电。静电荷可通过颗粒表面摩擦产生，正负电荷彼此吸引，会导致霎时间的接地放电。

灭火

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可用喷雾法将空气的相对湿度提高到65%以上，除可减少粉尘飞扬外，还因为水分子能大量吸收粉尘氧化产生的热量，增加空气和粉尘的导电性能而减少静电，并且空气中水分除了吸热作用外，水蒸气占据空间会稀释氧含量而降低粉尘的燃烧速度，而且水分增加粉尘的凝聚沉降，使爆炸浓度不易出现。[1]

事前防护

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欧洲等地已展开众多研究以了解如何控制这些危险，但爆炸仍时有发生。制造工艺和设备安全的替代方案，依赖于整个行业。在煤炭开采业中，甲烷爆炸诱发煤尘爆炸，会殃及整个坑的工作。石粉沿着矿井巷道传播，或悬浮于盘顶，以冲击波冲淡煤尘引发的提前燃烧，这种地步不会导致燃烧。矿区可通过喷水抑制起火。一些行业在灰尘升高过程中需排斥空气，被称为“惰化（英语：Inerting (gas)）”。通常使用氮气、二氧化碳、氩气等不可燃气体抑制燃烧。同样的方法也可用于易燃气体积聚的大型储罐。但使用无氧气体会造成工人窒息。工人常使用潜水灯照明的封闭空间，引发粉尘爆炸的风险很高。由于防水，没有产生开放火花的风险。

美国消防协会（National Fire Protection Association）针对可燃性粉尘的最佳控制措施包括：

  • 增湿除尘
  • 降低氧化剂浓度
  • 爆燃时通风
  • 爆燃压力容器
  • 抑制爆燃
  • 通过滞尘和火焰堕装置在爆燃时通风

事故

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相关条目

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脚注

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 卢守谦 2015.
  2. ^ BARTEC 2005，第unknown页.
  3. ^ Mgz 2017.
  4. ^ BARTEC 2005，第2, 10, 11页.

引用文献

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外部链接

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For detailed incidents in France and the USA, see

For information on how to protect a process plants and grain handling facilities from the risk of dust hazard explosions, see

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