2.4　粉尘爆炸机理

在具备粉尘爆炸基本条件后，粉尘爆炸过程实质上是粉尘粒子表面固相/液相氧化反应或可燃热解挥发分/气化气的气相燃烧反应。由于可燃粉尘与空气的混合物属于非均相爆炸体系，其与烷烃类可燃气和空气的均相混合爆炸体系不同，并且不同可燃微粒的物理化学特性与热特性差异很大，其燃烧过程非常复杂。

像铁、钛等熔沸点较高的金属粉尘粒子，其燃烧过程主要体现为金属粒子表面的固相/凝聚相氧化反应[4-6]。以钛粉为例（图2.3），钛粒子首先通过火焰区的热辐射及热传导吸热，粒子温度升高，达到着火点时，固相粒子表面与氧气反应形成一层致密的钛氧化物氧化膜；氧化反应生成热及火焰区热辐射进一步加热粒子，温度升高到达熔点时，氧化膜及内部金属发生熔融；氧分子被熔融的氧化膜吸附，与钛氧化物形成化学吸附的氧分子随着熔融的氧化物向内部扩散，遇到内部熔融钛时，在熔融钛与钛氧化物界面处发生氧化反应，直至反应完成。

铝、钾、镁等轻金属，由于其燃烧热值大，沸点相对较低，其粉尘粒子燃烧时的相态多为气相或液相。以金属铝粒子为例，图2.4展示了铝粉尘云火焰中单个铝粒子的燃烧过程[4]。铝粒子的燃烧大致可以分为两个过程[5]，第一过程为加热和表面缓慢氧化阶段，第二过程包括快速凝聚相氧化和气相燃烧两个阶段。铝粒子在火焰热辐射和热传导作用下受热，温度升高达到着火点时，固体铝粒子表面首先发生氧化反应，形成氧化铝膜壳；当温度高于铝的熔点（933.47K），但低于氧化铝的熔点（2327K）时，氧化膜包裹的固体铝熔融变成液态，体积膨胀会导致氧化铝膜破裂，为氧气提供通道以进入膜壳内部，与铝发生凝聚相的氧化反应；当温度在氧化铝的熔点（2327K）到铝的沸点（2792K）范围内时，氧化铝膜壳熔化，内部包裹的液态熔融铝与扩散进入氧化膜内的氧气发生快速凝聚相氧化反应；当温度高于铝的沸点（2792K）时，液态铝气化形成铝蒸气，膨胀冲出氧化铝液膜，高温铝蒸气与氧气快速反应，形成图2.4中亮度较低的白色尾状发光火焰；随着气相燃烧的进行，铝粒子核不断减小直至反应完全。值得关注的是，当粒子温度急剧升高时，钛、铝等金属粒子会由于表面氧化膜内液相/气相金属核的急剧膨胀，而在液相/气相燃烧过程中发生“微爆”现象，如图2.5所示。

图2.3　钛粒子燃烧模型[6]Fig.2.3 Combustionmodeloftitaniumparticles[6]

图2.4　单个铝粒子燃烧过程[4]Fig.2.4 Combustionprocessofsinglealuminumparticle[4]

图2.5　铝粒子燃烧过程中的“微爆”现象[4]Fig.2.5 “Microexplosion”inaluminumparticlecombustionprocess[4]

与金属粉尘粒子固相/凝聚相/气相燃烧反应不同，有机粉尘粒子熔沸点低，其燃烧过程集中在固相粒子、热解气化可燃气体及液化粒子共存的异相体系中进行，悬浮于空气中的粒子历经受热、热解/气化、与氧化剂混合、点燃、燃烧及熄灭的动力学过程。可燃有机粉体的爆炸过程可归结为以下三个步骤：

①可燃性粉尘接受热源的能量后表面迅速热解干馏或者气化产生可燃气体（有机粉尘可分解成低碳烷烃、烯烃等小分子可燃物）；

②可燃物与氧气或者空气混合，在粉尘颗粒外边界层形成可燃性气体爆炸混合物，继而在一定点火能量下发生化学反应，产生火焰；

③粉尘燃烧释放热量，以热传导和火焰辐射的方式预热周围未燃粉尘，这些粉尘受热气化后重复以上步骤继续燃烧，如此循环地进行下去，实现火焰传播和压力的增加。随着每个循环的逐次进行（见图2.6），化学反应速率逐渐增大，通过剧烈燃烧，最后形成爆炸。这种爆炸反应速度以及爆炸火焰传播速度、爆炸波速度将持续增大，爆炸压力持续升高，并呈跳跃式发展[7]。粉尘爆炸不仅造成火焰的热辐射危害，同时引起较高的压力波冲击危害。

图2.6　可燃有机粉尘爆炸机理示意图Fig.2.6 Schematicdiagramofoganicdustexplosion

爆炸前已燃颗粒向气化表面提供足够的热量是爆炸的必要条件。通常固体物质产生的热量较易被固体本身吸收，然而对超细的纳米粉尘来说，发生氧化的有效表面积很大而颗粒的体积却很小，因此极易使温度上升、使氧化速度增大。氧化作用本身就是一种放热反应，会产生更多的热量，以致很快达到失控状态。对于没有采取任何防护措施的粉尘生产场合，任其发展的爆炸产生的爆炸压力要远远大于采取了防护措施的爆炸产生的爆炸压力，其爆炸隐患和危险性更大。