2.4　粉塵爆炸機理

在具備粉塵爆炸基本條件后，粉塵爆炸過程實質上是粉塵粒子表面固相/液相氧化反應或可燃熱解揮發分/氣化氣的氣相燃燒反應。由于可燃粉塵與空氣的混合物屬于非均相爆炸體系，其與烷烴類可燃氣和空氣的均相混合爆炸體系不同，并且不同可燃微粒的物理化學特性與熱特性差異很大，其燃燒過程非常復雜。

像鐵、鈦等熔沸點較高的金屬粉塵粒子，其燃燒過程主要體現為金屬粒子表面的固相/凝聚相氧化反應[4-6]。以鈦粉為例（圖2.3），鈦粒子首先通過火焰區的熱輻射及熱傳導吸熱，粒子溫度升高，達到著火點時，固相粒子表面與氧氣反應形成一層致密的鈦氧化物氧化膜；氧化反應生成熱及火焰區熱輻射進一步加熱粒子，溫度升高到達熔點時，氧化膜及內部金屬發生熔融；氧分子被熔融的氧化膜吸附，與鈦氧化物形成化學吸附的氧分子隨著熔融的氧化物向內部擴散，遇到內部熔融鈦時，在熔融鈦與鈦氧化物界面處發生氧化反應，直至反應完成。

鋁、鉀、鎂等輕金屬，由于其燃燒熱值大，沸點相對較低，其粉塵粒子燃燒時的相態多為氣相或液相。以金屬鋁粒子為例，圖2.4展示了鋁粉塵云火焰中單個鋁粒子的燃燒過程[4]。鋁粒子的燃燒大致可以分為兩個過程[5]，第一過程為加熱和表面緩慢氧化階段，第二過程包括快速凝聚相氧化和氣相燃燒兩個階段。鋁粒子在火焰熱輻射和熱傳導作用下受熱，溫度升高達到著火點時，固體鋁粒子表面首先發生氧化反應，形成氧化鋁膜殼；當溫度高于鋁的熔點（933.47K），但低于氧化鋁的熔點（2327K）時，氧化膜包裹的固體鋁熔融變成液態，體積膨脹會導致氧化鋁膜破裂，為氧氣提供通道以進入膜殼內部，與鋁發生凝聚相的氧化反應；當溫度在氧化鋁的熔點（2327K）到鋁的沸點（2792K）范圍內時，氧化鋁膜殼熔化，內部包裹的液態熔融鋁與擴散進入氧化膜內的氧氣發生快速凝聚相氧化反應；當溫度高于鋁的沸點（2792K）時，液態鋁氣化形成鋁蒸氣，膨脹沖出氧化鋁液膜，高溫鋁蒸氣與氧氣快速反應，形成圖2.4中亮度較低的白色尾狀發光火焰；隨著氣相燃燒的進行，鋁粒子核不斷減小直至反應完全。值得關注的是，當粒子溫度急劇升高時，鈦、鋁等金屬粒子會由于表面氧化膜內液相/氣相金屬核的急劇膨脹，而在液相/氣相燃燒過程中發生“微爆”現象，如圖2.5所示。

與金屬粉塵粒子固相/凝聚相/氣相燃燒反應不同，有機粉塵粒子熔沸點低，其燃燒過程集中在固相粒子、熱解氣化可燃氣體及液化粒子共存的異相體系中進行，懸浮于空氣中的粒子歷經受熱、熱解/氣化、與氧化劑混合、點燃、燃燒及熄滅的動力學過程。可燃有機粉體的爆炸過程可歸結為以下三個步驟：

①可燃性粉塵接受熱源的能量后表面迅速熱解干餾或者氣化產生可燃氣體（有機粉塵可分解成低碳烷烴、烯烴等小分子可燃物）；

②可燃物與氧氣或者空氣混合，在粉塵顆粒外邊界層形成可燃性氣體爆炸混合物，繼而在一定點火能量下發生化學反應，產生火焰；

③粉塵燃燒釋放熱量，以熱傳導和火焰輻射的方式預熱周圍未燃粉塵，這些粉塵受熱氣化后重復以上步驟繼續燃燒，如此循環地進行下去，實現火焰傳播和壓力的增加。隨著每個循環的逐次進行（見圖2.6），化學反應速率逐漸增大，通過劇烈燃燒，最后形成爆炸。這種爆炸反應速度以及爆炸火焰傳播速度、爆炸波速度將持續增大，爆炸壓力持續升高，并呈跳躍式發展[7]。粉塵爆炸不僅造成火焰的熱輻射危害，同時引起較高的壓力波沖擊危害。

爆炸前已燃顆粒向氣化表面提供足夠的熱量是爆炸的必要條件。通常固體物質產生的熱量較易被固體本身吸收，然而對超細的納米粉塵來說，發生氧化的有效表面積很大而顆粒的體積卻很小，因此極易使溫度上升、使氧化速度增大。氧化作用本身就是一種放熱反應，會產生更多的熱量，以致很快達到失控狀態。對于沒有采取任何防護措施的粉塵生產場合，任其發展的爆炸產生的爆炸壓力要遠遠大于采取了防護措施的爆炸產生的爆炸壓力，其爆炸隱患和危險性更大。