危险的粉尘

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本文发表于《科学画报》 2014 年第 10 期 (上海科学技术出版社出版)。

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危险的粉尘

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文，本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

2014 年 8 月 2 日，江苏昆山市中荣金属制品有限公司的抛光车间发生了粉尘爆炸 (dust explosion)，导致至少 75 人死亡， 185 人受伤。在历史上，类似这样的粉尘爆炸曾屡屡发生：比如 1942 年 4 月 26 日，辽宁本溪湖煤矿的一次煤尘爆炸导致了 1549 人死亡的惨重后果；而二战期间几家英国面粉厂的粉尘爆炸，威力之大则超过了德国空军投掷的炸弹。

粉尘爆炸不仅在战乱年代或安全措施相对薄弱的发展中国家屡屡发生，在发达国家也并不鲜见，比如 1980-2005 年间，美国就发生了近 300 次粉尘爆炸或燃烧事故，导致至少 119 人死亡。美国化学安全委员会 (US Chemical Safety Board——简称 CSB) 在一份报告中指出，此类事故频发的主要原因之一是有关粉尘爆炸知识的缺乏。

那么，就让我们 “亡羊补牢” 地了解一点有关粉尘爆炸的知识吧。

貌似无害的粉尘为什么会爆炸呢？原理其实跟普通物体的燃烧相似。我们知道，物体燃烧需若干要素，比如可燃物、助燃物 (比如氧气) 及热源 (比如火)。粉尘爆炸本质上是一种极快速的燃烧，因而也需这些要素。不同的是：普通物体在点燃及燃烧过程中燃烧部位的热量会因传往内部而损失，从而增加点燃难度，且减缓燃烧速度；而粉尘由于体积细微，因传往内部而损失的热量微乎其微，从而往往容易点燃，且燃烧很快，甚至连一些传统上不可燃烧的物体 (比如金属) 或燃烧缓慢的物体 (比如木材)，一旦成为粉尘，也会变成能快速燃烧的可燃物。

但这还不是最关键的，因为粉尘还有一个更要命的特点，那就是总表面积超大。小不点儿的粉尘，总表面积怎么会超大呢？这是因为物体磨碎后粉尘线度越小，粉尘数量就越大，而且跟粉尘线度的立方成反比 (因为单个粉尘的体积跟粉尘线度的立方成正比)。另一方面，单个粉尘的表面积是跟粉尘线度的平方成正比的。因此粉尘的总表面积——即粉尘数量乘以单个粉尘的表面积——跟粉尘线度成反比，线度越小，总表面积就越大。比如一个质量为 8 千克的铁球的表面积约为 0.05 平方米，一旦磨碎成线度为 50 微米——约相当于面粉粉尘的线度——的粉尘，总表面积将增至 120 平方米。由于燃烧主要发生在可燃物与助燃物的接触面上，因此总表面积超大使粉尘具有了足以导致爆炸的超高的可燃性。

总表面积超大与粉尘爆炸的关系还可以从另一个角度来理解，那就是物体的表面通常具有所谓的 “表面能” (surface energy)，表面积越大，表面能就越高。因此粉尘的总表面积超大意味着总表面能超高 (这种表面能来自于将物体磨碎时所投入的能量)。在物理上，能量高的状态通常是不稳定的，容易经由物理或化学变化释放能量。粉尘爆炸就是一种释放能量的过程。

不过，粉尘爆炸也并非毫无门槛，而是要求粉尘达到一定的浓度，且处于弥散状态 (因为弥散状态能最有效地体现总表面积超大的 “优势”，与助燃物充分接触)。粉尘爆炸门槛的存在提示了消除粉尘爆炸隐患的一个重要手段：除尘——即降低处于弥散状态的粉尘浓度。而前面提到的中荣金属制品有限公司抛光车间之所以发生粉尘爆炸，除尘能力不足是重要原因之一。

粉尘爆炸的另一个值得注意之处，是它的威力有很大部分来自所谓的 “继发性粉尘爆炸” (secondary dust explosion)，即初次粉尘爆炸——也称为 “原发性粉尘爆炸” (primary dust explosion)——的冲击波将周围的积尘扬起，使之达到粉尘爆炸门槛所要求的弥散状态而引发的更大规模的爆炸。当然，积尘也可以由其他原因而被扬起，那同样有可能引发爆炸，比如前面提到的本溪湖煤矿的煤尘爆炸是由瓦斯爆炸引发的；二战期间那几家英国面粉厂的粉尘爆炸则是由德国空军投掷在周围的炸弹爆炸引发的。由于积尘所具有的这种危险性，美国消防协会 (National Fire Protection Association——简称 NFPA) 将厚度在 1/32 英寸 (约 0.8 毫米) 以上，且占房间表面积 5% 以上的积尘列为了粉尘爆炸隐患。

看来粉尘虽小，却是很危险的东西。不过，也别把它看得太负面了，就像炸药并非只能用于破坏，粉尘爆炸也可以有正面的应用。事实上，当你在电影里欣赏惊险绝伦的爆炸特效，或在节日里观看绚丽多姿的焰火表演时，你所看到的有可能也是粉尘爆炸。

二零一四年八月三十一日写于纽约
二零一四年十月一日发表于本站
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