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1、防火防爆,吕淑然,第二章 防爆基础原理,第一节 爆炸及其种类 一、爆炸概述 爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化。也是大量能量在极短的时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象，它通常借助于气体的膨胀来实现。 从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。 物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在极短时间之内释放出大量能量的现象就是爆炸。 一般说来，爆炸现象具有以下特征： （l） 爆炸过程进行得很快； （2） 爆炸点附近压力急剧升高； （3） 发出或大或小的响声； （4） 周围介质发生震动或邻近物质遭到破坏,整个爆炸过程，一般地说，可大致分为两个阶段：第一阶段，物质的能量以
2、一定的形式（定容、绝热）转变为强压缩能；第二阶段，强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起被作用介质的变形、移动和破坏。 二、爆炸分类 研究石油化学工业生产的防火防爆技术，一般以物理爆炸和化学爆炸为主。 1. 物理爆炸 物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生明显的变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。它的特点是，在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生明显的变化，发生明显的变化的仅是该介质的状态参数（如温度、压力、体积）。例如各种气体或液化气体钢瓶、锅炉和能承受压力的容器的超压爆炸,2. 化学爆炸 化学爆炸是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象，如炸药的
3、爆炸，可燃气体、蒸气或粉尘与空气形成的爆炸性混合物的爆炸，均属化学爆炸。化学爆炸的本质与燃烧相同，不同之处在于：燃烧是稳定的和连续的，而爆炸则是瞬间完成的。化学爆炸的特点是，爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量,化学爆炸按爆炸时所发生的化学变化的形式又可分为三类。 （1） 简单分解爆炸 引起简单分解爆炸的爆炸物在爆炸时并不一定发生燃烧反应，爆炸所需能量是由爆炸物本身分解时产生的，属于这一类的有乙炔银、叠氮化铅等。这类物质受震动即可引起爆炸，是较危险的。 某些气体由于分解时产生很大热量，在一定条件下（尤其是在受压的情况下）可能会产生分解爆炸。例如
4、：乙炔在受压下的分解爆炸即属此类情况。 （2） 复杂分解爆炸 这类爆炸物质爆炸时伴有燃烧现象，燃烧所需之氧由本身分解时产生。这类爆炸物质的危险性较简单分解爆炸物稍低。 （3） 爆炸性混合物的爆炸 如所有可燃气体、蒸气、雾滴、粉尘同空气或氧气的混合物所发生的爆炸。石油化学工业企业中发生的爆炸多属此类,三、分解爆炸性气体爆炸 具有分解爆炸特性的气体一般是指该气体分解可以产生相当数量的热量。当分解热达到 84126kJmol 的物质在一定条件下点火后，火焰就能传播开来。分解热在这个范围以上的气体，其爆炸是很激烈的。 在高压下会造成分解爆炸的物质，当压力降至某数值时，火焰便不再传播，这个压力叫做分解爆炸
5、的临界压力。例如：乙炔的临界压力是1.3l05 Pa （即1.4kgfcm2），当压力高于该值时，乙炔就会发生分解爆炸。 除此之外，乙炔类化合物也同样具有分解爆炸性能，乙烯基乙炔分解爆炸的临界压力是1.08 105 Pa （即1.1kgfcm2），甲基乙炔温度为 20 时分解爆炸临界压力是 4.3105 Pa，120时是 3.04l06 Pa（3.1kgfcm2,单一气体分解爆炸和其他混合气体爆炸情况一样，根据火焰传播速度不同有燃烧和爆炸两种状态。在燃烧的情况下，可由分解热导致分解的气体膨胀而产生爆炸压力。此时初压对爆炸压力有很大影响。环氯乙烷在125下，当初压由9.8l04Pa（即1kgfc
6、m2）增至1.18l06Pa（即12kgfcm2）时，最大爆炸压力pm和初压p1之比，由2倍增至5.6倍以上。 乙炔分解爆炸产生的热量是 226kJmol，假定没有热损失，火焰温度可达3100。在容积 l.2L 的容器中，测定出乙炔分解爆炸产生的压力是初压的 11倍。 达到最高压力的时间，初压为 1.96l05Pa（即2kgfcm2）时，时间是0.18s；初压为 9.8l05Pa（即10kgfcm2）时，时间是0.03s,分解爆炸的诱导距离也与压力有关，在一定的管径里试验，压力越高，诱导距离就越短，表2-14 为乙炔分解爆炸初压与诱导距离的关系,四、爆炸性混合物爆炸 如果可燃性气体或蒸气预先按
7、特殊的比例与空气均匀混合，然后点燃、则因比较缓慢的气体扩散过程已经在燃烧以前完成，燃烧的速度即取决于化学反应速度。在这样的条件下，气体的燃烧就非常有可能达到爆炸的程度。这种气体或蒸气与空气的混合物，称为爆炸性混合物。 在一般的燃烧中，可燃气体或蒸气与助燃气体的混合是在燃烧过程中逐渐形成的，这时燃烧的速度取决于扩散的速度，作用比较缓慢，所进行的燃烧是扩散燃烧。若令可燃气体或蒸气预先与空气混合并达到适当的比例，燃烧的速度就不再取决于气体或蒸气扩散的速度，而取决于化学反应的速度，后者速度比前者速度大得多，这就成为爆炸。所以可燃性混合物的爆炸和可燃性气体的燃烧之不同点就在于爆炸是在瞬间完成的化学反应,1燃爆
8、特性 粉尘与空气(或氧气)组成的混合物均属此类。例如,一氧化碳与空气混合的爆炸反应: 2CO+02+3.76N2=2C02+3.76N2+Q 这类爆炸其实就是在火源作用下的一种瞬间燃烧反应。 通常称可燃性混合物为有爆炸危险的物质,它们只是在适当的条件下才变为危险的物质。这些条件包括可燃物质的含量、氧化剂含量以及点火源的能量等。可燃性混合物的爆炸危险性较低,但较普遍,工业生产里遇到的主要是这类爆炸事故。因此,下面将着重讨论可燃性混合物的危险性及其安全措施,2.爆炸极限 可燃气体、可燃蒸气或可燃粉尘与空气构成的混合物,并不是在任何混合比例之下都有着火和爆炸的危险,而必须是在一定的比例范围内混合才能
9、发生燃爆。混合的比例不同,其爆炸的危险程度亦不相同。例如,由一氧化碳与空气构成的混合物在火源作用下的燃爆实验情况见下表,表 CO与空气混合在火源作用下的燃爆情况,表所列的混合比例及其相对应的燃爆情况,清楚地说明可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的浓度范围,亦即有一个最低浓度和最高浓度,混合物中的可燃物只有在这两个浓度之间,才会有燃爆危险。 可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合,形成预混气,遇着火源才会发生爆炸,这个浓度范围称为爆炸极限(或爆炸浓度极限)。 可燃气体和蒸气爆炸极限的单位,是以其在混合物中所占体积的百分比来表示的。如上面所列一氧化碳与空气混合
10、物的爆炸极限为12.5%80,可燃粉尘的爆炸极限是以其在单位体积混合物中的质量数(g/m3)来表示的,例如铝粉的爆炸极限为40g/m3,可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度,分别称为爆炸下限和爆炸上限,如上述的.和。两者也可称为着火下限和着火上限。在两限制外既不发火也不爆炸。 可燃性混合物的爆炸极限范围越宽,其爆炸危险性越大,这是因为爆炸极限越宽,则出现爆炸条件的机会就多。爆炸下限越低,少量可燃物(如可燃气体稍有泄漏)就会形成爆炸条件;爆炸上限越高,则有少量空气渗入容器,就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件,生产的全部过程中,应依据各种可燃物所具有爆炸极限的不同特点,采取严防跑、冒、滴、漏和
11、严格限制外部空气渗入容器与管道内等安全措施。 应当指出,可燃性混合物的浓度高于爆炸上限时,虽然不会着火和爆炸,但当它从容器或管道里逸出,重新接触空气时却能燃烧,因此仍有发生着火的危险,从机理上来说，爆炸性混合物与火源接触，便有原子或自由基生成而成为连锁反应的作用中心。爆炸混合物在一点上着火后，热以及连锁载体都向外传播，促使邻近的一层爆炸混合物起化学反应，然后这一层又成为热和连锁载体的源泉，而引起另一层爆炸混含物的反应。火焰以一层层同心圆球面的形式向各方面蔓延。火焰的速度在距离着火地点 0.5lm 处是固定的，为每秒若干米或者还要小一些，但以后即逐渐加速，可达每秒数百米（爆炸）以至数千米（爆轰）
12、。若在火焰扩散的路程上有遮挡物，则由于气体温度的上升，以及由此引起的压力的飞速增加，可造成极大的破坏作用,可燃气体或蒸气与空气的混合物中，火焰蔓延速度主要根据混合物的组成，但其他因素也有影响。例如，同一组分的混合物，在狭窄的管子内着火后， 火焰只是缓慢地蔓延，但若在一定大小的密闭容器内着火，燃烧能加速到使压力急剧提高而呈现出爆炸的特征,五、常见爆炸类型 1. 混合气体爆炸 混合气体爆炸指在可燃性气体中，除了氮气、天然气、乙炔、液化石油气等外，还包括由汽油、苯、甲苯、醇类、醚类等可燃性液体蒸发出的蒸气。在助燃性气体中，除了有空气、氧气外，还包括氧化亚氮、 氧化氮、二氧化氮、氯气、氟等。在密封
13、的容器内发生爆炸时，生成气体的压力可达到最初压力的710 倍。硫酸铵厂、聚乙烯厂、液化石油气装置、油轮等处发生的爆炸事故， 多数是由混合气体爆炸所引起的,在石油化学工业企业中， 以下 8 种情况应当引起十分关注。 容器内的可燃性气体，液化气体及易燃液体泄漏于空气中，形成爆炸性混含气体； 容器内的可燃性液体遇高温（如邻近设备火灾的辐射热）变为蒸气雾进入大气； 负压容器密封不严，外部空气被吸人而与可燃气体混合； 容器内残存易燃液体的蒸发，可燃性物质的热分解，洗涤用盐酸和铁制容器的化学反应等产生可燃性气体； 贮存在密闭容器中的易燃液体，在高于闪点和达到爆炸温度上限之间的危险温度下保持蒸气压平衡时,在容器
14、内的混合气体，因某一成分被液化或是被反应掉而进入爆炸范围的（如当混入氢气中的氯气被液化，或是被熟石灰吸收时，则氢气浓度上升 而进入爆炸范围）； 因容器的内压降低，而使被其他物质吸附或溶解的可燃性气体释放时 （有时因降压而使容器的内压下降） ； 容器内由于空气量的减少而减压，使可燃性液体的蒸气分压在整个混 合气体中占的比例增大而达到爆炸范围（如煤油、轻油在负压空气中也能形成 爆炸性混合气体,2. 气体分解爆炸 气体分子分解过程中（即使是单一成分的气体），有时会发热而发生分解 爆炸。例如，乙炔和空气混合极易形成爆炸性混合气体、遇火源就会发生爆炸，即使不与空气混合，压缩纯净的乙炔气，若有火源，则分解
15、成氧气和二氧化碳，同时也会发热而发生爆炸。 除乙炔外，环氧乙烷、乙烯、丙二烯、甲基乙炔、乙烯基乙炔、叠氮化氢、 臭氧等，也有分解爆炸的性质。 3. 粉尘爆炸 粉尘爆炸指可燃性固体的微细粉尘分散在空气等助燃性气体中，当达到一定浓度时，被着火源点着引起的爆炸，粉尘爆炸的燃烧速度和压力上升速度没有混合气体爆炸时的速度那么快,氧化反应中放热较多的金属，如镁、铝、硅化钙、硅等粉尘爆炸时，形成灼热熔融的氟化物（MgO、Al2O3、CaO、SO2）微粒，可成为其他可燃物的火源，如触及皮肤，就会造成深度烧伤，其他粉尘，如煤粉、面粉、木粉、塑料粉、硫磺粉等爆炸时，由于生成物都为 CO2、H 2O、CO、SO2
16、等气体，其伤害程度较金属粉尘爆炸为小,可燃性粉尘爆炸所造成的事故，虽然不如可燃性气体和液体造成的事故那样引人注意，但造成的损失也是惊人的，这种事故的特点是常发生在不引人注目的地方。根据日本1952 年1 月至1979 年12 月的统计，粉尘爆炸事故共发生了209 件，死伤达 546 人 （其中死亡 86 人），每次事故的受害人平均是 3人。构成爆炸原因的粉尘中，金属粉最多，特别是铝粉更多，死伤人数每起4人（死亡1人），是最严重的,1）粉尘爆炸的特殊性 考查粉尘燃烧爆炸的危险性时，要把粉尘在空气中漂浮与建筑物内堆积的情况分开。但任何一种情况的粉尘都是可燃性的，即都能与空气中的氧反应，具有放热性质
17、。粉尘可以认为是细分了的可燃性固体，颗粒非常小。 引起粉尘爆炸，粉尘与空气充分混合的浮游状态是必要条件。引起爆炸的是某一些程度的微粒子，它们必须在某一时刻从外部获得机械性的移动作用、生成粉尘云。漂浮的粉尘本身就具有像气体或蒸气那徉的扩散性。而不具有扩散性的粉尘， 就会沉降堆积。这种堆积粉尘是含有大量空气的凝胶体，亦称凝胶。因此，堆积粉尘同样存在着火危险,粉尘发生着火爆炸危险的条件是：从外部给予机械性的作用，如可燃性块体的粉碎、输送、细分、搅拌等，另外在粉体物质的干燥、混合、分级、计量等过程中也容易生成。 除了在常温下物体本身氧化发热的一部分金属类粉尘外，粉尘着火爆炸也必须存在点火源。 因此， 粉尘
18、着火爆炸的条件是：可燃性；微粉状态；在助燃性气体（空气）中搅拌和流动；存在点火源。 此外，粉尘长时间被加热产生干馏气体时也有爆炸危险，也是粉尘爆炸的原因之一,可燃性粉尘的燃烧爆炸机理： 粉尘爆炸是氧气与粉尘粒子表面反应产生结果。与氧化剂（空气）和可燃物均匀混合引起反应而发生的气体爆炸不同，它是在聚集可燃物的某一范围、因氧化剂存在的不均匀状态而发生反应，正好介于气体爆炸和火药爆炸中间，爆炸所放出的能量以最高值比较，可为气体爆炸的数倍。粉尘爆炸与气体爆炸、火药爆炸另一不同点是，要求的点火能量大。 粉尘爆炸原理是：粒子表面得到热解，表面温度上升；粒子表面的分子发生热分解或干馏作用。变成气体在粒子周围
19、放出；这种气体与空气混合生成爆炸性混合气体、点火产生火焰；火焰产生的热更进一步促进粉尘分解，逐渐地放出气相可燃气体，并与空气混合点火传播,总之，粉尘爆炸本质上也是一种气体爆炸，因而不妨也可把粉尘本身作为可燃性气体。在粉尘爆炸过程中，前述第一点使温度上升的手段不单单是热传导，辐射热也起非常大作用，这是与气体爆炸的不同点。 （3） 粉尘爆炸的特征 燃烧速度、爆炸压力虽比气体爆炸小，但是燃烧时间长，产生的能量大，所以破坏力和烧毁程度大。用最高值比较时，产生的能量是气体爆炸的数倍，温度可上升到20003000左右，是因为单位体积内的碳氧化合物多。粉尘爆炸首先出现爆炸，过0.l0.2s 后，形成火焰，在
20、常温常压下，火焰波初期速度为 23ms，因燃烧粉尘的膨胀，继而压力上升，其速度以加速度增加。由爆炸引起的冲击波传播速度约为 300ms，并且随火焰速度的上升而上升、比火焰速度快得多,爆炸粒子四面飞散燃烧，受其作用的可燃物产生局部性的严重炭化，特别是碰到人体时会导致非常严重烧伤。 最初局部性爆炸产生的爆炸冲击波使周围粉尘飞舞，会造成二次、三次爆炸，增大了损害。 与气体相比，粉尘易引起不完全燃烧，含不完全燃烧的气体里，存在大量一氧化碳，最后有引起一氧化碳中毒的危险。 粉尘由于粒子大小、形状的不均一性等，几乎不可能得到一定浓度条件下的爆炸极限，即使在下限浓度，也是形成不完全燃烧，对于最小点火能量，无论测
21、定方法或实验条件如何，均不能得出绝对值，所以用相对值来比较是较为贴切的,点火温度的测定也很困难，通常粉尘云的点火温度大体上是粉尘层点火温度的 2 倍。即对粉尘层取为 250的线。 因而，测定堆积粉尘的点火温度是重要的，因为粉尘层的厚薄会出现很大的温度差别，一般会用 5mm 厚。 4） 影响粉尘爆炸的因素 粉尘的化学性质和组成。 与粉尘爆炸性有关的因素中，粉尘本身的化学结构、反应性能具有极大的意义。发热量大的粉尘爆炸性大。 其次，除炭尘以外的其他粉尘，含挥发性成分（VM）的多少也对爆炸性有特别大的影响，VM越大越易爆炸,粒度及粒度分布。 平均粒子直径越小，密度越小，比表面积越大
22、，表面能越大，爆炸性越大。但粒度太小时，粉尘依据种类不同而互相吸引，造成分散不良，反倒使爆炸性减小，这一点与粒子的电性也有关系。 粒子形状和表面状态。 即使平均粒径是同样的粉尘，形状或表面的状态不同，对爆炸性也有很大影响。对比表面积来说，形状系数具有很大的影响， 球状粒子最小，6；针状的6；扁平状的可达50,水分。 粉尘中存在的水分对爆炸性有影响， 即它抑制了粉尘的浮游性。对疏水性的粉尘来说，水对浮游性影响虽然不太大，但是水分蒸发使点火有效能量减小，蒸发出来的蒸汽起着惰性气体作用，具有减少带电性的作用，锰、铝等与水反应生成氧，往往增加危险性,4. 危险性混合物质的爆炸 危险性混合物质的爆炸指两
23、种或两种以上物质混合或接触时（如氧化性物质与还原性物质相互混合后），由于受到冲击或加热，或是混合物相互进行化学反应而发生的爆炸。如黑色炸药（硝酸钾、硫磺、木炭粉）、液氧炸药（液氧、炭粉），照相用闪光剂（硝酸钾、镁粉）等物质。 5. 爆炸性化合物的爆炸 爆炸性化合物爆炸指化学合成炸药在制造、加工或使用的过程中发生的爆炸。此外，也有在反应过程中生成敏感的副产品，蓄积在反应釜内而引起爆炸的。例如，在氧化反应釜内残留过氧化物蓄积时就是这样,6. 蒸气爆炸 蒸气爆炸指液体（包括液化气体）处于过热状态时，瞬间急剧蒸发汽化引起的爆炸。蒸气爆炸是所有液体都有几率发生的现象，它不需要火源引爆。不论是水，还是有机液体
24、或液化碳酸气，都可产生蒸气爆炸。 液体的过热状态有两种，一种是当液体接触高温物体时，两者的温差使大量热从高温物体的表面移至液体，后者瞬间变为过热状态；另一种是高压容器内的液体，由于泄漏而使内压急剧下降时，打破了液体的蒸气压平衡，瞬时变成不稳定的过热状态会造成蒸气爆炸,7. 雾滴爆炸 可以燃烧的液体的雾滴出现，在石油化学工业生产中并不罕见。垫片破裂，尾气带料， 紧急排空等均可能形成可以燃烧的液体的雾滴。因此，研究可以燃烧的液体雾滴的形成和其特性是有现实意义的。 （1）雾滴的形成 用雾化液体或者把热的液体闪蒸，接着用冷的气体骤冷，便可获得分散在空气中的液相微滴。 （2）点燃 在讨论雾滴燃烧的影响因素之前，先介绍一下燃
25、烧波的概念。 “燃烧波”这个词应被理解为，一种在燃烧区域内热量和质量的交换过程，在可燃介质中以比音速小的速度进行的传播。从反应区向预热区连续地传递热量而把未燃烧的燃料升至着火温度，从而维护燃烧波的持续传递,通常在敞开系统中处理可燃液体而温度不高于闪点时被认为是安全的。一般都没有认识到，温度远低于其闪点的可以燃烧的液体雾滴，会完全像油气同空气混合物一样发生爆炸。通过充分的燃烧试验，其结果足以说明当可燃液体的雾滴温度远低于闪点时，可以传播火焰。 （3）雾滴燃烧特点 一般可燃液体的燃烧速度取决于蒸气压力，但是，大量的研究表，粒子的燃烧速度不是取决于蒸气压力，相反，几乎完全取决于以下因素。 使微滴达到其沸点和
26、液体蒸发所需要的热量。因此，在沸点下的蒸发热，而不是液体的蒸气压力，在雾滴爆炸中其有重要意义。辛普生对单独粒子燃烧所做的工作同样地指出，在蒸气着火之前有相当大的汽化反应,当雾滴表面接近沸点时才发生燃烧，燃烧粒子的质量变化率与粒子直径成比例。 在雾滴燃烧中，较大的粒子比较小的粒子燃烧速率大得多。但是，燃烧粒子的寿命与它的最初直径的平方成正比，因此，实际上小粒子是在大粒子之前消失了。 在雾滴燃料燃烧过程中，燃烧蒸发用的大多数热量（95）是通过对流作用过程，而不是辐射作用传递给粒子。 人们熟悉的易燃性蒸气可燃性区域，只是在对闪点以上的温度是重要的。但是，雾滴的可燃范围可延伸至这种温度以下。因此，可燃
27、液体的雾滴即使在远比其闪点为低的温度下，也可以是一种危害,可燃性液体的雾滴和蒸气-空气混合物浓度极限是近似相等的。由于有更低的燃点，因此其危险性并不亚于可燃蒸气-空气混合物。 六、化学爆炸三要素 对各种化学爆炸现象分析研究的根据结果得出，爆炸性物质可以有效的进行化学爆炸变化的能力决定于以下三个因素，反应的放热性、反应的快速性和生成气体产物。这是爆炸反应必备的最基本的条件，三者相辅相成，缺一不可。 1. 反应的放热性 反应的放热性或快速吸收热量是爆炸物发生爆炸的必要条件。爆炸本身是能量急骤转化的过程，将化学能转变为热能，热能再转化为对周围介质所做的机械功,有必要注意一下的是，氮和溴的混合物在较低温度下就会发生爆
28、炸，虽然此反应的热效应只有 35.2Jmol；氮和氢的反应热效应虽然很高，但在无触媒时通常不生成氨，另外，混合物的比例、反应时的压力都对爆炸发生有影响。 按单位体积的含能来看，炸药的含能量能够达到燃料与空气混合物含能量的130160倍，也就是说炸药的能量集中，即单位体积内的包含的能量大。如：lkg 2号岩石硝铵炸药爆炸时，能够放出 3638kJ 热量，足以把气体加热到 2000以上,2. 反应的快速性 反应的快速性也是爆炸的必要条件。它是爆炸过程区别于一般化学反应过程的最重要的标志，以单位质量物质的放热来说，炸药往往比不上普通燃料，但是普通燃料的燃烧一般不具有爆炸的特征，而炸药的爆炸则具有爆炸的特征，这是由
29、其反应的快速性所决定的。 煤在空气中燃烧时，生成CO2气体，并放出 8916 kJkg 的热量。 l kg TNT 的反应热虽只有 4186kJ，由于它完成爆炸的时间仅约十万分之一秒，所以在爆炸完成的瞬间，气体尚未来得及膨胀就被反应热加热到 20003000。此时，高温气体在不大的容积内具有很大的压力，约l040GPa（1010440l04 atm）。 高温、高压、高能量密度的气体迅速膨胀，就发生了爆炸现象,3. 生成气体产物 由于气体的可压缩性很大，线胀系数也很大，所以是膨胀做功的理想工作介质。 因此在反应过程中，生成大量气体也是爆炸的一个主要的因素。 如果反应产物不是气体，而是固体或液体。那
30、么，即使是放热反应，也不会形成爆炸现象。例如铝热剂的反应： 2Al+Fe2O3 Al2O3+2Fe+829kJ 反应放出的热可使生成物加热到 3000左右， 但由于生成物在 3000时仍处于液态，没有大量气体生成， 因而不是爆炸反应。而 TNT 爆炸时 lkg TNT 可转化成 727.2L 气体,在某些情况下，有足够的放热性和快速性，虽不生成气体，也会发生爆炸过程。例如，研细的大量铝热剂在空气中燃烧时，由于铝热剂及周围空气受热膨胀，也会发生爆炸，但这种爆炸是空气受热后产生的，并不是铝热剂本身发生的。又如气体物质在爆炸时，气体量有时不会增加，往往还可能减少，爆呜气的爆炸就是如此。 2H2 +O
31、2 2H2O+48.39kJ 其气体量减少了三分之一，但是气体量的减少为过程的放热性和快速性所弥补。由于气体在高温积增加，在短时间内压力达到 l MPa（l0 atm）以上，从而具有一定的爆炸性,七、燃烧、爆炸的转化 无论是固体或液体爆炸物，还是气体爆炸混合物，都可以在一定的条件下进行燃烧，但当条件变化时，它们又可转化为爆炸。 l. 燃烧与爆炸的区别 燃烧和爆炸都是迅速的氧化过程，它们的不同之处在于： 一般燃料的燃烧需要外界供给助燃的氧。如煤炭在空气中燃烧；某些含氧的化合物（ 如一硝基甲苯等）或混合物，在缺氧的情况下虽然也能燃烧，但由于其含氧不足，隔绝空气后燃烧就不完全或熄灭。 炸药的化学组成
32、或混合组分中含有较丰富的氧元素或氧化剂，发生爆炸变化时无需外界的氧参与反应。 爆炸反应的实质就是瞬间的剧烈燃烧反应,燃烧与爆炸速度不同。 燃烧的传播是依靠传热进行的，因而燃烧的传播速度慢，一般是每秒几毫米到几百米。 爆炸的传播是依靠冲击波进行的，传播速度快，一般是每秒几百米到几千米。 但是，对于可燃性气体、蒸气或粉尘与空气形成的爆炸性混合物，其燃烧与爆炸几乎是不可分的，往往是被点火后首先燃烧，然后由于温度和压力的升高，使燃速迅速加快，因而连续产生无数个压缩波。这些压缩波在传播过程中迭加成冲击波，使尚未来得及燃烧的其余部分发生爆炸。瓦斯爆炸就是这种类型,2. 燃烧转化为爆炸的条件 固体或药
33、由燃烧转化为爆炸的主要条件有三条： 炸药处于密闭的状态下，燃烧产生的高温气体增大了压力，使燃烧转化为爆炸； 燃烧面积不断增大，使燃速加快，形成冲击波，从而使燃烧转化为爆炸； 药量较大时，炸药燃烧形成的高温反应区将热量传给了尚未反应的炸药，使其余的炸药受热而爆炸,燃烧与爆炸是爆炸物具有的紧密相关的两个特性。从安全技术角度来讲，防止爆炸物发生火灾与爆炸事故就成了紧密相关的问题。一般说来，火灾与爆炸两类事故往往连续发生。大的爆炸之后常伴随有巨大的火灾；存在有爆炸物质和燃爆混合物的场所，大的火灾住往创造了爆炸的条件，由火灾导致爆炸。因此，了解燃烧与爆炸的关系，从技术上杜绝一切由燃烧转化为爆炸的可能性，
34、则是防火防爆技术的一个重要方面,第二节 爆炸极限计算 一、爆炸完全反应浓度计算 爆炸性混合物中的可燃物质与助燃物质的浓度比例为恰好能发生完全的化合反应时，爆炸所析出的热量最多，所产生的压力也最大，实际的完全反应的浓度稍高于计算的完全反应的浓度。 当混合物中的可燃物质超过完全反应的浓度时，空气就会不足，可燃物质就不能全部燃尽，于是混合物在爆炸时所产生的热量和压力就会随着可燃物质在混合物中浓度的增加而减小；如果可燃物质在混合物中的浓度增加到爆炸上限，那么其爆炸现象与在爆炸下限时所产生的现象大致相同。因此，可燃物质的完全反应的浓度也就是理论上完全燃烧时在混合物中该可燃物质的含量,根据反应方程式计算可
35、燃气体或蒸汽的完全反应的浓度。 （1）可燃气体或蒸汽占总体积的百分数就是其完全燃烧反应的浓度。 在空气中，如果把氧在空气中的浓度设定为20.9，则参加反应的单位体积氧气需要空气体积为1/0.209。 在氧气中完全燃烧与空气中完全燃烧可燃气体或蒸汽的浓度是不同的,2） 查表法：根据可燃物分子式，用公式，求出其2n 值，由 2n数值，直接从表2-4 中分别查出它们在空气（或氧）中完全反应的浓度。 由式（2-5），依分子式分别求出 2n 值如下： H2 2n =1 CH3OH 2n = 3 C3H8 2n =10 C6H6 2n =15 由 2n 值直接从表2-5 中分别查出它们的 X 和X。值：
36、X(H2)=29.5% ； X0(H2)=66.7% X(CH3OH)=12% ； X0 (CH3OH)=40% X(C3H8 )=4% ； X0 (C3H8 ) =16.7% X(C6H6)=2.7%； X0 (C6H6)=11.76,二、爆炸下限和爆炸上限计算 各种可燃气体和可以燃烧的液体蒸气的爆炸极限可用专门仪器测定出来，或用经验公式计算。可燃气体和蒸气的爆炸极限有多种计算方式，主要是依据完全燃烧反应所需的氧原子数、完全 反应的浓度、燃烧热和散热等计算出近似值，以及其他的计算方式。爆炸极限的计算值与实验值一般有些出入，其原因是在计算式中只考虑到混合物的组成，而无法考虑别的一系列因素的影响，但仍不
37、失其参考价值,此计算公式用于链烷烃类，其计算值与实验值比较，误差不超过10。例如甲烷爆炸极限的实验值为 5.015，与计算值非常接近。但用以估算 H2、C2H2 以及含N2、CO2等可燃气体时，出入较大，不可应用,图25 三成分系混合气组成三角坐标 图26 氨氧氮混合气的爆炸极限（常温、常压） 由可燃气体、惰性气体和空气（或氧气）组成混合物的爆炸浓度范围也可用三角坐标图表示。图2-5所示为可燃气体 A、助燃气体 B和惰性气体 C组成的三角坐标图，在图内任何一点，表示三种成分的不同百分比。其读法是在点上作三条平行线，分别与三角形的三条边平行，每条平行线与相应边的交点，可读出其浓度。 例如，图 2
38、-5 中m点表示可燃气体(A)体积分数为 50，助燃气体（B）体积分数为 20%，情性气体（C）体积分数为 30；图2-5中 n 点表示可燃气体（A）体积分数为30，助燃气体（B）体积分数为0，惰性气体（C）体积分数为 70。依此类椎,图 2-6是由氨、氧和氮组成的三角坐标图，图中曲线内的部分表示氨气在氨氧氮三元体系中的爆炸极限。图 2-6 中，A 点在爆炸极限范围内，其组成的氧气体积分数为40，氨体积分数为 50，氮体积分数为1O；B 点在爆炸极限之外，不会发生爆炸，其组成的氨体积分数为 30，氮体积分数为 70，氧体积分数为 O。 图2-7 是生产中常用可燃气体 H2、CO、C2H2、C2
39、H4、CH4 等可燃气体与空气及氧气三种成分混合气的爆炸极限三角坐标图。 对某些可燃气体与空气（或氧气）混合的装置，为避免发生爆炸危险，往往需要加人氧气、二氧化碳等倩性介质，使混合气体处于爆炸范围之外，这时即可利用三角坐标图来确定惰性介质的添加量,图2-4 氢,一氧化碳,二氧化碳混合气体爆炸极限,图2-5 三成分系混合气组成三角坐标,五、爆炸极限的应用 人们在发现和掌握可燃物质的爆炸极限这一规律之前，认为所有可燃物质都是很危险的，因此防爆条例都比较严格。在认识爆炸极限规律之后，就可以将其应用在以下几方面。 第一，区分可燃物质的爆炸危险程度，从而尽可能用爆炸危险性小的物质代替爆炸危险性大的物质
40、。例如，乙炔的爆炸极限为 2.2-81；液化石油气组分的爆炸极限分别为丙烷2.79.5，丁烷1.158.4，丁烯1.79.6，它们的爆炸极限范围比乙炔小得多，说明液化石油气的爆炸危险性比乙炔小，因而在气剂使用时推广用液化石油气代替乙炔。 第二，爆炸极限可作为评定和划分可燃物质危险等级的标准。例如，可燃气体按爆炸下限（10或10%）分为一、二两级,第三，根据爆炸极限选择防爆电机和电器。例如，生产或贮存爆炸下限1O的可燃气体，可选用任一防爆型电气设备；爆炸下限10的可燃气体，应选用隔爆型电气设备。 第四，确定建筑物的耐火等级、层数和面积等。例如，贮存爆炸下限小于10的物质，库房建筑最高层次限一层，
41、并且必须是一、二级耐火等级。 第五，在确定安全操作规程以及研究采取各种防爆技术惜施通风、检测、置换、检修等时，也都必须根据可燃气体或液体的爆炸危险性的不同，采取对应的有效措施，以确保安全,第三节 防爆技术基本理论 一、可燃物质化学性爆炸的条件 可燃物质的化学性爆炸必须同时具备下列三个条件才能发生： 第一，存在着可燃物质，包括可燃气体、蒸气或粉尘； 第二，可燃物质与空气（或氧气）混合并且达到爆炸极限，形成爆炸性混合物； 第三，爆炸性混合物在火源作用下。 对于每一种可燃气体（蒸气）的爆炸性混合物，都有一个引起爆炸的最小点火能量，低于该能量，混合物就不爆炸。例如，引起烷烃爆炸的电火花的最小电流强度分
42、别为： 甲烷0.57A，乙烷 O.45A，丙烷0.36A，丁烷0.48A，戊垸0.55A,最小点火能量的单位通常以 mJ 表示。 可燃气体和蒸气在空气中的最小点火能量见表3,二、燃烧和化学性爆炸的感应期 可燃物质的温度在达到自燃点或着火点之后，并不立即发生自燃或着火，其间有段延滞的时间，称为感应期（或诱导期）。 如前所述，可燃物质的自行着火，并不能在图1-5 中曲线所示自燃点 Tc 时发生，而是在较高的温度 才出现。图中的 Tc 至 Tc”的间隔，即是物质发生自燃之前的延滞时间，以t感表示。感应期的这种现象可以在测定可燃物质的自燃点时观察到。将测定的容器加热到某一物质的自燃点，但该物质导入后并
43、不立即自行着火，而要经过若干时间后才出现火焰,可燃物质与火源非间接接触而着火时，也存在感应期。但由于火焰的高温，使感应期大大地缩短了，所以一般人不易察觉到着火以前的时间延滞。可燃性汜合物的爆炸实质是瞬间燃烧，因此，任何这类爆炸的发生也都有时间上的延滞。 可燃物质的燃烧和可燃性混合物的爆炸之所以存在感应期，是因为要使化学反应的活性中心发展到一定的数目需要一定的时间，也就是说，这类燃烧和爆炸都需要经过连续发展过程所必须的一段时间才能发生,感应期在安全问题上有着实际意义。例如，煤矿中虽然有甲烷存在，但仍可用无烟火药进行爆破，这是利用甲烷的感应期。因为甲烷的感应期为89s，而无烟火药的发火时间仅为 2
44、3 s，故可保证安全。 三、防爆技术基本理论及应用 防止可燃物质化学性爆炸三个门槛的同时存在，就是防爆技术的基本理论。 也可说，防止可燃物质化学性爆炸全部技术措施的实质，就是制止化学性爆炸三个门槛的同时存在,首先在消除可燃物这一门槛方面，通常采取防止可燃物（可燃气体、蒸气和粉尘）的泄漏，即防止跑、冒、滴、漏。这是化工、炼油、制药、化肥、农药和其他使用可燃物质的工矿企业，甚至居民住宅所一定要采取的重要技术措施。 凡是在生产中可能会产生可燃气体、蒸气和粉尘的厂房必须通风良好。 其次，为消除可燃物与空气（或氧气）混合形成爆炸性混合物，通常采取防止空气进入容器设备和燃料管道系统的正压操作、设备
45、密闭、惰性介质保护以及测爆仪等技术惜施,再次控制着火源，例如采用防爆电机电器、静电防护，采用不产生火花的铜制工具或铍铜合金工具，严禁明火，保护性接地或接零以及防雷技术措施，等等,第四节 爆炸温度和爆炸压力 物质的爆炸温度和爆炸压力是衡量爆炸破坏力的两个重要参数。 一、爆炸温度的计算 根据反应热计算爆炸温度 理论上的爆炸最高温度可根据反应热计算。 例7求与空气的混合物的爆炸温度。 解（1） 先列出在空气中燃烧的反应方程式： C4H10O + 6O2 +22.6N2 4CO2 +5H2O + 22.6N2 式中，氮的摩尔数是按空气中 N2：O279：21的比例确定的，即 6O2，对应的 N
46、2 应为: 679/21=22.6 由反应方程式可知，爆炸前的分子数为29.6，爆炸后为31.6,2） 计算燃烧各产物的热容。 气体平均摩尔定容热容计算式见表2-8。 根据表中所列计算式，燃烧产物各组分的热容为： N2 的摩尔定容热容为（4.80.000 45t）4186.8J（kmol.） H2O 的摩尔定容热容为（4.00.002 15t）4186.8J（kmol.,3） 求爆炸最高温度。 先查得的燃烧热为2.7 109Jmo1，即 2.7 109Jkmol。 因为爆炸速度极快，是在近乎绝热情况下进行的，所以全部燃烧热可近似地看做用于提高燃烧产物的温度，也就是等于燃烧产物热容与温度的乘
47、积，即 2.7109 = (688.4+ 0.0967t)103t 解上式得爆炸最高温度t为2 826 。 上面计算是将原始温度视为0。爆炸最高温度非常高，虽然与正常室温有若干度的差数，对计算结果的准确性并无显著的影响,从一氧化碳燃烧反应式 2COO22CO2 能够准确的看出，0.2 mol 一氧化碳燃烧时，生成0.2mol二氧化碳，消耗0.l mol氧。1 mol混合物中，原有0.168 mo1氧，燃烧后应剩下0.168-0.10.068 mol氧，氮的数量不发生明显的变化，则燃烧产物的组成是： 二氧化碳 0.2 mol; 氧 0.068 mol; 氮 0.632 mol。 假定爆炸温度为2 400 K
48、，由表2-9查得二氧化碳、氧和氮的摩尔内能分别为105 507 36 Jmol、63 220.68 Jmol和 59 452.56 Jmol，则燃烧产物的内能为： 说明爆炸温度高于2 400 K，于是再假定爆炸温度为 260O K，则内能之和应为,解当可燃物质的浓度等于或稍高于完全反应的浓度时，爆炸产生的压力大，所以计算时应采用完全反应的浓度。 先按一氧化碳的燃烧反应式计算爆炸前后的气体摩尔数： 2CO+O2+3.76N2=2CO2+3.76N2 由此可得出 m 6.76，n=5.76，代入式（2-14） 以上计算的爆炸温度与压力都没考虑热损失，是按理论的空气量计算的，所得的数值都是最大值。
49、 返回主目录,其反应如下： Na2O2=NaO+O Na2O2 +2H2O=2NaOH+ H2O2 Na2O2 + H2SO4=Na2SO4 + H2O2 H2O2 =H2O + O 原子氧有很强的氧化性，遇易燃烧物质或还原剂会造成燃烧或爆炸，如果不与其他物质作用，原子氧便自行结合，生成氧气： O + O = O2 氧气的助燃作用会引起火灾或爆炸。 二级无机氧化剂虽然也容易分解，但比一级氧化剂稳定，是较强氧化剂，能引起燃烧。除一级无机氧化剂外的所有无机氧化剂均属此类，如亚硝酸钠、亚氯酸钠、连二硫酸钠、重铬酸钠 、氧化银等,2）有机氧化剂。按照氧化能力的强弱分为两级。 一级有机氧化剂主要是有机物
50、的过氧化物或硝酸化合物，这类氧化剂都含有过氧基（-O-O-）或高价态氧原子，极不稳定，氧化性能根强，是强氧化剂，如过氧化苯甲酰、硝酸胍等。 二级有机氧化剂是有机物的过氧化物，如过氧醋酸、过氧化环己酮等。这类氧化剂虽然也容易分解出氧，但化学性质比一级氧化剂稳定。 无机氧化剂和有机氧化剂中都有不少过氧化物类的氧化剂。有机氧化剂由于含有过氧基，受到光和热的作用，容易分解析出氧，常因此发生燃烧和爆炸,氧化剂氧化性强弱的规律，对于元素来说，一般是非金属性越强，其氧化性就越强，因为非金属无素具有获得电子的能力，如 I2、Br2、Cl2、F2 等物质的氧化性分别依次增强。离子所带的正电荷越多，越容易获得电子
51、，氧化性也就越强，如 4 价锡离子（Sn4）比 2 价锡离子（Sn2）具有更强的氧化性。化合物中若含有高价态的元素，而且这个元素化合价越高，其氧化性就越强，如氨（NH3）中的氮是-3 价，亚硝酸钠（NaNO2）中的氮是3 价，硝酸钠（NaNO3）中的氧是5 价，则它们的氧化性分别浓次增强,2.危险性和防护 （1）危险性。 氧化性或助燃性。氧化剂具有着强烈的氧化性能，在接触易燃物、有机物或还原剂时，能发生氧化反应，剧烈时会引起燃挠。 燃烧爆炸性。许多氧化剂，特别是无机氧化剂，当它们受热、撞击、摩檫等作用时，容易迅速分解，产生大量气体和热量，因此有引起爆炸的危险。大多数有机氧化剂是可以燃烧的，在遇明
52、火或其他爆炸力作用下，会造成火灾。 毒害性和腐蚀性。许多氧化剂不仅本身有毒，而且在发生明显的变化后能产生毒害性气体，例如三氧化铬（铬酸酐）既有毒性也有腐蚀性。活泼金属的过氧化物、各种含氧酸等，有很强的腐蚀性，能够灼伤皮肤和腐蚀其他物品,2）防护。 氧化剂的保护措施主要有以下几方面： 氧化剂在贮存和运输时，应防止受热、摩擦、撞击，在贮运中应注意通风降温，不摔碰、不拖拉、不翻滚、不剧烈摩擦及远离热源、电源等。 有些氧化剂遇水（如过氧化物遇水）、遇酸（如含氧酸盐遇酸）能降低它们的稳定性并增强其氧化性，对此类氧化剂在贮运时应注意通风、防潮温，并且与酸、硫、还原剂、可燃粉状物等隔离，防止发生火灾和爆炸,四、
53、爆炸性物质 凡是受到高热、摩撩、撞击或受到一定物质激发能瞬间起单分解或复分解的化学反应，并以机械功的形式在极短时间内放出能量的物质，统称为爆炸性物质。 1.分类 爆炸性物质按组成分为爆炸化合物和爆炸混合物两大类。 （1）爆炸化合物。这类爆炸性物质具有一定的化学组成，它们的分子中含有一种爆炸基团（如迭氮化合物的爆炸基团 N=N=N，乙炔化合物的爆炸基团 CC 等），这种基团很不稳定，容易被活化，当受到外界能量的作用时，它们的键很容易破裂，从而激发起爆炸反应。 根据这类物质的化学结构或爆炸基团，可分为10种，见表3-26,2）爆炸混合物。它是由两种或两种以上的爆炸组分和非爆炸组分经机械混合而成的，
54、例如硝铵炸药、黑色火药等。 爆炸性物质桉用途分为起爆药、爆破药、发射药和烟火剂四种。 2.炸药的爆炸性能 炸药的爆炸性能主要有感度、威力、猛度、殉爆、安定性等。 （1）感度。炸药的感度又称敏感度，是指炸药在外界能量（如热能、 电能、光能、机械能及起爆能等）的作用下发生爆炸变化的难易程度，是衡量爆炸稳定性大小的一个重要标志。通常以引起爆炸变化的最小外界能量来表示，这个最小的外界能量习惯上称之为引爆冲能。很显然，所需的引爆冲能越小，其敏感度越高；反之则越低,影响炸药的敏感度的因素很多，主要有以下几种。化学结构。一般的规律是：炸药分子中爆炸基团越活泼，数目趣多，其感度越大。 如 ONO2、=NNO2
55、、NO2 的稳定性顺序为：NO2 =NNO2ONO2，所以炸药感度就表现为:硝酸酯硝胺硝基化合物。 物态。这是指炸药所处的“相”状态。同一炸药在熔融状态的感度普遍要比固态高得多，是因为炸药从固相转变为液相时要吸收熔化潜热，它的内能较高，另外在液态时具有较高的蒸气压，所以很小的外界能量即可激发炸药爆炸，因此在操作的流程中应格外的注意安全。 温度。它能全面地影响炸药的感度，随着温度的升高，炸药的各种感度指标都升高。这是因为在高温下炸药的活化能降低了，极小的外界冲量即可使原子键破裂，引起爆炸变化,密度。随着炸药密度的增大，其敏感度通常是降低的。这是由于密度增加后，孔隙率减少，结构结实，不易于吸收能量，
56、这对热点的形成和火焰的传播是不利的。 细度。粉碎得很细的炸药，其敏感度提高，易于起爆。这是因为炸药颗粒越小，比表面越大，接受的冲击波能量越多，易产生更多的热点，所以易于起爆。 杂质。它对炸药的感度有很大的影晌，不同的杂质有不同的影响。一般来说，固体杂质，特别是硬度大、有尖棱和高熔点的杂质，如砂子、玻璃屑和某些金属粉末等，能增加炸药的感度。因为这种杂质能使外界冲击能量集中在尖棱上，形成强烈的摩擦中心而产生热点。因此，在生产、储存和运输炸药时，一定要防止硬性杂质混入，还要防止撞击。相反，松软的或液态的杂质混入炸药，则降低其敏感度。因而在储运过程中，又要注意防止炸药受潮或雨淋，否则将使炸药失效、报
57、废,2）威力。它是指炸药爆炸时做功的能力，亦即对周围介质的破坏能力。爆炸时产生的热量越大，气态产物生成物越多，爆温越高，其威力也就越大。 测定炸药的威力，一般会用铅铸扩。即以一定量（l0g）的炸药柱装于铅铸的固拄形孔内爆炸，测量爆炸后圆柱形孔体积的变化，以及体积增量（单位：mL）作为炸药的威力数值。 （3）猛度。它是炸药在爆炸后爆轰产物对周围物体破环的猛烈程度，用来衡量炸药的局部破坏能力。猛度越大，则表示该炸药对周围介质的粉碎破坏程度越大。猛度的测量是用50 g炸药放置在铅柱上，以铅柱在爆炸后被压缩而减少的高度数值（单位；mm）表示,见炸药知识,4）殉爆。这是指当一个炸药药包爆炸时，可以使位于一定距离处，与其没什么联系的另一个炸药药包也发生爆炸的现象。 （5）安定性。这是指炸药在一定储存期间内不改变其物质性质、化学性质和爆炸性质的能力。 返回主目录
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