安全生产技术精讲班第16讲讲义
爆炸的概念
【大纲考试内容要求】：
1.了解爆炸的机理及其分类；
2.熟悉各种爆炸的反应历程；
3.了解爆炸极限的影响因素。
【教材内容】：
第二节爆炸基本概念
一、爆炸的概念
(一)爆炸的机理及其分类
在自然界中存在各种爆炸现象。广义地讲，爆炸是物质系统的一种极为迅速的物理的或化学的能量释放或转化过程，是系统蕴藏的或瞬间形成的大量能量在有限的体积和极短的时间内，骤然释放或转化的现象。在这种释放和转化的过程中，系统的能量将转化为机械功以及光和热的辐射等。
爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何种原因引起的爆炸，归根结底必须有一定的能源。按照能量的来源，爆炸可以分为三类，即物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。
(1)物理爆炸。
物理爆炸是由系统释放物理能引起的爆炸。例如：
高压蒸汽锅炉当过热蒸汽压力超过锅炉能承受的程度时，锅炉破裂，高压蒸汽骤然释放出来，形成爆炸；
陨石落地、高速弹丸对目标的撞击等物体高速碰撞时，物体高速运动产生的功能，在碰撞点的局部区域内迅速转化为热能，使受碰撞部位的压力和温度急剧升高，并在碰撞部位材料发生急剧变形，伴随巨大响声，形成爆炸现象；
自然界中的雷电也属于物理爆炸，它是由带有不同电荷的云块间发生强烈的放电现象，使能量在10-6～10-7s内释放出来，放电区达到极大的能量密度和高温，导致放电区空气压力急剧升高并迅速膨胀，对周围空气产生强烈扰动，从而形成闪电雷鸣般的爆炸现象；
高压电流通过细金属丝时，温度可达到2×104℃，使金属丝瞬间化为气态而引起爆炸现象；
此外，地震和火山爆发等现象也能属于物理爆炸。
总之，物理爆炸是机械能或电能的释放和转化过程，参与爆炸的物质只是发生物理状态或压力的变化，其性质和化学成分不发生改变。
(2)化学爆炸
化学爆炸是由于物质的化学变化引起的爆炸，如炸药爆炸，可燃气体(甲烷、乙炔等)爆炸。
悬浮于空气中的粉尘(煤粉、面粉等)以一定的比例与空气混合时，在一定的条件下所产生的爆炸也属于化学爆炸。
化学爆炸是通过化学反应，将物质内潜在的化学能，在极短的时间内释放出来，使其化学反应产物处于高温、高压状态的结果。
一般气体爆炸和粉尘爆炸的压力可以达到2×106Pa，高能炸药爆炸时的爆轰压可达2×1010Pa以上，二者爆炸时产物的温度均可达到3×103~5×103K，因而使爆炸产物急剧向周围膨胀，产生强冲击波，造成对周围介质的破坏。化学爆炸时，参与爆炸的物质在瞬间发生分解或化合，变成新的爆炸产物。
(3)核爆炸
核爆炸是核裂变(如原子弹是用铀235、钚239裂变)、核聚变(如氢弹是用氘、氚或锂核的聚变)反应所释放出的巨大核能引起的。核爆炸反应释放的能量比炸药爆炸时放出的化学能大的多，核爆炸中心温度可达数107K，压力可达1015Pa以上，同时产生极强的冲击波、光辐射和粒子的贯穿辐射等，比炸药爆炸具有更大的破坏力。化学爆炸和核爆炸反应都是在微秒量级的时间内完成的。
爆炸过程表现为两个阶段，在第一阶段中，物质的(或系统的)潜在能以一定的方式转化为强烈的压缩能；第二阶段，压缩急剧膨胀，对外做功，从而引起周围介质的变形、移动和破坏。不管由何种能源引起的爆炸，它们都同时具备两个特征，即能源具有极大的能量密度和极大的能量释放速度。
(二)化学爆炸反应历程
化学爆炸性物质或混合物发生爆炸，有热反应和链式反应两种不同的历程。按照链式反应理论，爆炸性混合物(如可燃性气体和氧气)与火源接触后，活化分子就会吸收能量而离解为游离基，并与其他分子相互作用形成一系列的链式反应，释放燃烧热。链式反应有直链式反应和支链式反应两种。直链反应是指每一个游离基都进行自己的连锁反应，如氯和氢属于这一类反应。即氯分子在光的作用下被活化成两个氯的游离基，每一个氯的游离基都进行自己的连锁反应，而且每次反应只引出一个新的游离基，即：
Cl2+hv(光量子) = Cl?+ Cl?
Cl?+H2 = HCl + H?
H?+ Cl2 = HCl + Cl?
Cl?+ H2 = HCl + H?
H+ Cl2 = HCl + Cl?
依此类推
Cl?+C?= Cl2
H?+H?= H2
支链反应是指在反应中一个游离基能生成一个以上的新的游离基，如氢和氧的连锁反应属于此类反应，其反应历程为：
I                   H2+ O2 = 2 OH?
ⅡOH?+H2 = H2O +H?
ⅢH?+ O2 = OH+O?
ⅣO?+H2= OH?+H?
链式反应历程大致分为3个阶段：
(1)链引发，游离基生成。
(2)链传递，游离基作用于其他参与反应的化合物，产生新的游离基。
(3)链终止，即游离基的消耗，使连锁反应终止。
链式反应速度可用下式表示：
 
式中F(c)——反应物浓度函数；
f s——链在器壁上销毁因数；
f c——链在气相上销毁因数；
A——与反应物浓度有关的函数；
a ——链的分支数，在直链反应中a =l，支链反应中a >1。
热反应历程是指危险物受热发生化学反应，反应在某一定空间内进行时，如果散热不良会使反应温度不断提高，温度的提高又会使反应速度加快，使得热大于失热，导致爆炸发生。
至于什么情况下发生热反应，什么情况下发生链式反应，需根据具体情况而定，甚至同一爆炸性混合物在不同条件下有时也会有所不同。图2 3所示为氢和氧按完全反应的浓度(2H2+O2)组成的混合气发生爆炸的温度和压力区间。从图中可以看出，当压力很低且温度不高时(如在温度500℃和压力不超过200 Pa时)，由于游离基很容易扩散到器壁上销毁，此时连锁中断速度超过支链产生速度，因而反应进行较慢，混合物不会发生爆炸；当温度为500℃，压力升高到200Pa和6666 Pa之间时(如图中的a和b点之间)，由于产生支链速度大于销毁速度，链反应很猛烈，就会发生爆炸；当压力继续提高，超过b点(大于6666 Pa)以后，由于混合物内分子的浓度增高，容易发生链中断反应，致使游离基销毁速度又超过链产生速度，链反应速度趋于缓和，混合物又不会发生爆炸了。
 
图2—3中a和b点时的压力，即200Pa和6666 Pa，分别是混合物在低限和爆炸高限。随着温度增加，爆炸极限会变宽。这是由于链反应需要有链分支反应速度随温度升高而增加，而链终止的反应却随温度的升高而降低，故升高温度对产生链反应有利，结果使爆炸极限变宽，在图上呈现半岛形，当压力再升高超过c点(大于666610 Pa)时，开始出现下列反应：
H?+ O2——HO2?
HO2?+ H2——H?+ H2O2
HO2?+ H2O——OH?+ H2O2
产生游离基H?和OH?这两个反应是放热的，结果使反应释放出的热量超过从器壁散失的热量，从而使混合物的温度升高，进一步加快反应，促使释放出更多的热量，导致热爆炸的发生。
【例题】：悬浮于空气中的粉尘(煤粉、面粉等)以一定的比例与空气混合时，在一定的条件下所产生的爆炸，属于（）。
A.物理爆炸
B.化学爆炸
C. 碰撞爆炸
D. 机械爆炸
【答案】：B

 
物质爆炸浓度极限
二、物质爆炸浓度极限
(一)爆炸极限的基本理论及其影响因素
爆炸极限是表征可燃气体、蒸汽和可燃粉尘危险性的主要示性数。当可燃性气体、蒸气或可燃粉尘与空气(或氧)在一定浓度范围内均匀混合，遇到火源发生爆炸的浓度范围称为爆炸浓度极限，简称爆炸极限。
将这一浓度范围的混合气体(或粉尘)称作爆炸性混合气体(或粉尘)。可燃性气体、蒸气的爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的所占体积分数来表示；可燃粉尘的爆炸极限是以在混合物中的质量浓度(g／m3)来表示。
可燃性气体的体积分数及质量浓度比在20℃时的换算公式如下：
 
式中L——体积分数，
Y——质量浓度，g／m3。
M——可燃性气体或蒸气的相对分子质量；
22.4——标准状态下(0℃，l atm) l mol物质气化时的体积。
例如，某空气中甲烷气体的体积浓度是10%，则换算为质量浓度为：
Y = L×M/2.4 = 10×16/2.4  = 66.67 g／m3
把能够爆炸的最低浓度称作爆炸下限；能发生爆炸的最高浓度称作爆炸上限。用爆炸上限与下限浓度之差与爆炸下限浓度之比值表示其危险度H，即：
H = (L上—L下)/ L下或H = (Y上—Y下)/ Y下(2—3)
例如，甲烷气体的危险度为：
H 甲烷= (L甲烷上—L甲烷下)/ L甲烷下=（15－4.9）/4.9 = 2.06
乙炔气体的危险度为：
H 乙炔= (L乙炔上—L乙炔下)/ L乙炔下=（80－2.55）/2.55 = 30.37
一般情况下，H值越大，表示可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越大。
可燃性气体、蒸气或粉尘在爆炸极限范围内，遇到热源(明火或温度)，火焰瞬间传播于整个混合气体(或混合粉尘)空间化学反应速度极快，同时释放大量的热，生成很多气体，气体受热膨胀，形成很高的温度和很大的压力，具有很强的破坏力。
可燃性气体、蒸气或粉尘爆炸极限的概念可以用热爆炸理论来解释。当可燃性气体、蒸气或粉尘的浓度小于爆炸下限时，由于在混合物中含有过量的空气，过量空气的冷却作用及可燃物浓度的不足，导致系统得热小于失热，反应不能延续下去；同样，当可燃性气体(或粉尘)的浓度大于爆炸上限时，则会有过量的可燃物，过量的可燃物不仅因缺氧而不能参与反应、放出热量，反而起冷却作用，阻止了火焰的蔓延。当然，也还有爆炸上限达100％的可燃气体和蒸气(如环氧乙烷、硝化甘油等)，可燃性粉尘(如火炸药粉尘)。这类物质在分解时会自身供氧，使反应持续进行下去。随着气体压力和温度的升高，越容易引起分解爆炸。
爆炸极限值不是一个物理常数，它是随实验条件的变化而变化，在判断某工艺条件下的爆炸危险性时，需根据危险物品所处的条件来考虑其爆炸极限，如在火药、起爆药、炸药烘干工房内可燃蒸气的爆炸极限与其他工房在正常温度下的极限是不一样的，在受压容器和在正常压力下的爆炸极限亦有所不同；其他因素如点火源的能量，容器的形状、大小，火焰的传播方向，惰性气体与杂质的含量等均对爆炸极限有影响。

 
温度的影响
1．温度的影响
混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。这是因为在温度增高的情况下，活化分子增加，分子和原子的动能也增加，使活化分子具有更大的冲击能量，爆炸反应容易进行，使原来含有过量空气(低于爆炸下限)或可燃物(高于爆炸上限)而不能使火焰蔓延的混合物浓度变成可以使火焰蔓延的浓度，从而扩大了爆炸极限范围。例如丙酮的爆炸极限受温度影响的情况见表2—1。
2．压力的影响
混合气体的初始压力对爆炸极限的影响较复杂，在0.1～2.0 MPa的压力下，对爆炸下限影响不大，对爆炸上限影响较大；当大于2.0 MPa时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆炸范围扩大。这是因为在高压下混合气体的分子浓度增大，反应速度加快，放热量增加，且在高气压下，热传导性差，热损失小，有利于可燃气体的燃烧或爆炸。甲烷混合气初始压力对爆炸极限的影响见表2 —2。
值得重视的是当混合物的初始压力减小时，爆炸极限范围缩小，当压力降到某一数值时，则会出现下限与上限重合，这就意味着初始压力再降低时，不会使混合气体爆炸。把爆炸极限范围缩小为零的压力称为爆炸的临界压力。甲烷在3个不同的初始温度下，爆炸极限随压力下降而缩小的情况如图2—3所示。因此，密闭设备进行减压操作对安全是有利的