2014安全工程師《生產(chǎn)技術》考點:爆炸基本概念

　　第二節(jié) 爆炸基本概念

　　一、爆炸的概念

　　(一)、爆炸的機理及其分類

　　在自然界中存在各種爆炸現(xiàn)象。廣義地講，爆炸是物質(zhì)系統(tǒng)的一種極為迅速的物理的或化學的能量釋放或轉(zhuǎn)化過程，是系統(tǒng)蘊藏的或瞬間形成的大量能量在有限的體積和極短的時間內(nèi)，驟然釋放或轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。在這種釋放和轉(zhuǎn)化的過程中，系統(tǒng)的能量將轉(zhuǎn)化為機械功以及光和熱的輻射等。

　　爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何種原因引起的爆炸，歸根結(jié)底必須有一定的能源。按照能量的來源，爆炸可以分為三類，即物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。

　　(1)、物理爆炸。物理爆炸是由系統(tǒng)釋放物理能引起的爆炸。例如，高壓蒸汽鍋爐當過熱蒸汽壓力超過鍋爐能承受的程度時，鍋爐破裂，高壓蒸汽驟然釋放出來，形成爆炸;隕石落地、高速彈丸對目標的撞擊等物體高速碰撞時，物體高速運動產(chǎn)生的功能，在碰撞點的局部區(qū)域內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為熱能，使受碰撞部位的壓力和溫度急劇升高，并在碰撞部位材料發(fā)生急劇變形，伴隨巨大響聲，形成爆炸現(xiàn)象;自然界中的雷電也屬于物理爆炸，它是由帶有不同電荷的云塊間發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，使能量在10-6～10-7s內(nèi)釋放出來，放電區(qū)達到極大的能量密度和高溫，導致放電區(qū)空氣壓力急劇升高并迅速膨脹，對周圍空氣產(chǎn)生強烈擾動，從而形成閃電雷鳴般的爆炸現(xiàn)象;高壓電流通過細金屬絲時，溫度可達到2×104℃，使金屬絲瞬間化為氣態(tài)而引起爆炸現(xiàn)象;此外，地震和火山爆發(fā)等現(xiàn)象也能屬于物理爆炸?？傊?，物理爆炸是機械能或電能的釋放和轉(zhuǎn)化過程，參與爆炸的物質(zhì)只是發(fā)生物理狀態(tài)或壓力的變化，其性質(zhì)和化學成分不發(fā)生改變。

　　(2)、化學爆炸?；瘜W爆炸是由于物質(zhì)的化學變化引起的爆炸，如炸藥爆炸，可燃氣體(甲烷、乙炔等)、爆炸。懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)、以一定的比例與空氣混合時，在一定的條件下所產(chǎn)生的爆炸也屬于化學爆炸?；瘜W爆炸是通過化學反應，將物質(zhì)內(nèi)潛在的化學能，在極短的時間內(nèi)釋放出來，使其化學反應產(chǎn)物處于高溫、高壓狀態(tài)的結(jié)果。一般氣體爆炸和粉塵爆炸的壓力可以達到2×106Pa，高能炸藥爆炸時的爆轟壓可達2×1010Pa以上，二者爆炸時產(chǎn)物的溫度均可達到3×103~5×103K，因而使爆炸產(chǎn)物急劇向周圍膨脹，產(chǎn)生強沖擊波，造成對周圍介質(zhì)的破壞。化學爆炸時，參與爆炸的物質(zhì)在瞬間發(fā)生分解或化合，變成新的爆炸產(chǎn)物。

　　(3)、核爆炸。核爆炸是核裂變(如原子彈是用鈾235、钚239裂變)、、核聚變(如氫彈是用氘、氚或鋰核的聚變)、反應所釋放出的巨大核能引起的。核爆炸反應釋放的能量比炸藥爆炸時放出的化學能大的多，核爆炸中心溫度可達數(shù)107K，壓力可達1015Pa以上，同時產(chǎn)生極強的沖擊波、光輻射和粒子的貫穿輻射等，比炸藥爆炸具有更大的破壞力?；瘜W爆炸和核爆炸反應都是在微秒量級的時間內(nèi)完成的。

　　綜上所述，爆炸過程表現(xiàn)為兩個階段，在第一階段中，物質(zhì)的(或系統(tǒng)的)、潛在能以一定的方式轉(zhuǎn)化為強烈的壓縮能;第二階段，壓縮急劇膨脹，對外做功，從而引起周圍介質(zhì)的變形、移動和破壞。不管由何種能源引起的爆炸，它們都同時具備兩個特征，即能源具有極大的能量密度和極大的能量釋放速度。

　　按反應相態(tài)的不同爆炸可分為以下3類：

　　(1)、氣相爆炸。它包括可燃性氣體和助燃性氣體混合物的爆炸;氣體的分解爆炸;液體被噴成霧狀物在劇烈燃燒時引起的爆炸等。

　　(2)、液相爆炸。它包括聚合爆炸、蒸汽爆炸以及不同液體混合所引起的爆炸。

　　(3)、固相爆炸。它包括爆炸性化合物和混合危險物質(zhì)的爆炸。

　　(二)、爆炸反應歷程

　　爆炸性物質(zhì)或混合物發(fā)生爆炸有熱反應和鏈式反應兩種不同的歷程。按照鏈式反應理論，爆炸性混合物(如可燃性氣體和氧氣)、與火源接觸后，活化分子就會吸收能量而離解為游離基，并與其他分子相互作用形成一系列的鏈式反應，釋放燃燒熱。鏈式反應有直鏈式反應和支鏈式反應兩種。直鏈反應是指每一個游離基都進行自己的連鎖反應，如氯和氫屬于這一類反應。即氯分子在光的作用下被活化成兩個氯的游離基，每一個氯的游離基都進行自己的連鎖反應，而且每次反應只引出一個新的游離基。支鏈反應是指在反應中一個游離基能生成一個以上的新的游離基，如氫和氧的連鎖反應屬于此類反應，其反應歷程為：

　　I H2+ O2 = 2 OH•

　　ⅡOH•+H2 = H2O +H•

　?、驢•+ O2 = OH+O•

　?、?O•+H2= OH•+H•

　　鏈式反應歷程大致分為3個階段：

　　(1)、鏈引發(fā)，游離基生成。

　　(2)、鏈傳遞，游離基作用于其他參與反應的化合物，產(chǎn)生新的游離基。

　　(3)、鏈終止，即游離基的消耗，使連鎖反應終止。

　　二、爆炸極限

　　(一)、爆炸極限的基本理論及其影響因素

　　爆炸極限是表征可燃氣體和可燃粉塵危險性的主要示性數(shù)。當可燃性氣體、蒸氣或可燃粉塵與空氣(或氧)、在一定濃度范圍內(nèi)均勻混合，遇到火源發(fā)生爆炸的濃度范圍稱為爆炸濃度極限，簡稱爆炸極限。

　　將這一濃度范圍的混合氣體(或粉塵)、稱作爆炸性混合氣體(或粉塵)、?？扇夹詺怏w、蒸氣的爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合氣體中的所占體積分數(shù)來表示;可燃粉塵的爆炸極限是以在混合物中的質(zhì)量濃度(g/m3)、來表示。

　　可燃性氣體、蒸氣或粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到熱源(明火或溫度)、火焰瞬間傳播于整個混合氣體(或混合粉塵)、空間化學反應速度極快，同時釋放大量的熱，生成很多氣體，氣體受熱膨脹，形成很高的溫度和很大的壓力，具有很強的破壞力。

　　可燃性氣體、蒸氣或粉塵爆炸極限的概念可以用熱爆炸理論來解釋。當可燃性氣體、蒸氣或粉塵的濃度小于爆炸下限時，由于在混合物中含有過量的空氣，過量空氣的冷卻作用及可燃物濃度的不足，導致系統(tǒng)得熱小于失熱，反應不能延續(xù)下去;同樣，當可燃性氣體(或粉塵)、的濃度大于爆炸上限時，則會有過量的可燃物，過量的可燃物不僅因缺氧而不能參與反應、放出熱量，反而起冷卻作用，阻止了火焰的蔓延。當然，也還有爆炸上限達100%的可燃氣體和蒸氣(如環(huán)氧乙烷、硝化甘油等)、，可燃性粉塵(如火炸藥粉塵)、。這類物質(zhì)在分解時會自身供氧，使反應持續(xù)進行下去。隨著氣體壓力和溫度的升高，越容易引起分解爆炸。

　　爆炸極限值不是一個物理常數(shù)，它是隨實驗條件的變化而變化，在判斷某工藝條件下的爆炸危險性時，需根據(jù)危險物品所處的條件來考慮其爆炸極限，如在火藥、起爆藥、炸藥烘干工房內(nèi)可燃蒸氣的爆炸極限與其他工房在正常溫度下的極限是不一樣的，在受壓容器和在正常壓力下的爆炸極限亦有所不同;其他因素如點火源的能量，容器的形狀、大小，火焰的傳播方向，惰性氣體與雜質(zhì)的含量等均對爆炸極限有影響。

　　1.溫度的影響

　　混合爆炸氣體的初始溫度越高，爆炸極限范圍越寬，則爆炸下限降低，上限增高，爆炸危險性增加。這是因為在溫度增高的情況下，活化分子增加，分子和原子的動能也增加，使活化分子具有更大的沖擊能量，爆炸反應容易進行，使原來含有過量空氣(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濃度變成可以使火焰蔓延的濃度，從而擴大了爆炸極限范圍。例如丙酮的爆炸極限受溫度影響的情況見表2―1。

　　2.壓力的影響

　　混合氣體的初始壓力對爆炸極限的影響較復雜，在0.1～2.0 MPa的壓力下，對爆炸下限影響不大，對爆炸上限影響較大;當大于2.0 MPa時，爆炸下限變小，爆炸上限變大，爆炸范圍擴大。這是因為在高壓下混合氣體的分子濃度增大，反應速度加快，放熱量增加，且在高氣壓下，熱傳導性差，熱損失小，有利于可燃氣體的燃燒或爆炸。

　　3.惰性介質(zhì)的影響

　　若在混合氣體中加入惰性氣體(如氮、二氧化碳、水蒸氣、氬、氮等)、，隨著惰性氣體含量的增加，爆炸極限范圍縮小。當惰性氣體的濃度增加到某一數(shù)值時，使爆炸上下限趨于一致，使混合氣體不發(fā)生爆炸。

　　4.爆炸容器對爆炸極限的影響

　　爆炸容器的材料和尺寸對爆炸極限有影響，若容器材料的傳熱性好，管徑越細，火焰在其中越難傳播，爆炸極限范圍變小。當容器直徑或火焰通道小到某一數(shù)值時，火焰就不能傳播下去，這一直徑稱為臨界直徑或最大滅火間距。如甲烷的臨界直徑為0.4～0.5m m，氫和乙炔為0.1～0.2 mm。目前一般采用直徑為50 mm的爆炸管或球形爆炸容器。

　　5.點火源的影響

　　當點火源的活化能量越大，加熱面積越大，作用時間越長，爆炸極限范圍也越大。

　　(二)、爆炸反應濃度、爆炸溫度和壓力的計算

　　1.爆炸完全反應濃度計算

　　爆炸混合物中的可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)完全反應的濃度也就是理論上完全燃燒時在混合物中可燃物的含量，根據(jù)化學反應方程式可以計算可燃氣體或蒸氣的完全反應濃度。

　　2.爆炸溫度計算

　　1)、根據(jù)反應熱計算爆炸溫度

　　理論上的爆炸最高溫度可根據(jù)反應熱計算。

　　(2)、計算燃燒各產(chǎn)物的熱容。

　　(3)、求爆炸最高溫度。

　　2)、根據(jù)燃燒反應方程式與氣體的內(nèi)能計算爆炸溫度

　　3.爆炸壓力的計算

　　可燃性混合物爆炸產(chǎn)生的壓力與初始壓力、初始溫度、濃度、組分以及容器的形狀、大小等因素有關。爆炸時產(chǎn)生的最大壓力可按壓力與溫度及摩爾數(shù)成正比的規(guī)律確定， (三)、爆炸上限和下限的計算，含有惰性氣體組成混合物爆炸極限計算

　　1.爆炸上限和下限的計算

　　2.多種可燃氣體組成的混合物的爆炸極限計算

　　3.含有惰性氣體組成混合物的爆炸極限計算

　　三、粉塵爆炸的特點

　　(一)、粉塵爆炸的機理和特點

　　當可燃性固體呈粉體狀態(tài)，粒度足夠細，飛揚懸浮于空氣中，并達到一定濃度，在相對密閉的空間內(nèi)，遇到足夠的點火能量，就能發(fā)生粉塵爆炸。具有粉塵爆炸危險性的物質(zhì)較多，常見的有金屬粉塵(如鎂粉、鋁粉等)、、煤粉、糧食粉塵、飼料粉塵、棉麻粉塵、煙草粉塵、紙粉、木粉、火炸藥粉塵及大多數(shù)含有C，H元素、與空氣中氧反應能放熱的有機合成材料粉塵等。

　　粉塵爆炸是一個瞬間的連鎖反應，屬于不定常的氣固二相流反應，其爆炸過程比較復雜，它將受諸多因素的制約。所以，有關粉塵爆炸的機理至今尚在不斷研究和不斷完善之中。日本安全工學協(xié)會編的《爆炸》一書闡述了一種比較典型的粉塵爆炸機理。這種觀點認為從最初的粉塵粒子形成到發(fā)生爆炸的過程，如圖2―9所示。粉塵粒子表面通過熱傳導和熱輻射，從火源獲得能量，使表面溫度急劇升高，達到粉塵粒子加速分解的溫度和蒸發(fā)溫度，形成粉塵蒸氣或分解氣體，這種氣體與空氣混合后就容易引起點火(氣相點火)、。另外，粉塵粒子本身相繼發(fā)生熔融氣化，進發(fā)出微小火花，成為周圍未燃燒粉塵的點火源，使之著火，從而擴大了爆炸范圍，這一過程與氣體爆炸相比就復雜得多。

　　從粉塵爆炸過程可以看出粉塵爆炸有如下特點：

　　(1)、粉塵爆炸速度或爆炸壓力上升速度比爆炸氣體小，但燃燒時間長，產(chǎn)生的能量大，破壞程度大。

　　(2)、爆炸感應期較長，粉塵的爆炸過程比氣體的爆炸過程復雜，要經(jīng)過塵粒的表面分解或蒸發(fā)階段及由表面向中心延燒的過程，所以感應期比氣體長得多。

　　(3)、有產(chǎn)生二次爆炸的可能性。因為粉塵初次爆炸產(chǎn)生的沖擊波會將堆積的粉塵揚起，懸浮在空氣中，在新的空間形成達到爆炸極限濃度范圍內(nèi)的混合物，而飛散的火花和輻射熱成為點火源，引起第二次爆炸，這種連續(xù)爆炸會造成嚴重的破壞。粉塵有不完全燃燒現(xiàn)象，在燃燒后的氣體中含有大量的CO及粉塵(如塑料粉)、自身分解的有毒氣體，會伴隨中毒死亡的事故。

　　(二)、粉塵爆炸的特性及影響因素

　　評價粉塵爆炸危險性的主要特征參數(shù)是爆炸極限、最小點火能量、最低著火溫度、粉塵爆炸壓力及壓力上升速率。

　　粉塵爆炸極限不是固定不變的，它的影響因素主要有粉塵粒度、分散度、濕度、點火源的性質(zhì)、可燃氣含量、氧含量、惰性粉塵和灰分溫度等。一般來說，粉塵粒度越細，分散度越高，可燃氣體和氧的含量越大，火源強度、初始溫度越高，濕度越低，惰性粉塵及灰分越少，爆炸極限范圍越大，粉塵爆炸危險性也就越大。

　　粉塵爆炸壓力及壓力上升速率(dP/dt)、主要受粉塵粒度、初始壓力、粉塵爆炸容器、湍流度等因素的影響。粒度對粉塵爆炸壓力上升速率的影響比粉塵爆炸壓力大得多。

　　(三)、控制產(chǎn)生粉塵爆炸的技術措施

　　控制產(chǎn)生粉塵爆炸的主要技術措施是縮小粉塵擴散范圍，消除粉塵，控制火源，適當增濕。對于產(chǎn)生可燃粉塵的生產(chǎn)裝置(如Al粉的粉碎等)、，則可以進行惰化防護，即在生產(chǎn)裝置中通入惰性氣體，使實際氧含量比臨界氧含量低20%。在通入惰性氣體時，必須注意把裝置里的氣體完全混合均勻。在生產(chǎn)過程中，要對惰性氣體的氣流、壓力或?qū)ρ鯕鉂舛冗M行測試，應保證不超過臨界氧含量。