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第二节
爆炸是物质在瞬间突然发生物理或化学变化，同时释放出大量气体和能量（光能、热能和机械能）并伴有巨大声音的现象。爆炸的主要特征是物质的状态或成分瞬间发生变化，能量突然释放，温度和压力骤然升高，产生强烈的冲击波并发出巨大的响声。
上述所谓“瞬间”，就是说爆炸发生于极短的时间内。例如，乙炔罐的乙炔与氧气混合发生爆炸时，大约是在1/100s内完成下列化学反应的：
2C
2
H
2
+5O
2
4CO
2
+2H
2
O+热量
同时释放出大量热能和二氧化碳、水蒸气等气体，能使罐内压力升高10～13倍，其爆炸威力可以使罐体升空20～30m。
生产中某些完全密闭的耐压容器，如果其中的可燃混合气发生爆炸，但由于容器是足够耐压的，所以，容器并没有被破坏，这与上述乙炔罐里可燃混合气爆炸时的结果是不相同的。这说明爆炸和容器设备的破坏不是必然的联系，容器的破坏不仅可以由爆炸引起，也同样可以由其他物理原因（如容器内介质的体积膨胀，使压力上升）引起。
按照爆炸的性质不同，爆炸可分为物理性爆炸、化学性爆炸和核爆炸。
1.物理性爆炸
物理性爆炸是由物理变化（温度、体积和压力等因素）引起的，在爆炸的前后，爆炸物质的性质及化学成分均不改变。
锅炉的爆炸是典型的物理性爆炸；其原因是过热的水迅速蒸发出大量蒸汽，使蒸汽压力不断提高，当压力超过锅炉的极限强度时，就会发生爆炸。又如，氧气钢瓶受热升温，引起气体压力增高，当压力超过钢瓶的极限强度时即发生爆炸。发生物理性爆炸时，气体或蒸汽等介质潜藏的能量在瞬间释放出来，会造成巨大的破坏和伤害。上述这些物理性爆炸是蒸汽和气体膨胀力作用的瞬时表现，它们的破坏性取决于蒸汽或气体的压力。
2.化学性爆炸
化学爆炸是由化学变化造成的。化学爆炸的物质不论是可燃物质与空气的混合物，还是爆炸性物质（如炸药），都是一种相对不稳定的系统，在外界一定强度的能量作用下，能产生剧烈的放热反应，产生高温高压和冲击波，从而引起强烈的破坏作用。
爆炸性物品的爆炸与气体混合物的爆炸有下列异同。
①爆炸的反应速率非常快。爆炸反应一般在10 -5 ～10 -6 s间完成，爆炸传播速度（简称爆速）一般在2000～9000m/s之间。由于反应速率极快，瞬间释放出的能量来不及散失而高度集中，所以有极大的破坏作用。
气体混合物爆炸时的反应速率比爆炸物品的爆炸速率要慢得多，数百分之一至数十秒内完成。所以爆炸功率要小得多。
②反应放出大量的热。爆炸时反应热一般为2900～6300kJ/kg，可产生2400～3400℃的高温。
气态产物依靠反应热被加热到数千度，压力可达数万个兆帕，能量最后转化为机械功，使周围介质受到压缩或破坏。
气体混合物爆炸后，也有大量热量产生，但温度很少超过1000℃。
③反应生成大量的气体产物。1kg炸药爆炸时能产生700～1000L气体，由于反应热的作用，气体急剧膨胀，但又处于压缩状态，数万个兆帕压力形成强大的冲击波使周围介质受到严重破坏。
气体混合物爆炸虽然也放出气体产物，但是相对来说气体量要少，而且因爆炸速度较慢，压力很少超过2MPa。
根据爆炸时的化学变化，爆炸可分为四类。
（1）简单分解爆炸 这类爆炸没有燃烧现象，爆炸时所需要的能量由爆炸物本身分解产生。属于这类物质的有叠氮铅、雷汞、雷银、三氯化氮、三碘化氮、三硫化二氮、乙炔银、乙炔铜等。这类物质是非常危险的，受轻微震动就会发生爆炸，如叠氮铅的分解爆炸反应为：
Pb（N
3
）
2
Pb+3N
2
+热量
（2）复杂分解爆炸 这类爆炸伴有燃烧现象，燃烧所需要的氧由爆炸物自身分解供给。所有炸药如三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、黑色火药等均属于此类。
如硝化甘油炸药的爆炸反应
C
3
H
5
（ONO
2
）
3
3CO
2
+2.5H
2
O+1.5N
2
+0.25O
2
1kg硝化甘油炸药的分解热为6688kJ，温度可达4697℃，爆炸瞬间体积可增大1.6×10 4 倍，速度达8625m/s，故能产生强大的破坏力。
这类爆炸物的危险性与简单分解爆炸物相比，危险性稍小。
（3）爆炸性混合物的爆炸 可燃气体、蒸气或粉尘与空气（或氧）混合后，形成爆炸性混合物，这类爆炸的爆炸破坏力虽然比前两类小，但实际危险要比前两类大，这是由于石油化工生产形成爆炸性混合物的机会多，而且往往不易察觉。因此，石油化工生产的防火防爆是一项十分重要的安全工作内容。
爆炸混合物的爆炸需要有一定的条件，即可燃物与空气或氧达到一定的混合浓度，并具有一定的激发能量。此激发能量来自明火、电火花、静电放电或其他能源。
爆炸混合物可分为：
①气体混合物，如甲烷、氢、乙炔、一氧化碳、烯烃等可燃气体与空气或氧形成的混合物；
②蒸气混合物，如汽油、苯、乙醚、甲醇等可燃液体的蒸气与空气或氧形成的混合物；
③粉尘混合物，如铝粉尘、硫黄粉尘、煤粉尘、有机粉尘等与空气或氧气形成的混合物；
④遇水爆炸的固体物质，如钾、钠、碳化钙、三异丁基铝等与水接触，产生的可燃气体与空气或氧气混合形成爆炸性混合物。
（4）分解爆炸性气体的爆炸 分解爆炸性气体分解时产生相当数量的热量，当物质的分解热为80kJ/mol以上时，在激发能源的作用下，火焰就能迅速地传播开来，其爆炸是相当激烈的。
在一定压力下容易引起该种物质的分解爆炸，当压力降到某个数值时，火焰便不能传播，这个压力称为分解爆炸的临界压力。如乙炔分解爆炸的临界压力为0.137MPa，在此压力下储存装瓶是安全的，但是若有强大的点火能源，即使在常压下也具有爆炸危险。
爆炸性混合物与火源接触，便有自由基生成，成为连锁反应的作用中心，点火后，热以及链锁载体都向外传播，促使邻近一层的混合物起化学反应，然后这一层又成为热和链锁载体源泉而引起另一层混合物的反应。在距离火源0.5～1m处，火焰速度只有每秒若干米或者还要小一些，但以后即逐渐加速，到每秒数百米（爆炸）以至数千米（爆轰），若火焰扩散的路程上有障碍物，则由于气体温度的上升及由此而引起的压力急剧增加，可造成极大的破坏作用。
3.核爆炸
由物质的原子核在发生“裂变”或“聚变”的连锁反应瞬间放出巨大能量而产生的爆炸，如原子弹、氢弹的爆炸就属于核爆炸。
按照爆炸反应的相的不同，爆炸可分为气相爆炸、液相爆炸和固相爆炸。
（1）气相爆炸 包括可燃性气体和助燃性气体混合物的爆炸；气体的分解爆炸；液体被喷成雾状物引起的爆炸；飞扬悬浮于空气中的可燃粉尘引起的爆炸等。
（2）液相爆炸 包括聚合爆炸、蒸发爆炸以及由不同液体混合所引起的爆炸。例如，硝酸和油脂、液氧和煤粉等混合时引起的爆炸；熔融的矿渣与水接触或钢水包与水接触时，由于过热发生快速蒸发引起的蒸汽爆炸等。
（3）固相爆炸 包括爆炸性化合物及其他爆炸性物质的爆炸（如乙炔铜的爆炸）；导线因电流过载，由于过热，金属迅速气化而引起的爆炸等。
（1）轻爆 物质爆炸时的燃烧速度为每秒数米，爆炸时无多大破坏力，声响也不太大。如无烟火药在空气中的快速燃烧，可燃气体混合物在接近爆炸浓度上限或下限时的爆炸即属于此类。
（2）爆炸 物质爆炸时的燃烧速度为每秒十几米至数百米，爆炸时能在爆炸点引起压力激增，有较大的破坏力，有震耳的声响。可燃性气体混合物在多数情况下的爆炸以及火药遇火源引起的爆炸等即属于此类。
（3）爆轰 物质爆炸的燃烧速度为1000～7000m/s。爆轰时能在爆炸点突然引起极高压力，并产生超声速的“冲击波”。由于在极短时间内发生的燃烧产物急速膨胀，像活塞一样挤压其周围气体，反应所产生的能量有一部分传给被压缩的气体层，于是形成的冲击波由它本身的能量所支持，迅速传播并能远离爆轰的发源地而独立存在，同时可引起该处的其他爆炸性气体混合物或炸药发生爆炸，从而发生一种“殉爆”现象。
（1）气体、蒸气爆炸；
（2）雾滴爆炸；
（3）粉尘、纤维爆炸；
（4）炸药爆炸（无需与空气、氧气混合）。
另外，还有核爆炸。
在易燃、易爆物质的生产、运输、储存、使用过程中，能够产生可燃性气体（包括易燃气体、可燃性液体的蒸气或薄雾）、爆炸性粉尘、可燃性粉尘和纤维等物质，与空气混合后，形成在爆炸极限范围内的混合物，称为爆炸性混合物。形成爆炸性混合物的物质，称为爆炸性物质。爆炸性物质与空气混合的形式，有直接混合和间接混合两种。
直接混合是指直接与空气混合形成爆炸性混合物。如可燃性气体、可燃性蒸气或薄雾、可燃性粉尘和爆炸性粉尘、可燃性纤维。
间接混合是指间接与空气形成爆炸性混合物。如电石、电影胶片等与空气接触不能直接形成爆炸性混合物，但当其与水、空气、热源、氧化剂作用时，可反应分解释放出可燃性气体或可燃性蒸气，继而与空气形成爆炸性混合物，遇火（热源），即发生爆炸。
以化学性爆炸的爆炸性混合物为例，其爆炸过程大致分为三个阶段：
（1）爆炸性混合物的形成阶段，即爆炸开始阶段；
（2）连锁反应阶段，即爆炸范围扩大与爆炸威力升级阶段；
（3）爆炸完成阶段，即爆炸造成灾害性的后果。
可燃物质（可燃气体、蒸气、粉尘或纤维）与空气（氧气或氧化剂）均匀混合形成爆炸性混合物，其浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限（或爆炸浓度极限）。形成爆炸性混合物的最低浓度称为爆炸浓度下限，最高浓度称为爆炸浓度上限，爆炸浓度的上限、下限之间称为爆炸浓度范围。
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如表2-3。
从表2-3可见，可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的浓度范围，即有一个最低浓度和一个最高浓度，混合物中的可燃物只有在其之间才会有燃爆危险。
可燃物质的爆炸极限受诸多因素的影响。如可燃气体的爆炸极限受温度、压力、氧含量、能量等影响，可燃粉尘的爆炸极限受分散度、湿度、温度和惰性粉尘等影响。
可燃气体和蒸气爆炸极限是以其在混合物中所占体积的百分比（%）来表示的，表2-3中一氧化碳与空气的混合物的爆炸极限为12.5%～80%。可燃粉尘的爆炸极限是以其在混合物中的密度（g/m 3 ）来表示的，例如，木粉的爆炸下限为40g/m 3 ，煤粉的爆炸下限为35g/m 3 ，可燃粉尘的爆炸上限，因为浓度太高，大多数场合都难以达到，一般很少涉及。例如，糖粉的爆炸上限为13500g/m 3 ，煤粉的爆炸上限为13500g/m 3 ，一般场合不会出现。可燃性混合物处于爆炸下限和爆炸上限时，爆炸所产生的压力不大，温度不高，爆炸威力也小。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度（表2-3中的30%）时，具有最大的爆炸威力。反应当量浓度可根据燃烧反应式计算出来。
表2-3 一氧化碳与空气混合在火源作用下燃爆实验
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越多。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。生产过程中，应根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，但当它从容器里或管道里逸出，重新接触空气时却能燃烧，因此，仍有发生着火的危险。
爆炸性混合物中的可燃物质和助燃物质的浓度比例恰好能发生完全化合反应时，爆炸所析出的热量最多，产生的压力也最大，实际的反应当量浓度稍高于计算的反应当量浓度。当混合物中可燃物质超过化学反应当量浓度时，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，我们说的可燃物质的化学当量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。
根据化学反应计算可燃气体或蒸气的反应当量浓度。
例如，求一氧化碳在空气中的反应当量浓度。
解：写出一氧化碳在空气中燃烧的反应式：
2CO+O
2
+3.76N
2
2CO
2
+3.76N
2
根据反应式得知，参加反应的物质的总体积为2+1+3.76=6.76。若以这个总体积为100，则两个体积的一氧化碳在总体积中所占比例为
爆炸极限通常是在常温常压等标准条件下测定出来的数据，它不是固定的物理常数。同一种可燃气体、蒸气的爆炸极限也不是固定不变的，它随温度、压力、含氧量、惰性气体含量、火源强度等因素的变化而变化。
1.初始温度
混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸危险性。
2.初始压力
增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范围扩大。增加压力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合气在较低的着火温度下能够发生燃烧。原因在于，处在高压下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分子间传热和发生化学反应比较容易，反应速率加快，而散热损失却显著减少。压力对甲烷爆炸极限的影响如表2-4所示。在已知的气体中，只有CO的爆炸范围是随压力增加而变窄的。
表2-4 压力对甲烷爆炸极限的影响
混合气在减压的情况下，爆炸范围会随之减小。压力降到某一数值，上限与下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸的危险。在一些化工生产中，对爆炸危险性大的物料的生产、储运往往采用在临界压力以下的条件下进行，如环氧乙烷的生产和储运。
3.含氧量
混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，因为可燃气在下限浓度时氧是过量的。由于可燃气在上限浓度时含氧量不足，所以增加氧含量使上限显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生火灾爆炸的危险性。若减少氧含量，则会起到相反的效果。例如甲烷在空气中的爆炸范围为5.3%～14%，而在纯氧中的爆炸范围则放大到5.0%～61%。甲烷的极限氧含量为12%，若低于极限氧含量，可燃气就不能燃烧爆炸了。
4.惰性气体含量
爆炸性混合气体中加入惰性气体，如氮、氧、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳等，可以使可燃气分子和氧分子隔离，在它们之间形成一层不燃烧的屏障。这层屏障可以吸收能量，使游离基消失，连锁反应中断，阻止火焰蔓延到其他可燃气分子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。
混合气体中增加惰性气体含量，会使爆炸上限显著降低，爆炸范围缩小。惰性气体增加到一定浓度时，可使爆炸范围为零，混合物不再燃烧。惰性气体含量对上限的影响较之对下限的影响更为显著是因为在爆炸上限时，混合气中缺氧使可燃气不能完全燃烧，若增加惰性气体含量，会使含氧量更加不足，燃烧更不完全，由此导致爆炸上限急剧下降。
5.点火源与最小点火能量
点火源的强度高，热表面的面积大，火源与混合物的接触时间长，会使爆炸范围扩大，增加燃烧、爆炸的危险性。
最小点火能量是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要的最小能量。混合气体的浓度对点火能量有较大的影响，通常可燃气浓度稍高于化学计量浓度时，所需的点火能量为最小。若点火源的能量小于最小能量，可燃物就不能着火。所以最小点火能量也是一个衡量可燃气、蒸气、粉尘燃烧爆炸危险性的重要参数。对于释放能量很小的撞击摩擦火花、静电火花，其能量是否大于最小点火能量，是判定其能否作为火源引发火灾爆炸事故的重要条件。表2-5列出了一些可燃气、蒸气的最小点火能量。
表2-5 可燃气、蒸气的最小点火能量
6.消焰距离
实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆炸浓度范围越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。这是因为燃烧在一通道中进行时，通道的表面要散失热量，通道越窄，比表面积越大（通道表面积和通道容积的比值），中断连锁反应的机会就越多，相应的热损失也越大。当通道窄到一定程度时，通道内燃烧反应的放热速率就会小于通道表面的散热速率，这时燃烧过程就会在通道内停止进行，火焰也就停止蔓延，因此把火焰蔓延不下去的最大通道尺寸叫消焰距离。
各种可燃气有不同的消焰距离，消焰距离还与可燃气的浓度有关，也受气体流速、压力的影响。所以，消焰距离是可燃物火焰蔓延能力的一个度量参数，也是度量可燃物危险程度的一个重要参数。
凡是呈细粉状态能较长时间悬浮于空气中的固体物质称为粉尘。大多数粉尘具有可燃性。即它具有与空气中的氧发生反应而放热的性质。粉尘颗粒直径在10 -3 cm以下呈气溶胶而悬浮在空气中，当其分布相当均匀和稠密时，可燃性粉尘也具有爆炸的危险性。例如煤尘、麻棉纤维尘、机械化磨粉的粉尘、谷仓的粉尘、铝、镁等金属粉尘以及以粉体为原料的塑料、有机合成等生产粉尘，均易出现悬浮状态，使这类生产存在极大的爆炸危险性。
粉尘爆炸是粉尘粒子表面分子和氧产生反应所引起的。其爆炸过程可归纳为以下：热能加在粒子表面，使其温度逐渐上升；粒子表面的分子由于热分解或干馏作用，而变为气体分布在粒子周围；这种气体与空气混合而形成爆炸性混合气体，进而发生火焰而燃烧：由于燃烧产生的热量，加速了粉尘粒子的分解，如此循环往复地形成可燃性气体物质与空气混合，从而加速燃烧波的传播。
粉尘爆炸时首先产生压力，经过0.05～0.1s后，火焰蔓延。通常在常温、常压下，燃烧波的速率为2～3m/s，由于燃烧粉尘的膨胀以及压力上升，燃烧波也很快的具有了加速度，随着燃烧波的传播，压力上升速度和爆炸压力虽比气体小，但因燃烧的时间长及产生的能量大，所以造成破坏及烧毁的程度要严重得多；爆炸时因为粒子一边燃烧一边飞散，而使周围可燃物的局部发生严重的碳化，尤其对人体，当受到燃烧的粒子冲击时，则容易受到严重的灼伤。
最初局部爆炸形成的冲击波，使周围的粉尘飞扬起来，从而连续引起二次、三次爆炸，使得危害扩大；与气体混合物爆炸相比，粉尘与空气混合物的燃烧和爆炸容易引起不完全反应。又因在生成气体中含有大量的一氧化碳，引起人体中毒的危险。
粉尘与空气混合物和可燃气体与空气混合物在一定的浓度范围内，才具有爆炸危险性。许多工业可燃粉尘的爆炸下限位于20～60g/m 3 之间，爆炸上限位于2～6kg/m 3 之间。爆炸下限的数据对工业生产具有特别重要的意义。粉尘爆炸的临界浓度，都是以某一种试验方法，在某些条件下获得的数据。
至于粉尘爆炸上限浓度，因在试验时很难造成所需的分散条件，所以一般是较难测准的，因为数据是离散的。鉴于上述原因，通常用爆炸概率表示爆炸极限浓度，而所谓临界浓度，则系指其爆炸概率为百分之几情况下的浓度。
为了防止粉尘爆炸灾害，应当挖掘其爆炸的激烈程度。通常使粉尘浓度控制在爆炸下限以下是难做到的。但是根据爆炸的激烈程度采取相应的安全措施则是可能的。例如为了防止灾害的扩大，可设计适当的爆炸压力的泄压装置。
爆炸压力和压力上升速度和其他的特性参数一样，也会受到很多因素的影响。如粉尘的种类、粒度、浓度、点火源种类、试验容器大小、气流干扰、氧浓度以及惰性粉尘杂质含量等，都使其发生很大的变化。系统考虑以上因素，确定爆炸的激烈程度是有必要的。
粉尘的最小点燃能量可解释为最易点燃的粉尘与空气混合物的浓度下，在数次连续试验时，不能点燃的能量值。在一定条件下，可燃粉尘最小点燃能量指标，可以确定安全防护措施的规模。因此，了解该参数对判断粉尘加工设备的危险性是十分重要的。
沉积在加热表面上的粉尘因受热，经过一段时间会发生阻燃现象。试验证明，粉尘最易燃烧的层厚在10～20mm范围内，沉积的阻燃粉尘甚至在极轻微的震动下，也能引起着火和爆炸。如果沉积粉尘的阴燃温度超过悬浮粉尘的燃烧温度，则在悬浮状态下燃烧温度低的粉尘，也可能燃烧。阴燃粉尘的燃烧（如在搅动时）会产生火焰。为采取必要的预防措施，必须及时和定期清扫沉积在热表面上的粉尘。
粉尘燃烧和爆炸的危险性取决于两个因素的结合，即存在悬浮状态的粉尘或沉积粉尘和足够强的燃烧源。因此，粉尘的爆炸危险性在很大程度上取决于与粉尘接触的燃烧源的特性和能量。通常粉尘爆炸所需要的引爆能量比起气体爆炸、炸药爆炸所需要的引爆能量大很多。根据粉尘生产的操作经验和对粉尘燃烧和爆炸的分析，必须对下列燃烧源引起重视：明火（气体火焰、气焊嘴和喷灯火焰、电弧）；火花（切割和焊接产生的火花，摩擦产生的火花，电火花，静电放电，燃烧炉和其他火源产生的火花）；加热的炽热的物体（电器灯具、焊铁、加热区）；加热表面（干燥炉的热表面，过载的电线和电器仪表，蒸气管线、法兰）；摩擦热；自燃、化学放热反应；热射线（放大镜）的聚热作用；燃烧热源。在每种具体条件下，都必须采取措施预防引燃引爆能源对粉尘起燃烧作用。
可燃物质的化学性爆炸必须同时具备下列三个条件，且三个条件共同作用。
（1）存在着可燃物质，包括可燃气体、蒸气或薄雾、可燃性粉尘和爆炸性粉尘、可燃性纤维。
（2）可燃物质与空气（或氧气）混合，形成爆炸性混合物并且达到爆炸极限。
（3）必须有足够引燃爆炸性混合物的引爆能量。引爆能源有明火火源、机械能、高温热体热能、化学能、电能、光能、宇宙射线、放射线的高速粒子束和电磁波能量，原子弹、炮弹、炸药等爆炸的冲击波能量等。
在实际工程和日常生活中，要防止化学性爆炸，就必须避免爆炸的三个基本条件同时存在和共同作用，这是预防可燃物质产生化学性爆炸的基本理论，也是防止可燃物质发生化学性爆炸的实质。