第二模块
化工安全技术

第三单元
防火防爆与电气安全技术

任务一
化工生产中火灾爆炸危险性识别

知识目标： 熟悉火灾爆炸分类，掌握影响爆炸极限的因素。

能力目标： 具有化工企业火灾爆炸危险性识别、分析的基本能力。

态度目标： 培养化工安全责任意识和一丝不苟的工作作风。

【案例3-1】

2012年4月22日，位于日本国山口县玖珂郡和木町和木6丁目1番2号（山口县岩国市、和木町及广岛县大竹市交界处）的三井化学株式会社岩国大竹工厂间，苯二酚生产线及黏合剂生产线于凌晨2点15分发生爆炸。事故造成厂内员工死亡1名、受伤7名，合作公司员工受伤2名，公司外部人员当地居民受伤10名，JX日矿日石能源株式会社麻里布制油所员工受伤2名，工厂内损伤生产线14条。

事发原因： 系生产木材和轮胎黏合剂的设备因故障非正常停止运转，因反应失控发生了爆炸。

一、化工生产所涉及物料的火灾爆炸危险识别

化工生产中，所作用的物料绝大部分都具有火灾爆炸危险性，从防火防爆的角度，这些物质可分为七大类。

（1）爆炸性物质，如硝化甘油、硝化棉等；

（2）氧化剂，如过氧气、氧化钠、亚硝酸钾、高锰酸钾、过氧化氢等；

（3）可燃气体，如氢气、乙炔、丁二烯等；

（4）自燃性物质，如黄磷等；

（5）遇水燃烧物质，如硫的金属化合物、轻金属等；

（6）易燃与可燃液体，如汽油、苯、甲醇等；

（7）易燃与可燃固体，如硫黄、活性炭等。

二、化学反应的火灾爆炸危险识别

1. 氧化反应

所有含有碳和氢的有机物质都是可燃的，特别是沸点较低的液体被认为有严重的火险，如汽油类、石蜡油类、醚类、醇类、酮类等有机化合物，都是具有火险的液体。许多燃烧性物质在常温下与空气接触就能反应释放出热量，如果热的释放速率大于消耗速率，就会引发燃烧。

在通常工业条件下易于起火的物质被认为具有严重的火险，如粉状金属、硼化氢、磷化氢等自燃性物质，闪点等于或低于28℃的液体，以及易燃气体。这些物质在加工或储存时，必须与空气隔绝，或是在较低的温度条件下进行。

在燃烧和爆炸条件下，所有燃烧性物质都是危险的，这不仅是由于存在足够多的热量会将其点燃并释放出危险烟雾的，还由于小的爆炸有可能扩展为易燃粉尘云，引发更大的爆炸。

2. 水敏性反应

许多物质与水、水蒸气或水溶液发生放热反应，释放出易燃或爆炸性气体。这些物质如锂、钠、钾、钙、铷、铯这类金属的合金，或汞齐、氢化物、氮化物、硫化物、碳化物、硼化物、硅化物、碲化物、硒化物、砷化物、磷化物、酸酐、浓酸或浓碱。

在上述物质中，锂合金到氢化物这8种物质，遇潮气会发生不同程度的放热反应，并释放出氢气。从氮化物到磷化物这9种物质，遇潮气会发生迅速反应，并生成挥发性的、易燃的气体，有时是自燃或爆炸性的氢化物。酸酐、浓酸或浓碱与潮气作用只是释放出热量。

3. 酸敏性反应

许多物质遇酸和酸蒸气发生放热反应，释放出氢气和其他易燃或爆炸性气体。这些物质包括前述的除酸酐和浓酸以外的水敏性物质，金属和结构合金，以及砷、硒、碲和氰化物等。

三、化工企业爆炸危险识别

1. 气体爆炸

（1）纯组元气体分解爆炸。

具有分解爆炸特性的气体在分解时，会产生相当数量的热量。摩尔分解热达到80～120kJ的气体一旦引燃，火焰就会蔓延开来。摩尔分解热高过上述量值的气体，能够发生很激烈的分解爆炸。在高压下容易引起分解爆炸的气体，当压力降至某个数值时，火焰便不再传播，这个压力称作该气体分解爆炸的临界压力。

高压乙炔非常危险，其分解爆炸方程为：

C 2 H 2 →2C（固）+H 2 +226kJ

如果分解反应无热损失，火焰温度可以高达3 100℃。乙炔分解爆炸的临界压力是0.14MPa，在这个压力以下储存乙炔就不会发生分解爆炸。此外，乙炔类化合物也同样具有分解爆炸危险，如乙烯基乙炔分解爆炸的临界压力为0.11MPa，甲基乙炔在20℃时分解爆炸的临界压力为0.44MPa，在120℃时则为0.31MPa。从有关物质危险性质手册中查阅到的分解爆炸临界压力数值，多为20℃时的数据。

（2）混合气体爆炸。

可燃气体或蒸气与空气按一定比例均匀混合，然后将其点燃，因为气体扩散过程在燃烧以前已经完成，燃烧速率将只取决于化学反应速率。在这样的条件下，气体的燃烧就有可能达到爆炸的程度。这时的气体或蒸气与空气的混合物，称为爆炸性混合物。例如，煤气从喷嘴喷出以后，在火焰外层与空气混合，这时的燃烧速率取决于扩散速率，所进行的是扩散燃烧。如果令煤气预先与空气混合并达到适当比例，燃烧的速率将取决于化学反应速率，比扩散燃烧速率大得多，就有可能形成爆炸。可燃性混合气体的爆炸和燃烧之间的区别就在于，爆炸是在瞬间完成的化学反应。

在化工生产中，可燃气体或蒸气从工艺装置、设备管线泄漏到厂房中，或空气渗入装有这种气体的设备中，都可以形成爆炸性混合气体，遇到火种，便会造成爆炸事故。化工生产中所发生的爆炸事故，大都是爆炸性混合气体的爆炸事故。

2. 粉尘爆炸

实际上任何可燃物质，当其以粉尘形式与空气按适当比例混合时，被热、火花、火焰点燃后，都能迅速燃烧并引起严重爆炸。许多粉尘爆炸的灾难性事故的发生，都是由于忽略了上述事实。谷物、面粉、煤的粉尘以及金属粉末都有这方面的危险性。化肥、木屑、奶粉、洗衣粉、纸屑、可可粉、香料、软木塞、硫黄、硬橡胶粉、皮革和其他许多物品的加工业，时有粉尘爆炸发生。为了防止粉尘爆炸，维持清洁十分重要。所有设备都应该无粉尘泄漏。爆炸卸放口应该通至室外安全地区，卸放管道应该相当坚固，使其足以承受爆炸力。真空吸尘优于清扫，禁止应用压缩空气吹扫设备上的粉尘，以免形成粉尘云。

屋顶下裸露的管线、横梁和其他突出部分都应该避免积累粉尘。在多尘操作设置区，如果有过顶的管线或其他设施，人们往往错误地认为在其下架设平滑的顶板，就可以达到防止粉尘积累的效果。但事实上，除非顶板是经过特殊设计精细安装的，否则只会增加危险。粉尘会穿过顶板沉积在管线、设施和顶板本身之上。一次震动就足以使可燃粉尘云充满整个人造空间，一个火星儿就可以引发粉尘爆炸。如果管线不能移装或拆除，最好是使其裸露并定期除尘。

为了防止引发燃烧，在粉尘没有清理干净的区域，严禁明火、吸烟、切割或焊接。电线应该是适于多尘气氛的，静电也必须消除。对于这类高危险性的物质，最好是在封闭系统内加工，在系统内导入适宜的惰性气体，把其中的空气置换掉。粉末冶金行业普遍采用这种方法。

3. 熔盐池爆炸

熔盐池爆炸属于事后抢救往往于事无补的灾难性事件，大多是由于管理和操作人员对熔盐池的潜在危险疏于认识引起的。机械故障、人员失误，或两者的复合作用，都有可能导致熔盐池爆炸。现把熔盐池危险汇总如下。

（1）工件预清洗或淬火后携带的水、盐池上方辅助管线上的冷凝水、屋顶的渗漏水、自动增湿器的操作用水、甚至操作人员在盐池边温热的液体食物，都有可能造成蒸气急剧增多，引发爆炸。

（2）有砂眼的铸件、管道和封闭管线、中空的金属部件，当其浸入熔盐池时，其中阻塞和淤积的空气会突然剧烈膨胀，引发爆炸。

（3）硝酸盐池与毗邻渗碳池的油、炭黑、石墨、氰化物等含碳物质间的剧烈的难以控制的化学反应，都有可能诱发爆炸。

（4）过热的硝酸盐池与铝合金间的剧烈的爆发性的反应也可能引起爆炸。

（5）正常加热的硝酸盐池和不慎掉入池中的镁合金间会发生爆炸反应。

（6）落入盐池中的铝合金和池底淤积的氧化铁会发生类似于铝热焊接的反应。

（7）盐池设计、制造和安装的结构失误会缩短盐池的正常寿命，盐池结构的金属材料与硝酸盐会发生反应。

（8）温控失误会造成盐池的过热。

（9）大量硝酸钠的储存和管理，废硝酸盐不考虑其反应活性的处理和储存，都有一定的危险性。

（10）偶尔超过安全操作限的控温设定，也会有一定的危险性。

相关知识拓展

火灾爆炸常识

1. 燃烧及其特性

（1）燃烧的概念。

燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应。燃烧应同时具有放热、发光、产生新的物质的三个特征。以上三个要点同时成立的才为燃烧，如氢在氯中燃烧，而金属和酸反应为非燃烧，灯泡中的灯丝亦为非燃烧。

（2）燃烧的条件。

燃烧的发生，必须同时具备以下三个条件。

① 可燃物。凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧反应的物质均称为可燃物。

② 助燃物。凡是能帮助和支持燃烧的物质均称为助燃物。如空气、氧气、高锰酸钾等，常见的有空气和氧气。

③ 着火源。凡是能引起可燃物质发生燃烧的热能源均称作着火源。如明火、摩擦、撞击、高温表面、自燃发热、化学能、电火花、聚集的日光和射线等。

实际发生燃烧不仅要具备这三个要素，还要求可燃物和助燃物达到适当的比例，着火源必须具有一定的强度，否则即使同时具备了上述三个条件，燃烧也不会发生。

因此，防火防爆安全技术可以归结为对这三个要素的控制。

燃烧要素也可以简单地表示为燃料、氧和火源这三个基本条件。在化工厂生产中，原料、中间品、产品中的可燃物品种类繁多。因空气中客观存在着一定量的氧气，以及部分化工企业还需使用其他氧化剂，所以控制火源就成为化工企业防火的最重要的措施。

2. 燃烧类别、类型及其特征参数

（1）可燃物质燃烧类别。

依据可燃物质的性质，燃烧一般可划分为四个基本类别，而每一类别还包含着不同类型的燃烧。例如，易燃液体的溢流燃烧可以是深度、流动或薄层燃烧；而金属燃烧则可以是粉末型、液体型、切削型或浇铸型燃烧。

① A类燃烧。该类燃烧定义为如木材、纤维织品、纸张等普通可燃物质的燃烧。此类燃烧都生成灼烧余烬。

② B类燃烧。该类燃烧定义为易燃石油制品或其他易燃液体、油脂等的燃烧。然而，有些固体，比如萘就是一个明显的例子，燃烧时会熔化并显示出易燃液体燃烧的一切特征，而且无灰烬。从工艺上来说，易燃气体不属于任何燃烧类别，但实际上应当作B类物质处理。

③ C类燃烧。该类燃烧定义为供电设备的燃烧。

④ D类燃烧。该类燃烧定义为可燃金属的燃烧。对于钠和钾等低熔点金属的燃烧，由于很快会成为低密度液体的燃烧，会使大多数灭火干粉沉没，而液体金属仍继续暴露在空气中，从而给灭火带来困难。这些金属会自发地与水反应，有时很剧烈，也会出现问题。

（2）燃烧类型及其特征参数。

如果按照燃烧起因，燃烧可分为闪燃、点燃和自燃三种类型。

① 闪燃和闪点。液体表面都有一定量的蒸气存在，由于蒸气压的大小取决于液体所处的温度，因此，蒸气的浓度也由液体的温度所决定。可燃液体表面的蒸气与空气形成的混合气体与火源接近时会发生瞬间燃烧，出现瞬间火苗或闪光。这种现象称为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。可燃液体的温度高于其闪点时，随时都有被火点燃的危险。

闪点这个概念主要适用于可燃液体。某些可燃固体，如樟脑和萘等，也能蒸发或升华为蒸气，因此也有闪点。表3-1和表3-2列出了一些可燃液体和一些油品的闪点。

② 点燃和着火点。可燃物质在空气充足的条件下，达到一定温度与火源接触即行着火，移去火源后仍能持续燃烧达5min以上，这种现象称为点燃。点燃的最低温度称为着火点。可燃液体的着火点约高于其闪点5～20℃。但闪点在100℃以下时，二者往往相同。在没有闪点数据的情况下，也可以用着火点表征物质的火险。

③ 自燃和自燃点。在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。自燃的最低温度称为自燃点。表3-1和表3-2列出了一些可燃液体和一些油品的自燃点。物质自燃有受热自燃和自热燃烧两种类型。

受热自燃：可燃物质在外部热源作用下温度升高，达到其自燃点而自行燃烧称之为受热自燃。在化工生产中，可燃物质由于接触高温热表面、加热或烘烤、撞击或摩擦等，均有可能导致自燃。

自热燃烧：可燃物质在无外部热源的影响下，其内部发生物理、化学或生化变化而产生热量，并不断积累使物质温度上升，达到其自燃点而燃烧。这种现象称为自热燃烧。引起物质自热的原因有：氧化热（如不饱和油脂）、分解热（如赛璐珞）、聚合热（如液相氰化氢）、吸附热（如活性炭）、发酵热（如植物）等。

影响自燃的因素有很多。热量生成速率是影响自燃的重要因素。热量生成速率可以用氧化热、分解热、聚合热、吸附热、发酵热等过程热与反应速率的乘积表示。因此，物质的过程热越大，热量生成速率也越大；温度越高，反应速率增加，热量生成速率亦增加。

热量积累是影响自燃的另一个重要因素。保温状况良好，导热率低；可燃物质紧密堆积，中心部分处于绝热状态，热量易于积累引发自燃。空气流通利于散热，则很少发生自燃。

压力、组成和催化剂性能对可燃物质自燃点的温度量值都有很大影响。压力越高，自燃点越低。活性催化剂能降低物质的自燃点；而钝性催化剂则能提高物质的自燃点。

有机化合物的自燃点呈现下述规律性：同系物中自燃点随其相对分子质量的增加而降低；直链结构的自燃点低于其异构物的自燃点；饱和链烃比相应的不饱和链烃的自燃点高；芳香族低碳烃的自燃点高于同碳数脂肪烃的自燃点；较低级脂肪酸、酮的自燃点较高；较低级醇类和醋酸酯类的自燃点较低。

可燃性固体粉碎得越细、粒度越小，其自燃点越低。固体受热分解，产生的气体量越大，自燃点越低。对于有些固体物质，受热时间较长，自燃点也较低。

3. 爆炸分类

（1）按爆炸性质分类。

① 物理爆炸。物理爆炸是指物质的物理状态发生急剧变化而引起的爆炸。如蒸汽锅炉、压缩气体、液化气体过压等引起的爆炸，都属于物理爆炸。物质的化学成分和化学性质在物理爆炸后均不发生变化。

② 化学爆炸。化学爆炸是指物质发生急剧化学反应，产生高温高压而引起的爆炸。物质的化学成分和化学性质在化学爆炸后均发生了质的变化。

（2）按爆炸速度分类。

① 轻爆。爆炸传播速度在每秒零点几米至数米之间的爆炸过程；

② 爆炸。爆炸传播速度在每秒10米至数百米之间的爆炸过程；

③ 爆轰。爆炸传播速度在每秒1 000米至数千米以上的爆炸过程。

4. 爆炸极限及其影响因素

（1）爆炸极限。

可燃气体、蒸气或粉尘与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸，而且燃烧（或爆炸）的速率也随组成而变。实验发现，当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈。若浓度减小或增加，火焰蔓延速率则降低。当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。可燃气体、蒸气或粉尘与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限；可燃气体、蒸气与空气的混合物能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。可燃气体或蒸气与空气的混合物，若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会着火或爆炸。

爆炸下限越低，爆炸极限范围越宽的物质危险性越大，越要重点预防。

气体混合物的爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积百分比来表示（%）。可燃粉尘爆炸极限，通常以每立方米混合气体中含多少克粉尘来表示（g/m 3 ）。

需要说明的是：一般来说粉尘只有爆炸下限，而无爆炸上限。

（2）影响爆炸极限的因素。

影响气体混合物爆炸极限的主要因素有混合物的原始温度、压力、着火源、容器尺寸和材质等。

① 原始温度的影响因素。爆炸性混合物的原始温度愈高，则爆炸极限范围愈宽，即爆炸下限降低，上限升高。

表3-4列出了丙酮的爆炸极限与原始温度关系。

因为系统温度升高，其分子内能增加，使原来不燃不爆的混合物成为可燃、可爆系统，所以温度升高会使爆炸危险性增大。

② 原始压力的影响因素。爆炸性混合物的原始压力对爆炸有很大的影响，在增加压力的情况下其爆炸极限的变化很复杂。一般情况下，压力增大，爆炸极限范围会扩大；压力降低，则爆炸极限范围则会缩小。在密闭容器内减压（负压）操作对安全生产是有利的。表3-5列出了甲烷在不同原始压力下的爆炸极限。

从上表看出，压力增大，上限的提高很显著，下限的变化却不显著，而且无规律。因此，我们在生产过程中，系统中随着压力的提高，爆炸极限范围会增宽，爆炸危险性会随之增大；反之，压力降低则爆炸极限范围缩小，安全性越好。所以，在生产中采取在负压情况下操作是较为安全的。

③ 介质及杂物的影响因素。若在混合物中掺入或含有一些其他介质，会影响混合物的燃烧爆炸情况。

例如，氯气中含有氢，氢气中含有氧都会增加爆炸的危险性。

在爆炸性混合物中随着惰性气体含量的增加，爆炸极限的范围就会缩小，当惰性气体提高到一定浓度（数值）时，混合物就不再会爆炸。这是由于惰性气体加入到混合物中后，使可燃物分子与氧分子隔离，在它们之间形成不燃的“障碍物”。

④ 容器的尺寸和材质影响因素。充装可燃物容器的尺寸、材质等，对物质爆炸极限均有影响。管道或容器的直径越小，爆炸极限范围也越小。实验证明，同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓延速度也越小。当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称为最大灭火间距，也称临界直径。

⑤ 着火源的影响因素。着火源的能量、火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限也有影响。以甲烷与空气的混合物为例，对电压为100V、电流强度分别为1A、2A、3A的电火花对其爆炸极限的影响如表3-6所示。

各种爆炸性混合物都有一个最低引爆能量（一般是化学理论量）。当着火源能量达到某一爆炸性混合物最低引爆能量值时，这种爆炸性混合物才会发生爆炸。

表3-7列出了部分气体的最低引爆能量。

粉尘的爆炸下限是不固定的，一般分散度越高、挥发物含量越大、火源越强、原始温度越高、温度越高、粉尘越细小就越容易引起爆炸，粉尘爆炸浓度范围就越大。这是因为，粉尘颗粒越细，表面吸附的氧就越多，着火点就越低，爆炸下限也越小，越容易发生粉尘爆炸。

学生课外任务1