2.3 爆炸机理及特性

2.3.1 分解爆炸机理及特性

具有分解爆炸特性的物质如乙炔（C ₂ H ₂ ）、叠氮铅［Pb（N ₂ ） ₂ ］等，在温度、压力或摩擦、撞击等外界因素作用下，会发生爆炸性分解。在生产中必须采取相应的防护措施，防止发生这类事故。

1）气体分解爆炸

能够发生爆炸性分解的气体，在温度、压力等作用下的分解反应，会释放相当数量的热量，从而给燃爆提供所需的能量。生产中常见的乙炔、乙烯、环氧乙烷和三氧化氮、臭氧、氯气等气体，都具有发生分解爆炸的危险。

以乙炔（C ₂ H ₂ ）为例，当乙炔受热或受压时容易发生聚合、加成、取代和爆炸性分解等化学反应，温度达到 200～300 ℃时，乙炔分子就开始发生聚合反应，形成其他更复杂的化合物。例如，生成苯（C ₆ H ₆ ）、苯乙烯（C ₈ H ₈ ）等的聚合反应时放出热量：

放出的热量使乙炔的温度升高，促使聚合反应加强、加速，从而放出更多的热量，以致形成恶性循环，最后当温度达到 700 ℃，压力超过 0.15 MPa时，未聚合反应的乙炔分子就会发生爆炸性分解。

乙炔是吸热化合物，即由元素组成乙炔时需要消耗大量的热。当乙炔分解时即放出它在生成时所吸收的全部热量：

分解时的生成物是细粒固体碳、氢气，如果这种分解是在密闭容器（如乙炔储罐、乙炔发生器或乙炔瓶）内进行的，则由于温度的升高，压力急剧增大 10～13 倍而引起容器爆炸。由此可知，如果在乙炔的聚合反应过程能及时地导出大量的热，则可避免发生爆炸性分解。

增加压力也能促使和加速乙炔的聚合及分解反应。温度和压力对乙炔的聚合与爆炸分解的影响可用如图 2-1 所示的曲线来表示。图中曲线表明，压力越高，聚合反应促成分解爆炸所需的温度就越低；温度越高，在较小的压力下就会发生爆炸性分解。

此外，乙烯在高压下的分解反应式为

分解爆炸所需的能量，随压力的升高而降低。

氮氧化物在一定压力下会产生分解爆炸，其分解反应式为

高压下容易引起分解爆炸的气体，当压力降至某数值时，就不再发生分解爆炸，此压力称为分解爆炸的临界压力。乙炔分解爆炸的临界压力为 0.14 MPa，N ₂ O为0.25 MPa，NO为 0.15 MPa，乙烯在 0 ℃下的分解爆炸临界压力为 4 MPa。

2）简单分解爆炸

有些化学结构简单的物质，在爆炸时分解为元素，并在分解过程中产生热量，如乙炔银、乙炔铜、碘化氮、叠氮铅等。乙炔银受摩擦或撞击时的分解爆炸反应式为

Ag ₂ C ₂ →2Ag＋2C＋Q

简单分解的爆炸性物质很不稳定，受摩擦、撞击，甚至轻微震动都可能发生爆炸，其危险性很大。例如，某化工厂的乙炔发生器出气接头损坏后，焊工用紫铜做成接头，使用了一段时间，发现出气孔被黏性杂质堵塞，则用铁丝去捅，正在来回捅的时候，突然发生爆炸，该焊工当场被炸死。起初找不出事故原因，后来调查组调查，才确定事故原因是铁丝与接头出气孔内表面的乙炔铜互相摩擦，引起乙炔铜的分解爆炸。该事故原因说明为什么安全规程规定，与乙炔接触的设备零件，不得用含铜量超过 70％的铜合金制作。

3）复杂分解爆炸

化学结构复杂的物质，如各种含氧炸药和烟花爆竹等，在发生爆炸时伴有燃烧反应，燃烧所需的氧由物质本身分解供给。苦味酸、梯恩梯、硝化棉等都属于此类。例如，硝化甘油的分解爆炸反应式为

4C ₃ H ₅ （ONO ₂ ） ₃ →12CO ₂ ＋10H ₂ O＋O ₂ ＋6N ₂ ＋Q

2.3.2 可燃混合气体爆炸机理及特性

1）燃爆特性

可燃性混合物是指由可燃物与助燃物组成的爆炸性物质，所有可燃气体与空气（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为

2CO＋O ₂ ＋3.76N ₂ 2CO ₂ ＋3.76N ₂ ＋Q

这类爆炸实际上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，工业生产中遇到的主要是这类爆炸事故。

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，必须是在一定的比例范围内混合才能发生燃爆。混合的比例不同，其爆炸的危险程度不相同。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表 2- 4。

表 2-4 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，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）。可燃物质的爆炸极限受诸多因素的影响。例如，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（ _g /m ³ ）来表示的，如铝粉的爆炸极限为 40 _g /m ³ 。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 12.5％和 80％。这两者有时也称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时，既不爆炸，也不着火。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，火焰不能蔓延。正因如此，可燃性混合物的浓度大致相当于完全反应的浓度（上述的 30％）时，具有最大的爆炸威力。完全反应的浓度可根据燃烧反应方程式计算出来。

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，与容器内的可燃物混合形成爆炸条件。在生产过程中，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，但当它从容器或管道里逸出，重新接触空气时却能燃烧，仍有发生着火的危险。

2.3.3 粉尘爆炸机理及特性

粉尘爆炸的危险性存在于不少工业生产部门，目前已发现下述 7 类粉尘具有爆炸性：①金属，如镁粉、铝粉；②煤炭，如活性炭和煤；③粮食，如面粉、淀粉；④合成材料，如塑料、染料；⑤饲料，如血粉、鱼粉；⑥农副产品，如棉花、烟草；⑦林产品，如纸粉、木粉等。

1）粉尘爆炸的机理和特点

与气体爆炸的条件类似，粉尘爆炸需满足以下 5 个条件才能发生，即：①有一定的粉尘浓度；②有一定的氧含量；③有足够的点火能量；④要处于悬浮状态（粉尘云）；⑤最好处于相对封闭空间（便于升温升压）。

（1）爆炸机理

关于粉尘爆炸的机理，有两种说法，即气相点火机理和表面非均相点火机理。

气相点火机理认为，粉尘爆炸的过程经历了 4 个步骤：第一步是颗粒受热后升温；第二步是颗粒达到一定温度后发生热分解或蒸发汽化；第三步是颗粒蒸发汽化后与空气混合形成爆炸性混合气体；第四步是爆炸性混合气体燃烧甚至爆炸，如图 2-2 所示。

表面非均相点火机理认为，粉尘爆炸的过程经历了 3 个步骤：第一步是氧气与颗粒表面直接发生反应，颗粒表面着火；第二步是挥发分（就是蒸发的气体）在粉尘颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗粒表面扩散；第三步是挥发分着火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。

粉尘混合物的爆炸反应是一种连锁反应，即在火源作用下，产生原始小火球，随着热和活性中心的发展和传播，火球不断扩大而形成爆炸。

（2）爆炸特点

与气体混合物的爆炸相比较，粉尘混合物的爆炸有下列特点：

①粉尘混合物爆炸时，其燃烧并不完全（这和气体或蒸气混合物有所不同）。例如，煤粉爆炸时，燃烧的基本是所分解出来的气体产物，灰渣来不及燃烧。

②有产生二次爆炸的可能性，因为粉尘初次爆炸的气浪会将粉尘扬起，在新的空间形成达到爆炸极限的粉尘混合物而产生二次爆炸，这种连续爆炸会造成更为严重的破坏和后果。

③爆炸的感应期相对较长，粉尘的燃烧过程比气体的燃烧过程复杂，有的要经过尘粒表面的分解或蒸发阶段，有的有一个由表面向中心延烧的过程，感应期较长，可达数十秒，为气体的数十倍。

④粉尘点火的起始能量大，达 10 J数量级，为气体的近百倍。

⑤粉尘爆炸会产生两种有毒气体：一种是一氧化碳；另一种是爆炸物（如塑料）自身分解的毒性气体。

2）粉尘爆炸极限

飞扬悬浮于空气中的粉尘与空气组成的混合物，也和气体或蒸气混合物一样，具有爆炸下限和爆炸上限。粉尘混合物的爆炸危险性以其爆炸浓度下限（ _g /m ³ ）来表示。这是因为粉尘混合物达到爆炸下限时，所含固体物已相当多，以云雾（尘云）的形状而存在，这样高的浓度通常只有设备内部或直接接近它的发源地的地方才能达到。至于爆炸上限，其浓度太高，以致大多数场合都不会达到，没有实际意义，如糖粉的爆炸上限为13.5 kg/m ³ 。常见粉尘的爆炸下限及着火点见表 2-5。

爆炸性粉尘混合物的爆炸下限不是固定不变的，它的变化与下列因素有关：分散度、湿度、火源的性质、可燃气含量、氧含量、惰性粉尘和灰分、温度等。一般来说，分散度越高，可燃气体和氧的含量越大，火源强度、原始温度越高，湿度越低，惰性粉尘及灰分越少，爆炸范围越大。

粒度越细的粉尘，其单位体积的表面积越大，越容易飞扬，所需点火能量越小，容易发生爆炸，如图 2-3 所示。

随着空气中氧含量的增加，爆炸浓度范围则扩大。有关资料表明，在纯氧中的爆炸浓度下限能下降到只有在空气中的 1/4～1/3，如图 2- 4 所示。

当粉尘云与可燃气体共存时，爆炸浓度相应下降，而且点火能量有一定程度的降低。可燃气体的存在会大大增加粉尘的爆炸危险性，如图 2-5 所示。

爆炸性混合物中的惰性粉尘和灰分有吸热作用。例如，煤粉中含 11％的灰分时还能爆炸，而当灰分达 15％～30％时，就很难爆炸了。空气中的水分除了吸热作用之外，水蒸气占据空间，稀释了氧含量而降低粉尘的燃烧速度，而且水分增加了粉尘的凝聚沉降，使爆炸浓度不易出现，粉尘爆炸的最小点火能量升高。当温度和压力增加，含水量减少时，爆炸浓度极限范围扩大，所需点火能量减小，如图 2-6 所示。

粉尘的爆炸压力由两种原因产生：一是生成气态产物，其分子数在多数场合下超过原始混合物中气体的分子数；二是气态产物被加热到高温。

粉尘防爆的原则是缩小粉尘扩散范围、清除积尘、控制火源、适当增湿、做好通风、采用抑爆泄爆装置等。 COzXJfoCx/n7e1JTHLPYNsvmhEf9mCBDKIEZP8PmK0QL2X3N3MEmr13ap2XACJBb