第一節(jié)　燃燒與爆炸基礎(chǔ)知識

一、燃燒的基礎(chǔ)知識

燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程。燃燒過程具有發(fā)光、發(fā)熱、生成新物質(zhì)的三個特征。

1.燃燒條件

燃燒是有條件的，它必須在可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)和點火源這三個基本條件同時具備時才能發(fā)生。

（1）可燃物質(zhì)　通常把所有物質(zhì)分為可燃物質(zhì)、難燃物質(zhì)和不可燃物質(zhì)三類。可燃物質(zhì)是指在火源作用下能被點燃，并且當(dāng)點火源移去后能繼續(xù)燃燒直至燃盡的物質(zhì)；難燃物質(zhì)為在火源作用下能被點燃，當(dāng)點火源移去后不能維持繼續(xù)燃燒的物質(zhì)；不可燃物質(zhì)是指在正常情況下不能被點燃的物質(zhì)。可燃物質(zhì)是防火防爆的主要研究對象。

凡能與空氣、氧氣或其他氧化劑發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)的物質(zhì)，都可稱為可燃物質(zhì)。可燃物質(zhì)種類繁多，按物理狀態(tài)可分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三類。化工生產(chǎn)中使用的原料、生產(chǎn)中的中間體和產(chǎn)品很多都是可燃物質(zhì)。氣態(tài)如氫氣、一氧化碳、液化石油氣等；液態(tài)如汽油、甲醇、酒精等；固態(tài)如煤、木炭等。

（2）助燃物質(zhì)　凡是具有較強的氧化能力，能與可燃物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并引起燃燒的物質(zhì)均稱為助燃物質(zhì)。例如，空氣、氧氣、氯氣、氟和溴等物質(zhì)。

（3）點火源　凡是能引起可燃物質(zhì)燃燒的能源均可稱為點火源。常見的點火源有明火、電火花、熾熱物體等。

可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)和點火源是導(dǎo)致燃燒的三要素，缺一不可，是必要條件。上述“三要素”同時存在，燃燒能否實現(xiàn)，還要看是否滿足數(shù)值上的要求。在燃燒過程中，當(dāng)“三要素”的數(shù)值發(fā)生改變時，也會使燃燒速度改變甚至停止燃燒。例如，空氣中氧的含量降到16%～14%時，木柴的燃燒立即停止。如果在可燃?xì)怏w與空氣的混合物中，減少可燃?xì)怏w的比例，則燃燒速度會減慢，甚至停止燃燒。例如氫氣在空氣中的含量小于4%時就不能被點燃。點火源如果不具備一定的溫度和足夠的熱量，燃燒也不會發(fā)生。例如飛濺的火星可以點燃油棉絲或刨花，但火星如果濺落在大塊的木柴上，它會很快熄滅，不能引起木柴的燃燒。這是因為這種點火源雖然有超過木柴著火的溫度，但卻缺乏足夠熱量。因此，對于已經(jīng)進行著的燃燒，若消除“三要素”中的一個條件，或使其數(shù)量有足夠的減少，燃燒便會終止，這就是滅火的基本原理。

2.燃燒過程

可燃物質(zhì)的燃燒都有一個過程，這個過程隨著可燃物質(zhì)的狀態(tài)不同，其燃燒過程也不同。氣體最容易燃燒，只要達到其氧化分解所需的熱量便能迅速燃燒。可燃液體的燃燒并不是液相與空氣直接反應(yīng)而燃燒，而是先蒸發(fā)為蒸氣，蒸氣在與空氣混合而燃燒。對于可燃固體，若是簡單物質(zhì)，如硫、磷及石蠟等，受熱時經(jīng)過熔化、蒸發(fā)、與空氣混合而燃燒；若是復(fù)雜物質(zhì)，如煤、瀝青、木材等，則是先受熱分解出可燃?xì)怏w和蒸氣，然后與空氣混合而燃燒，并留下若干固體殘渣。由此可見，絕大多數(shù)可燃物質(zhì)的燃燒是在氣態(tài)下進行的，并產(chǎn)生火焰。有的可燃固體如焦炭等不能成為氣態(tài)物質(zhì)，在燃燒時呈熾熱狀態(tài)，而不呈現(xiàn)火焰。各種可燃物質(zhì)的燃燒過程如圖3-1所示。

綜上所述，根據(jù)可燃物質(zhì)燃燒時的狀態(tài)不同，燃燒有氣相和固相兩種情況。氣相燃燒是指在進行燃燒反應(yīng)過程中，可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)均為氣體，這種燃燒的特點是有火焰產(chǎn)生。氣相燃燒是一種最基本的燃燒形式。固相燃燒是指在燃燒反應(yīng)過程中，可燃物質(zhì)為固態(tài)，這種燃燒亦稱為表面燃燒，特征是燃燒時沒有火焰產(chǎn)生，只呈現(xiàn)光和熱，如焦炭的燃燒。一些物質(zhì)的燃燒既有氣相燃燒，也有固相燃燒，如煤的燃燒。

3.燃燒類型

根據(jù)燃燒的起因不同，燃燒可分為閃燃、著火和自燃三類。

（1）閃燃和閃點　可燃液體的蒸氣（包括可升華固體的蒸氣）與空氣混合后，遇到明火而引起瞬間（延續(xù)時間少于5s）燃燒，稱為閃燃。液體能發(fā)生閃燃的最低溫度，稱為該液體的閃點。閃燃往往是著火先兆，可燃液體的閃點越低，越易著火，火災(zāi)危險性越大。某些可燃液體的閃點見表3-1。

應(yīng)當(dāng)指出，可燃液體之所以會發(fā)生一閃即滅的閃燃現(xiàn)象，是因為它在閃點溫度下蒸發(fā)速率較慢，所蒸發(fā)出來的蒸氣僅能維持短時間的燃燒，而來不及提供足夠的蒸氣補充維持穩(wěn)定的燃燒。

除了可燃液體以外，某些能蒸發(fā)出蒸氣的固體，如石蠟、樟腦、萘等，其表面上所產(chǎn)生的蒸氣可以達到一定的濃度，與空氣混合而成為可燃的氣體混合物，若與明火接觸，也能出現(xiàn)閃燃現(xiàn)象。

（2）著火與燃點　可燃物質(zhì)在有足夠助燃物質(zhì)（如充足的空氣、氧氣）的情況下，有點火源作用引起的持續(xù)燃燒現(xiàn)象，稱為著火。使可燃物質(zhì)發(fā)生持續(xù)燃燒的最低溫度，稱為燃點或著火點。燃點越低，越容易著火。一些可燃物質(zhì)的燃點見表3-2。

可燃液體的閃點與燃點的區(qū)別是，在燃點時燃燒的不僅是蒸氣，還有液體（即液體已達到燃燒溫度，可提供保持穩(wěn)定燃燒的蒸氣）。另外，在閃點時移去火源后閃燃即熄滅，而在燃點時移去火源后則能繼續(xù)燃燒。

控制可燃物質(zhì)的溫度在燃點以下是預(yù)防發(fā)生火災(zāi)的措施之一。在火場上，如果有兩種燃點不同的物質(zhì)處在相同的條件下，受到火源作用時，燃點低的物質(zhì)首先著火。用冷卻法滅火，其原理就是將燃燒物質(zhì)的溫度降到燃點以下，使燃燒停止。

（3）自燃和自燃點　可燃物質(zhì)受熱升溫而不需明火作用就能自行著火燃燒的現(xiàn)象，稱為自燃。可燃物質(zhì)發(fā)生自燃的最低溫度，稱為自燃點。自燃點越低，則火災(zāi)危險性越大。一些可燃物質(zhì)的自燃點見表3-3。

化工生產(chǎn)中，由于可燃物質(zhì)靠近蒸氣管道，加熱或烘烤過度，化學(xué)反應(yīng)的局部過熱，在密閉容器中加熱溫度高于自燃點的可燃物一旦泄漏，均可發(fā)生可燃物質(zhì)自燃。

4.熱值和燃燒溫度

（1）熱值　指單位質(zhì)量或單位體積的可燃物質(zhì)完全燃燒時所放出的總熱量。可燃性固體和可燃性液體的熱值以“J/kg”表示，可燃?xì)怏w（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的熱值以“J/m³”表示。可燃物質(zhì)燃燒爆炸時所達到的最高溫度、最高壓力及爆炸力等均與物質(zhì)的熱值有關(guān)。部分物質(zhì)的熱值見表3-4。

（2）燃燒溫度　可燃物質(zhì)燃燒時所放出的熱量，一部分被火焰輻射散失，大部分消耗在加熱燃燒上，由于可燃物質(zhì)所產(chǎn)生的熱量是在火焰燃燒區(qū)域內(nèi)析出的，因而火焰溫度也就是燃燒溫度。部分可燃物質(zhì)的熱值和燃燒溫度見表3-4。

二、爆炸的基礎(chǔ)知識

爆炸是物質(zhì)在瞬間以機械功的形式釋放出大量氣體和能量的現(xiàn)象。由于物質(zhì)狀態(tài)的急劇變化，爆炸發(fā)生時會使壓力猛烈增高并產(chǎn)生巨大的聲響。其主要特征是壓力的急劇升高。

上述所謂“瞬間”，就是說爆炸發(fā)生于極短的時間內(nèi)。例如乙炔罐里的乙炔與氧氣混合發(fā)生爆炸時，大約是在1/100s內(nèi)完成下列化學(xué)反應(yīng)

反應(yīng)同時釋放出大量熱量和二氧化碳、水蒸氣等氣體，使罐內(nèi)壓力升高10～13倍，其爆炸威力可以使罐體升空20～30m。這種克服地心引力將重物舉高一段距離，就是所說的機械功。

在化工生產(chǎn)中，一旦發(fā)生爆炸，就會釀成傷亡事故，造成人身和財產(chǎn)的巨大損失，使生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響。

1.爆炸的分類

（1）按照爆炸能量來源的不同分類

①物理性爆炸。是由物理因素（如溫度、體積、壓力等）變化而引起的爆炸現(xiàn)象。在物理性爆炸的前后，爆炸物質(zhì)的化學(xué)成分不改變。

鍋爐的爆炸就是典型的物理性爆炸，其原因是過熱的水迅速蒸發(fā)出大量蒸汽，使蒸汽壓力不斷提高，當(dāng)氣壓超過鍋爐的極限強度時，就會發(fā)生爆炸。又如氧氣鋼瓶受熱升溫，引起氣體壓力增高，當(dāng)氣壓超過鋼瓶的極限強度時即發(fā)生爆炸。發(fā)生物理性爆炸時，氣體或蒸汽等介質(zhì)潛藏的能量在瞬間釋放出來，會造成巨大的破壞和傷害。

②化學(xué)性爆炸。使物質(zhì)在短時間內(nèi)完成化學(xué)反應(yīng)，同時產(chǎn)生大量氣體和能量而引起的爆炸現(xiàn)象。化學(xué)性爆炸前后，物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)成分均發(fā)生了根本的變化。

例如用來制造炸藥的硝化棉在爆炸時放出大量熱量，同時生成大量氣體（CO、CO₂、H₂和水蒸氣等），爆炸時的體積竟會突然增大47萬倍，燃燒在萬分之一秒內(nèi)完成。因而會對周圍物體產(chǎn)生毀滅性的破壞作用。

（2）按照爆炸的瞬時燃燒速度分類

①輕爆。物質(zhì)爆炸時的燃燒速度為每秒數(shù)米，爆炸時無多大破壞力，聲響也不大。如無煙火藥在空氣中的快速燃燒，可燃?xì)怏w混合物在接近爆炸濃度上限或下限時的爆炸即屬于此類。

②爆炸。物質(zhì)爆炸時的燃燒速度為每秒十幾米至數(shù)百米，爆炸時能在爆炸點引起壓力激增，有較大的破壞力，有震耳的聲響。可燃?xì)怏w混合物在多數(shù)情況下的爆炸，以及被壓火藥遇火源引起的爆炸即屬于此類。

③爆轟。物質(zhì)爆炸的燃燒速度為1000～7000m/s。爆轟時的特點是突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超聲速的“沖擊波”。由于在極短時間內(nèi)發(fā)生的燃燒產(chǎn)物急劇膨脹，像活塞一樣擠壓其周圍氣體，反應(yīng)所產(chǎn)生的能量有一部分傳給被壓縮的氣體層，于是形成的沖擊波由它本身的能量所支持，迅速傳播并能遠離爆轟的發(fā)源地而獨立存在，同時可引起該處的其他爆炸性氣體混合物（火炸藥）發(fā)生爆炸，從而發(fā)生一種“殉爆”現(xiàn)象。

2.化學(xué)性爆炸物質(zhì)

根據(jù)爆炸時所進行的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)性爆炸物質(zhì)可分為以下幾種。

（1）簡單分解的爆炸物　這類物質(zhì)在爆炸時分解為元素，并在分解過程中產(chǎn)生熱量。屬于此類的物質(zhì)有乙炔銅、乙炔銀、碘化氮、疊氮鉛等，這類容易分解的不穩(wěn)定物質(zhì)，其爆炸危險性是很大的，受摩擦、撞擊、甚至輕微震動即可能發(fā)生爆炸。如乙炔銀受摩擦或撞擊時的分解爆炸

（2）復(fù)雜分解的爆炸物　這類物質(zhì)包括各種含氧炸藥，其危險性較簡單分解的爆炸物稍低，含氧炸藥在發(fā)生爆炸時伴有燃燒反應(yīng)，燃燒所需的氧由物質(zhì)本身分解供給。如苦味酸、梯恩梯、硝化棉等都屬于此類。

（3）可燃性混合物　是指由可燃物質(zhì)與助燃物質(zhì)組成的爆炸物質(zhì)。所有可燃?xì)怏w、蒸氣和可燃粉塵與空氣（或氧氣）組成的混合物均屬此類。如一氧化碳與空氣混合的爆炸反應(yīng)

這類爆炸實際上是在火源作用下的一種瞬間燃燒反應(yīng)。通常稱可燃性混合物為有爆炸危險的物質(zhì)，它們只是在適當(dāng)?shù)臈l件下，才會成為危險的物質(zhì)。這些條件包括可燃物質(zhì)的濃度、氧化劑濃度以及點火能量等。

3.爆炸極限

（1）爆炸極限　可燃性氣體、蒸氣或粉塵與空氣組成的混合物，并不是在任何濃度下都會發(fā)生燃燒或爆炸，而是必須在一定的濃度比例范圍內(nèi)才能發(fā)生燃燒和爆炸。而且混合的比例不同，其爆炸的危險程度亦不同。例如，由CO與空氣構(gòu)成的混合物在火源作用下的燃爆試驗情況如下。

CO在混合氣中所占體積/%　　燃爆情況

　＜12.5　　不燃不爆

　12.5　　輕度燃爆

　12.5～30　　燃爆逐步加強

CO在混合氣中所占體積/%　　燃爆情況

　30　　燃爆最強烈

　30～80　　燃爆逐漸減弱

　＞80　　不燃不爆

上述試驗情況說明：可燃性混合物有一個發(fā)生燃燒和爆炸的含量范圍，即有一個最低含量和最高含量。混合物中的可燃物只有在這兩個含量之間，才會有燃爆危險。通常將最低含量稱為爆炸下限，最高含量稱為爆炸上限。混合物含量低于爆炸下限時，由于混合物含量不夠及過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延；混合物含量高于爆炸上限時，則由于氧氣不足，使火焰不能蔓延。可燃性混合物的爆炸下限越低、爆炸極限范圍越寬，其爆炸的危險性越大。

必須指出，含量在爆炸上限以上的混合物決不能認(rèn)為是安全的，因為一旦補充進空氣就具有危險性了。一些氣體和液體蒸氣的爆炸極限見表3-5。

（2）可燃?xì)怏w、蒸氣爆炸極限的影響因素　爆炸極限受許多因素的影響，表3-5給出的爆炸極限數(shù)值對應(yīng)的條件是常溫常壓。當(dāng)溫度、壓力及其他因素發(fā)生變化時，爆炸極限也會發(fā)生變化。

①溫度。一般情況下爆炸性混合物的原始溫度越高，爆炸極限范圍也越大。因此溫度升高會使爆炸的危險性增大。

②壓力。一般情況下壓力越高，爆炸極限范圍越大，尤其是爆炸上限顯著提高。因此，減壓操作有利于減小爆炸的危險性。

③惰性介質(zhì)及雜物。一般情況下惰性介質(zhì)的加入可以縮小爆炸極限范圍，當(dāng)其濃度高到一定數(shù)值時可使混合物不發(fā)生爆炸。雜物的存在對爆炸極限的影響較為復(fù)雜，如少量硫化氫的存在會降低水煤氣在空氣混合物中的燃點，使其更易爆炸。

④容器。容器直徑越小，火焰在其中越難于蔓延，混合物的爆炸極限范圍則越小。當(dāng)容器直徑或火焰通道小到一定數(shù)值時，火焰不能蔓延，可消除爆炸危險，這個直徑稱為臨界直徑或最大滅火間距。如甲烷的臨界直徑為0.4～0.5mm，氫和乙炔為0.1～0.2mm。

⑤氧含量。混合物中含氧量增加，爆炸極限范圍擴大，尤其是爆炸上限顯著提高。可燃?xì)怏w在空氣中和純氧中的爆炸極限范圍的比較見表3-6。

⑥點火源。點火源的能量、熱表面的面積、點火源與混合物的作用時間等均對爆炸極限有影響。

各種爆炸性混合物都有一個最低引爆能量，即點火能量。它是混合物爆炸危險性的一項重要參數(shù)。爆炸性混合物的點火能量越小，其燃爆危險性就越大。

4.粉塵爆炸

（1）粉塵爆炸的含義　人們很早就發(fā)現(xiàn)某些粉塵具有發(fā)生爆炸的危險性。如煤礦里的煤塵爆炸，磨粉廠、谷倉里的粉塵爆炸，鎂粉、碳化鈣粉塵等與水接觸后引起的自燃或爆炸等。

粉塵爆炸是粉塵粒子表面和氧作用的結(jié)果。當(dāng)粉塵表面達到一定溫度時，由于熱分解或干餾作用，粉塵表面會釋放出可燃性氣體，這些氣體與空氣形成爆炸性混合物，而發(fā)生粉塵爆炸。因此，粉塵爆炸的實質(zhì)是氣體爆炸。使粉塵表面溫度升高的原因主要是熱輻射的作用。

（2）粉塵爆炸的影響因素

①物理化學(xué)性質(zhì)。燃燒熱越大的粉塵越易引起爆炸，例如煤塵、碳、硫等；氧化速率越大的粉塵越易引起爆炸，如煤、燃料等；越易帶靜電的粉塵越易引起爆炸；粉塵所含的揮發(fā)分越大越易引起爆炸，如當(dāng)煤粉中的揮發(fā)分低于10%時不會發(fā)生爆炸。

②粉塵顆粒大小。粉塵的顆粒越小，其比表面積越大（比表面積是指單位質(zhì)量或單位體積的粉塵所具有的總表面積），化學(xué)活性越強，燃點越低，粉塵的爆炸下限越小，爆炸的危險性越大。爆炸粉塵的粒徑范圍一般為0.1～100μm左右。

③粉塵的懸浮性。粉塵在空氣中停留的時間越長，其爆炸的危險性越大。粉塵的懸浮性與粉塵的顆粒大小、粉塵的密度、粉塵的形狀等因素有關(guān)。

④空氣中粉塵的濃度。粉塵的濃度通常用單位體積中粉塵的質(zhì)量來表示，其單位為mg/m³。空氣中粉塵只有達到一定的濃度，才可能會發(fā)生爆炸。因此粉塵爆炸也有一定的濃度范圍，即有爆炸下限和爆炸上限。由于通常情況下，粉塵的濃度均低于爆炸濃度下限，因此粉塵的爆炸上限濃度很少使用。表3-7列出了一些粉塵的爆炸下限。