第一节 燃烧与爆炸基础知识
一、燃烧的基础知识
燃烧是一种复杂的物理化学过程。燃烧过程具有发光、发热、生成新物质的三个特征。
1.燃烧条件
燃烧是有条件的，它必须在可燃物质、助燃物质和点火源这三个基本条件同时具备时才能发生。
（1）可燃物质 通常把所有物质分为可燃物质、难燃物质和不可燃物质三类。可燃物质是指在火源作用下能被点燃，并且当点火源移去后能继续燃烧直至燃尽的物质；难燃物质为在火源作用下能被点燃，当点火源移去后不能维持继续燃烧的物质；不可燃物质是指在正常情况下不能被点燃的物质。可燃物质是防火防爆的主要研究对象。
凡能与空气、氧气或其他氧化剂发生剧烈氧化反应的物质，都可称为可燃物质。可燃物质种类繁多，按物理状态可分为气态、液态和固态三类。化工生产中使用的原料、生产中的中间体和产品很多都是可燃物质。气态如氢气、一氧化碳、液化石油气等；液态如汽油、甲醇、酒精等；固态如煤、木炭等。
（2）助燃物质 凡是具有较强的氧化能力，能与可燃物质发生化学反应并引起燃烧的物质均称为助燃物质。例如，空气、氧气、氯气、氟和溴等物质。
（3）点火源 凡是能引起可燃物质燃烧的能源均可称为点火源。常见的点火源有明火、电火花、炽热物体等。
可燃物质、助燃物质和点火源是导致燃烧的三要素，缺一不可，是必要条件。上述“三要素”同时存在，燃烧能否实现，还要看是否满足数值上的要求。在燃烧过程中，当“三要素”的数值发生改变时，也会使燃烧速度改变甚至停止燃烧。例如，空气中氧的含量降到16%～14%时，木柴的燃烧立即停止。如果在可燃气体与空气的混合物中，减少可燃气体的比例，则燃烧速度会减慢，甚至停止燃烧。例如氢气在空气中的含量小于4%时就不能被点燃。点火源如果不具备一定的温度和足够的热量，燃烧也不会发生。例如飞溅的火星可以点燃油棉丝或刨花，但火星如果溅落在大块的木柴上，它会很快熄灭，不能引起木柴的燃烧。这是因为这种点火源虽然有超过木柴着火的温度，但却缺乏足够热量。因此，对于已经进行着的燃烧，若消除“三要素”中的一个条件，或使其数量有足够的减少，燃烧便会终止，这就是灭火的基本原理。
2.燃烧过程
可燃物质的燃烧都有一个过程，这个过程随着可燃物质的状态不同，其燃烧过程也不同。气体最容易燃烧，只要达到其氧化分解所需的热量便能迅速燃烧。可燃液体的燃烧并不是液相与空气直接反应而燃烧，而是先蒸发为蒸气，蒸气在与空气混合而燃烧。对于可燃固体，若是简单物质，如硫、磷及石蜡等，受热时经过熔化、蒸发、与空气混合而燃烧；若是复杂物质，如煤、沥青、木材等，则是先受热分解出可燃气体和蒸气，然后与空气混合而燃烧，并留下若干固体残渣。由此可见，绝大多数可燃物质的燃烧是在气态下进行的，并产生火焰。有的可燃固体如焦炭等不能成为气态物质，在燃烧时呈炽热状态，而不呈现火焰。各种可燃物质的燃烧过程如图3-1所示。
图 3-1 可燃物质的燃烧过程
综上所述，根据可燃物质燃烧时的状态不同，燃烧有气相和固相两种情况。气相燃烧是指在进行燃烧反应过程中，可燃物质和助燃物质均为气体，这种燃烧的特点是有火焰产生。气相燃烧是一种最基本的燃烧形式。固相燃烧是指在燃烧反应过程中，可燃物质为固态，这种燃烧亦称为表面燃烧，特征是燃烧时没有火焰产生，只呈现光和热，如焦炭的燃烧。一些物质的燃烧既有气相燃烧，也有固相燃烧，如煤的燃烧。
3.燃烧类型
根据燃烧的起因不同，燃烧可分为闪燃、着火和自燃三类。
（1）闪燃和闪点 可燃液体的蒸气（包括可升华固体的蒸气）与空气混合后，遇到明火而引起瞬间（延续时间少于5s）燃烧，称为闪燃。液体能发生闪燃的最低温度，称为该液体的闪点。闪燃往往是着火先兆，可燃液体的闪点越低，越易着火，火灾危险性越大。某些可燃液体的闪点见表3-1。
表3-1 某些可燃液体的闪点
应当指出，可燃液体之所以会发生一闪即灭的闪燃现象，是因为它在闪点温度下蒸发速率较慢，所蒸发出来的蒸气仅能维持短时间的燃烧，而来不及提供足够的蒸气补充维持稳定的燃烧。
除了可燃液体以外，某些能蒸发出蒸气的固体，如石蜡、樟脑、萘等，其表面上所产生的蒸气可以达到一定的浓度，与空气混合而成为可燃的气体混合物，若与明火接触，也能出现闪燃现象。
（2）着火与燃点 可燃物质在有足够助燃物质（如充足的空气、氧气）的情况下，有点火源作用引起的持续燃烧现象，称为着火。使可燃物质发生持续燃烧的最低温度，称为燃点或着火点。燃点越低，越容易着火。一些可燃物质的燃点见表3-2。
表3-2 一些可燃物质的燃点
可燃液体的闪点与燃点的区别是，在燃点时燃烧的不仅是蒸气，还有液体（即液体已达到燃烧温度，可提供保持稳定燃烧的蒸气）。另外，在闪点时移去火源后闪燃即熄灭，而在燃点时移去火源后则能继续燃烧。
控制可燃物质的温度在燃点以下是预防发生火灾的措施之一。在火场上，如果有两种燃点不同的物质处在相同的条件下，受到火源作用时，燃点低的物质首先着火。用冷却法灭火，其原理就是将燃烧物质的温度降到燃点以下，使燃烧停止。
（3）自燃和自燃点 可燃物质受热升温而不需明火作用就能自行着火燃烧的现象，称为自燃。可燃物质发生自燃的最低温度，称为自燃点。自燃点越低，则火灾危险性越大。一些可燃物质的自燃点见表3-3。
表3-3 一些可燃物质的自燃点
化工生产中，由于可燃物质靠近蒸气管道，加热或烘烤过度，化学反应的局部过热，在密闭容器中加热温度高于自燃点的可燃物一旦泄漏，均可发生可燃物质自燃。
4.热值和燃烧温度
（1）热值 指单位质量或单位体积的可燃物质完全燃烧时所放出的总热量。可燃性固体和可燃性液体的热值以“J/kg”表示，可燃气体（标准状态）的热值以“J/m3”表示。可燃物质燃烧爆炸时所达到的最高温度、最高压力及爆炸力等均与物质的热值有关。部分物质的热值见表3-4。
（2）燃烧温度 可燃物质燃烧时所放出的热量，一部分被火焰辐射散失，大部分消耗在加热燃烧上，由于可燃物质所产生的热量是在火焰燃烧区域内析出的，因而火焰温度也就是燃烧温度。部分可燃物质的热值和燃烧温度见表3-4。
表3-4 部分物质的热值和燃烧温度
二、爆炸的基础知识
爆炸是物质在瞬间以机械功的形式释放出大量气体和能量的现象。由于物质状态的急剧变化，爆炸发生时会使压力猛烈增高并产生巨大的声响。其主要特征是压力的急剧升高。
上述所谓“瞬间”，就是说爆炸发生于极短的时间内。例如乙炔罐里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
反应同时释放出大量热量和二氧化碳、水蒸气等气体，使罐内压力升高10～13倍，其爆炸威力可以使罐体升空20～30m。这种克服地心引力将重物举高一段距离，就是所说的机械功。
在化工生产中，一旦发生爆炸，就会酿成伤亡事故，造成人身和财产的巨大损失，使生产受到严重影响。
1.爆炸的分类
（1）按照爆炸能量来源的不同分类
①物理性爆炸。是由物理因素（如温度、体积、压力等）变化而引起的爆炸现象。在物理性爆炸的前后，爆炸物质的化学成分不改变。
锅炉的爆炸就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，当气压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，当气压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。
②化学性爆炸。使物质在短时间内完成化学反应，同时产生大量气体和能量而引起的爆炸现象。化学性爆炸前后，物质的性质和化学成分均发生了根本的变化。
例如用来制造炸药的硝化棉在爆炸时放出大量热量，同时生成大量气体（CO、CO2、H2和水蒸气等），爆炸时的体积竟会突然增大47万倍，燃烧在万分之一秒内完成。因而会对周围物体产生毁灭性的破坏作用。
（2）按照爆炸的瞬时燃烧速度分类
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。可燃气体混合物在多数情况下的爆炸，以及被压火药遇火源引起的爆炸即属于此类。
③爆轰。物质爆炸的燃烧速度为1000～7000m/s。爆轰时的特点是突然引起极高压力，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剧膨胀，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（火炸药）发生爆炸，从而发生一种“殉爆”现象。
2.化学性爆炸物质
根据爆炸时所进行的化学反应，化学性爆炸物质可分为以下几种。
（1）简单分解的爆炸物 这类物质在爆炸时分解为元素，并在分解过程中产生热量。属于此类的物质有乙炔铜、乙炔银、碘化氮、叠氮铅等，这类容易分解的不稳定物质，其爆炸危险性是很大的，受摩擦、撞击、甚至轻微震动即可能发生爆炸。如乙炔银受摩擦或撞击时的分解爆炸
（2）复杂分解的爆炸物 这类物质包括各种含氧炸药，其危险性较简单分解的爆炸物稍低，含氧炸药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。如苦味酸、梯恩梯、硝化棉等都属于此类。
（3）可燃性混合物 是指由可燃物质与助燃物质组成的爆炸物质。所有可燃气体、蒸气和可燃粉尘与空气（或氧气）组成的混合物均属此类。如一氧化碳与空气混合的爆炸反应
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，才会成为危险的物质。这些条件包括可燃物质的浓度、氧化剂浓度以及点火能量等。
3.爆炸极限
（1）爆炸极限 可燃性气体、蒸气或粉尘与空气组成的混合物，并不是在任何浓度下都会发生燃烧或爆炸，而是必须在一定的浓度比例范围内才能发生燃烧和爆炸。而且混合的比例不同，其爆炸的危险程度亦不同。例如，由CO与空气构成的混合物在火源作用下的燃爆试验情况如下。
CO在混合气中所占体积/% 燃爆情况
＜12.5 不燃不爆
12.5 轻度燃爆
12.5～30 燃爆逐步加强
CO在混合气中所占体积/% 燃爆情况
30 燃爆最强烈
30～80 燃爆逐渐减弱
＞80 不燃不爆
上述试验情况说明：可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的含量范围，即有一个最低含量和最高含量。混合物中的可燃物只有在这两个含量之间，才会有燃爆危险。通常将最低含量称为爆炸下限，最高含量称为爆炸上限。混合物含量低于爆炸下限时，由于混合物含量不够及过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；混合物含量高于爆炸上限时，则由于氧气不足，使火焰不能蔓延。可燃性混合物的爆炸下限越低、爆炸极限范围越宽，其爆炸的危险性越大。
必须指出，含量在爆炸上限以上的混合物决不能认为是安全的，因为一旦补充进空气就具有危险性了。一些气体和液体蒸气的爆炸极限见表3-5。
表3-5 一些气体和液体蒸气的爆炸极限
（2）可燃气体、蒸气爆炸极限的影响因素 爆炸极限受许多因素的影响，表3-5给出的爆炸极限数值对应的条件是常温常压。当温度、压力及其他因素发生变化时，爆炸极限也会发生变化。
①温度。一般情况下爆炸性混合物的原始温度越高，爆炸极限范围也越大。因此温度升高会使爆炸的危险性增大。
②压力。一般情况下压力越高，爆炸极限范围越大，尤其是爆炸上限显著提高。因此，减压操作有利于减小爆炸的危险性。
③惰性介质及杂物。一般情况下惰性介质的加入可以缩小爆炸极限范围，当其浓度高到一定数值时可使混合物不发生爆炸。杂物的存在对爆炸极限的影响较为复杂，如少量硫化氢的存在会降低水煤气在空气混合物中的燃点，使其更易爆炸。
④容器。容器直径越小，火焰在其中越难于蔓延，混合物的爆炸极限范围则越小。当容器直径或火焰通道小到一定数值时，火焰不能蔓延，可消除爆炸危险，这个直径称为临界直径或最大灭火间距。如甲烷的临界直径为0.4～0.5mm，氢和乙炔为0.1～0.2mm。
⑤氧含量。混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大，尤其是爆炸上限显著提高。可燃气体在空气中和纯氧中的爆炸极限范围的比较见表3-6。
表3-6 可燃气体在空气中和纯氧中的爆炸极限范围
⑥点火源。点火源的能量、热表面的面积、点火源与混合物的作用时间等均对爆炸极限有影响。
各种爆炸性混合物都有一个最低引爆能量，即点火能量。它是混合物爆炸危险性的一项重要参数。爆炸性混合物的点火能量越小，其燃爆危险性就越大。
4.粉尘爆炸
（1）粉尘爆炸的含义 人们很早就发现某些粉尘具有发生爆炸的危险性。如煤矿里的煤尘爆炸，磨粉厂、谷仓里的粉尘爆炸，镁粉、碳化钙粉尘等与水接触后引起的自燃或爆炸等。
粉尘爆炸是粉尘粒子表面和氧作用的结果。当粉尘表面达到一定温度时，由于热分解或干馏作用，粉尘表面会释放出可燃性气体，这些气体与空气形成爆炸性混合物，而发生粉尘爆炸。因此，粉尘爆炸的实质是气体爆炸。使粉尘表面温度升高的原因主要是热辐射的作用。
（2）粉尘爆炸的影响因素
①物理化学性质。燃烧热越大的粉尘越易引起爆炸，例如煤尘、碳、硫等；氧化速率越大的粉尘越易引起爆炸，如煤、燃料等；越易带静电的粉尘越易引起爆炸；粉尘所含的挥发分越大越易引起爆炸，如当煤粉中的挥发分低于10%时不会发生爆炸。
②粉尘颗粒大小。粉尘的颗粒越小，其比表面积越大（比表面积是指单位质量或单位体积的粉尘所具有的总表面积），化学活性越强，燃点越低，粉尘的爆炸下限越小，爆炸的危险性越大。爆炸粉尘的粒径范围一般为0.1～100μm左右。
③粉尘的悬浮性。粉尘在空气中停留的时间越长，其爆炸的危险性越大。粉尘的悬浮性与粉尘的颗粒大小、粉尘的密度、粉尘的形状等因素有关。
④空气中粉尘的浓度。粉尘的浓度通常用单位体积中粉尘的质量来表示，其单位为mg/m3。空气中粉尘只有达到一定的浓度，才可能会发生爆炸。因此粉尘爆炸也有一定的浓度范围，即有爆炸下限和爆炸上限。由于通常情况下，粉尘的浓度均低于爆炸浓度下限，因此粉尘的爆炸上限浓度很少使用。表3-7列出了一些粉尘的爆炸下限。
表3-7 一些粉尘的爆炸下限
