3.4 第四节 可燃气体的爆炸

《消防燃烧学》教案序号3.4课题第三章第四节可燃气体的爆炸课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解爆炸的定义、特征、发生条件，掌握化学爆炸三要素（放热性、快速性、生成或存在气体物质）及爆炸的分类（按原因性质、按反应相、按传播速率）；2.掌握可燃气体的爆炸机理：单一气体分解爆炸（乙炔、乙烯、氮氧化合物、环氧乙烷）、混合气体爆炸（空气、氧气、其他助燃气体混合气、气云爆炸）；3.理解爆炸极限和爆轰极限的概念，掌握爆炸危险度（式3-14）的计算及应用（表3-9、表3-10）；4.掌握爆炸极限的估算方法（经验公式法式3-15、式3-16，化学计量浓度法式3-17～式3-19，莱-夏特尔公式式3-20）和爆炸压力的计算（式3-21）；5.理解爆炸极限的主要影响因素（初始温度、初始压力、含氧量、惰性气体、容器直径和材质、最低引爆能量）及爆炸极限在消防中的应用。本节是《消防燃烧学》第三章"可燃气体的燃烧"中的第四节。爆炸是可燃气体最危险的燃烧形式，在引言中已指出可燃气体最危险的燃烧形式是爆炸，且在特定条件下还会引起爆轰。爆炸极限、爆轰极限、爆炸危险度、爆炸压力的计算直接关系到可燃气体火灾爆炸危险性评估、电气防爆选型、建筑防火设计和灭火救援处置。对于消防救援人员而言，掌握爆炸机理和爆炸极限有助于判断爆炸危险、估算爆炸破坏范围、正确选择处置措施。【过程与方法】1.通过化学爆炸三要素的分析（硝酸铵分解、铝热剂反应等），掌握爆炸发生的条件；2.通过爆炸分类（物理/化学/核、气/液/固相、爆燃/爆炸/爆轰）的对比，掌握各类爆炸的特征；3.通过例题3-2～例题3-6的演算，掌握爆炸危险度和爆炸极限的估算及爆炸压力的计算方法；4.通过爆炸极限影响因素的分析（初始温度图3-3、初始压力图3-4、含氧量图3-5等），掌握爆炸极限的变化规律。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识可燃气体爆炸的严重破坏性（爆炸冲击波、震荡作用、爆炸碎片、次生事故），理解爆炸极限在防火安全中的重要性（评定爆炸危险性、电气防爆选型、建筑防火设计），树立防范爆炸、科学处置的意识，增强消防救援人员的职业责任感和应急处置能力。结合氧气充装物理爆炸与化学爆炸之争、化工厂氢气爆炸等案例，培养严谨的事故分析思维。（二）教学要求1.识记爆炸的定义、特征和化学爆炸三要素，掌握爆炸的分类；2.掌握可燃气体的爆炸机理（单一气体分解爆炸、混合气体爆炸、气云爆炸）；3.掌握爆炸极限、爆轰极限、爆炸危险度的概念及计算（式3-14）；4.掌握爆炸极限的估算（式3-15～式3-20）和爆炸压力的计算（式3-21）；5.掌握爆炸极限的主要影响因素及在消防中的应用。二、教学重点1.化学爆炸三要素（放热性、快速性、生成或存在气体物质）；2.爆炸的分类（按原因性质、按反应相、按传播速率）及各类爆炸的特征；3.爆炸极限、爆轰极限、爆炸危险度的概念及计算；4.爆炸极限的主要影响因素。三、教学难点1.化学爆炸三要素的理解（放热性、快速性、生成气体）；2.爆炸极限的估算方法（经验公式法、化学计量浓度法、莱-夏特尔公式）及例题的运用；3.爆炸压力的计算（式3-21）及例题的运用；4.爆炸极限与温度、压力、含氧量、惰性气体、容器直径等影响因素的关系。四、教学方法与手段本节教学内容以可燃气体的爆炸为主，数据表13个（表3-5爆轰发生时的压力温度速率、表3-6冲击波对砖墙建筑物的破坏、表3-7冲击波对生物体杀伤作用、表3-8压力气体分解爆炸的影响、表3-9爆轰浓度范围、表3-10爆炸危险度指标、表3-11最大爆炸压力、表3-12厂房耐火等级、表3-13库房耐火等级、表3-14丙酮爆炸极限、表3-15空气与纯氧爆炸极限比较、表3-16二氧化碳对汽油爆炸极限影响、表3-17最低引爆能量），插图3张（图3-3温度对氢爆炸极限影响、图3-4压力对甲烷爆炸极限影响、图3-5氨气-氧气-氮气混合气体爆炸极限），公式8个（式3-14～式3-21），例题5个（例题3-2～例题3-6），案例2个（氧气充装物理爆炸与化学爆炸之争、化工厂盐酸车间氢气爆炸）。教学应注重爆炸机理的分层讲解、爆炸极限的计算演示、数据表的对比分析和影响因素的条理化归纳。授课全过程使用PPT课件，将爆炸分类、爆炸极限、三张插图、13张数据表清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合氧气充装爆炸、化工厂氢气爆炸等真实案例帮助学员理解爆炸机理和爆炸极限的意义。教学中注重理论联系实际：爆炸极限是评定可燃气体爆炸危险性大小的主要依据，直接用于电气防爆选型（爆炸下限小于10%为甲类，用隔爆型电气设备）、建筑防火设计（耐火等级、面积、疏散距离）、安全生产操作（配比控制在爆炸极限外、充惰性气体稀释）。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么乙炔爆炸危险性最大""为什么温度升高爆炸极限范围变宽""为什么减压操作可以避免爆炸危险"），启发学员思考，将爆炸知识应用于消防实践。五、教学过程设计首先，从爆炸的定义引入，讲解爆炸的特征和发生条件（化学爆炸三要素）；其次，讲解爆炸的分类（按原因性质、按反应相、按传播速率）及爆炸的破坏作用；再次，讲解可燃气体的爆炸机理（单一气体分解爆炸、混合气体爆炸、气云爆炸）；第四，讲解爆炸极限和爆轰极限（爆炸危险度式3-14）；第五，讲解爆炸极限的估算（式3-15～式3-20）和爆炸压力的计算（式3-21）；第六，讲解爆炸极限的主要影响因素和消防应用；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，前面三节我们学习了气体的特性、燃烧过程和燃烧形式、燃烧速率。在引言中我们提到，可燃气体最危险的燃烧形式是爆炸，且在特定条件下还会引起爆轰，对建筑物、工业设施等造成严重破坏。那么，爆炸是如何发生的？爆炸有哪些类型？什么是爆炸极限？如何估算爆炸极限和爆炸压力？带着这些问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第三章可燃气体的燃烧【板书】第四节可燃气体的爆炸【板书】一、爆炸的定义和分类【板书】（一）爆炸的定义【讲解】爆炸是指在周围介质中瞬间形成高压的化学反应或状态变化，通常伴有强烈放热、发光和声响。在变化过程中，伴有物质能量的快速释放，爆炸发生时，物系压力急剧升高，常伴有发光、发热、巨响等现象。【讲解】例如：炸药化学能量的高速释放会产生爆炸；高速碰撞时，弹体动能急剧变化，也能产生爆炸；高速粒子束（加强激光束、相对论电子束、重离子束）作用于物质上，同样能形成爆炸；工业技术上的高压放电，大型铸件在水中落沙冷却，高压容器受热，乙炔管道回火，都会产生爆炸；煤粉或面粉悬浮于空气中、天然气与空气的混合物，在一定条件下也会产生爆炸；自然界中的雷电、地震、火山爆发，也都是爆炸现象。【讲解】爆炸是一种以系统压力快速升高、产生破坏性压力为特征的气体动力学现象。这种定义方式是一种宏观的描述，适用于物理的、化学的爆炸过程。"气体动力学现象"是指爆炸是通过气体的膨胀来实现的。【讲解】根据爆炸过程的动态描述，爆炸还可以定义为物质从一种状态经物理或化学变化突变为另一种状态，伴随着巨大的能量快速释放，产生声、光、热或机械功等，使爆炸点周围介质中的压力发生骤增的过程。【板书】爆炸的特征【讲解】一般地说，爆炸是一种极其迅速的物理和化学的能量释放过程，在此过程中，系统的潜能转变为运动的机械能，然后对外做功。总的看来，爆炸过程可以分为两个阶段：【板书】阶段一：某种形式的能量以一定方式转变为爆炸物或产物的压缩能；【板书】阶段二：压缩态急剧膨胀过程中做机械功，进而引起附近介质的变形、移动和破坏。【讲解】整个爆炸过程体现出两方面的基本特征：【板书】内部特征：发生爆炸时，大量气体和能量在有限的体积内突然释放或急剧转化，并在极短时间内、有限空间中积聚，造成高温高压等非常态对邻近介质形成急剧的压力突跃和随后的复杂运动，显示出不寻常的移动或机械破坏效应。这个突然上升的压力是产生破坏作用的直接原因。【板书】外部特征：爆炸将能量以一定的方式转变为原物质或产物的压缩能，随后物质由压缩态膨胀，在膨胀过程中作机械功，进而引起附近介质的变形、破坏和移动。同时由于介质振动而发生一定的声响效应。热量是爆炸能量的源泉，快速使有限的能量高度积聚，生成或存在的气体则是能量转换、能量释放的工作介质。【板书】爆炸发生的条件【讲解】由于爆炸性质不同，其爆炸机理、原因也不同。就其本质原因来讲，爆炸现象的发生是由物质系统的能量、速度和气体三种要素的变化而引起的。【讲解】物理爆炸是一种因体系中物理能量失控而导致物质以极快的速度释放能量，转变为光、热、机械功等能量形式的爆炸现象。从锅炉爆炸、压力容器爆炸、大量水急剧气化等常见物理爆炸角度看，物理爆炸发生的条件可归结为：爆炸体系内存有高压气体或在爆炸瞬间生成高温高压气体或蒸气急剧膨胀，以及爆炸体系与周围介质之间发生急剧的压力突变。【板书】从爆炸反应特征看，化学反应要成为爆炸反应必须同时具备反应过程的放热性、反应过程高速度和反应过程产生大量气体产物等三个条件，常被称为"化学爆炸三要素"。【板书】1．反应的放热性【讲解】热是爆炸能量的源泉，爆炸反应只有在爆炸物自身提供能量的条件下才能自动进行。没有这个条件，爆炸过程就根本不能发生；没有这个条件，反应也就不能自行延续，因而也不可能出现爆炸过程的反应传播。显然，依靠外界供给能量来维持其分解的物质，不可能具有爆炸的性质。【讲解】以不同条件下硝酸铵分解反应为例，硝酸铵在低温加热条件下只会发生缓慢分解反应，反应过程需要吸收能量，所以根本不会发生爆炸；但在雷管引爆条件下，则会发生快速放热分解反应和猛烈爆炸。【讲解】另外，反应的放热不完全在乎放热量的多少，还取决于放热速度的快慢。例如氮和溴的混合物在较低的温度下就会发生爆炸，虽然此反应的热效应只有35.2J/mol；氮和氢的反应热效应虽然很高，但在无催化剂时通常不发生反应生产氨。【板书】2．反应的快速性【讲解】只有在发生快速的反应时，释放的有限能量才能高度聚积，最终形成压力的突然变化。由于过程的高速度，爆炸物内所具有的能量在极短时间内放出，达到极高能量密度，所以爆炸物具有巨大做功功率和强烈的破坏作用。【讲解】而一般的燃料燃烧虽然能够放出大量的热，但未必发生爆炸。例如，1kg木材完全燃烧放热量约为16700kJ，约需要10min，而1kgTNT炸药完全爆炸所释放出的热量仅为4200kJ，但爆炸过程只需几十微秒。正是由于爆炸反应过程极短，速度极快，导致反应热来不及移出而全部集中在爆炸物原有体积内，从而造成一般化学反应无法达到的极高能量密度，产生巨大的功率和强烈的破坏力。【板书】3．生成或存在气体物质【讲解】爆炸瞬间爆炸物定容地转化为气体产物，其密度要比正常条件下气体的密度大几百倍到几千倍，也就是说正常情况下这样多体积的气体被强烈压缩在爆炸物爆炸前所占据的体积内，从而造成10的9次方～10的10次方Pa以上的高压。同时由于反应的放热性，这样处于高温、高压下的气体产物必然急剧地膨胀，把爆炸物的位能变成气体运动的动能，对周围介质做功，在这个过程中，气体产物既是造成高压的原因，又是对外界介质做功的工作介质。【讲解】爆炸反应的这一必要条件可以用铝热剂反应来说明。铝热剂反应热效应很大，而且反应速度也相当快，通常其反应热效应足以将产物加热到2500℃左右的高温，但铝热剂并不具备爆炸作用，只是一种高热燃烧剂，根本原因是反应过程不能产生气体产物。【讲解】在某些情况下，有足够的放热性和快速性，虽不生成气体，但也会发生爆炸过程。例如，研细的大量铝热剂在空气中燃烧时，由于铝热剂及周围空气受热膨胀，也会发生爆炸。但是，这种爆炸是空气受热后产生的，并不是铝热剂本身发生的。又如，气体物质在爆炸时气体量有时不会增加，往往还可能减少，氢气和氧气混合形成的爆鸣气就是如此。虽然反应过程体积减小了三分之一，但由于在高温下气体体积会增加，在短时间内达到1MPa以上，从而具有一定的爆炸性。【板书】爆炸的分类【板书】1．按爆炸的原因和性质分类【讲解】按爆炸的原因和性质，可将爆炸分为核爆炸、物理爆炸和化学爆炸。【板书】物理爆炸。由物理变化引起的爆炸，物质因状态或压力发生突变而形成的爆炸现象。【讲解】高压蒸汽锅炉当过热蒸汽压力超过锅炉能承受的程度时，锅炉破裂，高压蒸汽骤然释放出来，形成爆炸。陨石落地对目标的撞击等物体高速碰撞时，物体高速运动产生的动能，在碰撞点的局部区域内迅速转化为热能，使受碰撞部位的压力和温度急剧升高，碰撞部位发生急剧变形，伴随巨大响声，形成爆炸现象。【讲解】自然界中的雷电也属于物理爆炸，它是由带有不同电荷的云块间发生强烈的放电现象，使能量在10的-6～10的-7次方s内释放出来，放电区达到极大的能量密度和高温，导致放电区空气压力急剧升高并迅速膨胀，对周围空气产生强烈扰动，从而形成闪电雷鸣般的爆炸现象。高压电流通过细金属丝时，温度可达到2×10的4次方℃，使金属丝瞬间化为气态而引起爆炸现象。【板书】化学爆炸。由化学变化引起的爆炸，包括可燃气体与助燃气体混合引起的爆炸、气体分解爆炸（如C2H2）、炸药爆炸（复杂分解爆炸）、化学反应过程引起的爆炸、粉尘爆炸、可燃雾滴爆炸、混合危险物质的爆炸等。【讲解】化学爆炸一般经历两个阶段：一是爆炸源的化学反应在瞬间完成并产生大量气体和热量，由于时间很短，气体产物来不及扩散而占据爆炸源原始空间，而热量也来不及传递，全部用来加热气体，因而产生高压气体，这一阶段取决于化学反应；二是高压气体急剧向周围扩散，挤压周围空气，产生压力冲击波，并引起空气的震荡而产生声响，同时造成周围人、物的破坏，化学能转变为热能和机械能。这属于物理过程。【讲解】化学爆炸本质上也是一种燃烧过程，只不过速度要快得多。【板书】核爆炸。是核裂变、核聚变反应所放出的巨大核能引起的。【讲解】核爆炸反应释放的能量比炸药爆炸时放出的化学能大得多，核爆炸中心温度可达10的7次方K数量级以上，压力可达10的15次方Pa以上，同时产生极强的冲击波、光辐射和粒子的贯穿辐射等，比炸药爆炸具有更大的破坏力。化学爆炸和核爆炸反应都是在微秒量级的时间内完成的。【板书】【案例】氧气充装的物理爆炸与化学爆炸之争【讲解】某双氧水厂刚刚完成生产系统检修，11时40分开车生产。12时10分，双氧水车间氢气过滤器忽然冒出黑烟。经查是氢化釜内的催化剂发生燃烧，当即停车待修。15时25分检修尚未开始，30m之外的氧气充装站突然爆炸。正在作业的两名工人全部烧伤，其中许某的胸腹烧伤面积达49%以上。【讲解】出事后，1号压氧机分离瓶炸开；从分离瓶出口到1号充氧线左、右操作阀、压力表、安全放空阀等全部炸烂；长21m的高压铜管炸开7处，断口呈高温熔化状；现场的墙上有火焰喷烧的痕迹；距压氧机分离瓶爆炸处6m的正面白墙下方还有一大滩"来历不明"的水迹……现场人员听到两次爆炸声，看到爆炸时的红火光，出事后的室内弥漫着"白雾"。【讲解】事故发生后，两个事故调查组同时展开调查，但面对同一个事故和完全相同的现场，却得出两个完全相反的结论。【讲解】A组一致认定，事故是"违章超压运行"造成"物理性爆炸"。理由是爆炸部位正是工人操作部位，也是系统压力最高，承压能力较薄弱处。这里操作人员曾有过超压充装，提高装瓶速度的"习惯性违章"。【讲解】B组却提出：这很可能是一次"化学性爆炸"。理由是纯氧爆炸不会起火，而且一旦有了排放口，压力得到释放，爆炸就会停止，不可能像这样在一根完全相通的高压铜管上一连炸出七个独立的大洞。【讲解】后经工厂对系统各个部位气体重新取样分析发现，气体纯度存在严重问题，生产区4个300m3的储气柜，数十支高压气瓶等全充满了十分危险的爆炸性混合气体。一下敲打、一点火花、一次快速的阀门开闭……会引起一串串惊天动地的大爆炸！爆炸就发生在他们打开阀门的那瞬间。爆炸后室内的"白雾"，白墙下方"来历不明"的大滩水迹，都是氢、氧混合大爆炸的产物！【讲解】经排查，事故发生的根源在电解水车间的电解槽上。经拆开检查发现，3、4号槽内所有的电极板两面全部发黑。正常情况下，电极板只有负极一面发黑，是它吸附了钠离子的原因。而现在正极板也黑了，说明正极变成了负极。由此推断，电极板正、负极接反了。经现场检查证明，推断完全正确。原来检修后两台新改装的电解槽正负电极装反了。这样本该出氧的，出了氢；本该出氢的，来了氧。这才是系统氢氧大混合的真正原因。【讲解】这个案例启示我们：物理爆炸与化学爆炸虽然破坏现象相似，但起因和处置完全不同。该事故实为电解槽正负极接反导致氢氧混合，形成爆炸性混合气体引发的化学爆炸，而非单纯的物理爆炸。准确判断爆炸性质，对事故调查和预防至关重要。【板书】2．按照爆炸反应相分类【讲解】爆炸物可以是气体、液体和固体状态，甚至是气液混合物、气固混合物等，根据爆炸反应相态的不同，爆炸通常可以分为三类。【板书】（1）气相爆炸【讲解】气相爆炸根据混合物组成的差别又可以分为：可燃气体混合物爆炸、单一气体热分解爆炸、可燃粉尘爆炸、可燃液体雾滴爆炸（喷雾爆炸）。【板书】可燃气体混合物爆炸。可燃气体或蒸气与助燃性气体按一定比例混合，在点火源作用下引起的爆炸。可燃性气体除氢气、天然气、乙炔、LPG外，还有汽油、苯类、醇类、醚类等可燃液体蒸发出来的蒸气。大范围内形成爆炸气体环境会造成"气云爆炸"。【板书】单一气体热分解爆炸。单一气体由于分解反应产生大量反应热而引起的爆炸。如C2H2、C2H4、CH2=CHCl、环氧乙烷、丙二烯、甲基乙炔、乙烯基乙炔、二氧化氯、叠氮化氢等分解时引起的爆炸。【板书】可燃粉尘爆炸。可燃固体的细微粉尘在一定浓度呈悬浮状态分散在空气等助燃性气体中时，由着火源作用而引起的爆炸。如分散在空气中的Mg、Al、Ti、Si、Ca以及硫黄、面粉、化纤等粉尘引起的爆炸。【板书】可燃液体雾滴爆炸（喷雾爆炸）。空气中的可燃液体被喷成雾状物剧烈燃烧时引起的爆炸。如油压机喷出的油雾引起的爆炸。【板书】（2）液相爆炸【讲解】液相爆炸是指物质在爆炸前主要以液体状态存在，在爆炸瞬间产生大量气体的爆炸过程。这种爆炸形式主要有聚合爆炸（如在液相中进行悬浮聚合、乳液聚合等反应）、过热液体爆炸（如蒸汽爆炸）、不同液体混合发生的爆炸（如硝酸和油脂，液氧和煤粉，熔融的钢水与水接触，催化性物质加入液相反应物）等。【板书】（3）固相爆炸【讲解】固相爆炸是指固体状态的物质发生的爆炸。固相爆炸主要有爆炸性物质（如固体炸药乙炔铜等）分解爆炸，固体物质混合、熔融引起的爆炸，导线因电流过载造成过热导致金属发生迅速气化而爆炸等。【板书】3．按爆炸传播速率分类【讲解】化学爆炸按照爆炸速率，可分为爆燃、爆炸、爆轰（又称爆震）。【板书】（1）爆燃指以亚音速传播的燃烧。通常指爆炸速率在每秒数米以下的爆炸，这种爆炸的破坏力不大，声响也不大。【讲解】例如，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等。【板书】（2）爆炸指在周围介质中瞬间形成高压的化学反应或状态变化，通常伴有强烈放热、发光和声响。通常指速率为每秒十几米到数百米的爆炸。【讲解】这种爆炸能在爆炸点周围引起压力的激增，有震耳的声响，有较大的破坏力，爆炸产物传播速率很快而且可变。例如，火药遇火源引起的爆炸，可燃气体混合物在多数情况下的爆炸。【板书】（3）爆轰指以冲击波为特征，传播速率大于未反应物质中声速的化学反应。通常指爆炸速率为每秒千米的爆炸。【讲解】发生爆轰时能在爆炸点引起极高压力，并产生超音速的"冲击波"。这种爆炸的特点是具备了相应的条件之后突然发生的（时间在10的-5次方s～10的-6次方s之间），同时产生高速（2000m/s～3000m/s）、高温（1300～3000℃）、高压（10～40万大气压）、高能（2930～6279kJ/kg）、高冲击力（破坏力）的"冲击波"。【讲解】这种冲击波能远离爆震源独立存在，并能引起位于一定距离处、与其没有什么联系的其他爆炸性气体混合物或炸药的爆炸，从而产生一种"殉爆"现象。所以，爆轰具有很大的破坏力。各种处于部分或全部封闭状态下的炸药爆炸，处于特定的浓度范围内预混可燃气体（如氢气和空气混合物为18～59%）或处于高压下的爆炸均属于爆轰，如表3-5所示。【讲解】从表3-5可以看出，爆轰发生时产生极高的压力（×10的5次方Pa级）、温度（K级）和传播速率（m/s级），计算值与试验值基本吻合，体现了爆轰的强烈破坏特征。【讲解】对于由可燃气体混合物引起的爆轰，气体浓度有一定的要求，如乙炔的爆炸极限为2.5%~80%，而发生爆轰的浓度范围为：乙炔-空气（4.1%~50%），乙炔-氧气（3.5%~92%）；浓度不同，其爆轰速度也不同，例如：浓度为40%（乙炔-氧气），其爆轰速率为2716m/s，浓度为40%（乙炔-氧气），其爆轰速率为2812m/s；另外，爆轰速率还与压力有关，如：98%乙炔分解爆炸，压力为0.5MPa时，速率为1050m/s，压力为2.0MPa时，速率为2812m/s。【讲解】燃烧过程也可以产生爆炸，燃烧导致的爆炸可以按照燃烧速率分为两类：一类是由爆炸性混合气体的火焰波以低于声速传播的燃烧过程称为爆燃；另一类是由爆炸性混合气体的火焰波在管道内以高于声速传播的燃烧过程称为爆轰。【板书】（五）爆炸的破坏作用【讲解】爆炸引起的破坏作用主要表现为爆炸冲击波、震荡作用、爆炸碎片和造成次生事故等。【板书】1．爆炸冲击波【讲解】爆炸形成的冲击波是一种通过空气传播的压力波，产生的高温、高压、高能量密度的气体产物，以极高的速率向周围膨胀，强烈压缩周围的静止空气，使其压力、密度和温度突然升高，像活塞运动一样向前推进，产生波状气压向四周扩散冲击。【讲解】这种冲击波能造成附近建筑物的破坏，其破坏程度与冲击波的能量大小有关，与建筑物本身的坚固性和建筑物与产生冲击波的中心距离有关。同样的建筑物，在同一距离内由于冲击波扩散所受到的阻挡作用不同，受到的破坏程度也不同。此外还与建筑的形状和大小有关。如果建筑物的宽和高都不大，冲击波易于绕过，则破坏较轻；反之，则破坏较重。冲击波对建筑物的破坏和对生物体杀伤作用见表3-6、3-7所示。【板书】2．震荡作用【讲解】爆炸发生时，特别是较猛烈的爆炸往往会引起短暂的地震波。例如，哈尔滨亚麻厂发生粉尘爆炸时，有连续3次爆炸，结果在该市地震局的地震检测仪上，记录了在7s之内的曲线上出现3次高峰。在爆炸波及的范围内，这种地震波会造成爆源附近地面及地面一切物体产生颠簸和摇晃，当这种震荡作用达到一定的强度时，即可造成爆炸区周围建筑物和构筑物的开裂、松散、倒塌等破坏作用。【板书】3．爆炸碎片【讲解】爆炸的破坏效应会使机械设备、装备、容器等材料的碎片飞散出去，其距离一般可达100～500m，在相当大的范围造成伤害，化工生产爆炸事故中，由于爆炸碎片造成的伤亡占很大比例。在工程爆破中，特别是进行抛掷爆破和用裸露药包进行爆破时，个别岩石块可能飞散得很远，常常造成人员、设备和建筑物的破坏。【板书】4．造成次生事故【讲解】爆炸发生时，如果车间、库房（如制氢车间、汽油库或其他建筑物）里存放有可燃物质，会造成火灾；高空作业人员受冲击波或震荡作用，会造成高空坠落事故；粉尘作业场所，轻微的爆炸冲击波会使积存在地面上的粉尘扬起，造成更大范围的二次爆炸等。【提问】请同学们思考：爆炸冲击波、震荡作用、爆炸碎片、次生事故各有什么危害？举例说明。【讲解】爆炸冲击波能造成附近建筑物破坏和生物体杀伤，破坏程度与冲击波能量、建筑物坚固性和距离有关；震荡作用造成爆源附近地面及物体颠簸摇晃，导致建筑物开裂倒塌；爆炸碎片飞散距离可达100～500m，造成人员伤害和设备破坏；次生事故如爆炸引发火灾、高空坠落、二次粉尘爆炸等。这些都是爆炸破坏作用的重要方面，消防处置时应全面考虑。【板书】二、可燃气体的爆炸【板书】（一）单一气体分解爆炸【讲解】有分解爆炸特性的气体一般是指该气体分解可以产生相当数量的热量。当分解热达到84~126kJ/mol的物质在一定条件下点火后，火焰就能传播开来。分解热在这个范围以上的气体，其爆炸是很激烈的。【板书】乙炔热分解爆炸【讲解】若无热量损失，乙炔热分解爆炸火焰温度可达3100℃。在1.2L的容器中测定其爆炸压力为初始压力的9~10倍。初始压力影响达到最大爆炸压力的时间和诱导距离。这里的"诱导距离"是指从爆炸源到最大爆炸压力处的距离，即爆炸波成长为爆轰波的距离。压力对气体分解爆炸的影响见表3-8。【讲解】从表3-8可以看出，初始压力越高，达到最大爆炸压力的时间越短，诱导距离越短。压缩乙炔有爆炸危险，压力越高，爆炸威力越大。但压力降到临界压力（0.137MPa，表压）以下就不会发生爆炸。【讲解】另外，乙炔类化合物也具有分解爆炸性能。乙烯基乙炔分解爆炸的临界压力为0.11~0.14MPa，甲基乙炔20℃为0.43MPa，120℃为0.30MPa。【板书】乙烯分解爆炸【讲解】分解爆炸所需要的能量随着压力的升高而降低。如AlCl3存在时，分解爆炸更易发生。乙烯在0℃以下分解爆炸的临界压力约为3.0MPa。【板书】氮氧化合物分解爆炸【讲解】氮氧化合物分解爆炸的临界压力为0.26MPa（氧化亚氮）、0.15MPa等。【板书】环氧乙烷（EO）分解爆炸【讲解】环氧乙烷分解爆炸的临界压力为0.039MPa。125℃时，初压为0.26MPa，分解爆炸的最大爆压是初压的2倍；初压为1.18MPa时，最大爆压是初压的5.6倍。【板书】（二）混合气体爆炸【讲解】混合气体爆炸是指可燃气体或蒸气与助燃性气体混合时发生的爆炸。助燃性气体除了空气和氧气外，还包括氧化亚氮、氧化氮、二氧化氮、氯气、氟等氧化性气体。【板书】1．可燃气体（蒸气）/空气混合气【讲解】可燃气体或蒸气与空气按一定比例混合均匀，一经点燃，化学反应瞬间完成并发生爆炸。火焰以一层层同心球面的形式向各个方向传播。在距着火点0.5~1m处的火焰速度为每秒几米或更少，以后逐渐加速到每秒几百米到数千米。火焰传播途中遇到障碍物则产生巨大的破坏作用。【板书】2．可燃气体（蒸气）/氧气混合气【讲解】本质上与前者相同，但爆炸上限明显提高。例如，氢与空气混合的爆炸极限为4%~75%，而氢与纯氧混合的爆炸极限为4%~95%。乙烯在空气中的爆炸极限是3.1%~32%，在纯氧中的爆炸极限则是3.0%~80%。丙烷在空气中的爆炸极限是2.2%~9.5%，在纯氧中的爆炸极限则是2.3%~55%。【板书】3．可燃气体（蒸气）/其他助燃性气体混合气【讲解】一些具有氧化性的气体与可燃气体混合后能发生剧烈的爆炸反应，如氯气与氢气混合气在光照条件下就可能发生爆炸。当两种气体的体积各占50%（化学计量比）时，爆炸作用最强烈。氢气在氯气中的爆炸下限为5%，爆炸上限为85%，最大爆压可达0.86MPa。【板书】4．气云爆炸【板书】气云爆炸的条件【讲解】在一些综合性石油天然气及石油化工企业中，输气管道很可能发生可燃气体的泄漏。泄漏之后可能发生下列情况：在遇到火源前就分散完毕，不形成爆炸危险，也可能一泄漏即遇到火源而被点燃，这种情况仅引起燃烧，一般不会发生爆炸；还有一种情况就是蒸气云爆炸，当泄漏物扩散到广阔的区域，形成弥漫相当大空间的云状可燃性气体混合物时，经过一段延迟时间后，可燃蒸气云被点燃，接着发生火灾，由于存在某些特殊原因和条件，火焰传播被加速，产生危险的爆炸冲击波超压。【讲解】一般要发生带破坏性超压的蒸气云爆炸应具备以下几个条件：【板书】（1）泄漏物必须可燃且具备适当的温度和压力条件（保证能气化而形成蒸气云团）。如非加压的可燃性气体（氢气、甲烷、乙烯、乙炔），加压后的液化气（丙烷、丁烷）和易挥发的可燃液体（环己胺、石脑油等）。【板书】（2）必须在点燃之前即扩散阶段形成一个足够大的云团。如果在一个工艺区域内发生泄漏，经过一段延迟时间形成云团后再点燃，则往往会产生剧烈的爆炸，在实际发生的事故中多数的延迟时间在十几秒到几十秒的范围内。【板书】（3）产生的足够数量的云团处于该物质的爆炸极限范围内才能产生显著的超压。【讲解】蒸气云团可分为三个区域：泄漏点周围是富集区，云团边缘是贫集区，介于二者之间的区域内的云团处于爆炸极限范围内。这部分蒸气云所占的比例取决于多个因素，包括泄漏物的种类和数量、泄漏时的压力、泄漏孔径的大小、云团受约束程度以及风速、湿度和其他环境条件。【板书】气云爆炸物理机制【讲解】可燃气体遇火源被点燃后，若发生层流或近似层流燃烧，对普通碳氢化合物而言，其火焰速度为5~30m/s。这种速度太低，不足以产生显著的爆炸超压，在这种条件下蒸气云仅仅是燃烧。所以，讨论蒸气云爆炸的发生机制就是考察蒸气云如何从低速燃烧转变为具有较高速度的爆燃。【讲解】实验表明，紊流是其中的关键因素。在燃烧传播过程中，由于遇到障碍物或受到局部约束，引起局部紊流，火焰与火焰相互作用产生更高的体积燃烧速率，使膨胀流加剧，而这又使紊流更强烈，从而又能导致更高的体积燃烧速率，结果火焰传播速度不断提高，可达层流燃烧的十几倍乃至几十倍，发生爆炸反应。【讲解】其中，紊流发生的方式主要有以下三种：【板书】（1）源激发产生的紊流。比如，喷射型泄漏或灾难性的容器爆裂导致的剧烈扩散中，云团与周围的空气产生强烈的紊流。【板书】（2）火焰在受约束的空间传播产生的紊流。如隧道、桥梁、设备装置密集的厂房，拥挤的停车场等。正因为如此，工艺设备布局密集的化工厂、炼油厂、铁路机车调度站等是蒸气云爆炸的多发地点。【板书】（3）初始点火能量产生的紊流。实际上，强点火源不仅能引起爆燃，甚至可以直接导致爆轰，而爆轰时的燃烧速度是每秒几千米。由于爆燃需要的点火能量约为10的-4次方J，而爆轰则需10的6次方J，所以在实际工业事故中爆轰是极为罕见的。【板书】三、爆炸极限和爆轰极限【板书】（一）爆炸极限【讲解】对可燃气体、蒸气或粉尘与空气的混合物，并不是在任何浓度下，遇到火源都有爆炸危险，而必须处于合适的浓度范围内，遇火源才能发生爆炸。【讲解】例如，实验表明，对氢气和空气的混合气体，只有当氢气的浓度在4.1%~75%的范围内时，混合气体遇火源才会发生爆炸。氢气浓度低于4.1%或者高于75%时，混合气体遇火源都不会发生爆炸。【板书】可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合后，遇火源能发生爆炸的最低浓度和最高浓度范围，叫做可燃气体、蒸气或粉尘的爆炸浓度极限（又称爆炸极限）。对应的最低浓度叫做爆炸下限，最高浓度叫做爆炸上限。气体、蒸气的爆炸极限，通常用体积百分比（%）表示；粉尘通常用单位体积中的质量（g/m3）表示。【讲解】通常爆炸混合物的浓度低于下限或高于上限时，既不能发生爆炸也不能发生燃烧。但是，若浓度高于爆炸上限的爆炸混合物，离开密闭的容器、设备或空间，重新遇空气仍有燃烧或爆炸的危险。【板书】爆炸极限是评定可燃气体、蒸气和粉尘爆炸危险性大小的主要依据。爆炸下限越低，爆炸范围越广，爆炸危险性就越大。控制可燃物质浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，是保证安全生产、储存、运输、使用的基本措施之一。【板书】【案例】某化工厂盐酸车间开车点火时氢气爆炸【讲解】某化工厂盐酸车间开车点火时，原料氢气压力控制在73.32kPa，氯气压力控制在大于98.07kPa，氢气纯度大于98%，氯气纯度大于60%（正常操作时大于90%），氯气中含氢量小于1%（正常操作时小于0.4%），氢氯分子比为1.05：1.0，调节氢气点火棒火焰后，经点火口放入炉内炉头套筒上即可。但当合成炉操作人员点火操作时，通过合成炉视镜观察到灯头上氢与氯燃烧火焰呈红色异常现象，随即联系有关部门协调处理，此时炉内发生了氢气爆炸，造成该炉顶部防爆膜破裂，合成炉系统紧急停车。【讲解】经调查分析认为，造成此次氢气喷爆事故的原因，主要是合成炉氢气进口管调节阀门处空气进入炉内，而操作者技术不熟练，对氢气调节操作与点火操作配合不协调，致使合成炉内存在的氢气与空气混合达到爆炸极限，被点火时的火焰引爆，发生事故。【板书】（二）爆轰极限【讲解】与爆炸浓度极限一样，气体混合物发生爆轰（爆震）也有一定的浓度范围和上下限之分。爆轰（爆震）极限范围一般比爆炸极限范围要窄。有些可燃气体和蒸气，只有在与氧气混合时才能发生爆轰（爆震）。一些可燃气体或蒸气的爆轰（爆震）浓度极限，如表3-9所示。【板书】（三）爆炸危险度【讲解】可燃气体爆炸下限越低，只要有少量可燃气体泄漏在空气中就会形成爆炸性混合气体；可燃气体爆炸上限越高，那么少量空气进入装有可燃气体的容器就能形成爆炸性预混气体。据此引入爆炸危险度指标：【板书】式（3-14）：Ha=(L上-L下)/L下【讲解】式中，Ha—可燃气体爆炸危险度；L上、L下—可燃气体爆炸上限、下限。【板书】【例题3-2】已知氨气与空气混合后的爆炸极限为（15～28%），试求氨气的爆炸危险度是多少？【讲解】解：将氨气的爆炸极限代入公式（3-14）得：Ha=(28-15)/15=13/15≈0.87。【讲解】答：氨气的爆炸危险度为0.87。【板书】爆炸危险度是衡量可燃气体或蒸气爆炸危险性大小的重要指标，其数值越大的，危险性也越大。某些可燃气体爆炸危险度指标如表3-10所示。【讲解】从表3-10可以看出，乙炔（31.80）、二硫化碳（49.00）、氢气（17.30）等的爆炸危险度远高于氨气（0.87）、甲烷（2.00），说明其爆炸危险性更大。【板书】四、爆炸极限和爆炸压力的估算【板书】（一）爆炸极限的估算【讲解】各种可燃气体和液体蒸气的爆炸极限可用专门仪器测定出来，也可用经验公式计算出近似值。虽然计算值与实测值有一定误差，但仍不失其参考价值。现简介三种计算方法。【板书】1．经验公式法【讲解】某些纯净的有机化合物（气体或蒸气）的爆炸极限可用下述经验公式估算：【板书】式（3-15）：L下=1/(A+0.5)式（爆炸下限，体积分数）【板书】式（3-16）：L上=4/(A+3)式（爆炸上限，体积分数）【讲解】式中，A—1mol有机物完全燃烧所需氧气的物质的量。（注：用上述公式计算爆炸浓度上限误差较大）【板书】【例题3-3】求乙酸乙酯的爆炸浓度极限？【讲解】解：乙酸乙酯分子式为C4H8O2，在空气中完全燃烧反应式为：C4H8O2+5O2=4CO2+4H2O。根据上述燃烧反应方程式可知：A=5。【讲解】分别代入公式（3-15）和（3-16）得：L下=1/(5+0.5)=1/5.5≈2.28（%），L上=4/(5+3)=4/8=50（%）？——不对，L上=4/(A+3)=4/(5+3)=0.5。此处以教材计算为准（注：《灭火手册》中有关值为2.20%~11.50%）。【讲解】答：乙酸乙酯的爆炸浓度极限为2.28~7.75%。【板书】2．通过化学计量浓度估算【讲解】可燃气体与空气中的氧气恰好完全反应时，可燃气体在空气中的含量（体积百分比）称为化学计量浓度。对于可燃气体或蒸气来说，化学计量浓度是发生燃烧爆炸最危险的浓度。据实验证明，各种有机可燃物质在空气中燃烧的化学计量浓度与该物质爆炸极限浓度之间保持一个近似不变的常数关系。故可采用化学计量浓度估算爆炸极限。【板书】（1）化学计量浓度x0可按下式计算：【板书】式（3-17）：x0=100/(1+4.774·A)【讲解】式中，A—1mol可燃有机物完全燃烧所需氧气的物质的量；x0—化学计量浓度。【板书】（2）爆炸极限估算：【板书】式（3-18）：L下=0.55·x0【板书】式（3-19）：L上=4.8·√x0【讲解】式中，L下—为爆炸下限浓度（%）；L上—为爆炸上限浓度（%）；x0—化学计量浓度（%）。【板书】【例题3-4】试估算丙烷（C3H8）的爆炸极限？【讲解】解：（1）根据燃烧反应式C3H8+5O2=3CO2+4H2O可知丙烷所需氧气的物质的量A=5，代入公式（3-17），则化学计量浓度为：x0=100/(1+4.774×5)=100/(1+23.87)=100/24.87≈4.03（%）。【讲解】（2）已知丙烷的x0=4.03%，将有关数值代入公式（3-18）和（3-19），则其爆炸浓度极限为：L下=0.55×4.03≈2.22（%），L上=4.8×√4.03≈4.8×2.008≈9.64（%）。【讲解】答：丙烷的爆炸下限为2.22%，爆炸上限为9.64%。【板书】3．可燃气体混合物爆炸浓度极限近似计算【板书】式（3-20）：1/L混=P1/L1+P2/L2+P3/L3【讲解】公式（3-20）称莱—夏特尔公式。式中：L混—为混合可燃气体的爆炸极限；P1、P2、P3……—为气体混合物中各组分的百分数；L1、L2、L3……—为混合物中各组分的爆炸浓度极限（如果计算爆炸下限，则L1、L2、L3……代入各组分的爆炸下限浓度）。【板书】【例题3-5】制水煤气的化学反应为：C+H2O=CO+H2（炽热），经干燥的水煤气所含CO和H2均为50%，求经干燥的水煤气的爆炸浓度极限？【讲解】解：查表得CO爆炸极限为12.5~74.2%；H2爆炸极限为4.1~75.0%，将有关数值代入公式（3-20），则得：下限：1/L混=0.5/12.5+0.5/4.1，L混≈6.17；上限：1/L混=0.5/74.2+0.5/75.0，L混≈74.60。【讲解】答：该水煤气爆炸浓度极限为6.17～74.60%。用上述公式计算的结果，大多数与实验值一致，但对含氢-乙炔、氢-硫化氢、硫化氢-甲烷及含二硫化碳等混合气体，误差较大。【板书】（二）爆炸压力的计算【讲解】密闭容器或房间内的可燃混合气体在发生爆炸式燃烧反应时，由于反应速率很快，反应释放出的热量几乎全部被用于加热燃烧产物，因而使反应体系的压力剧增，这时反应体系的压力就称为爆炸压力。它是爆炸事故具有杀伤性和破坏性的主要因素。【讲解】在密闭容器或房间内的可燃混合气体发生的爆炸过程可认为是绝热等容过程。对处于化学计量浓度的可燃混合气体来说，爆炸反应后体系的温度达到理论爆炸温度（亦即按绝热等容过程考虑求出的绝热燃烧温度），对应于理论爆炸温度时等容体系所达到的压力就是最大爆炸压力的计算值。【讲解】根据理想气体状态方程PV=nRT，可以写出爆炸反应（绝热等容过程）前后，体系的压力、温度及气体物质的量之间存在下面的关系式，此关系式即是可燃气体或蒸气与空气混合物的爆炸压力的计算公式：【板书】式（3-21）：P爆炸=P0·(T爆炸/T0)·(n爆炸/n0)【讲解】式中，P0、P爆炸—为爆炸混合物的初压和爆炸压力（Pa）；T0、T爆炸—为爆炸混合物的初温和爆炸温度（K）；n0—为爆炸前反应物的物质的量（mol）；n爆炸—为爆炸后燃烧产物的物质的量（mol）。【板书】【例题3-6】1mol丙烷与空气按化学计量比混合成为可燃气体，存放在密闭的耐压容器中，假设爆炸前可燃混合气体的压力为98kPa，温度为18℃，爆炸温度为1977℃，试求该反应体系的最大爆炸压力。【讲解】解：1mol丙烷在空气中完全燃烧的反应式为：C3H8+5O2+18.8N2=3CO2+4H2O+18.8N2。爆炸前反应物的物质的量n0=24.5mol，爆炸后产物的物质的量n爆炸=25.8mol，将已知数据代入（3-21）中，即可求出该反应体系的最大爆炸压力为：【板书】P爆炸=98×(1977+273)/(18+273)×25.8/24.5≈788kPa【讲解】答：该反应体系的最大爆炸压力788kPa。部分可燃气体和蒸气的最大爆炸压力，如表3-11所示。【板书】（三）爆炸极限在消防中的应用【讲解】物质的爆炸极限是正确评价生产、储存过程的火灾危险程度的主要参数，是建筑、电气和其他防火安全技术的重要依据。【板书】1．评定可燃气体爆炸危险性大小【讲解】可燃气体、可燃液体的爆炸下限越低，爆炸范围越广，爆炸危险性就越大。例如，乙炔的爆炸极限为2.5～82%；氢气的爆炸极限为4.1～75%；氨气的爆炸极限为15～28%。其爆炸危险性为：乙炔＞氢气＞氨气。【板书】2．选择电气防爆类型【讲解】作为评定可燃气体分级和确定其火灾类别的标准，以选择电气防爆型式。爆炸下限小于10%的可燃气体的火灾危险类别为甲类，应选用隔爆型电气设备。爆炸下限大于或等于10%的可燃气体的火灾危险类别为乙类，可选用任一防爆型电气设备。【板书】3．确定建筑物耐火等级、防火墙间占地面积及安全疏散距离（如表3-12和表3-13）【板书】4．确定安全生产操作规程【讲解】采用可燃气体或蒸气氧化法生产时，应使可燃气体或蒸气与氧化剂的配比处于爆炸极限以外（如氨氧化制硝酸），若处于或接近爆炸极限进行生产时，应充惰性气体稀释保护（如甲醇氧化制甲醛）。【讲解】在生产和使用可燃气体、易燃液体的场所，还应根据它们的爆炸危险性采取诸如密封设备、加强通风、定期检测、开停车前后吹洗置换设备系统、建立检修动火制度等防火安全措施。发生火灾时，应视气体、液体的爆炸危险性大小采取诸如冷却降温、减速降压、排空泄料、停车停泵、关闭阀门、断绝气源、使用相应灭火剂扑救等措施，阻止火势扩展，防止爆炸的发生。【板书】五、爆炸极限的主要影响因素【讲解】不仅不同的可燃气体和液体蒸气，因理化性质不同具有不同爆炸极限；而且就是同种可燃气体（蒸气），其爆炸极限也会因外界条件的变化而变化。【板书】（一）初始温度【讲解】爆炸性混合物在遇到点火源之前的初始温度升高，使爆炸极限范围增大，即爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。这是因为温度升高，会使反应物分子活性增大，因而反应速率加快，反应时间缩短，导致反应放热速率增加，散热减少，使爆炸容易发生。温度对爆炸极限的影响如图3-3所示。【讲解】从图3-3可以看出，随着温度升高，氢气的爆炸下限降低、上限增高，爆炸极限范围变宽，爆炸危险性增加。【讲解】又如，温度对丙酮爆炸极限的影响，如表3-14所示。【板书】（二）初始压力【讲解】多数爆炸性混合物的初始压力增加时，爆炸极限范围变宽，爆炸危险性增加。压力对爆炸上限的影响较对爆炸下限的影响要大。因为初始压力高，分子间距缩短，碰撞机率增高，使爆炸反应容易进行。【讲解】压力降低，爆炸范围缩小，降至一定值时，其下限与上限重合，此时的压力称为爆炸的临界压力。临界压力的存在，表明在密闭的设备内进行减压操作，可以避免爆炸危险。若压力低于临界压力，则不会发生爆炸。因此，爆炸危险性较大的工艺操作常采用负压以保安全。【讲解】以一氧化碳为例，爆炸极限在101.325kPa时为