1.3　爆炸過程的影響因素及其影響規律

爆炸是一種極為迅速的物理或化學的能量釋放過程。在此過程中，空間內的物質以極快的速度把其內部所含有的能量釋放出來，轉變成機械功、光和熱等能量形態。所以一旦發生爆炸事故，就會產生巨大的破壞。

爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何種原因引起的爆炸，歸根結底必須有一定的能量。按照能量的來源，爆炸可分為三類：物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。

當可燃性物質與氧氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內時，若存在點燃源，將會發生爆炸。能與氧氣（空氣）反應的物質，包括氣體、液體和固體。按照爆炸反應相的不同，爆炸可分為三類：氣相爆炸、液相爆炸和固相爆炸。氣相爆炸，如氫氣、乙炔、甲烷等；液相爆炸，如酒精、汽油等；固相爆炸，如粉塵、纖維等。

1.3.1　氣體、液體蒸氣和薄霧爆炸

可燃氣體燃燒產生的熱使燃燒峰面前方的氣體受到壓縮，產生一個超前于燃燒峰面的壓力波，該壓力波以當地音速向前傳播，行進在燃燒峰面前，稱為前驅沖擊波。壓力波作用于未燃氣體使其溫度升高，從而使火焰的燃燒速度進一步增大，這樣就產生壓力更高的壓力波，從而獲得更高的火焰傳播速度。層層產生的壓力波相互追趕并疊加，形成具有強烈破壞作用的沖擊波，這就是爆炸。

氣體、液體蒸氣和薄霧的爆炸規律主要決定于其在空氣中的濃度。當可燃氣體濃度小于爆炸極限范圍下限時，由于在混合氣體中含有過量的空氣，過量的空氣的冷卻作用及可燃物濃度的不足，導致系統得熱小于失熱，反應不能延續下去，因此，其遇到火源不能爆炸。當可燃氣體濃度大于爆炸極限范圍上限時，則會有過量的可燃物，過量的可燃物不僅因缺氧而不能參與反應，放出熱量，反而起冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，因此，在混合氣體內遇到火源不能燃燒，也不能爆炸。如有新鮮空氣供給，在可燃氣體與新鮮空氣的接觸面上，遇火就會燃燒。當其濃度在爆炸極限范圍內時，遇火源就會爆炸。

1.3.1.1　可燃氣體爆炸類型

可燃氣體爆炸有以下四種模式：定壓燃燒、定容爆炸、爆燃和爆轟。

（1）定壓燃燒

定壓燃燒是指無約束的敞開型燃燒。燃燒過程中，由于燃燒產物能夠及時向后排放，其壓力始終與初始環境壓力相平衡，因此系統的壓力是恒定的，不會形成壓力波，也不會形成具有破壞性的沖擊波，屬于穩定的燃燒過程。定壓燃燒的特征參量是定壓燃燒速度（或稱基本燃燒速度），只取決于燃料的輸運速率和化學反應速率。大多數烴類氣體與空氣的混合物，在化學計量濃度下，基本燃燒速度為0.5m/s量級；而與氧氣的混合物，則要高約一個數量級。

（2）定容爆炸

定容爆炸是可燃混合物在剛性容器中均勻地同時點燃時所發生的燃燒過程，這是理想模型，而實際情況中是不大可能均勻地同時點燃，常見的是局部點燃，然后擴展到整體。由于爆炸過程進行得很快，密閉容器中局部點燃所形成的參數與定容爆炸相差無幾，可用定容爆炸模型來處理。定容爆炸過程中，容器體積保持不變，混合氣密度也就不變，壓力隨釋放的化學能的增加而增大。對大多數烴類氣體與空氣的混合物，在化學計量濃度下，定容爆炸的壓力大約為初始壓力的7～9倍。

（3）爆燃

如果氣體在燃燒過程中，火焰遇到約束，或者由于擾動而使火焰在預混氣體中逐漸加速，則會建立起一定的壓力，形成壓力波，這樣的過程就叫爆燃。它是一種帶有壓力波的燃燒，與定壓燃燒不同的是爆燃有壓力波產生。壓力波以亞音速向前傳播，通常行進在火焰陣面前，而火焰陣面相對于未燃氣體以亞音速傳播，這是與爆轟的一個重要區別。外界環境和物理因素對爆燃過程有較大的影響。工業爆炸事故中絕大多數以爆燃的形式出現，如密閉容器內可燃氣體爆炸過程通常屬于爆燃過程。以亞音速傳播的火焰陣面前方有前驅沖擊波擾動，即火焰在已被擾動的介質中傳播，從而形成兩波三區結構，如圖1-1所示。

（4）爆轟

爆轟是可燃氣體爆炸的最高形式，其特征是形成超音速傳播（相對于波前未反應混合物）的帶化學反應的沖擊波。在傳播過程中，由于具有化學反應區能不斷地補充能量而不衰減，因此是一個穩定傳播的過程。烴類氣體與空氣混合物的爆轟速度大多為1800m/s量級，爆轟壓力為1.5MPa量級。

在這幾種爆炸模式中，爆燃是一種不穩定的燃燒波傳播過程，它可以因約束的減弱，排氣及時而使壓力波減弱，直至壓力波消失，而變為定壓燃燒；相反，如果爆燃的后邊界約束加強，壓力波強度增加，火焰加速，直至火焰陣面追趕上前驅壓力波陣面，兩者合二為一，成為一個帶化學反應的沖擊波，就演變為爆轟。對可燃氣體，若有形成湍流的加速條件，或外加強刺激源，均有可能使爆燃轉變成爆轟。因此，在爆炸災害的防護中應該設法防止火焰加速條件的形成，以避免從爆燃轉變成爆轟。

密閉容器中可燃氣體爆炸實質上是燃燒快速發展的過程，屬于伴隨有化學反應的不定常流動過程。在此過程中，燃燒反應瞬間放出的能量使產物狀態（溫度、壓力）突變，此突變從爆源向外傳播，形成一個波，這個波的性質決定于介質的性質、點燃條件等因素，可以是壓力波，也可以是沖擊波或者是它們的組合，最常見的是壓力波的發展。

1.3.1.2　氣體爆炸機理

（1）鏈式反應理論

根據鏈式反應機理，爆炸性混合物與火源接觸，就會有活性分子生成而成為連鎖反應的活動中心，活性分子自由基與另一分子作用，其作用結果會產生新基，新基又迅速參與反應，形成一系列的連鎖反應。宏觀上看，爆炸性混合物在一點上著火后，熱量及活性中心都向外傳播，促進相鄰一層混合物發生化學反應，然后該層又成為熱量和活動中心新的源泉而引起新的相鄰一層混合物的反應，如此循環往復，直到全部反應物均反應完為止。

鏈式反應又分為直鏈反應和支鏈反應兩種。氯和氫的反應是典型的直鏈反應。直鏈反應的基本特點有：①每一個活性分子（自由基）與作用分子反應后，僅生成一個新的活性粒子，自由基與價飽和的分子反應時自由基不消失；②自由基或原子與價飽和的分子反應時活化能很低。

甲烷在空氣中的反應是典型的支鏈反應。支鏈反應的特點在于：在反應中一個自由基能生成一個以上的自由基。不論是何種鏈式反應都由三個階段構成：即鏈的引發、鏈的傳遞（包括鏈的支化）和鏈的終止。下面以甲烷和空氣的支鏈反應為例進行闡述。

甲烷與空氣混合物的爆炸是一種劇烈而迅速的支鏈反應，在高溫下，甲烷支鏈反應如下：

由上述支鏈反應可以看出，對于甲烷，一般在高溫下氧化反應進程為CH4CH3H2COCOCO2。

甲烷氧化反應可認為是CH4、H2、H2CO和CO的氧化。這四個鏈在反應過程中相互影響。例如，H2CO氧化時產物的自由基可加速CH4的氧化進程。在甲烷氧化過程中，CH4首先分解為大量的基團，這一步驟速度相對較慢，在反應起始階段基團的濃度較低。一旦反應中心產生，O、OH、H和HO2就成為反應的重要組成部分，在反應中起主導作用并加速反應過程。這些反應將使CH4反應生成CH3，在反應初期基團中CH3的濃度最高。在誘導期中這部分反應居主導地位。

隨著CH3和O2或其他基團進行反應，中間產物的反應率及濃度相對穩定并對整體反應起重要影響。綜上所述：在高溫狀態下CH4氧化的主要化學反應進程為：①CH4氧化分解；②分子與基團反應；③鏈分支反應；④鏈終止。

（2）熱爆炸理論

熱爆炸是指可燃性物質受熱而發生化學反應，并自動加速直到爆炸的一種現象。可燃性物質在發生放熱的化學反應時，系統的溫度隨之升高，同時由于各種傳熱形式的存在，系統要相應地損失一部分熱量。熱量產生的速率和溫度的關系是非線性的指數關系，而熱量損失的速率和溫度的關系通常是接近線性或線性的關系，一旦系統產生的熱量不能夠全部傳遞出去或損失掉，系統就會出現熱積累使溫度繼續升高。這種熱失衡現象的結果使反應速度加快，釋放更多的熱量，熱量積累和熱量損失的失衡更加惡化，系統溫度進一步提高，如此循環，有如系統在自我加熱。如果自熱過程未被控制，一旦系統溫度升高到滿足點燃條件時，系統就會出現起燃或起爆，從而導致燃燒或爆炸的發生。

事實上，不是所有的爆炸現象可以僅用一種理論加以解釋，爆炸現象是非常復雜的，其產生機理和影響因素很多。至于在何種情況下發生熱反應，何種情況下發生鏈式反應，要根據具體情況而定。甚至同一種爆炸性混合物在不同條件下，發生爆炸的機理有時也會有所不同。

1.3.1.3　可燃氣體爆炸的基本參數

可燃氣體、液體蒸氣和薄霧爆炸特征的參數主要有火焰峰面的傳播速度、爆炸火焰的溫度、爆炸產生的最大壓力、爆炸壓力的上升速率等。這些參數由于爆燃過程的多樣性和工業場所環境的復雜性，其值還受到多種因素的影響。

（1）燃燒速度和火焰速度

燃燒速度Sb是指火焰在未燃混合氣體中的傳播速度，它與反應物質有關，是反應物質的特征量。常溫、常壓下的層流燃燒速度叫基本燃燒速度。大量實驗證明，燃料與氧氣混合物的基本燃燒速度比燃料與空氣混合物的基本燃燒速度高一個數量級，如甲烷.氧氣混合物的基本燃燒速度為4.5m/s，而甲烷-空氣混合物的基本燃燒速度則只為0.40m/s。

火焰速度Sp是指火焰相對于靜止坐標系的速度，取決于火焰陣面前氣流的擾動情況，可用高速攝影法、電離探針法和光導纖維探頭法以及熱電偶探測法直接測出。火焰速度在每秒數米到數百米之間變動，當火焰加速為爆轟時，則可達到1800～2000m/s。假設未燃氣體的流動速度為Un，則Sp=Sb+Un。

氣體的燃燒速度隨氣體的性質不同而有差異。單一的氣體燃燒（如氫氣）只需受熱氧化等過程，而混合氣體（如天然氣等）要經過受熱、分解、氧化等過程才能開始燃燒，因此單一氣體的燃燒速度要比混合氣體快。

氣體在燃燒過程中，擴散燃燒速度的大小取決于氣體的擴散速度，而混合氣體燃燒速度要取決于氣體的化學反應速度。混合燃燒速度應大于擴散燃燒速度，所以氣體的燃燒性能，常以火焰傳播速度的大小為尺度。

氣體火焰傳播速度隨著管道直徑大小的不同，測試的速度也不同。氣體火焰傳播速度一般隨著管徑的加大而增加，但當達到某一直徑時，再加大直徑，速度也不再增加；同樣火焰傳播速度隨著管徑的減小而減小、并達到某個最小管徑時火焰不再繼續傳播，阻火器就利用可燃氣體的這一特性進行設計。某些可燃氣體火焰在管道中的傳播速度見表1-1。

（2）定容爆炸壓力

理論上定容爆炸壓力是指在剛性容器內瞬時整體點燃，且系統絕熱的情況下所能達到的最高爆炸壓力。實際上，瞬時整體點燃是不可能的，一般在球形容器中心點燃時測得的峰值壓力接近于定容爆炸壓力。

對球形密閉容器，理論定容爆炸壓力波形如圖1-2中的虛線a所示，它對應于瞬時整體點燃。且系統絕熱的情況。實際上，這種理想化的波形是不存在的，這是由于既不可能瞬時整體點燃，也不可能是理想的絕熱系統。對于中心點燃的過程，壓力隨著燃燒過程的發展而增大，若沒有熱損失，則壓力極限值能維持（如圖1-2中曲線b所示）。由于實際情況中都有熱交換，所以壓力未達到理論極限值就衰減（如圖1-2中曲線c所示）。曲線c是實際可測到的密閉容器的壓力波形，從此壓力波形可看出，爆炸過程分三個階段：爆炸壓力上升階段、爆炸壓力高值區及爆炸壓力衰減區。

（3）爆炸壓力上升速率

爆炸壓力上升速率定義為壓力-時間曲線上升段拐點處的切線斜率，即壓力差除以時間差的商（見圖1-3）。爆炸壓力上升速率是衡量爆炸強度的標準。

（4）火焰溫度

利用現有化學熱力學和化學平衡的知識和數據，可以計算得到絕熱火焰溫度。不同燃料有不同的火焰溫度，常見的可燃氣體混合物最高火焰溫度在2500K左右，表1-2列出了幾種可燃混合氣的實測火焰溫度值。

（5）點燃能量

點燃能量對氣體爆炸形式有重要影響。在工業安全技術中，氣體爆炸的最小點燃能量Emin是模擬氣體點燃敏感度的一個參量。表1-3為幾種具有代表性的可燃氣體的最小點燃能量。

可燃氣體的最小點燃能量很低，通常在毫焦數量級，因此極易被點燃。比如常見烴類氣體與空氣混合物的最小點燃能量約為0.25mJ量級，而常見粉塵云的最小點燃能量在50mJ量級，即可燃氣體的最小點燃能量比粉塵的要小2～3個量級，相對來說前者的點燃敏感度要高得多，相應的危險性也大得多，這是氣體爆炸的一個重要特點。當點燃能量不太大時，即只要保持不產生爆轟的情況下，點燃能量對氣體爆炸壓力的影響較小。

1.3.1.4　氣體爆炸的影響因素及影響規律

密閉容器內可燃氣體爆炸事故中最常見的形式是爆燃，即火焰陣面相對于未燃氣體以亞音速傳播，通常情況下不會演變成爆轟。影響可燃氣體的爆炸壓力和火焰速度的主要因素有以下幾種。

（1）可燃氣體的理化性質

可燃氣體爆炸的可能性以及爆炸后產生的后果在很大程度上取決于氣體的性質。由Arrhenius定律可知，活化能是衡量物質反應能力的主要參數。活化能越小，反應的阻力越小，反應物分子越容易達到活化狀態，因此反應速度就越快，即氣體活性越強，爆炸時產生的爆炸超壓和火焰速度越大，產生爆轟的可能性也越大。目前的研究成果還沒有按爆炸危害對可燃氣體進行標準分類，選取幾種常見氣體作參照物，把可燃氣體根據其反應活性對爆炸威力的影響定性地分為低、中、高三類，見表1-4。

（2）可燃氣體的濃度

燃料與空氣的混合物并非在任何混合比例下都能發生爆炸，而只是在可燃氣體的濃度適合時，即在爆炸極限內才能發生爆炸，爆炸極限范圍越寬，氣體爆炸危險性越大；另外，混合比例不同，燃燒速度也不同，當可燃氣體的濃度越接近爆炸上、下極限，燃燒速度越低，爆炸壓力越小。在密閉容器中，當燃料以上、下極限的比例與空氣混合發生爆炸時，其爆炸壓力是初始壓力的5倍；當燃料與空氣以化學配比混合爆炸時，爆炸壓力一般為初始壓力的7～9倍。

燃料與空氣混合物的燃燒速度和反應熱均隨濃度而變化。將1.1～1.5倍的化學計量濃度定義為最佳濃度，此時爆炸的燃燒速度及爆炸反應熱均達到極值。從安全角度考慮，最佳濃度即為最危險濃度，在此濃度下，爆炸威力最大，破壞效應最嚴重。

以甲烷為例，甲烷的爆炸極限約為4.6%～14.3%，不同的濃度可以導致爆炸參數的明顯不同。最佳濃度往往對應著最大的爆炸參數，如圖1-4所示，三種不同濃度的甲烷-空氣預混氣體在2.45m×2.45m×1000m的巷道內爆炸過程，濃度處于10.1%的甲烷-空氣預混氣體爆炸超壓最高可達1.1MPa。

（3）點燃源特征

點燃能量是可燃氣體發生爆炸的要素之一，一般將點燃能量分為強點燃和弱點燃。強點燃，如用雷管、炸藥等點燃可燃氣體，則會直接發生爆轟，也就是燃料-空氣炸彈的爆炸情況，這超出了工業上可燃氣體爆炸的研究范圍。工業上可燃氣體爆炸的點燃源大多是靜電、火花塞等，點燃能量一般不超過10mJ，均屬于弱點燃范圍，在這樣的條件下，點燃能量對氣體爆炸威力的影響很小。對28L容器內的9.5%的甲烷-空氣混合物進行了爆炸實驗，分別用電火花、100mg火棉、250mg火棉和400mg發光粉點燃。結果表明，前三種點燃方式對爆炸強度沒有顯著影響，只是縮短了起爆時間，只有很強的第四種點燃方式才使爆炸強度明顯升高。因此，工業上可燃氣體爆炸分析普遍采用較低的點燃能量作為實際條件處理。

5L爆炸裝置中的實驗結果表明，對于甲烷濃度為8.5%的預混氣體，在點燃能量為54mJ、189mJ、375mJ、430mJ時，最大爆炸壓力的平均值分別為0.642MPa、0.637MPa、0.631MPa、0.614MPa，爆炸溫度峰值的平均值分別為741℃、733℃、759℃、739℃。

點燃位置不同可以引起爆炸壓力數量級的變化。一般情況下，可燃氣體在容器壁面處被點燃，爆炸壓力比中心點燃時要小。在1.77m×1.77m×30m獨頭巷道中，瓦斯填充濃度為8.5%，填充長度為6m。同樣的瓦斯量，由于點燃位置不同，能產生差別很大的爆炸超壓，同樣條件下，點燃位置在0.2m和5.5m處，所得到的最大爆炸靜態超壓分別為23.02kPa和10.73kPa。

（4）初始溫度

針對實際生產條件，可燃性氣體的存儲空間、有可能引發點燃的弱點燃源作用形式以及環境壓力等條件都相對固定，因此初始的溫度成為影響可燃性氣體爆炸參數的重要環境因素。

在容積為5L的爆炸裝置中進行點燃實驗，改變甲烷預混氣體的初始溫度，得到不同初始溫度條件下所得的實驗測試曲線，如圖1-5所示。在預混氣體初始溫度從室溫（20℃）升高到80℃的過程中，爆炸超壓峰值、爆炸溫度峰值均有明顯的變化趨勢，最大爆炸超壓和爆炸溫度峰值隨初始溫度的增加出現不斷減小的趨勢。

（5）環境初始壓力

在20L球形罐內，不同的環境初始壓力下，對不同濃度的CH4氣體進行爆炸實驗研究，得到表1-5初始壓力對不同濃度CH4爆炸最大爆炸超壓的影響和圖1-6不同濃度CH4在不同初始壓力下的爆炸超壓曲線。隨著環境初始壓力的增加，相同濃度甲烷最大爆炸超壓增大，使爆炸強度更強，爆炸危險性更高。

（6）環境濕度

環境濕度在密閉容器內可燃氣體爆炸參數的測試中起著十分重要的作用。考慮到南北方的氣候差異以及晴雨天等的天氣變化都會造成環境濕度的不同，借助球形爆炸罐實驗測試，在不同環境濕度下，丙烷-空氣混合物的爆炸特征參數，結果如表1-6所示。基于該實測數據可知，四種實驗工況下的峰值超壓及平均火焰傳播速度幾乎一致，說明環境濕度對可燃氣體爆炸產生的峰值壓力和火焰傳播過程影響不明顯，而四個實驗工況下測得的壓力上升速率則存在顯著差異，說明環境濕度對爆炸壓力的上升過程有顯著影響。

（7）約束結構

如果可燃氣云在有外部約束的區域形成，則爆燃產生的超壓上升，潛在的危害就會增大。氣云所受的外界約束越多、越大、越復雜，爆燃產生的超壓就越高。在其他條件相同的情況下，一維傳播的可燃氣云爆燃所產生的超壓最高，二維傳播時次之，而三維傳播時最低。因此，管內氣云爆燃超壓最高，兩平板之間氣云爆燃超壓次之，球形氣云爆燃超壓最小。

如果在爆炸波傳播的方向上沒有障礙物，低能量點燃的預混氣體爆炸一般不會產生較強的破壞性超壓，形成的爆炸也容易得到控制。實際上，許多氣體爆炸發生在可能有隔板、機器、通道、換熱管道、連通門及其類似物的障礙物的地方。火焰傳播速度迅速提高，可能會誘導激波的產生；而激波的產生會大大加強對附近構筑物的破壞作用。

在管道內進行障礙物對瓦斯爆炸壓力傳播規律的研究，有障礙物的情況下，隨著障礙物數量的增加，瓦斯爆炸壓力明顯增加，尤其6片障礙物的情況下，在長徑比為9左右時，瓦斯的爆炸壓力甚至達到了1.4MPa以上，比無障礙物時增加了近3倍，爆炸威力及破壞危險性很大。如圖1-7所示。

實踐證明，可燃氣體若在有障礙物或外部有約束的區域發生爆炸，則爆炸時產生的爆炸壓力和火焰速度要增大許多，它潛在的危害就要大得多。因此，在預測可燃氣體爆炸危害的時候，一定要考慮可燃氣體受約束的程度。

1.3.1.5　可燃氣體爆炸特征

可燃氣體爆炸過程具有以下三個主要特征。

（1）放熱性

氣體爆炸過程中燃燒會產生大量的熱量，這些熱量大部分用來加熱未燃氣體，使未燃氣體溫度升高而被點燃。放熱性是氣體爆炸過程存在的必要條件，也是最顯著的特征之一。

（2）反應的快速性

氣體爆炸與燃燒過程的區別就在于爆炸過程具有較高的燃燒速度。物質燃燒時燃燒速度比較慢，燃燒所產生的熱量可通過熱傳導或輻射的形式散失掉，而爆炸則幾乎是在瞬間完成，所產生的熱量在爆炸過程中基本上與外界沒有交換，表現出極高的化學反應速度。

（3）氣體產物的形成

氣體爆炸瞬間通常會產生強烈壓縮狀態的氣體產物，這些氣體產物在膨脹過程中將化學能轉化為機械能或氣體運動的動能，氣態物質的存在是氣體爆炸效應產生的先決條件。

1.3.2　粉塵爆炸

當可燃性固體呈粉體狀態，粒度足夠細，飛揚懸浮于空氣中，并達到一定濃度，在相對密閉的空間內，遇到足夠的點燃能量，就能發生粉塵爆炸。具有粉塵爆炸危險性的物質較多，常見的有金屬粉塵（如鎂粉、鋁粉等）、煤粉、糧食粉塵、飼料粉塵、棉麻粉塵、煙草粉塵、紙粉、木粉、火炸藥粉塵及大多數含有C、H元素并與空氣中氧反應能放熱的有機合成材料粉塵等。

1.3.2.1　粉塵爆炸過程

同可燃氣體（蒸氣）與空氣的混合物一樣，可燃粉塵與空氣混合物遇點燃源也可能發生爆炸；也具有爆炸極限，包括上限及下限，但有實際應用意義的主要是下限。可燃粉塵的爆炸極限一般以其單位體積混合物中的質量（g/cm3）來表示：如鋁粉在空氣中的爆炸極限為40g/cm3。粉塵爆炸同樣是一種鏈式連鎖反應，當外界熱量足夠時，火焰傳播速度將越來越快，最后引起爆炸；若熱量不足，火焰則會熄滅。

粉塵爆炸是粉塵顆粒表面分子與氧氣發生化學反應引起的。具體過程如圖1-8所示。

（1）供給顆粒表面以熱能，使其穩定上升，見圖1-8（a）。

（2）顆粒表面由于熱分解或干餾作用而生成氣體，分布在顆粒周圍，見圖1-8（b）。

（3）分解（或干餾）氣體與空氣混合生成爆炸性混合氣體，遇火產生火焰（發生反應），見圖1-8（c）。

（4）由于反應產生的熱，加速了粉塵粒子的分解，放出氣體，與空氣混合，繼續發火傳播，見圖1-8（d）。

粉塵爆炸過程與可燃氣體爆炸相似，但有兩點區別：一是粉塵爆炸所需的最小點燃能量要大得多；二是在可燃氣體爆炸中，促使穩定上升的傳熱方式主要是熱傳導，而在粉塵爆炸中，熱輻射的作用大。

1.3.2.2　粉塵爆炸特點

從粉塵爆炸過程可以看出粉塵爆炸有如下特點。

① 粉塵爆炸速度或爆炸壓力上升速度比氣體爆炸小，但燃燒時間長，產生的能量大，破壞程度大。

② 爆炸感應期較長，粉塵的爆炸過程比氣體的爆炸過程復雜，要經過塵粒的表面分解或蒸發階段及由表面向中心延燒的過程，所以感應期比氣體爆炸長得多。

③ 有產生二次爆炸的可能性。因為粉塵初次爆炸產生的沖擊波會將堆積的粉塵揚起，懸浮在空氣中，在新的空間形成達到爆炸極限濃度范圍內的混合物，而飛散的火花和輻射熱成為點燃源，引起第二次爆炸，這種連續爆炸會造成嚴重的破壞。粉塵有不完全燃燒現象，在燃燒后的氣體中含有大量的CO及粉塵（如塑料粉）自身分解的有毒氣體，會伴隨人員中毒甚至死亡的事故。

1.3.2.3　粉塵爆炸的內在原因

處于粉塵狀態的物質較之固體狀態物質有所不同，尤其是在燃燒特性方面，原來非燃物質可能變為可燃物質，原來是難燃物質可能變成易燃物質，可燃、易燃物可能變為易爆炸物質，而這一變化是由粉塵的特性所決定的。

（1）粉塵的表面自由能

對于任何粉塵顆粒來講，其表面分子與內部分子所處的能量狀態是不同的。

在粉塵顆粒內部的分子，因四面八方均具有同類分子包圍著，所受四周分子引力對稱，可以相互抵消而受力總和為零，它做分子運動（震動）時不需要消耗功，而靠近顆粒表面的分子，由于內部密集的同類分子的引力遠大于外部其他分子（含氣體分子）對它的引力，所以不能相互抵消，這些力的總和垂直于粉塵表面而指向粉塵內部，亦即表面分子受到內向的拉力，表面上的分子總比內部分子具有更高的能量，這種能量叫做表面自由能。

（2）粉塵的分散度和表面積

所謂粉塵的分散度就是粉塵按不同粒徑（直徑）分布的一種形式。分散度的大小又決定著粉塵的表面積，其分散度越大，則表面積越大，表面分子越多，導致表面自由能越大。

（3）粉塵的吸附性

其他物質分子在粉塵表面上相對聚集的現象稱為粉塵的吸附現象。由于粉塵具有較大的表面積及表面自由能，而物質又具有由高能態向低能態轉化的趨勢。能態越低越穩定，所以，它對四周分子尤其是快速移動的氣體分子具有吸附性。通過吸附其他分子來降低部分表面自由能。

綜上所述，由于粉塵的分散度較大，具有較大的表面積，從而具有較高的表面自由能，使粉塵的狀態不穩定，活性增高，在理化性質上表現為粉塵較之原物質具有較小的點燃能量和自燃點。（如塊狀時不能燃燒的鐵塊，在粉碎成粉塵時，最小點燃能量小于100mJ，自燃點小于300℃；煤粉的點燃能量小于40mJ）。表面積的增大和吸附特性的存在，使得粉塵與空氣中氧分子的接觸面增大，增加了反應速度；表面積的增大，還使固體原有的導熱能力下降，易使局部溫度上升，也有利于反應進行。

同時，粉塵在擴散作用大于重力作用時具有懸浮狀態的穩定性，易與空氣形成粉塵云。當各種條件具備時，粉塵就會發生爆炸。

1.3.2.4　粉塵爆炸特性參數

評價粉塵爆炸危險性的主要特征參數是爆炸極限、最小點燃能量、最低點燃溫度、粉塵爆炸壓力及壓力上升速率。幾種代表性粉塵的爆炸特性如表1-7所示。

（1）爆炸極限

粉塵-空氣混合物只有在爆炸上限和下限之間一定的濃度范圍內，才具有爆炸性。一般，工業可燃粉塵的爆炸下限位于20～60g/m3之間，爆炸上限位于2～6kg/m3之間，掌握爆炸下限的數據對于保障工業生產安全具有非常重要的意義。

（2）最小點燃能量

最小點燃能量是最易點燃的混合物在20次連續試驗時，剛好不能點燃時的能量。最小點燃能量的大小與粉塵濃度、粉塵粒度及其分布、溫度以及粉塵的性質有關。可燃粉塵的最小點燃能量對安全防爆技術至關重要。

（3）點燃溫度

粉塵的最低點燃溫度取決于粉塵粒度、揮發組分的含量、周圍氣體的氧含量等。通常，粉塵云的發火溫度為層狀粉塵發火溫度的2倍。

（4）爆炸壓力和壓力上升速率

可燃性粉塵爆炸時出現的最大爆炸特性值就是最大爆炸壓力和最大壓力上升速率。

就密閉容器粉塵爆炸過程而言，壓力上升速率是衡量爆炸強度的尺度。它們隨粉塵的種類、粒度、濃度和著火源的種類，還隨容器大小、初壓、氧含量、揮發組分和可燃氣體濃度、活性的粉塵和灰分的含量等變化而變化。

1.3.2.5　粉塵爆炸的影響因素及其影響規律

粉塵爆炸極限不是固定不變的，它的影響因素主要有粉塵粒度、分散度、濕度、點燃源的性質、可燃氣含量、氧含量、惰性粉塵和灰分溫度等。一般來說，粉塵粒度越細，分散度越高，可燃氣體和氧的含量越大，火源強度、初始溫度越高，濕度越低，惰性粉塵及灰分越少，爆炸極限范圍越大，粉塵爆炸危險性也就越大。

粉塵爆炸壓力及壓力上升速率（dP/dt）主要受粉塵粒度、初始壓力、粉塵爆炸容器、湍流度等因素的影響。粒度對粉塵爆炸壓力上升速率的影響比粉塵爆炸壓力大得多。

（1）粉塵粒度

粉塵顆粒的大小，即粒徑對粉塵爆炸特性有顯著的影響。以黑索金（RDX）炸藥粉塵為例，選取100g/m3濃度的該類型粉塵，得到不同粒徑的RDX粉塵爆炸壓力峰值變化規律如圖1-9。粒徑越小，其反應越快速，直接導致粉塵爆炸的最大壓力和最大壓力上升速率隨之加大。

（2）點燃源特征

① 點燃能量的影響　通常情況下，揮發質的析出除了與自身揮發性有關，還與點燃能量的大小有密切關系，選取質量濃度為400g/m3的鎂粉、甘薯粉和煤粉試樣，分別采用1kJ、2kJ、5kJ和10kJ能量點燃，結果如圖1-10所示。最大爆炸超壓隨點燃能量增加而上升，說明提高點燃能量能顯著增加粉塵爆炸體系釋放的總能量。三種粉塵的最大爆炸超壓都隨點燃能量的增加有不同程度的增大，因此，通常情況下，增加點燃能量可提高粉塵燃燒速率，使粉塵爆燃更猛烈。

② 點燃延遲時間的影響　點燃延遲時間如果太短，鋁粉分散時間不足，鋁粉懸浮濃度達不到可燃濃度而無法點燃；而如果點燃延遲時間過長，容器內懸浮的鋁粉在自重的作用下逐漸沉降，懸浮鋁粉云濃度逐漸減小，降到鋁粉爆炸下限以下同樣會導致不爆。所以，粒度和濃度一定的鋁粉在爆炸時存在一個可爆延遲時間范圍，只有在此延遲時間范圍內點燃，才發生爆炸。

隨著點燃延遲時間的延長，鋁粉爆炸的最大爆炸壓力先增大后減小的變化規律，同時存在著一個使得最大爆炸壓力達到最大值的點燃延遲時間，稱之為最佳點燃延遲時間。從圖1-11可以看出10～12mm的鋁粉爆炸最佳點燃延遲時間約為70ms。

（3）粉塵濃度

對于一般工業粉塵鋁粉，存在1個最佳粉塵濃度使得爆炸壓力峰值達到最大值，低于或高于這個濃度，爆炸壓力峰值將減小。這是因為當鋁粉濃度較小時，混合物中氧氣含量相對較高（富氧），在這種情況下，隨著鋁粉濃度的增大，爆炸壓力峰值也增大；而當鋁粉濃度較大時，混合物中氧氣含量相對較低（貧氧），鋁粉顆粒因供氧不足而不能完全燃燒，同時，剩余的未燃鋁粉顆粒還要吸收一部分熱，因而導致爆炸壓力峰值減小。如圖1-12所示。

（4）氧濃度

防止粉塵爆炸的途徑之一是充入惰性氣體，使氧氣濃度足夠低火焰無法繼續傳播。這將消除火三角形中的一角，從而防止燃燒繼續進行。最常見的惰性氣體是空氣，其主要組成是氮氣。在空氣中，煤粉的濃度超過80g/m3才能被點燃和繼續燃燒。如圖1-13所示，在氧氣濃度從14%降低至11.5%時，爆炸仍在繼續。氧氣濃度在11%時，已經超出實驗范圍。盡管氧氣濃度很低，但是煤粉也燃燒，氧氣濃度的極限是由那些支持燃燒和不支持燃燒的氣體決定。

（5）環境溫度

大部分可燃性粉塵（如煤粉、鎂粉、硫黃等）在外界溫度達到一定溫度后會自燃，圖1-14為煤粉爆炸受溫度影響的曲線。當煤粉達到一定濃度后，熱自燃的溫度曲線保持恒定。

（6）環境壓力

吹粉氣流的壓力不同，其使粉塵擴散的能力強弱就不同，使得同種粉塵在空間內的擴散和沉降規律發生變化，噴粉后形成均勻粉塵云的時間也會有所差別。初始壓力對粉塵爆炸下限的影響如圖1-15所示。煤粉和聚乙烯粉塵的爆炸濃度下限與壓力成線性關系。在初始壓力為1～4bar的范圍內，爆炸下限隨初始壓力呈線性增長。

（7）環境濕度

空氣濕度是粉塵爆炸的一個重要影響因素，由于獲取水蒸氣的方法多，成本低，而且工藝簡單，因此，增加空氣濕度成為一種最為經濟而有效的預防措施。

在環境相對濕度為33%、60%和90%條件下，對濃度為310g/m3的鋁粉進行實驗。環境相對濕度對同一濃度下的鋁粉爆炸猛烈度有一定的影響，如圖1-16所示。

隨著環境相對濕度的變化，最大爆炸壓力的變化呈現出兩種趨勢，當鋁粉濃度較低（200～310g/m3）時，最大爆炸超壓隨著環境相對濕度的增加先增加后減小；當鋁粉濃度較高（500～1000g/m3）時，最大爆炸超壓隨著環境相對濕度的增加而明顯增加，如圖1-17所示。

因此，水蒸氣對鋁粉的爆炸有兩方面的作用：促進作用和抑制作用。這兩種作用與鋁粉濃度有關，當鋁粉濃度較低時，環境中的水分含量不足以與鋁粉發生完全生成氫氣的反應，則水蒸氣起促進作用，否則多余的水蒸氣會抑制鋁粉的爆炸；相反，如果鋁粉的量足以與環境中的水蒸氣發生完全反應，則產生的氫氣會大大增強鋁粉爆炸的猛烈程度。