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安全工程师安全生产技术笔记第九讲
一、大纲规定检查应考人员对爆炸上限和下限、具有惰性气体构成混合物爆炸极限计算的掌握程度；对粉尘爆炸特点的熟悉程度
二、重点、难点
1.理解爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算；
2.掌握爆炸上限和下限、具有惰性气体构成混合物爆炸极限的计算
3.理解粉尘爆炸的机理与特点；
4.掌握粉尘爆炸的影响原因；
5.熟悉粉尘爆炸的特性；
6.掌握控制产生粉尘爆炸的技术措施二爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算
1.爆炸完全反应浓度计算爆炸混合物中的可燃物质和助燃物质完全反应的浓度也就是理论上完全燃烧时在混合物中可燃物的含量，根据化学反应方程式可以计算可燃气体或蒸气的完全反应浓度现举例如下［例］求乙快在氧气中完全反应的浓度［解］写出乙焕在氧气中的燃烧反应式2C2H2+502=4C02+2H20+Q根据反应式得知，参与反应物质的总体积为2+5=7若以7这个总体积为100,则2个体积的乙烘在总体积中占Xo=2/7=
28.6%答乙快在氧气中完全反应的浓度为
28.6%可燃气体或蒸气的化学当量浓度，也可用如下措施计算燃气体或蒸气分子式一般用CaHpOy表达，设燃烧1mol气体所必需的氧的物质的量为n,则燃烧反应式可写成CaHpOy+nO2一生成气体假如把空气中氧气的浓度取为
20.9%,则在空气中可燃气体完全反应的浓度x%一般可用下式表达
120.9X=-------------=----------------%2—4n
0.209+n1+---------
0.209又设在氧气中可燃气体完全反应的浓度为X0%,即100X0=——%2—51+n式2T和式2—5表达出X和X与n或2n之间的关系2n表达反应中氧的原子数CaHpOy+nO2-aCO2+l/2pH2O式中2n=2a+l/2p-y,对于石蜡煌0=2a+2因此，2n=3a+l-y根据2n的数值，从表24中可直接查出可燃气体或蒸气在空气或氧气中完全反应的浓度［例］试分另U求H
2、CH3OH、C3H8C6H6在空气中和氧气中完全反应的浓度［解］1公式法
20.9X H2=--------------------%=
29.48%
0.209+
0.5100X0H2=——%=
66.7%1+n
20.9XCH3OH尸%=
12.23%
0.209+
1.5100X0CH3OH=---------%=40%1+
1.
520.9XC3H8=-------------------%=
4.01%
0.209+5100X0C3H8=——%=
16.7%1+
520.9XC6H6=------------------%=
2.71%
0.209+
7.5100X0C6H6=---------%=1L8%1+
7.52查表法根据可燃物分子式，用公式2n=2a+l/2p-y,求出其2n值由2n数值，直接从表2-4中分别查出它们在空气或氧中完全反应的浓度由式2n=2a+l/2p-y,依分子式分别求出2n值如下H22n=1CH30H2n=3C3H82n=10C6H62n=15由2n值直接从表2-4分别查出它们的X和Xo值:XH2=
29.5%Xo H2=66・7%XCH30H=12%Xo CH30H=40%XC3H8=4%Xo C3H8=
16.7%Xo C6H6=
11.76%XC6H6=
2.7%表2—4可燃气体蒸气在空气和氧气中完全反应的浓度
2.爆炸温度计算1根据反应热计算爆炸温度理论上的爆炸最高温度可根据反应热计算[例]求乙醛与空气的混合物的爆炸温度[解]1先列出乙醛在空气中燃烧的反应方程式C4H100+602+
22.6N-4C02+5H2O+
22.6N2式中，氮的摩尔数是按空气中N202=79:21的比例确定的，即602对应的N2应为6x79/21=
22.6由反应方程式可知，爆炸前的分子数为
29.6,爆炸后为
31.6⑵计算燃烧各产物的热容气体平均摩尔定容热容计算式见表2—50表2-5气体平均摩尔定容热容计算式根据表中所列计算式，燃烧产物各组分的热容为N的摩尔定容热容为[
4.8+
0.000450x
4186.8]J/kmob℃H20的摩尔定容热容为[
4.0+0,00215tX
4186.8]J/kmob℃COo的摩尔定容热容为[
9.0+
0.0058tX
4186.8]J/kmob℃燃烧产物的热容为[
22.
64.8+
0.00045tx
4186.8]J/kmol-℃=[454+
0.042txlO3]J/kmol-℃[
54.0+.00215tx4186,8]J/kmob℃=[
83.7+.045t xlO3]J/kmob℃[
49.0+
0.00058tx
4186.8]J/kmol-℃=E
150.7+
0.0097t xlO3]J/kmol℃燃烧产物的总热容为
688.4+.O967txlO3J/kmol.℃o这里的热容是定容热容，符合于密闭容器中爆炸状况3求爆炸最高温度先查得乙醛的燃烧热为
2.7X1O6J/mol,即
2.7xlO9J/kmoL由于爆炸速度极快，是在近乎绝热状况下进行的，因此所有燃烧热可近似地看作用于提高燃烧产物的温度，也就是等于燃烧产物热容与温度的乘积，即
2.7X109=[
688.4+
0.0967txl03]-t解上式得爆炸最高温度t=2826℃o上面计算是将原始温度视为0℃爆炸最高温度非常高，虽然与实际值有若干度的误差，但对计算成果的精确性并无明显的影响2根据燃烧反应方程式与气体的内能计算爆炸温度可燃气体或蒸气的爆炸温度可运用能量守恒的规律估算，即根据爆炸后各生成物内能之和与爆炸前多种物质内能及物质的燃烧热的总和相等的规律进行计算用公式体现为Zu2=ZQ+Zu12-6式中2u2——燃烧后产物的内能之总和；Zu1——燃烧前物质的内能之总和；ZQ——燃烧物质的燃烧热之总和[例]已知一氧化碳在空气中的浓度为20%,求CO与空气混合物的爆炸温度爆炸混合物的最初温度为300Ko[解]一般空气中氧占21%,氮占79%,因此混合物中氧和氮分别占氧21100-20---------x---------=
16.8%100100氮79100-20---------x---------=
63.2%100100由于气体体积之比等于其摩尔数之比，因此将体积比例换算成摩尔数，即1mol混合物中应有
0.2mol一氧化碳、
0.168mol氧和
0.632mol氮从表2—6查得一氧化碳、氧、氮在300K时，其摩尔内能分别为
6238.33J/mol、
6238.33J/mol和
6238.33J/mol,混合物的摩尔内能为Zu1=
0.2x
6238.33+
0.168x
6238.33+
0.632x
6238.331=
6238.33J一氧化碳的燃烧热为285624J,则
0.2mol一氧化碳的燃烧热为O.2x285624J=
57124.8J燃烧后各生成物内能之和应为Eu2=
6238.33+
57124.8J=
63363.13J从一氧化碳燃烧反应式2co+02=2CO2可以看出，
0.2mol一氧化碳燃烧时生成
0.2mol二氧化碳，消耗O.lmolMoImol混合物中,原有
0.168mol氧,燃烧后应剩余
0.168-
0.1=
0.0原mol氧,氮的数量不发生变化，则燃烧产物的构成是二氧化碳
0.2moL氧
0.068moh氮
0.632mol0假定爆炸温度为2400K,由表2—6查得二氧化碳、氧和氨的摩尔内能分别为
105507.36J/mok
63220.68J/mol和
59452.56J/mol,则燃烧产物的内能为Zu2=
0.2x
105507.36+
0.068x
3220.68+
0.632x
59452.561=
62974.5J阐明爆炸温度高于2400K,于是再假定爆炸温度为2600K,则内能之和应为；lu2”=O.2x
116893.04+
0.068x
69500.88+
0.632x
85314.08J=
69383.17J2u2值又不小于Zu2值，因相差不太大，因此精确的爆炸温度可用内插法求得2600-2400［］T=2400+---------------------------
63363.13—
62974.5K=2400+12K=2412K
69383.17—
62974.5以摄氏温度表达为t=T—273℃=2412—273℃=2139℃
3.爆炸压力的计算可燃性混合物爆炸产生的压力与初始压力、初始温度、浓度、组分以及容器的形状、大小等原因有关爆炸时产生的最大压力可按压力与温度及摩尔数成正比的规律确定，根据这个规律有下列关系式P T——二——x——2—7PO TOm式中P、T和n——爆炸后的最大压力、最高温度和气体摩尔数；Po、To和m—爆炸前的初始压力、初始温度和气体摩尔数由此可以得出爆炸压力计算公式TnP=--------x P02—8T0m［例］设Po=
0.IMPa.To=27℃,T=2411K,求一氧化碳与空气混合物的最大爆炸压力［解］当可燃物质的浓度等于或稍高于完全反应的浓度时，爆炸产生的压力最大，因此计算时应采用完全反应的浓度先按一氧化碳的燃烧反应式计算爆炸前后的气体摩尔数2CO+O2+
3.76N2=2C02+
3.76N2由此可得出m=
6.76,n=
5.76,代入式2—8,得2411x
5.76xO.lP=-----------------------------=
0.69300x
6.67以上计算的爆炸温度与压力都没有考虑热损失，是按理论的空气量计算的，所得的数值都是最大值三爆炸上限和下限的计算，具有惰性气体构成混合物爆炸极限计算
1.爆炸上限和下限的计算⑴根据完全燃烧反应所需氧原子数，估算碳氢化合物的爆炸下限和上限，其经验公式如下100L下二--------------------------2—
94.76N-l+l4x100L上二--------------------2—
104.76N+4式中L下——碳氢化台物的爆炸下限；L上——碳氢化合物的爆炸上限；N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需氧原子数［例］试求乙烷在空气中的爆炸下限和上限［解］写出乙烷的燃烧反应式，求出N值C2H6+
3.502=2C02+2H20则N=7将N值分别代入式2—9及式2—10,得；100100L下=-------------=-------=
3.38%
4.767-1+
129.564x100400L上=-------------二------=
10.7%
4.76x7+
437.32乙烷在空气中的爆炸下限浓度为
3.38%,爆炸上限浓度为
10.7%试验测得乙烷的爆炸下限为
3.0%,爆炸上限为
12.5%,对比上述估算成果，可知用此措施估算的爆炸上限值不不小于试验测得的值⑵根据爆炸性混合气体完全燃烧时摩尔分散，确定有机物的爆炸下限及上限计算公式如下L下二
0.55X2—11L上二
4.8收2—12式中X为可燃气体摩尔分数，也就是完全燃烧时在混合气体中该可燃气体的含量
2.多种可燃气体构成的混合物的爆炸极限计算由多种可燃气体构成爆炸性混合气体的爆炸极限，可根据各组分的爆炸极限进行计算其计算公式如下1002—13VI V2V3——+—+—+…LI L2L3式中Lm——爆炸性混合气的爆炸极限，％；LI、L
2、L3——构成混合气各组分的爆炸极限，％；VI、V
2、V3——各组分在混合气中的浓度，%V1+V2+V3+...=100%例如，某种天然气的构成如下甲烷80%,乙烷15%,丙烷4%,丁烷1%各组分对应的爆炸下限分别为5%,
3.22%,
2.37%和
1.86%,则天然气的爆炸下限为；100Lm二---------------------------------------------------二
4.37%801541—+------------+-----------+-----------
53.
222.
371.86将各组分的爆炸上限代入式213,可求出天然气的爆炸上限式2—13用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较精确，而对于氢与乙烯、氢与硫化氢、甲烷与硫化氢等混合气及某些含二硫化碳的混合气体，计算的误差较大
3.具有惰性气体构成混合物的爆炸极限计算假如爆炸性混合气体中具有惰性气体如氮、二氧化碳等，计算爆炸极限时，可先求出混合物中由可燃气体和惰性气体分别构成的混合比，再从图2—7和图2—8中找出它们的爆炸极限，并分别代入式2—13中求得［例］求某回收煤气的爆炸极限,其组分为CO58%,C
0219.4%,N
220.7%,
020.4%,H
21.5%［解］将煤气中的可燃气体和惰性气体组合为两组lC0和C02,即58C0+
19.4C02=
77.4%C0+C02其中，惰性气体/可燃气体=C02/C0=
19.4/58=
0.33由图2—7中查得，L上=70%,L下=17%2N2和H2,即
1.5H2+
20.7N2=
22.2%N2+H2其中，惰性气体/可燃气体=N2/H2=
20.7/
1.5=
13.8从图27查得L上二76%,L下=64%将上述数据代入式2—13即可求得煤气的爆炸极限1L下二---------------------------------------二
20.3%
0.774/17+
0.222/641L上二---------------------------------------二
71.5%0774/70+
0.222/76该煤气的爆炸极限为
20.3%~
71.5%
三、粉尘爆炸的特点一粉尘爆炸的机理和特点当可燃性固体呈粉体状态，粒度足够细，飞扬悬浮于空气中，并到达一定浓度，在相对密闭的空间内，碰到足够的点火能量，就能发生粉尘爆炸具有粉尘爆炸危险性的物质较多，常见的有金属粉尘如镁粉、铝粉等、煤粉、粮食粉尘、饲料粉尘、棉麻粉尘、烟草粉尘、纸粉、木粉、火炸药粉尘及大多数具有C,H元素、与空气中氧反应能放热的有机合成材料粉尘等粉尘爆炸是一种瞬间的连锁反应，属于不定常的气固二相流反应，其爆炸过程比较复杂，它将受诸多原因的制约因此，有关粉尘爆炸的机理至今尚在不停研究和不停完善之中日本安全工学协会编的《爆炸》一书论述了一种比较经典的粉尘爆炸机理这种观点认为从最初的粉尘粒子形成到发生爆炸的过程,如图2—9所示粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从火源获得能量，使表面温度急剧升高，到达粉尘粒子加速分解的温度和蒸发温度，形成粉尘蒸气或分解气体，这种气体与空气混合后就轻易引起点火（气相点火）此外，粉尘粒子自身相继发生熔融气化，进发出微小火花，成为周围未燃烧粉尘的点火源,使之着火，从而扩大了爆炸范围，这一过程与气体爆炸相比就复杂得多从粉尘爆炸过程可以看出粉尘爆炸有如下特点⑴粉尘爆炸速度或爆炸压力上升速度比爆炸气体小，但燃烧时间长，产生的能量大，破坏程度大⑵爆炸感应期较长，粉尘的爆炸过程比气体的爆炸过程复杂，要通过尘粒的表面分解或蒸发阶段及由表面向中心延烧的过程，因此感应期比气体长得多⑶有产生二次爆炸的也许性由于粉尘初次爆炸产生的冲击波会将堆积的粉尘扬起，悬浮在空气中，在新的空间形成到达爆炸极限浓度范围内的混合物，而飞散的火花和辐射热成为点火源，引起第二次爆炸，这种持续爆炸会导致严重的破坏粉尘有不完全燃烧现象，在燃烧后的气体中具有大量的CO及粉尘（如塑料粉）自身分解的有毒气体，会伴随中毒死亡的事故
（二）粉尘爆炸的特性及影响原因评价粉尘爆炸危险性的重要特性参数是爆炸极限、最小点火能量、最低着火温度、粉尘爆炸压力及压力上升速率粉尘爆炸极限不是固定不变的，它的影响原因重要有粉尘粒度、分散度、湿度、点火源的性质、可燃气含量、氧含量、惰性粉尘和灰分温度等一般来说，粉尘粒度越细，分散度越高，可燃气体和氧的含量越大，火源强度、初始温度越高，湿度越低，惰性粉尘及灰分越少，爆炸极限范围越大，粉尘爆炸危险性也就越大粉尘爆炸压力及压力上升速率（dP/dt）重要受粉尘粒度、初始压力、粉尘爆炸容器、湍流度等原因的影响粒度对粉尘爆炸压力上升速率的影响比粉尘爆炸压力大得多当粉尘粒度越细，比表面越大，反应速度越快，爆炸上升速率就越大随初始压力的增大对密闭容器的粉尘爆炸压力及压力上升速率也增大，当时始压力低于压力极限时（如数十毫巴），粉尘则不再也许发生爆炸与可燃气爆炸同样，容器尺寸会对粉尘爆炸压力及压力上升速率有很大的影响，大量可燃粉尘的试验研究证明，当容积NO.04m3时，粉尘爆炸强度遵照如下规律dP3—（）（）Kst=——7V2—14dt式中Kst——粉尘爆炸强度，lO5Pa・m/s；（dP/dt）——最大压力上升速率，105Pa/s；V-----容器体积，m3o粉尘爆炸在管道中传播时碰到障碍片时，因湍流度的影响，使粉尘呈漩涡状态，使爆炸波阵面不停加速当管道长度足够长时，甚至会转化为爆轰重要粉尘爆炸特性参数见表2—7
（三）控制产生粉尘爆炸的技术措施控制产生粉尘爆炸的重要技术措施是缩小粉尘扩散范围，消除粉尘，控制火源，合适增湿对于产生可燃粉尘的生产装置（如A1粉的粉碎等），则可以进行惰化防护，即在生产装置中通入惰性气体，使实际氧含量比临界氧含量低20%o在通入惰性气体时，必须注意把装置里的气体完全混合均匀在生产过程中,要对惰性气体的气流、压力或对氧气浓度进行测试，应保证不超过临界氧含量还可以采用抑爆装置等技术措施抑爆装置由爆炸压力探测器、信号放大器和抑爆剂发射器构成，如图2—10所示，其抑爆效果如图2—11所示【例题】对于I类场所，即炸药、起爆药、击发药、火工品贮存和黑火药制造加工、贮存的场所，—OA.应采用密闭防爆型、隔爆型、正压型或防爆充油型、本质安全型、增安型仅限于灯类及控制按钮电气设备B.不应安装电气设备，特殊状况下仅容许安装电机的控制按钮及监视用工仪表，其选型应符合II类危险场所电气设备的防爆规定C.应选用密封型、防水防尘型电气设备【答案］。
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