1.1　气体爆炸基础知识

1.1.1　气体爆炸的相关概念

（1）气体爆炸

爆炸是指物质从一种状态经过物理变化或化学变化突然变成另一种状态，并放出巨大的能量，同时产生光和热或机械功的现象。爆炸的主要特征是压力的瞬时急剧升高，并对周围物体形成急剧突跃压力的冲击，造成机械性破坏效应。

气体爆炸是指有气体参与的爆炸现象，例如，常见的内燃机中的燃烧爆炸、可燃气体泄漏爆炸、矿井瓦斯爆炸、储压气体容器破裂爆炸等现象。气体爆炸具有一般爆炸发生发展的共性特征，同时也具有其自身的特点和规律。气体爆炸一直是学术界关注的课题，这方面的研究工作可分为三方面：一是动力燃烧方面，主要研究内燃机内的气体和蒸气燃烧效率与做功稳定性等，开发安全高效的机械设备；二是军事应用领域，主要研究燃料-空气炸药的燃烧性能和爆炸威力，开发先进武器；三是工业防爆场所，主要研究可燃气体的燃烧过程和爆炸威力，以便有针对性地提出防爆措施。

生产、生活爆炸灾害中，气体爆炸发生率最高，危害也最大，从安全防爆技术角度来看，必须探索和总结这些特点和规律，分析研究爆炸的引发、形成、扩展和效应的全过程，这样才能有针对性地去预防、抑制、消除这类爆炸，设计制订各种科学有效的防爆措施，采取科学的救援处置策略，从而实现保护人民生命财产安全的目的。

（2）气体燃烧

燃烧是一种发光放热的快速氧化还原反应，人们对燃烧的最直观认识就是“火”，当可燃气体在空气中遇到合适的点火源时就会着火燃烧。燃烧是现代社会的主要动力来源，如发电厂燃气轮机、化工厂燃气锅炉、交通工具中的内燃机都是以燃烧产生的热能为动力；冶金、化工、玻璃、水泥、陶瓷等生产过程都是以燃烧为能量供给方式；人们生活中的烹饪、采暖都普遍采用燃烧装置作为热源。而在喷气、火箭等先进推进技术高速发展的背景下，爆轰理论与技术的发展使大推重比高效爆轰推进技术成为可能。

气体燃烧是指以气相存在的物质发生的燃烧反应，从本质上说，气体燃烧也是一种伴有发光、发热的激烈的氧化还原反应。气体最容易燃烧，只要具有足够的热量即可迅速燃烧。可燃气体与空气混合后发生燃烧称为预混燃烧，而可燃气体从管内流出后同周围空气接触，边混合边燃烧称为扩散燃烧。预混燃烧反应速率快，温度高，容易导致压力急剧增大，引发爆炸效应。

（3）燃烧与爆炸的关系

燃烧和爆炸是两个相关的概念，由各自定义可知，燃烧是指一种发光发热的剧烈的氧化还原反应，而爆炸则是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。燃烧必然发生氧化还原反应，但是并不是所有的燃烧过程都会产生压力突变和机械功。根据燃烧时的压力特征和能量传递机理，可将其分为定压燃烧、爆燃和爆轰，定压燃烧就是大多数燃烧器和火灾的燃烧形式，爆燃和爆轰即为爆炸。爆炸必然存在压力突变和对外的机械功，但是并不是所有爆炸都会发生化学反应。根据爆炸时的物性变化特性，可将其分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸，其中只有化学爆炸才包含化学反应。燃烧与爆炸相交于化学爆炸，它兼具化学反应和压力突变的特征，两者关系如图1-1所示。

气体爆炸主要包括物理爆炸与化学爆炸两类，而化学爆炸又包括混合气体爆炸和气体分解爆炸。对于气体爆炸来说，单纯的蒸气爆炸就是典型的物理爆炸；可燃气体与空气混合遇火源引起的爆炸就是典型的混合气体爆炸；分解性气体加热条件下不需要氧化剂就可以发生的爆炸就是典型的气体分解爆炸。混合气体爆炸主要发生氧化还原反应，气体分解爆炸主要发生分解反应，因此，严格意义上来说，混合气体爆炸才是燃烧反应。考虑到各种类型的气体爆炸发生的频次和危害程度，本书将重点关注混合气体爆炸，书中未明确提及分解爆炸和蒸气爆炸概念时，所遇到的有关爆炸的概念、特性以及参数均是针对混合气体爆炸而言的。

燃烧和爆炸有着密切的关系。对于最常见的混合气体爆炸，其燃烧与爆炸的化学反应实质是相同的，都属于氧化还原反应。两者的差异通常是反应速率和能量释放方式上的不同。就混合气体化学爆炸而言，爆炸过程就是一种典型的带有压力波的燃烧过程。在经典燃烧学理论中，混合气体的实际燃烧方式主要包括定压燃烧、爆燃和爆轰类型，因此，燃烧学中的各种燃烧理论都是普适理论，都适用于混合气体爆炸，混合气体爆炸仅仅是燃烧中能量释放比较激烈的一种方式。

理解燃烧和爆炸概念时，另外一组容易混淆的概念是火灾事故和爆炸事故，通常意义上的火灾事故本质就是定压燃烧，而爆炸事故通常是指一种带有压力波的燃烧，它又分为爆燃和爆轰两种方式。因此，本书所涉及的爆炸原理很多直接来源于经典燃烧学理论。

1.1.2　气体爆炸的分类

气体爆炸的分类方法很多，可以按照爆炸前后物质发生的变化分类，也可以按照爆炸事故过程的类型分类，还可以按照爆炸反应的相进行分类。

1.1.2.1　按爆炸前后物质发生的变化分类

爆炸按照物质变化可分为物理爆炸、化学爆炸、核爆炸三类，本书中涉及的气体爆炸包括物理爆炸和化学爆炸两类，核爆炸不是本书的研究内容。

（1）物理爆炸

物理爆炸是指因物质状态或压力发生突变而形成的爆炸，其主要特征在于物理爆炸前和爆炸后物质的性质及化学成分并不改变。物理爆炸发生的前提是系统存在或瞬间产生大量气体，并且气体聚集会造成系统压力急剧升高，最终以机械功的形式对外做功，如锅炉爆炸、储压容器爆炸、汽车轮胎爆炸、蒸气爆炸等，其中最典型的重大灾害爆炸事故为沸腾液体膨胀蒸气爆炸（BLEVE）。

物理爆炸是由物理变化（温度、体积和压力等物理因素变化）引起的。在物理爆炸的前后，爆炸物质的性质及化学成分均不改变。锅炉的爆炸是典型的物理爆炸，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，当压力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，引起气体压力提高，当压力超过钢瓶的极限强度时即发生爆炸。发生物理爆炸时，气体或蒸气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。例如，某钢厂一列拖着钢渣罐的火车开到矿渣厂，在卸车时突然有3个钢渣罐（钢渣有上千摄氏度高温）先后滚到水塘里，顿时发生了蒸汽爆炸（水变成500℃的蒸汽时，体积将增大3500倍），只见钢渣罐像火球一样飞向空中，有一个罐飞出70m远并落在工棚上，引起工棚着火，另外两个罐飞到101m远的修建队仓库以及附近的房屋，共烧毁1000多平方米建筑物，烧死、烧伤多人，有几个重伤人员在抢救中死去。上述这些物理爆炸是蒸汽和气体膨胀力作用的瞬时表现，它们的破坏性取决于蒸汽或气体的压力。

（2）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）、可燃雾滴爆炸、混合危险物质的爆炸等。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，因此产生高压气体，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，并引起空气振荡从而产生声响，同时造成周围人、物的破坏，化学能转变为热能和机械能。

① 气体分解爆炸　分解爆炸是指在外界作用（包括摩擦、撞击、加热、压缩、冲击波等）下，分解性物质通过自身分解反应引起的爆炸现象。分解爆炸是不需要添加助燃气体的，因此一般不发生燃烧反应，爆炸所需要的能量一般是由爆炸物本身分解时放出的分解热提供的，如乙炔银、雷汞等固体物质的爆炸。某些气体由于分解产生很大的热量，在一定条件下也可能产生分解爆炸，在受压的情况下更易发生爆炸，如高压存储的乙烯、乙炔发生的分解爆炸等。

气体的分解爆炸是以伴随放热的分解反应为主且发生特殊的分解火焰。所谓分解爆炸，就是在分解时能放出热量的气体，如石油工业中广泛遇到的乙烯、氧化乙烯以及金属焊接和熔断中所用的乙炔等，都在一定的条件下发生分解，这些物质在分解的过程中能放出相当大的热量，使分解出来的气体受热膨胀，造成压力急剧升高和释放，从而导致爆炸。分解爆炸并不一定要有助燃气体。有人曾在爆炸时对所谓分解火焰的特殊火焰的发生与传播进行观察，发现其状态与气体爆炸极为相似。分解爆炸的气体虽然被称为分解爆炸性气体，但其中绝大多数是可燃性气体，它与空气混合后，同样存在着气体爆炸的危险。可将分解爆炸作为气体爆炸的特殊类型来进行研究和处理。

能够发生爆炸性分解的气体，在温度、压力等作用下会释放相当数量的热量，从而给燃爆提供了所需的能量。生产中常见的乙炔、乙烯、环氧乙烷、二氧化氮和二烯等气体，都有发生分解爆炸的危险。

某些气体即便在没有空气或氧气的情况下同样可以发生爆炸，如乙炔在没有氧气的情况下，若被压缩到200kPa以上，遇火星就能引起爆炸。乙烯、氧化乙烯、氧化乙炔、四氟乙烯、丙烯、臭氧、一氧化氮等也具有类似的性质。出现这种情况的原因在于这类气体在分解时能放出大量的热量，使分解出来的气体受热膨胀，造成压力急剧升高。

② 混合气体爆炸　所有的可燃气体、蒸气与空气所形成的爆炸性混合物的爆炸均属于混合气体爆炸。这类物质的爆炸需要同时具备一定的条件（足够的爆炸物质的含量、氧含量及点火能量等），其危险性比上述两类爆炸低，但由于这类物质普遍存在于工业生产的许多领域，因此，它造成的爆炸事故也较多，危害很大。

混合气体爆炸通常是可燃气体与空气混合达到爆炸极限浓度，然后遇到火源发生的燃烧现象。混合气体爆炸在化学上是可燃性气体燃烧的一种形式，是受燃烧反应、热力学及气体力学相互作用所支配的一种现象。

在实验条件下，混合气体点火后火焰在预混气中正常传播时，会产生二氧化碳和水蒸气等燃烧产物，同时放出热量，使产物受热、升温、体积膨胀。如果受热膨胀的燃烧产物不能及时排走，会发生爆炸。在实验室中可以发现，当气体在长形容器的中部点燃时，燃烧产物一开始可以自由地膨胀，直到火焰到达容器的器壁，此后，燃烧产物将沿着容器的两个方向膨胀。在此期间，如果易燃气体是烃类化合物蒸气，其火焰最初以约每秒几米的速度传播。管道内火焰燃烧产物的膨胀会引起火焰前未燃气体运动。在一定时间后，这种运动的未燃气体会呈现紊流状态，其后果之一是火焰锋的燃烧速率增大。这种燃烧过程会使火焰继续加速至相当高的程度。火焰加速运动伴随产生的冲击波形成带有压力波的燃烧现象，这就是爆炸。如果燃烧继续被加速，当火焰前后的压力增加至相当高的程度，则最终可能实现燃烧转爆轰，引起极其严重的爆炸现场。

工矿企业的爆炸事故以化学爆炸居多，本书着重讨论气体化学爆炸。

1.1.2.2　按燃烧模式分类

气体燃烧爆炸的变化范围很宽。从速度量级来考察，常见烃类化合物气体燃料与空气计量配比混合物的基本燃烧速率为0.5m/s量级，而同样燃料混合物转变成爆轰时，其波阵面传播速度可达2000m/s量级，速度变化跨4个数量级。从压力量级来考察，从气体燃烧负压到含能材料的爆轰，压力跨6个数量级。

可燃气体燃烧过程按照反应机理和火焰传播速度划分可以分为定压燃烧、爆燃和爆轰。

定压燃烧是指燃烧系统的压力保持恒定的燃烧形式。定压燃烧通常发生在敞开环境下的慢速燃烧过程中，燃烧速率较慢，燃烧时产物能够自由膨胀和排放，因此，每一时刻都能够达到压力与初始环境压力平衡。

爆燃则是一种带有压力波的燃烧。爆燃波火焰面以亚音速传播，由于压力波的传播速度比火焰阵面要快，压力波必然行进在燃烧波前面，因此，前导压力波和火焰面构成两波三区的结构。爆轰是以超音速传播（相对于波前未反应混合物）的带化学反应的冲击波。

爆燃波与爆轰波最直接的区别在于波面结构和传播速度。爆轰波火焰面与冲击波耦合，并以每秒千米以上的超音速传播；爆燃波火焰面与前导压力波解耦，火焰面以亚音速传播。爆轰波与爆燃波的本质区别则体现在反应机理上。爆轰波通过前导冲击波的绝热压缩作用引起紧随其后的化学反应过程；爆燃波则是依靠热量传递实现未燃气体的化学反应。由于定压燃烧也是通过导热而使火焰传播的燃烧过程，因此，从化学反应本质上来说，定压燃烧是爆燃的一种特例，二者的区别仅仅是火焰面前压力波的存在与否。

比较以上三种典型的燃烧模式，我们发现爆燃是一种受外界环境影响很大的燃烧状态，火焰传播过程中如果后方燃烧约束减弱，前导压力波就会减弱直至消失，则爆燃波就会弱化为定压燃烧；如果燃烧约束增强，压力波强度增强，火焰加速，则火焰面会逐渐赶上前驱压力波，火焰阵面和压力阵面耦合形成爆轰波。因此，爆燃波是一种特定条件下的爆炸性反应过程，火焰传播与爆炸特性因边界条件的不同而不同，是一种典型的不确定燃烧状态。相比之下，爆轰和定压燃烧则属于稳定的燃烧过程。爆轰通过前导冲击波的绝热压缩作用支持火焰燃烧，而化学反应又反过来维持冲击波的强度，稳定状态的爆轰波不受外界条件的影响，具有稳定的传播速度，因此，稳定的爆轰状态被认为是燃料极限燃烧的固有属性，爆轰参数是此种燃料的本征参数。通过对气体燃料的爆轰特性参数的研究，可以为燃料高速燃烧特性积累基础数据，为高速燃烧的工程应用和爆炸事故预防提供理论支持。而在定压燃烧过程中，由于燃烧速率小，燃烧产物能够自由膨胀和外逸，未燃气体压力保持恒定，这使得火焰传播完全依靠气体传热、传质将热量从火焰表面传给邻近未燃气体燃料，使未燃气体温度升高到着火温度而燃烧，因此，燃烧的火焰会一层层地向未燃气体传播，当火焰以层流状态传播时，就形成了层流燃烧过程。层流燃烧和湍流燃烧是从气体流动和火焰面结构角度对燃烧过程进行分类的。层流燃烧火焰厚度薄，火焰表面光滑，燃烧速率小，而湍流燃烧火焰增厚，表面粗糙，脉动明显，火焰传播快。湍流燃烧速率主要随火焰变形以及物质和热量输运的增加而增大，相比于层流燃烧过程，其火焰传播速度除了与化学反应速率相关外，还与流动状态直接相关。因此，无论从火焰压力特征还是从流动特征分析，层流燃烧属于稳定燃烧过程，其燃烧过程仅与混合物的物理化学属性相关，是气体燃料一般燃烧过程的固有属性，而层流燃烧速率也成为燃料的一个本征参数。实际上，前人在研究定压燃烧时通常使用的一个特征参量即层流燃烧速率，他们认为该速率取决于燃料的输运速率和化学反应速率。对于大多数烃类燃料空气混合物，常温常压和理论当量比条件下的燃烧速率一般为0.5m/s量级。而在测量层流燃烧速率时，定压环境也是实验测试的基本要求。

1.1.3　气体爆炸的条件

爆炸发生的条件很复杂，不同爆炸性物质的爆炸过程有其独有的特征。

1.1.3.1　物理爆炸的条件

物理爆炸是一种极为迅速的物理能量因失控而释放的过程。在此过程中，体系内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变成机械功、光和热等能量形态。从物理爆炸发生的根本原因来看，爆炸发生的条件可概括为：构成爆炸的体系内存在高压气体，或由于爆炸瞬间生成的高温高压气体或蒸气的急剧膨胀，爆炸体系和它周围的介质之间发生急剧的压力突变。锅炉爆炸、压力容器爆炸、水的大量急剧汽化等均属于此类爆炸。

1.1.3.2　化学爆炸的条件

化学爆炸是以化学反应驱动的爆炸反应，爆炸过程有两个特征，即反应过程放热、反应过程速率极快并能自动传播。这两个特征是化学反应成为爆炸性反应所必须具备的，而且是相互关联、缺一不可的条件。下面对每个条件的重要性和意义进行概略的讨论。

（1）反应过程的放热性

反应过程的放热性是化学反应能否成为爆炸反应的最重要的基础条件，也是爆炸过程的能量来源。没有这个条件，爆炸过程就不能发生，当然反应也就不能自行延续，因此，也就不可能出现爆炸过程的自动传播。

爆炸反应过程所放出的热量称为爆炸热（或爆热）。它是反应的定容热效应，是爆炸破坏能力的标志，同时也是爆炸危险性的重要特征参数。常用炸药的爆热一般为3700～7500kJ/kg。对于混合爆炸物来说，其爆热就是燃烧热，有机可燃物的燃烧热为48000kJ/kg左右。

（2）反应过程的高速率

混合爆炸物质是事先充分混合、氧化剂和还原剂充分接近的体系，所以，它们能够发生快速的逐层传递的化学反应，使爆炸过程以极快的速率进行。这是爆炸反应和一般化学反应的一个最重要的区别。一般化学反应也可以是放热的，而且有许多化学反应放出的热量甚至比爆炸物质爆炸时放出的热量大得多，但它未能形成爆炸，其根本原因就在于它们的反应速率慢。例如，1kg木材的燃烧热为16700kJ，它完全燃烧需要10min；1kgTNT炸药的爆炸热只有4200kJ，它的爆炸反应只需要几十微秒。二者所需的时间相差千万倍。

由于爆炸物质的反应速率极快，实际上可以近似认为爆炸反应所放出的能量来不及逸出，全部聚集在爆炸物质爆炸前所占据的体积内，从而造成了一般化学反应所无法达到的能量密度。正是由于这个原因，爆炸物质爆炸才具有巨大的功率和强烈的破坏作用。

例如，1kg煤块和1kg煤气的燃烧热都是29000kJ，一块1kg的煤块完全燃烧约需10min，它是一种燃烧过程，而1kg煤气和空气混合后，大约只需0.2s即可烧完，属于爆炸过程，这些煤气和空气的混合气在炸药引爆的条件下只需0.7ms就能反应完毕，属于爆炸中的爆轰状态。根据功率与做功时间成反比的关系，可算出它们的功率为：1kg发热量为29000kJ的煤块燃烧时发出的功率为48kW；1kg发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气爆燃时发出的功率为140MW；1kg发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气发生爆轰时发出的功率为41GW。这个例子清楚地说明爆炸过程的速率快与相应的释放反应热的速率快是爆炸过程的主要特征。

另外，多数爆炸反应过程必须形成气体产物。在通常的大气压条件下，气体密度比固体和液体的密度要小得多。气体具有可压缩性，它比固体和液体有大得多的体膨胀系数，是一种优良的工质。爆炸物质在爆炸瞬间生成大量气体产物，由于爆炸反应速率极快，它们来不及扩散膨胀，被压缩在爆炸物质原来所占有的体积内。爆炸过程在生成气态产物的同时释放出大量的热量，这些热量也来不及逸出，都加给了生成的气体产物。这样就使得在爆炸物质原来所占有的体积内形成了处于高温、高压状态的气体。这种气体作为工质在瞬间膨胀做功，由于功率巨大，对周围物体、设备、房屋就会造成巨大的破坏作用。可见，爆炸过程中气体产物的生成是发生爆炸的重要条件。

1.1.3.3　混合气体爆炸的条件

可燃气体和可燃液体蒸气的爆炸实质上是可燃气体本身或与空气或氧的快速氧化反应，属于化学爆炸。其主要特征是快速燃烧产生的高温产物膨胀，从而产生爆炸冲击波，导致被作用物体产生大变形乃至破坏。混合气体爆炸系统发生爆炸必须同时满足燃烧的基本条件，同时又要满足化学爆炸的普适条件。混合气体爆炸作为一种特殊的氧化还原反应，必须要满足3个基本条件：

① 有合适浓度的可燃气体；

② 有合适浓度的助燃气体；

③ 有足够能量的点火源。

这里“合适浓度”指的是可以发生爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中都有一个可以发生爆炸的浓度范围，这个浓度范围称为爆炸极限。超出气体爆炸极限，即使用很强的点火源也不能激发爆炸。通常爆炸都离不开氧气或空气作为助燃气，而氧气的浓度实际上是与可燃气浓度相对应的，过高或过低都不能发生爆炸。每种气体都有一个最低点火能量，当点火能量低于这个值时就不会发生爆炸。

同时，作为一种爆炸反应形式，混合气体的燃烧反应必须放热，并且燃烧反应要能够迅速形成压力波。只有同时满足以上条件，混合气体的燃烧反应才会发生爆炸效应。