1.3　爆炸过程的影响因素及其影响规律

爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中，空间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。所以一旦发生爆炸事故，就会产生巨大的破坏。

爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何种原因引起的爆炸，归根结底必须有一定的能量。按照能量的来源，爆炸可分为三类：物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。

当可燃性物质与氧气的混合浓度处于爆炸极限范围内时，若存在点燃源，将会发生爆炸。能与氧气（空气）反应的物质，包括气体、液体和固体。按照爆炸反应相的不同，爆炸可分为三类：气相爆炸、液相爆炸和固相爆炸。气相爆炸，如氢气、乙炔、甲烷等；液相爆炸，如酒精、汽油等；固相爆炸，如粉尘、纤维等。

1.3.1　气体、液体蒸气和薄雾爆炸

可燃气体燃烧产生的热使燃烧峰面前方的气体受到压缩，产生一个超前于燃烧峰面的压力波，该压力波以当地音速向前传播，行进在燃烧峰面前，称为前驱冲击波。压力波作用于未燃气体使其温度升高，从而使火焰的燃烧速度进一步增大，这样就产生压力更高的压力波，从而获得更高的火焰传播速度。层层产生的压力波相互追赶并叠加，形成具有强烈破坏作用的冲击波，这就是爆炸。

气体、液体蒸气和薄雾的爆炸规律主要决定于其在空气中的浓度。当可燃气体浓度小于爆炸极限范围下限时，由于在混合气体中含有过量的空气，过量的空气的冷却作用及可燃物浓度的不足，导致系统得热小于失热，反应不能延续下去，因此，其遇到火源不能爆炸。当可燃气体浓度大于爆炸极限范围上限时，则会有过量的可燃物，过量的可燃物不仅因缺氧而不能参与反应，放出热量，反而起冷却作用，阻止了火焰的蔓延，因此，在混合气体内遇到火源不能燃烧，也不能爆炸。如有新鲜空气供给，在可燃气体与新鲜空气的接触面上，遇火就会燃烧。当其浓度在爆炸极限范围内时，遇火源就会爆炸。

1.3.1.1　可燃气体爆炸类型

可燃气体爆炸有以下四种模式：定压燃烧、定容爆炸、爆燃和爆轰。

（1）定压燃烧

定压燃烧是指无约束的敞开型燃烧。燃烧过程中，由于燃烧产物能够及时向后排放，其压力始终与初始环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的，不会形成压力波，也不会形成具有破坏性的冲击波，属于稳定的燃烧过程。定压燃烧的特征参量是定压燃烧速度（或称基本燃烧速度），只取决于燃料的输运速率和化学反应速率。大多数烃类气体与空气的混合物，在化学计量浓度下，基本燃烧速度为0.5m/s量级；而与氧气的混合物，则要高约一个数量级。

（2）定容爆炸

定容爆炸是可燃混合物在刚性容器中均匀地同时点燃时所发生的燃烧过程，这是理想模型，而实际情况中是不大可能均匀地同时点燃，常见的是局部点燃，然后扩展到整体。由于爆炸过程进行得很快，密闭容器中局部点燃所形成的参数与定容爆炸相差无几，可用定容爆炸模型来处理。定容爆炸过程中，容器体积保持不变，混合气密度也就不变，压力随释放的化学能的增加而增大。对大多数烃类气体与空气的混合物，在化学计量浓度下，定容爆炸的压力大约为初始压力的7～9倍。

（3）爆燃

如果气体在燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会建立起一定的压力，形成压力波，这样的过程就叫爆燃。它是一种带有压力波的燃烧，与定压燃烧不同的是爆燃有压力波产生。压力波以亚音速向前传播，通常行进在火焰阵面前，而火焰阵面相对于未燃气体以亚音速传播，这是与爆轰的一个重要区别。外界环境和物理因素对爆燃过程有较大的影响。工业爆炸事故中绝大多数以爆燃的形式出现，如密闭容器内可燃气体爆炸过程通常属于爆燃过程。以亚音速传播的火焰阵面前方有前驱冲击波扰动，即火焰在已被扰动的介质中传播，从而形成两波三区结构，如图1-1所示。

（4）爆轰

爆轰是可燃气体爆炸的最高形式，其特征是形成超音速传播（相对于波前未反应混合物）的带化学反应的冲击波。在传播过程中，由于具有化学反应区能不断地补充能量而不衰减，因此是一个稳定传播的过程。烃类气体与空气混合物的爆轰速度大多为1800m/s量级，爆轰压力为1.5MPa量级。

在这几种爆炸模式中，爆燃是一种不稳定的燃烧波传播过程，它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失，而变为定压燃烧；相反，如果爆燃的后边界约束加强，压力波强度增加，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，两者合二为一，成为一个带化学反应的冲击波，就演变为爆轰。对可燃气体，若有形成湍流的加速条件，或外加强刺激源，均有可能使爆燃转变成爆轰。因此，在爆炸灾害的防护中应该设法防止火焰加速条件的形成，以避免从爆燃转变成爆轰。

密闭容器中可燃气体爆炸实质上是燃烧快速发展的过程，属于伴随有化学反应的不定常流动过程。在此过程中，燃烧反应瞬间放出的能量使产物状态（温度、压力）突变，此突变从爆源向外传播，形成一个波，这个波的性质决定于介质的性质、点燃条件等因素，可以是压力波，也可以是冲击波或者是它们的组合，最常见的是压力波的发展。

1.3.1.2　气体爆炸机理

（1）链式反应理论

根据链式反应机理，爆炸性混合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心，活性分子自由基与另一分子作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，形成一系列的连锁反应。宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后，热量及活性中心都向外传播，促进相邻一层混合物发生化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层混合物的反应，如此循环往复，直到全部反应物均反应完为止。

链式反应又分为直链反应和支链反应两种。氯和氢的反应是典型的直链反应。直链反应的基本特点有：①每一个活性分子（自由基）与作用分子反应后，仅生成一个新的活性粒子，自由基与价饱和的分子反应时自由基不消失；②自由基或原子与价饱和的分子反应时活化能很低。

甲烷在空气中的反应是典型的支链反应。支链反应的特点在于：在反应中一个自由基能生成一个以上的自由基。不论是何种链式反应都由三个阶段构成：即链的引发、链的传递（包括链的支化）和链的终止。下面以甲烷和空气的支链反应为例进行阐述。

甲烷与空气混合物的爆炸是一种剧烈而迅速的支链反应，在高温下，甲烷支链反应如下：

由上述支链反应可以看出，对于甲烷，一般在高温下氧化反应进程为CH4CH3H2COCOCO2。

甲烷氧化反应可认为是CH4、H2、H2CO和CO的氧化。这四个链在反应过程中相互影响。例如，H2CO氧化时产物的自由基可加速CH4的氧化进程。在甲烷氧化过程中，CH4首先分解为大量的基团，这一步骤速度相对较慢，在反应起始阶段基团的浓度较低。一旦反应中心产生，O、OH、H和HO2就成为反应的重要组成部分，在反应中起主导作用并加速反应过程。这些反应将使CH4反应生成CH3，在反应初期基团中CH3的浓度最高。在诱导期中这部分反应居主导地位。

随着CH3和O2或其他基团进行反应，中间产物的反应率及浓度相对稳定并对整体反应起重要影响。综上所述：在高温状态下CH4氧化的主要化学反应进程为：①CH4氧化分解；②分子与基团反应；③链分支反应；④链终止。

（2）热爆炸理论

热爆炸是指可燃性物质受热而发生化学反应，并自动加速直到爆炸的一种现象。可燃性物质在发生放热的化学反应时，系统的温度随之升高，同时由于各种传热形式的存在，系统要相应地损失一部分热量。热量产生的速率和温度的关系是非线性的指数关系，而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或线性的关系，一旦系统产生的热量不能够全部传递出去或损失掉，系统就会出现热积累使温度继续升高。这种热失衡现象的结果使反应速度加快，释放更多的热量，热量积累和热量损失的失衡更加恶化，系统温度进一步提高，如此循环，有如系统在自我加热。如果自热过程未被控制，一旦系统温度升高到满足点燃条件时，系统就会出现起燃或起爆，从而导致燃烧或爆炸的发生。

事实上，不是所有的爆炸现象可以仅用一种理论加以解释，爆炸现象是非常复杂的，其产生机理和影响因素很多。至于在何种情况下发生热反应，何种情况下发生链式反应，要根据具体情况而定。甚至同一种爆炸性混合物在不同条件下，发生爆炸的机理有时也会有所不同。

1.3.1.3　可燃气体爆炸的基本参数

可燃气体、液体蒸气和薄雾爆炸特征的参数主要有火焰峰面的传播速度、爆炸火焰的温度、爆炸产生的最大压力、爆炸压力的上升速率等。这些参数由于爆燃过程的多样性和工业场所环境的复杂性，其值还受到多种因素的影响。

（1）燃烧速度和火焰速度

燃烧速度Sb是指火焰在未燃混合气体中的传播速度，它与反应物质有关，是反应物质的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫基本燃烧速度。大量实验证明，燃料与氧气混合物的基本燃烧速度比燃料与空气混合物的基本燃烧速度高一个数量级，如甲烷.氧气混合物的基本燃烧速度为4.5m/s，而甲烷-空气混合物的基本燃烧速度则只为0.40m/s。

火焰速度Sp是指火焰相对于静止坐标系的速度，取决于火焰阵面前气流的扰动情况，可用高速摄影法、电离探针法和光导纤维探头法以及热电偶探测法直接测出。火焰速度在每秒数米到数百米之间变动，当火焰加速为爆轰时，则可达到1800～2000m/s。假设未燃气体的流动速度为Un，则Sp=Sb+Un。

气体的燃烧速度随气体的性质不同而有差异。单一的气体燃烧（如氢气）只需受热氧化等过程，而混合气体（如天然气等）要经过受热、分解、氧化等过程才能开始燃烧，因此单一气体的燃烧速度要比混合气体快。

气体在燃烧过程中，扩散燃烧速度的大小取决于气体的扩散速度，而混合气体燃烧速度要取决于气体的化学反应速度。混合燃烧速度应大于扩散燃烧速度，所以气体的燃烧性能，常以火焰传播速度的大小为尺度。

气体火焰传播速度随着管道直径大小的不同，测试的速度也不同。气体火焰传播速度一般随着管径的加大而增加，但当达到某一直径时，再加大直径，速度也不再增加；同样火焰传播速度随着管径的减小而减小、并达到某个最小管径时火焰不再继续传播，阻火器就利用可燃气体的这一特性进行设计。某些可燃气体火焰在管道中的传播速度见表1-1。

（2）定容爆炸压力

理论上定容爆炸压力是指在刚性容器内瞬时整体点燃，且系统绝热的情况下所能达到的最高爆炸压力。实际上，瞬时整体点燃是不可能的，一般在球形容器中心点燃时测得的峰值压力接近于定容爆炸压力。

对球形密闭容器，理论定容爆炸压力波形如图1-2中的虚线a所示，它对应于瞬时整体点燃。且系统绝热的情况。实际上，这种理想化的波形是不存在的，这是由于既不可能瞬时整体点燃，也不可能是理想的绝热系统。对于中心点燃的过程，压力随着燃烧过程的发展而增大，若没有热损失，则压力极限值能维持（如图1-2中曲线b所示）。由于实际情况中都有热交换，所以压力未达到理论极限值就衰减（如图1-2中曲线c所示）。曲线c是实际可测到的密闭容器的压力波形，从此压力波形可看出，爆炸过程分三个阶段：爆炸压力上升阶段、爆炸压力高值区及爆炸压力衰减区。

（3）爆炸压力上升速率

爆炸压力上升速率定义为压力-时间曲线上升段拐点处的切线斜率，即压力差除以时间差的商（见图1-3）。爆炸压力上升速率是衡量爆炸强度的标准。

（4）火焰温度

利用现有化学热力学和化学平衡的知识和数据，可以计算得到绝热火焰温度。不同燃料有不同的火焰温度，常见的可燃气体混合物最高火焰温度在2500K左右，表1-2列出了几种可燃混合气的实测火焰温度值。

（5）点燃能量

点燃能量对气体爆炸形式有重要影响。在工业安全技术中，气体爆炸的最小点燃能量Emin是模拟气体点燃敏感度的一个参量。表1-3为几种具有代表性的可燃气体的最小点燃能量。

可燃气体的最小点燃能量很低，通常在毫焦数量级，因此极易被点燃。比如常见烃类气体与空气混合物的最小点燃能量约为0.25mJ量级，而常见粉尘云的最小点燃能量在50mJ量级，即可燃气体的最小点燃能量比粉尘的要小2～3个量级，相对来说前者的点燃敏感度要高得多，相应的危险性也大得多，这是气体爆炸的一个重要特点。当点燃能量不太大时，即只要保持不产生爆轰的情况下，点燃能量对气体爆炸压力的影响较小。

1.3.1.4　气体爆炸的影响因素及影响规律

密闭容器内可燃气体爆炸事故中最常见的形式是爆燃，即火焰阵面相对于未燃气体以亚音速传播，通常情况下不会演变成爆轰。影响可燃气体的爆炸压力和火焰速度的主要因素有以下几种。

（1）可燃气体的理化性质

可燃气体爆炸的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于气体的性质。由Arrhenius定律可知，活化能是衡量物质反应能力的主要参数。活化能越小，反应的阻力越小，反应物分子越容易达到活化状态，因此反应速度就越快，即气体活性越强，爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度越大，产生爆轰的可能性也越大。目前的研究成果还没有按爆炸危害对可燃气体进行标准分类，选取几种常见气体作参照物，把可燃气体根据其反应活性对爆炸威力的影响定性地分为低、中、高三类，见表1-4。

（2）可燃气体的浓度

燃料与空气的混合物并非在任何混合比例下都能发生爆炸，而只是在可燃气体的浓度适合时，即在爆炸极限内才能发生爆炸，爆炸极限范围越宽，气体爆炸危险性越大；另外，混合比例不同，燃烧速度也不同，当可燃气体的浓度越接近爆炸上、下极限，燃烧速度越低，爆炸压力越小。在密闭容器中，当燃料以上、下极限的比例与空气混合发生爆炸时，其爆炸压力是初始压力的5倍；当燃料与空气以化学配比混合爆炸时，爆炸压力一般为初始压力的7～9倍。

燃料与空气混合物的燃烧速度和反应热均随浓度而变化。将1.1～1.5倍的化学计量浓度定义为最佳浓度，此时爆炸的燃烧速度及爆炸反应热均达到极值。从安全角度考虑，最佳浓度即为最危险浓度，在此浓度下，爆炸威力最大，破坏效应最严重。

以甲烷为例，甲烷的爆炸极限约为4.6%～14.3%，不同的浓度可以导致爆炸参数的明显不同。最佳浓度往往对应着最大的爆炸参数，如图1-4所示，三种不同浓度的甲烷-空气预混气体在2.45m×2.45m×1000m的巷道内爆炸过程，浓度处于10.1%的甲烷-空气预混气体爆炸超压最高可达1.1MPa。

（3）点燃源特征

点燃能量是可燃气体发生爆炸的要素之一，一般将点燃能量分为强点燃和弱点燃。强点燃，如用雷管、炸药等点燃可燃气体，则会直接发生爆轰，也就是燃料-空气炸弹的爆炸情况，这超出了工业上可燃气体爆炸的研究范围。工业上可燃气体爆炸的点燃源大多是静电、火花塞等，点燃能量一般不超过10mJ，均属于弱点燃范围，在这样的条件下，点燃能量对气体爆炸威力的影响很小。对28L容器内的9.5%的甲烷-空气混合物进行了爆炸实验，分别用电火花、100mg火棉、250mg火棉和400mg发光粉点燃。结果表明，前三种点燃方式对爆炸强度没有显著影响，只是缩短了起爆时间，只有很强的第四种点燃方式才使爆炸强度明显升高。因此，工业上可燃气体爆炸分析普遍采用较低的点燃能量作为实际条件处理。

5L爆炸装置中的实验结果表明，对于甲烷浓度为8.5%的预混气体，在点燃能量为54mJ、189mJ、375mJ、430mJ时，最大爆炸压力的平均值分别为0.642MPa、0.637MPa、0.631MPa、0.614MPa，爆炸温度峰值的平均值分别为741℃、733℃、759℃、739℃。

点燃位置不同可以引起爆炸压力数量级的变化。一般情况下，可燃气体在容器壁面处被点燃，爆炸压力比中心点燃时要小。在1.77m×1.77m×30m独头巷道中，瓦斯填充浓度为8.5%，填充长度为6m。同样的瓦斯量，由于点燃位置不同，能产生差别很大的爆炸超压，同样条件下，点燃位置在0.2m和5.5m处，所得到的最大爆炸静态超压分别为23.02kPa和10.73kPa。

（4）初始温度

针对实际生产条件，可燃性气体的存储空间、有可能引发点燃的弱点燃源作用形式以及环境压力等条件都相对固定，因此初始的温度成为影响可燃性气体爆炸参数的重要环境因素。

在容积为5L的爆炸装置中进行点燃实验，改变甲烷预混气体的初始温度，得到不同初始温度条件下所得的实验测试曲线，如图1-5所示。在预混气体初始温度从室温（20℃）升高到80℃的过程中，爆炸超压峰值、爆炸温度峰值均有明显的变化趋势，最大爆炸超压和爆炸温度峰值随初始温度的增加出现不断减小的趋势。

（5）环境初始压力

在20L球形罐内，不同的环境初始压力下，对不同浓度的CH4气体进行爆炸实验研究，得到表1-5初始压力对不同浓度CH4爆炸最大爆炸超压的影响和图1-6不同浓度CH4在不同初始压力下的爆炸超压曲线。随着环境初始压力的增加，相同浓度甲烷最大爆炸超压增大，使爆炸强度更强，爆炸危险性更高。

（6）环境湿度

环境湿度在密闭容器内可燃气体爆炸参数的测试中起着十分重要的作用。考虑到南北方的气候差异以及晴雨天等的天气变化都会造成环境湿度的不同，借助球形爆炸罐实验测试，在不同环境湿度下，丙烷-空气混合物的爆炸特征参数，结果如表1-6所示。基于该实测数据可知，四种实验工况下的峰值超压及平均火焰传播速度几乎一致，说明环境湿度对可燃气体爆炸产生的峰值压力和火焰传播过程影响不明显，而四个实验工况下测得的压力上升速率则存在显著差异，说明环境湿度对爆炸压力的上升过程有显著影响。

（7）约束结构

如果可燃气云在有外部约束的区域形成，则爆燃产生的超压上升，潜在的危害就会增大。气云所受的外界约束越多、越大、越复杂，爆燃产生的超压就越高。在其他条件相同的情况下，一维传播的可燃气云爆燃所产生的超压最高，二维传播时次之，而三维传播时最低。因此，管内气云爆燃超压最高，两平板之间气云爆燃超压次之，球形气云爆燃超压最小。

如果在爆炸波传播的方向上没有障碍物，低能量点燃的预混气体爆炸一般不会产生较强的破坏性超压，形成的爆炸也容易得到控制。实际上，许多气体爆炸发生在可能有隔板、机器、通道、换热管道、连通门及其类似物的障碍物的地方。火焰传播速度迅速提高，可能会诱导激波的产生；而激波的产生会大大加强对附近构筑物的破坏作用。

在管道内进行障碍物对瓦斯爆炸压力传播规律的研究，有障碍物的情况下，随着障碍物数量的增加，瓦斯爆炸压力明显增加，尤其6片障碍物的情况下，在长径比为9左右时，瓦斯的爆炸压力甚至达到了1.4MPa以上，比无障碍物时增加了近3倍，爆炸威力及破坏危险性很大。如图1-7所示。

实践证明，可燃气体若在有障碍物或外部有约束的区域发生爆炸，则爆炸时产生的爆炸压力和火焰速度要增大许多，它潜在的危害就要大得多。因此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一定要考虑可燃气体受约束的程度。

1.3.1.5　可燃气体爆炸特征

可燃气体爆炸过程具有以下三个主要特征。

（1）放热性

气体爆炸过程中燃烧会产生大量的热量，这些热量大部分用来加热未燃气体，使未燃气体温度升高而被点燃。放热性是气体爆炸过程存在的必要条件，也是最显著的特征之一。

（2）反应的快速性

气体爆炸与燃烧过程的区别就在于爆炸过程具有较高的燃烧速度。物质燃烧时燃烧速度比较慢，燃烧所产生的热量可通过热传导或辐射的形式散失掉，而爆炸则几乎是在瞬间完成，所产生的热量在爆炸过程中基本上与外界没有交换，表现出极高的化学反应速度。

（3）气体产物的形成

气体爆炸瞬间通常会产生强烈压缩状态的气体产物，这些气体产物在膨胀过程中将化学能转化为机械能或气体运动的动能，气态物质的存在是气体爆炸效应产生的先决条件。

1.3.2　粉尘爆炸

当可燃性固体呈粉体状态，粒度足够细，飞扬悬浮于空气中，并达到一定浓度，在相对密闭的空间内，遇到足够的点燃能量，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含有C、H元素并与空气中氧反应能放热的有机合成材料粉尘等。

1.3.2.1　粉尘爆炸过程

同可燃气体（蒸气）与空气的混合物一样，可燃粉尘与空气混合物遇点燃源也可能发生爆炸；也具有爆炸极限，包括上限及下限，但有实际应用意义的主要是下限。可燃粉尘的爆炸极限一般以其单位体积混合物中的质量（g/cm3）来表示：如铝粉在空气中的爆炸极限为40g/cm3。粉尘爆炸同样是一种链式连锁反应，当外界热量足够时，火焰传播速度将越来越快，最后引起爆炸；若热量不足，火焰则会熄灭。

粉尘爆炸是粉尘颗粒表面分子与氧气发生化学反应引起的。具体过程如图1-8所示。

（1）供给颗粒表面以热能，使其稳定上升，见图1-8（a）。

（2）颗粒表面由于热分解或干馏作用而生成气体，分布在颗粒周围，见图1-8（b）。

（3）分解（或干馏）气体与空气混合生成爆炸性混合气体，遇火产生火焰（发生反应），见图1-8（c）。

（4）由于反应产生的热，加速了粉尘粒子的分解，放出气体，与空气混合，继续发火传播，见图1-8（d）。

粉尘爆炸过程与可燃气体爆炸相似，但有两点区别：一是粉尘爆炸所需的最小点燃能量要大得多；二是在可燃气体爆炸中，促使稳定上升的传热方式主要是热传导，而在粉尘爆炸中，热辐射的作用大。

1.3.2.2　粉尘爆炸特点

从粉尘爆炸过程可以看出粉尘爆炸有如下特点。

① 粉尘爆炸速度或爆炸压力上升速度比气体爆炸小，但燃烧时间长，产生的能量大，破坏程度大。

② 爆炸感应期较长，粉尘的爆炸过程比气体的爆炸过程复杂，要经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，所以感应期比气体爆炸长得多。

③ 有产生二次爆炸的可能性。因为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，在新的空间形成达到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燃源，引起第二次爆炸，这种连续爆炸会造成严重的破坏。粉尘有不完全燃烧现象，在燃烧后的气体中含有大量的CO及粉尘（如塑料粉）自身分解的有毒气体，会伴随人员中毒甚至死亡的事故。

1.3.2.3　粉尘爆炸的内在原因

处于粉尘状态的物质较之固体状态物质有所不同，尤其是在燃烧特性方面，原来非燃物质可能变为可燃物质，原来是难燃物质可能变成易燃物质，可燃、易燃物可能变为易爆炸物质，而这一变化是由粉尘的特性所决定的。

（1）粉尘的表面自由能

对于任何粉尘颗粒来讲，其表面分子与内部分子所处的能量状态是不同的。

在粉尘颗粒内部的分子，因四面八方均具有同类分子包围着，所受四周分子引力对称，可以相互抵消而受力总和为零，它做分子运动（震动）时不需要消耗功，而靠近颗粒表面的分子，由于内部密集的同类分子的引力远大于外部其他分子（含气体分子）对它的引力，所以不能相互抵消，这些力的总和垂直于粉尘表面而指向粉尘内部，亦即表面分子受到内向的拉力，表面上的分子总比内部分子具有更高的能量，这种能量叫做表面自由能。

（2）粉尘的分散度和表面积

所谓粉尘的分散度就是粉尘按不同粒径（直径）分布的一种形式。分散度的大小又决定着粉尘的表面积，其分散度越大，则表面积越大，表面分子越多，导致表面自由能越大。

（3）粉尘的吸附性

其他物质分子在粉尘表面上相对聚集的现象称为粉尘的吸附现象。由于粉尘具有较大的表面积及表面自由能，而物质又具有由高能态向低能态转化的趋势。能态越低越稳定，所以，它对四周分子尤其是快速移动的气体分子具有吸附性。通过吸附其他分子来降低部分表面自由能。

综上所述，由于粉尘的分散度较大，具有较大的表面积，从而具有较高的表面自由能，使粉尘的状态不稳定，活性增高，在理化性质上表现为粉尘较之原物质具有较小的点燃能量和自燃点。（如块状时不能燃烧的铁块，在粉碎成粉尘时，最小点燃能量小于100mJ，自燃点小于300℃；煤粉的点燃能量小于40mJ）。表面积的增大和吸附特性的存在，使得粉尘与空气中氧分子的接触面增大，增加了反应速度；表面积的增大，还使固体原有的导热能力下降，易使局部温度上升，也有利于反应进行。

同时，粉尘在扩散作用大于重力作用时具有悬浮状态的稳定性，易与空气形成粉尘云。当各种条件具备时，粉尘就会发生爆炸。

1.3.2.4　粉尘爆炸特性参数

评价粉尘爆炸危险性的主要特征参数是爆炸极限、最小点燃能量、最低点燃温度、粉尘爆炸压力及压力上升速率。几种代表性粉尘的爆炸特性如表1-7所示。

（1）爆炸极限

粉尘-空气混合物只有在爆炸上限和下限之间一定的浓度范围内，才具有爆炸性。一般，工业可燃粉尘的爆炸下限位于20～60g/m3之间，爆炸上限位于2～6kg/m3之间，掌握爆炸下限的数据对于保障工业生产安全具有非常重要的意义。

（2）最小点燃能量

最小点燃能量是最易点燃的混合物在20次连续试验时，刚好不能点燃时的能量。最小点燃能量的大小与粉尘浓度、粉尘粒度及其分布、温度以及粉尘的性质有关。可燃粉尘的最小点燃能量对安全防爆技术至关重要。

（3）点燃温度

粉尘的最低点燃温度取决于粉尘粒度、挥发组分的含量、周围气体的氧含量等。通常，粉尘云的发火温度为层状粉尘发火温度的2倍。

（4）爆炸压力和压力上升速率

可燃性粉尘爆炸时出现的最大爆炸特性值就是最大爆炸压力和最大压力上升速率。

就密闭容器粉尘爆炸过程而言，压力上升速率是衡量爆炸强度的尺度。它们随粉尘的种类、粒度、浓度和着火源的种类，还随容器大小、初压、氧含量、挥发组分和可燃气体浓度、活性的粉尘和灰分的含量等变化而变化。

1.3.2.5　粉尘爆炸的影响因素及其影响规律

粉尘爆炸极限不是固定不变的，它的影响因素主要有粉尘粒度、分散度、湿度、点燃源的性质、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）主要受粉尘粒度、初始压力、粉尘爆炸容器、湍流度等因素的影响。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。

（1）粉尘粒度

粉尘颗粒的大小，即粒径对粉尘爆炸特性有显著的影响。以黑索金（RDX）炸药粉尘为例，选取100g/m3浓度的该类型粉尘，得到不同粒径的RDX粉尘爆炸压力峰值变化规律如图1-9。粒径越小，其反应越快速，直接导致粉尘爆炸的最大压力和最大压力上升速率随之加大。

（2）点燃源特征

① 点燃能量的影响　通常情况下，挥发质的析出除了与自身挥发性有关，还与点燃能量的大小有密切关系，选取质量浓度为400g/m3的镁粉、甘薯粉和煤粉试样，分别采用1kJ、2kJ、5kJ和10kJ能量点燃，结果如图1-10所示。最大爆炸超压随点燃能量增加而上升，说明提高点燃能量能显著增加粉尘爆炸体系释放的总能量。三种粉尘的最大爆炸超压都随点燃能量的增加有不同程度的增大，因此，通常情况下，增加点燃能量可提高粉尘燃烧速率，使粉尘爆燃更猛烈。

② 点燃延迟时间的影响　点燃延迟时间如果太短，铝粉分散时间不足，铝粉悬浮浓度达不到可燃浓度而无法点燃；而如果点燃延迟时间过长，容器内悬浮的铝粉在自重的作用下逐渐沉降，悬浮铝粉云浓度逐渐减小，降到铝粉爆炸下限以下同样会导致不爆。所以，粒度和浓度一定的铝粉在爆炸时存在一个可爆延迟时间范围，只有在此延迟时间范围内点燃，才发生爆炸。

随着点燃延迟时间的延长，铝粉爆炸的最大爆炸压力先增大后减小的变化规律，同时存在着一个使得最大爆炸压力达到最大值的点燃延迟时间，称之为最佳点燃延迟时间。从图1-11可以看出10～12mm的铝粉爆炸最佳点燃延迟时间约为70ms。

（3）粉尘浓度

对于一般工业粉尘铝粉，存在1个最佳粉尘浓度使得爆炸压力峰值达到最大值，低于或高于这个浓度，爆炸压力峰值将减小。这是因为当铝粉浓度较小时，混合物中氧气含量相对较高（富氧），在这种情况下，随着铝粉浓度的增大，爆炸压力峰值也增大；而当铝粉浓度较大时，混合物中氧气含量相对较低（贫氧），铝粉颗粒因供氧不足而不能完全燃烧，同时，剩余的未燃铝粉颗粒还要吸收一部分热，因而导致爆炸压力峰值减小。如图1-12所示。

（4）氧浓度

防止粉尘爆炸的途径之一是充入惰性气体，使氧气浓度足够低火焰无法继续传播。这将消除火三角形中的一角，从而防止燃烧继续进行。最常见的惰性气体是空气，其主要组成是氮气。在空气中，煤粉的浓度超过80g/m3才能被点燃和继续燃烧。如图1-13所示，在氧气浓度从14%降低至11.5%时，爆炸仍在继续。氧气浓度在11%时，已经超出实验范围。尽管氧气浓度很低，但是煤粉也燃烧，氧气浓度的极限是由那些支持燃烧和不支持燃烧的气体决定。

（5）环境温度

大部分可燃性粉尘（如煤粉、镁粉、硫黄等）在外界温度达到一定温度后会自燃，图1-14为煤粉爆炸受温度影响的曲线。当煤粉达到一定浓度后，热自燃的温度曲线保持恒定。

（6）环境压力

吹粉气流的压力不同，其使粉尘扩散的能力强弱就不同，使得同种粉尘在空间内的扩散和沉降规律发生变化，喷粉后形成均匀粉尘云的时间也会有所差别。初始压力对粉尘爆炸下限的影响如图1-15所示。煤粉和聚乙烯粉尘的爆炸浓度下限与压力成线性关系。在初始压力为1～4bar的范围内，爆炸下限随初始压力呈线性增长。

（7）环境湿度

空气湿度是粉尘爆炸的一个重要影响因素，由于获取水蒸气的方法多，成本低，而且工艺简单，因此，增加空气湿度成为一种最为经济而有效的预防措施。

在环境相对湿度为33%、60%和90%条件下，对浓度为310g/m3的铝粉进行实验。环境相对湿度对同一浓度下的铝粉爆炸猛烈度有一定的影响，如图1-16所示。

随着环境相对湿度的变化，最大爆炸压力的变化呈现出两种趋势，当铝粉浓度较低（200～310g/m3）时，最大爆炸超压随着环境相对湿度的增加先增加后减小；当铝粉浓度较高（500～1000g/m3）时，最大爆炸超压随着环境相对湿度的增加而明显增加，如图1-17所示。

因此，水蒸气对铝粉的爆炸有两方面的作用：促进作用和抑制作用。这两种作用与铝粉浓度有关，当铝粉浓度较低时，环境中的水分含量不足以与铝粉发生完全生成氢气的反应，则水蒸气起促进作用，否则多余的水蒸气会抑制铝粉的爆炸；相反，如果铝粉的量足以与环境中的水蒸气发生完全反应，则产生的氢气会大大增强铝粉爆炸的猛烈程度。