在化学品安全中,化学品的燃爆危害由于对人员、设施和环境的影响范围大,伤害和后果明显而备受重视。燃爆的本质是物质发生强烈的氧化还原反应,放出巨大的热量,促使氧化还原反应得以持续。发生燃爆需要满足3个要素,即可燃物、助燃物、点火源,与此同时可燃物和助燃物的量要在一定范围内,点火源要有足够的能量。燃爆三要素中,作为可燃物的化学品本身的性质,包括化学品的存在形态,与燃爆的关系最为密切。
通常以固体形态存在的金属铝不是可燃物,但是铝粉却是可燃物。例如,1963年6月16日上午,天津某铝制品厂发生粉爆炸事故,伤亡职工43人,其中死亡19人,受伤24人,炸毁厂房678m、各种设备21台,经济损失上百万元。2014年8月2日上午,江苏昆山开发区某金属制品有限公司发生铝粉爆炸,当天就导致65人死亡、120余人受伤。国内外的研究表明,铝粉在空气中的爆炸下限为37~50 mg/m’,最小点火温度为645℃,最小点火能量为15mJ,最大爆炸压力可达6.3 kg/cm(相当于每平方米面积上瞬间增加63t的重量);在氮气中铝粉爆炸最少氧含量为9%,爆炸时产生的空气温度高2000~3000℃。因此在化学危险物品管理中,铝粉被列为二级易燃物品。其他物质具有类似特点,有些通常不易引起爆炸的物质在成为粉尘状态时变成极其危险的爆炸物,包括金属(如镁粉、铝粉)、煤炭、粮食(如小麦、淀粉)、饲料(如血粉、鱼粉)、农副产品(如棉花、烟草)、林产品(如纸粉、木粉)和合成材料(如塑料、染料)。这些物质的粉尘易发生爆炸燃烧的原因是都有较强的还原剂如氢、碳、氮、硫等元素存在,当易爆粉尘与空气或其他助燃剂共存时便发生分解,由氧化反应产生大量的气体,或者气体量虽小,但释放出大量的燃烧热如铝粉。
1.燃爆类型和燃爆过程
化学品的燃烧按其要素构成的条件和瞬间发生的特点,可分为闪燃、着火和自燃3种类型,化学品爆炸可按爆炸反应物质分为简单分解爆炸、复杂分解爆炸和爆炸性混合物爆炸3种类型。简单分解爆炸是指引起简单分解的爆炸,在爆炸时并不定发生燃烧反应,其爆炸所需要的热量是由爆炸物本身分解产生的,属于这一类的爆炸物有乙炔银、叠氮铅等,这类物历受轻微震动即可能引起爆炸,十分危险。此外,还有些可爆气体在一定条件下,特别是在受压情况下,能发生简单分解爆炸。例如,乙炔、环氧乙烷等在压力下的分解爆炸。复杂分解爆炸是指其爆炸时伴有燃烧现象,燃烧所需的氧由本身分解产生,如梯恩梯、黑索金等。爆炸性混合物爆炸是指化学品与空气(氧)的混合物发生的爆炸,所有可燃性气体、蒸气、液体雾滴及粉尘与空气(氧)的混合物发生的爆炸均属此类。这类混合物的爆炸需要一定的条件,如混合物中可燃物浓度、含氧量及点火能量等。实际上,这类爆炸就是可燃物与助燃物按定比例混合后,遇到点火源发生的带有冲击力的快速燃烧。
研究表明燃爆可以分成4种类型:燃烧、分解爆炸性气体爆炸、粉尘爆炸和蒸气云爆炸,对于常规化学实验室,燃烧和分解爆炸性气体爆炸是最常见的燃爆类型,除了一些熔点较高的无机固体,可燃物质的燃烧一般是在气相中进行的。由于可燃物质的状态不同,其燃烧过程也不相同。相对于可燃固体和液体,可燃气体最易燃烧,燃烧所需要的热量只用于本身的氧化分解,并使其达到着火点,气体在极短的时间内就能全部燃尽。液体在点火源作用下,先蒸发成蒸气,然后氧化分解进行燃烧。固体燃烧一般有两种情况:对于硫、磷等简单物质,受热时先熔化,然后蒸发为蒸气进行燃烧,无分解过程;对于复合物质,受热时可能先分解成其组成部分,生成气态和液态产物,然后气态产物和液态产物蒸气着火燃烧。分解爆炸性气体爆炸时化学品分解成较小的分子或其组成元素,在爆炸混合物组成中如果没有氧元素,爆炸时不会有燃烧反应发生,爆炸所需要的热量是由爆炸物本身分解产生的;对于含有氧元素的爆炸混合物,其燃烧爆炸的速度主要取决于化学反应速率。(接下期)