战备洞库发生化学爆炸条件和机理分析
摘要：一般认为，空间发生气体化学爆炸一定要具备三个充要条件：1是存在可燃性气体；2是在一定的空间内形成爆炸性混合物，其浓度在该气体的爆炸极限范围内；3是有点火源，其能量必须大于爆炸性混合物的最小点火能量。然而，笔者在一次洞库爆炸现场的调查中发现，现场没有存放任何可燃气体、可燃液体和可分解出可燃气体的化学危险物品，更没有火源、热源、自燃性物质，但却莫明发生了强烈的气体化学爆炸。本文就战备洞库发生气体化学爆炸的条件和机理做以分析阐述。
5月11日凌晨4时，铁岭市银州区武装部战备洞库发生爆炸，强烈的爆炸将洞库大门的两把锁具破坏，重达5吨由钢筋混凝土制作的大门被爆炸的气浪冲开，重重撞击在墙壁上，并在墙壁和洞库大门上留下明显的撞击痕迹，洞库内部存放的部分玉米被抛射到洞库20米以外，呈喷射状，类似“嘣苞米花”。已经炭化的玉米2700公斤。
爆炸发生后，铁岭市银州区消防局组成火灾调查组对现场进行了详细的勘验，对知情人进行了走访，现已经查明这是一起由粮食阴燃分解出的可燃气体与空气混合后形成爆炸性混合物遇火源发生气体爆炸引起的。
1、现场概况
发生爆炸的洞库是铁岭市银州区武装部的战备洞库，位于铁岭市银州区龙山乡（由于是战备设施，建设时间不详），洞库长130米，高3米，宽3.2米，南北走向，呈“l”形，两侧对称布置小洞室，洞库总容积3126立方米，在洞库的另一侧设置有安全出口，但是出于日常管理方便的考虑，这个安全出口的2扇大门已经关闭并用土掩埋，洞库内部空气基本不流通，空气潮湿。洞库内部洞顶壁设有100w白炽灯，距玉米跺顶部0.75米，其控制开关设置在洞库外部，内部无其它用火、用电设施。洞库周围没有可燃气体管道或可燃液体管道通过。
经过有关部门允许，个体工商户曹树柏于4月10日将25万公斤玉米存放到该战备洞库，品种分别为：108、180和法育1号，其中108属于高糖粘性玉米，共有2500公斤，采用塑编袋包装。其它玉米采用麻袋包装，108、180、法育1号按照由北至南的顺序依次贴邻存放。为了方便运输和管理，玉米垛距洞库墙壁保持0.5米间距，与洞顶保持0.8米间距。
2、勘查所见
洞库外门北20米内地面散落玉米及少量玉米炭化结块，呈放射状，两把库门锁具被机械破坏，无撬压痕迹，防护门两侧混凝土墙体有铁制品碰撞后的痕迹，凹坑深1毫米，相对应防护门铁制构件有碰撞痕迹。洞内北门与玉米垛之间15米的地面上洒落有玉米，由垛至北门地面玉米层厚度依次减少，距玉米垛北端南6米处有玉米炭化痕迹。起火处玉米包装物为塑编袋，相邻处玉米包装物为麻袋。塑编袋、麻袋均有燃烧痕迹。玉米堆垛两侧0.5米宽垛距被流淌的玉米填实。起火处对应洞库穹顶有明显浓密烟重，牢固不易擦掉，烟熏范围2.27米。起火处剖面勘查玉米炭化区域呈“v”字形，底端距地面15厘米，“v”字形高1.15米，“v”形顶宽2.2米，炭化区域内玉米炭化结块，中心地带玉米炭化物有光泽，炭化物之间有孔洞和缝隙。在大“v”字形西侧0.5米处有另一小“v”字形玉米炭化区，内部玉米炭化结块，结块之间有孔洞和缝隙，中心区表面有光泽，周边结块表面无光泽，相邻玉米种子焦黄至正常颜色。以上两个“v”形炭化区所见为剖面。在对大“v”形炭化区底部西侧进行扩大剖面勘查范围时发现在其底部有2个小玉米炭化区，与大“v”形炭化区独立，其中西侧第一个小炭化区高25厘米，宽17厘米。与大“v”形相邻区处的玉米焦黄且与西侧的小炭化区分隔处玉米也呈焦黄状态。西侧第二个的小炭化区范围高24厘米宽23厘米，2个小炭化区内部玉米炭化特点与大“v”形炭化区相同。洞库内部无明显炸点，电气线路和开关、保险装置无变化。
3、访问情况
在对知情人进行访问的过程中得知：5月10日19：00左右，也就是爆炸发生前一天的晚上，距离爆炸现场东北30米下风处的李某闻到了玉米的焦糊气味，且在其周围没有野外用火现象，亦没有工厂生产。洞库更夫王某证实：5月11日凌晨4时听到沉闷的爆炸声，到室外巡视时发现洞库外北门地面洒落有玉米，锁具破坏，洞库门敞开，灰白色烟气从洞库内部向外散发。货主曹某证实：洞库内部除储存25万公斤玉米外无其它任何物品，玉米包装物为塑编袋和麻袋，4月10日玉米入库后至爆炸发生没有进行检查。
4、玉米的发热和自燃
4.1、玉米的特点和属性。玉米属于谷类，糖的含量很高，而108玉米的糖含量更高，约占干体物质的70％以上，其它物质为蛋白质9.9％，脂类4.4％，其它水份、灰份占16.3％。由此可见，玉米主要是由c、h、o三种元素组成，属于可燃固体物质。因此它具有可燃固体物质的一般属性，同时玉米是以堆垛的形式储存的，具备蓄热条件，还具有自燃的特点。
4.2、玉米的自燃过程。玉米的发热自燃一般认为是微生物、自身呼吸作用和吸湿放热共同作用产生热量积聚的结果，要经过出现、升温、高温和自燃四个阶段。
4.2.1、出现阶段。首先是玉米中的糖类和蛋白质因亲水性而吸收洞库中的水分，进行吸湿放热过程，这一过程使玉米的含水率增加，同时由于玉米的吸湿放热作用使堆垛内部的温度升高，为增强微生物呼吸作用提供先决条件。在这种条件下，微生物的呼吸作用明显提高，放出大量的热，玉米开始升温，出现发热现象。
4.2.2、升温阶段。当玉米堆垛内部温度达到35~40℃时，由于霉菌的新陈代谢作用使玉米堆垛内部的温度升高，水分增加，当湿度达到75％~85％以上时，在白、黄曲霉的联合作用下，可以使玉米的温度升高到50~55℃，这时玉米已经显著变质，多数中温微生物已经不能发育，呼吸活动停止。
4.2.3、高温阶段。当温度达到50~55℃，相对湿度可以达到90%以上，由于蒸发作用，玉米堆垛内部的温度可以降低，停止发热或者温度下降，但是在少数毛菌、无壳菌、烟曲霉菌等高温霉菌的作用下，玉米的温度还会继续升高，温度可以达到65℃以上。这时几乎所有的霉菌都已经停止了生命活动，通常情况下，发热停止。玉米高度腐败，不能利用。
4.2.4、自燃阶段。微生物在高温下分解玉米的有机物时可以产生低燃点的碳氢化合物，这些碳氢化合物主要以甲烷为主，还有少量的乙醇，只要有充足的氧气，玉米中的有机化合物还将继续分解，产生新的热源，同时释放出气体后的玉米形成多孔炭，吸附蒸汽和其它气体，蓄积热量，继续升温，最后导致玉米的自燃。但是这些可燃气体不可能全部被分解或吸附，仍然有一部分释放出来，散发到空气中。
5、气体爆炸成因分析
空间气体爆炸起火，必须具备3个条件：1是存在可燃性气体；2是在一定的空间内形成爆炸性混合物，其浓度在该气体的爆炸极限范围内；3是有点火源，其能量必须大于爆炸性混合物的最小点火能量。
5.1、可燃性气体来源分析。玉米在自燃的准备和发生的过程中，玉米中复杂的有机物如糖类、脂类被微生物分解，产生低燃点简单的碳氢化合物，主要是甲烷.，以及部分醇类和一氧化碳气体，其中醇类属于未被完全分解的有机物，在高温的作用下，醇类以气态的形式散发到空气中。由于在玉米自燃的过程中，堆垛内部氧气稀少，微生物的呼吸作用又消耗了一部分氧气，玉米在氧气缺少的情况下进行不完全燃烧，产生一氧化碳气体。以上气体部分被释放到空气中。因此，甲烷、.一氧化碳气体和醇类气体成为气体爆炸的可燃气体来源。
5.2、爆炸性混合物形成分析。战备洞库的用途决定了它的空间是密闭的。以发生爆炸的洞库为例：洞室为混凝土整体浇注，洞库长130米，高3米，宽3.2米，南北走向，两侧对称布置小洞室，洞库总容积3126立方米，洞库大门封闭，内部空气基本不流通，是比较典型的密闭空间。扣除玉米所占的约300立方米体积，洞库内部净容积为2800立方米左右。由于玉米在自燃的准备和发生的过程中所释放的气体以甲烷为主，因此以甲烷的爆炸极限5%~16%计算，达到甲烷的爆炸极限所需要的甲烷气体体积分别为：下限——2800立方米5%=140立方米，上限——2800立方米16%=448立方米。以每100公斤玉米释放14.31立方米甲烷计算，2700公斤玉米分解可以释放出14.31立方米/百公斤2700公斤÷100公斤=386.37立方米的甲烷气体，远远超过甲烷发生气体爆炸的最低计算当量，也处在甲烷爆炸所需计算当量范围内（140立方米＜386.37立方米＜448立方米﹚。因此具备形成爆炸性混合物的条件。
5.3、点火源分析。甲烷的点火能量为0.47mj，引燃温度为537℃。而玉米在发生自燃后最终会形成明火燃烧，温度在800℃以上，能量也远远超过甲烷的点火能量，可以点燃甲烷气体。因此玉米自燃后的明火燃烧可以成为甲烷气体的点火源。
从以上分析不难得出结论：这次战备洞库的爆炸是由于洞库内部无抽湿设备，空气潮湿，内部储存的玉米因吸收空气中的水分，导致玉米含水量增加，在微生物的作用下堆垛内部温度逐渐升高，促使玉米在自燃的准备和发生的过程中释放出甲烷、一氧化碳、醇类等可燃气体，这些气体在洞库密闭的空间内与空气混合形成气体爆炸性混合物，遇明火发生爆炸。
参考文献：
[1]火灾现场勘查群众出版社（1989年版）薛纯山、张国珍编著.
火灾事故调查吉林科学技术出版社（1999年版）公安部消防局编著.
[3]消防燃烧学中国建筑工业出版社（1994年版）伍作鹏编著.
[4]火灾危险性参数手册黑龙江科学技术出版社公安部消防局编著.