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威力超过1吨TNT,天然气爆炸究竟是怎么发生的?

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老粥科普 2021-06-14 00:11

2021年6月13日,星期天,早上6点半,湖北十堰张湾艳湖小区,习惯早起的人们有的去集贸市场买菜,有的走进小吃店点一碗热干面两个包子当早餐,谁都没有想到就在大家最放松最悠闲的时刻,随着一声惊天巨响,这栋的两层建筑瞬间化为废墟。爆炸造成12死138伤,还有人被困在残垣断壁之下。

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十堰艳湖集贸市场废墟

从新闻现场的视频和照片,初步判断这起爆炸是由泄漏的天然气引发,其爆炸威力以及造成的损失为近十年来少有。

天然气不是炸弹,它发生爆炸竟然有如此大的威力?

天然气是我们常用的化石燃料,由于它燃烧后生成物质主要是水和二氧化碳,因此被当成干净的能源用于城市的方方面面。正常情况下天然气并不会发生爆炸或爆燃,这是因为从管道中输出的燃气浓度很高,当我们点燃炉灶时,天然气只有表面薄薄的一层才会与空气中的氧气发生化学反应,这时候我们能看到燃气灶发出淡蓝色的火焰。

天然气炉灶火焰

但是当空气中天然气浓度达到5%~15%时,情况就变得大不相同,只要一个小小火星,甚至只是静电引起的细小火花,就能引发一起强烈爆炸。

有人曾经做过一个实验,在一个密闭的铁桶内注入一定比例天然气,点火之后观察爆燃情况。从实验结果可以看出,即便是不完全燃烧,一个铁桶内15%的天然气也能爆发出巨大能量,它将铁桶的盖子抛到了数十米高空。



甲烷在铁桶内爆燃

天然气的主要成分是甲烷,甲烷分子由4个氢原子和一个碳原子构成,它在与氧气反应时会释放大量的热:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + 热

当天然气以一定比例与空气充分混合,每个甲烷分子都有机会与邻近的氧气分子反应,化学反应产生的热能迅速传递给旁边的甲烷分子,进而触发类似链式反应的效果,热能刹那间释放导致气体剧烈膨胀,这就是我们常说的爆炸。

天然气爆炸究竟能产生多大的能量?我们知道甲烷的燃烧热为55.5MJ/kg,也就是说每公斤甲烷完全燃烧将释放55.5兆焦耳的热能。在25℃、1个大气压下,1立方米甲烷约0.657kg,它发生爆炸将释放36.5兆焦耳的能量。

集贸市场长约104米

发生燃气爆炸的艳湖集贸市场总长约104米,宽约14米,从新闻画面看,整座建筑化为废墟。艳湖集贸市场是两层建筑,被分隔成若干店铺出租经营。其实它的地下还有一层空间,正因为地下空间相互连通,燃气泄漏造成的爆炸才有可能从西到东破坏整栋建筑。

我们现在尚不明确知道负一层的高度是多少,假设它的内部高度为2.5米,以长100米、宽10米计,负一层内部空间容积将达到2500立方米。按甲烷最低浓度5%计算,在爆炸发生前,集贸市场地下一层集聚的甲烷就达到125立方米、82千克;如果地下一层集聚了12%的天然气,其总质量将接近200千克!

爆炸发生后,集贸市场面目全非

1千克TNT炸药爆炸所产生的能量约4.18兆焦耳,82千克天然气爆炸约相当于1.1吨TNT当量,而当天然气浓度达到12%时,其爆炸当量则相当于引爆了一颗2.6吨的大炸弹!

尽管燃气爆炸的原因还在调查,但有新闻已经透露集贸市场的负一层确实有燃气管道穿过,2020年时曾有燃气工作人员检查管道时询问商户有没有闻到煤气的气味。

从历史图像看,艳湖集贸市场北面的云南路是一条拥有各色店铺的小街道。马路不宽,勉强能让两辆车并排通行。看见右侧台阶了吗?那底下就是集贸市场的负一层。

集贸市场北面街道

集贸市场南边的艳湖巷显得幽静许多,集贸市场污浊的外墙面上密布着各种电线和管道,似乎燃气管道并没有暴露在外边。

集贸市场南面

由于集贸市场里边有一些使用明火的餐饮店,各种强弱电管线密集分布,如果存在内部管理松懈、负一层缺乏燃气报警系统,那么一旦发生地下燃气管道泄漏,天然气在负一层密闭的空间聚集,爆炸将不可避免。

有朋友可能会问,天然气会有特殊气味的呀,为什么市场里的人闻不到?甲烷比空气轻,照理说它会往上走,但集贸市场地下一层相对封闭,泄漏的天然气不容易跑出来,它就很可能一整个晚上都在负一层聚集,地面的人闻不到,或者闻到了但没引起足够警惕,早晨餐饮店开火做饭,最终导致灾难发生。



有人被炸塌的楼板埋在负一层

燃气爆炸事故几乎每年都在全球各地发生,几乎每一次都会造成生命和财产损失,无论作为个人还是经营单位,我们都要时刻保持警惕,经常检查燃气管道,杜绝安全隐患,做到警钟长鸣,避免悲剧再次发生。

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