燃烧与爆炸

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三、燃烧类型及其特征参数 如果按照燃烧起因，燃烧可分为闪燃、着火、自燃、 爆燃四种类型。闪点、着火点和自燃点分别是上述三种 燃烧类型的特征参数。 • (1)闪燃和闪点 • 液体表面都有一定量的蒸气存在，由于蒸气压的大 小取决于液体所处的温度，因此，蒸气的浓度也由液体 的温度所决定。可燃液体表面的蒸气与空气形成的混合 气体与火源接近时会发生瞬间燃烧，出现瞬间火苗或闪 光。这种现象称为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。可 燃液体的温度高于其闪点时，随时都有被火点燃的危险。
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爆炸物分解爆炸是爆炸物在爆炸时分解为较小的 分子或其组成元素。爆炸物的组成元素中如果没有氧 元素，爆炸时则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。
爆炸性气体、蒸气或粉尘与空气的混合物爆炸， 在石油化工生产形成的机会多，且往往不易觉察。
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• 2．按爆炸速度分类 • (1)轻爆 爆炸传播速度在每秒零点几米至数米之间 的爆炸过程； • (2)爆炸 爆炸传播速度在每秒十米至数百米之间的 爆炸过程； • (3)爆轰 爆炸传播速度在每秒1千米至数千米以上 的爆炸过程。
• c．固体燃烧速率 • 固体燃烧速率，一般要小于可燃液体和可燃气 体。不同固体物质的燃烧速率有很大差异。萘及其 衍生物、三硫化磷、松香等可燃固体，其燃烧过程 是受热熔化、蒸发气化、分解氧化、起火燃烧，一 般速率较慢。而另外一些可燃固体，如硝基化合物、 含硝化纤维素的制品等，燃烧是分解式的，燃烧剧 烈，速度很快。 • 可燃固体的燃烧速率还取决于燃烧比表面积， 即燃烧表面积与体积的比值越大，燃烧速率越大， 反之，则燃烧速率越小。
• (2)化学爆炸 • 化学爆炸是指物质发生急剧化学反应，产生高 温高压而引起的爆炸。物质的化学成分和化学性质 在化学爆炸后均发生了质的变化。化学爆炸又可以 进一步分为爆炸物分解爆炸、爆炸物与空气的混合 爆炸两种类型。 • 爆炸物分解爆炸是爆炸物在爆炸时分解为较小 的分子或其组成元素。爆炸物的组成元素中如果没 有氧元素，爆炸时则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。
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2．混合燃烧和Fra Baidu bibliotek散燃烧
可燃气体与助燃气体燃烧反应有混合燃烧 和扩散燃烧两种形式。 • 可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的 燃烧称为混合燃烧。可燃气体由容器或管道中 喷出，与周围的空气(或氧气)互相接触扩散而 产生的燃烧，称为扩散燃烧。混合燃烧速度快、 温度高，一般爆炸反应属于这种形式。在扩散 燃烧中，由于与可燃气体接触的氧气量偏低， 通常会产生不完全燃烧的炭黑。
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第二节
爆炸
• 一、爆炸的概念 • 物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬 间以声、光、热、机械功等形式放出大量能量的现象 叫做爆炸。实质上爆炸是一种极为迅速的物理或化学 的能量释放过程。 • 二、爆炸的分类 • 1．按爆炸性质分类 • (1)物理爆炸 • 物理爆炸是指物质的物理状态发生急剧变化而引 起的爆炸。例如蒸汽锅炉、压缩气体、液化气体过压 等引起的爆炸，都属于物理爆炸。物质的化学成分和 化学性质在物理爆炸后均不发生变化。 •
表4—6
可燃气体燃烧热
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二、燃烧形式
可燃物质和助燃物质存在的相态、混合程度和燃烧过 程不尽相同，其燃烧形式是多种多样的。 1．均相燃烧和非均相燃烧 按照可燃物质和助燃物质相态的异同，可分为均相燃 烧和非均相燃烧。均相燃烧是指可燃物质和助燃物质间的 燃烧反应在同一相中进行，如氢气在氧气中的燃烧，煤气 在空气中的燃烧。非均相燃烧是指可燃物质和助燃物质并 非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空气(气相)中的燃 烧。与均相燃烧比较，非均相燃烧比较复杂，需要考虑可 燃液体或固体的加热，以及由此产生的相变化。
• 3、燃烧热 • 可燃物质燃烧爆炸时所达到的最高温度、最高 压力和爆炸力与物质的燃烧热有关。物质的标准燃 烧热数据不难从一般的物性数据手册中查阅到。 • 因为生成的水蒸气全部冷凝成水和不冷凝时， 燃烧热效应的差值为水的蒸发潜热，所以燃烧热有 高热值和低热值之分。高热值是指单位质量的燃料 完全燃烧，生成的水蒸气全部冷凝成水时所放出的 热量；而低热值是指生成的水蒸气不冷凝时所放出 的热量。 表4—6是一些可燃气体的燃烧热数据。
表4－4
烃类气体在空气中的最大燃烧速率
• b．液体燃烧速率 • 液体燃烧速率取决于液体的蒸发。其燃烧速率有下 面两种表示方法： • (1)质量速率 • 质量速率指每平方米可燃液体表面，每小时烧掉的 液体的质量，单位为kg· －2· －1。 m h • (2)直线速率 直线速率指每小时烧掉可燃液层的高度，单位为m· －1。 h • 液体的燃烧过程是先蒸发而后燃烧。易燃液体在常 温下蒸气压就很高，因此有火星、灼热物体等靠近时便 能着火。之后，火焰会很快沿液体表面蔓延。
• 可燃固体和液体的蒸发燃烧和分解燃烧，均有火 焰产生，属火焰型燃烧。当可燃固体燃烧至分解 不出可燃气体时，便没有火焰，燃烧继续在所剩 固体的表面进行，称为表面燃烧。金属燃烧即属 表面燃烧，无气化过程，无需吸收蒸发热，燃烧 温度较高。 • 此外，根据燃烧产物或燃烧进行的程度，还 可分为完全燃烧和不完全燃烧。
• 气体的燃烧性能常以火焰传播速率来表征，火焰传播 速率有时也称为燃烧速率。燃烧速率是指燃烧表面的 火焰沿垂直于表面的方向向未燃烧部分传播的速率。 在多数火灾或爆炸情况下，已燃和未燃气体都在运动， 燃烧速率和火焰传播速率并不相同。这时的火焰传播 速率等于燃烧速率和整体运动速率的和。 • 管道中气体的燃烧速率与管径有关。当管径小于 某个小的量值时，火焰在管中不传播。若管径大于这 个小的量值，火焰传播速率随管径的增加而增加，但 当管径增加到某个量值时，火焰传播速率便不再增加， 此时即为最大燃烧速率。表4—4列出了烃类气体在空 气中的最大燃烧速率。
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(4)可燃液体雾滴爆炸 可燃液体在空气中被喷成 雾状剧烈燃烧时引起的爆炸； • (5)可燃蒸气云爆炸 可燃蒸气云产生于设备蒸气 泄漏喷出后所形成的滞留状态。密度比空气小的气体浮 于上方，反之则沉于地面，滞留于低洼处。气体随风漂 移形成连续气流，与空气混合达到其爆炸极限时，在引 火源作用下即可引起爆炸。
• 闪点这个概念主要适用于可燃液体。 一些可燃液体 的闪点列于表4—1，一些油品的闪点列于表4—2。
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(2)着火和着火点 • 可燃物质在空气充足的条件下，达到一定温度 与火源接触即行着火，移去火源后仍能持续燃烧达 5 min以上，这种现象称为着火。着火的最低温度 称为着火点。 易燃液体主要考虑它的闪点和闪燃。 • (3)自燃和自燃点 • 可燃物质在无外界火源的条件下，因受热或自 身发热，并由于散热受到阻碍，使热量蓄积，温度 逐渐上升，当达到一定温度发生的自行燃烧称为自 燃。自燃的最低温度称为自燃点。可燃物质自燃有 受热自燃和自热燃烧两种类型。
• （4）爆燃 • 可燃物质（包括气体、雾滴和粉尘）和空气 或氧气的混合物由火源点燃，火焰立即从火源处 以不断扩大的同心球形式自动扩展到混合物存在 的全部空间，这种以热传导方式自动在空间传播 的燃烧现象称为爆燃。在工业中通常也把爆燃称 为爆炸。石油化工企业由可燃混合气体爆燃造成 的爆炸事故，可发生在容器、塔釜、罐槽和地沟 内，也可发生在厂房和厂区空间内，这类事故通 常是石化企业危害最大的一类事故。
• 三、常见爆炸类型 • 1．气体爆炸 • (1)纯组元气体分解爆炸 • 具有分解爆炸特性的气体分解时可以产生相当数 量的热量。在高压下容易引起分解爆炸的气体，当压 力降至某个数值时，火焰便不再传播，这个压力称作 该气体分解爆炸的临界压力。 • (2)混合气体爆炸 • 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例均匀混合，而 后点燃，因为气体扩散过程在燃烧以前已经完成，燃 烧速率将只取决于化学反应速率。
• 二、燃烧过程 • 可燃物质的燃烧一般是在气相进行的。由于可燃物 质的状态不同，其燃烧过程也不相同。 • 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。 • 液体在火源作用下，先蒸发成蒸气，而后氧化分解 进行燃烧。与气体燃烧相比，液体燃烧多消耗液体变为 蒸气的蒸发热。 • 固体燃烧有两种情况：对于硫、磷等简单物质，受 热时首先熔化，而后蒸发为蒸气进行燃烧，无分解过程； 对于复合物质，受热时首先分解成其组成部分，生成气 态和液态产物，而后气态产物和液态产物蒸气着火燃烧。
三、燃烧的特征参数 • 1、燃烧温度
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可燃物质燃烧所产生的热量在火焰燃烧区域释放出 来，火焰温度即是燃烧温度。表4—3列出了一些常见物 质的燃烧温度。
2、燃烧速率 a．气体燃烧速率 • 气体燃烧无需像固体、液体那样经过熔化、蒸发 等过程，所以气体燃烧速率很快。气体的燃烧速率随 物质的成分不同而异。单质气体如氢气的燃烧只需受 热、氧化等过程；而化合物气体如天然气、乙炔等的 燃烧则需要经过受热、分解、氧化等过程。所以，单 质气体的燃烧速率要比化合物气体的快。在气体燃烧 中，扩散燃烧速率取决于气体扩散速率，而混合燃烧 速率则只取决于本身的化学反应速率。因此，在通常 情况下，混合燃烧速率高于扩散燃烧速率。
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各种物质的燃烧过程如图4—1所示。从中可知， 任何可燃物质的燃烧都经历氧化分解、着火、燃烧等 阶段。物质燃烧过程的温度变化如图4—2所示。T初为 可燃物质开始加热的温度。初始阶段，加热的大部分 热量用于可燃物质的熔化或分解，温度上升比较缓慢。 到达T氧，可燃物质开始氧化。由于温度较低，氧化速 度不快，氧化产生的热量尚不足以抵消向外界的散热。
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• a。自热燃烧 • 可燃物质因内部所发生的化学、物理或生物化 学过程而放出热量，这些热量在适当的条件下会逐 渐积聚，使可燃物温度上升，达到自燃点而燃烧， 这种现象称自热燃烧。 • b。受热自燃 • 可燃物质在外部热源作用下，温度逐渐升高， 当达到自燃点时，即可着火燃烧，这种现象称为受 热自燃。可燃固体、液体可以发生受热自燃，浓 度在爆炸范围内的混合气体也可以发生受热自燃。
天然气燃烧与爆炸
主讲教师: 吴晓南
第一节
燃烧
• 一、燃烧及其条件 • 燃烧是可燃物质与助燃物质(氧或其他助燃物 质)发生的一种发光发热的氧化反应。
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可燃物质(一切可氧化的物质)、助燃物质(氧化 剂)和火源(能够提供一定的温度或热量)，是可燃物 质燃烧的三个基本要素。缺少三个要素中的任何一 个，燃烧便不会发生。对于正在进行的燃烧，只要 充分控制三个要素中的任何一个，燃烧就会终止。 所以，防火防爆安全技术可以归结为这三个要素的 控制问题。
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在这样的条件下，气体的燃烧就有可能达到爆炸 的程度。这时的气体或蒸汽与空气的混合物，称为爆 炸性混合物。例如，天然气从喷嘴喷出以后，在火焰 外层与空气混合，这时的燃烧速率取决于扩散速率， 所进行的是扩散燃烧。如果令天然气预先与空气混合 并达到适当比例，燃烧的速率将取决于化学反应速率， 比扩散燃烧速率大得多，有可能形成爆炸。可燃性混 合物的爆炸和燃烧之间的区别就在于爆炸是在瞬间完 成的化学反应。
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3．蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧
可燃固体或液体的燃烧反应有蒸发燃烧、分解 燃烧和表面燃烧几种形式。 • 蒸发燃烧是指可燃液体蒸发出的可燃蒸气的燃 烧。通常液体本身并不燃烧，只是由液体蒸发出的 蒸气进行燃烧。很多固体或不挥发性液体经热分解 产生的可燃气体的燃烧称为分解燃烧。如木材和煤 大都是由热分解产生的可燃气体进行燃烧。而硫磺 和萘这类可燃固体是先熔融、蒸发，而后进行燃烧， 也可视为蒸发燃烧。
• 此时若停止加热，尚不会引起燃烧。如继续加热， 温度上升很快，到达T自，即使停止加热，温度仍自 行升高，到达T自′就着火燃烧起来。
• 这里，T自是理论上的自燃点，T自′是开始出现 火焰的温度，为实际测得的自燃点。T燃为物质的燃 烧温度。T自到T自′间的时间间隔称为燃烧诱导期， 在安全上有一定实际意义。
• 3．按爆炸反应物质分类
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(1)纯组元可燃气体热分解爆炸 纯组元气体由 于分解反应产生大量的热而引起的爆炸； • (2)可燃气体混合物爆炸 可燃气体或可燃液体 蒸气与助燃气体，如空气按一定比例混合，在引火源 的作用下引起的爆炸； • (3)可燃粉尘爆炸 可燃固体的微细粉尘，以一 定浓度呈悬浮状态分散在空气等助燃气体中，在引火 源作用下引起的爆炸；