1、第 2 章 燃烧与爆炸2.1 燃烧及其特性2.2 燃烧机理2.3 燃烧速度2.4 爆炸及其类特性2.1 燃烧及其特性 2.1.1 燃烧概述 u燃烧是一种同时有光和热发生的剧烈的氧化还原反应。在化学反应中，失掉电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。所以，氧化反应并不限于同氧的反应。 燃烧的判断：u剧烈的氧化还原反应u放出大量的热u发出光 以上三个要点同时成立的才为燃烧。如，氢在氯中燃烧。金属和酸反应非燃烧，灯泡中的灯丝非燃烧。 燃烧三要素燃烧三要素：u有可燃物的存在；u有助燃物的存在；u有能导致着火的能源。 需要说明的是，具备以上三要素并不一定引起燃烧，如可燃物与助燃物的比例（浓度）、点火源的
2、强度（温度）等。 燃烧理论用连锁反应解释物质燃烧的本质, 认为燃烧是一种自由基的连锁反应,提出燃烧四面体学说。 连锁反应不爱限制，自由基反应才能继续。这是燃烧的第四要素，是某些灭火技术理论的基础。2.1.2 燃烧条件2.1.3 2.1.3 燃烧过程和燃烧形式燃烧过程和燃烧形式 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，燃烧形式多种多样。 1)均相燃烧和非均相燃烧u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。u 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。u非均相燃烧比较复杂
3、，需要考虑可燃液体或固体的加热，以及由此产生的相变化。 2)混合燃烧和扩散燃烧 u 混合燃烧：可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的燃烧。速度快、温度高，一般爆炸反应属于这种形式u 扩散燃烧：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。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。 3)蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧u蒸发燃烧：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。u分解燃烧：固体或不挥发性液体经热分解产生的可燃气体的燃烧。如木材和煤大都是由热分解产生的可燃气体进行燃烧。u可燃固体和液体的蒸
4、发燃烧和分解燃烧，均有火焰产生，属火焰型燃烧。u表面燃烧：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的燃烧。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。 物质燃烧过程的温度变化历程uT T初初为可燃物质开始加热的温度。初始阶段，加热的热量用于可燃物质的熔化或分解，温度上升较缓慢。u到达T T氧氧，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。此时若停止加热，尚不会引起燃烧。初T氧T自T自T燃TTu 继续加热，到达T自，即使停止加热，温度仍自行升高。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
5、测得的自燃点。T燃为物质的燃烧温度。 T自到T自的时间间隔称为燃烧诱导期（着火延滞期）。 诱导期与自燃点的关系 如果按照燃烧起因，燃烧分为闪燃、点燃和自燃闪燃、点燃和自燃三种类型。闪点、着火点和自燃点闪点、着火点和自燃点分别是上述三种燃烧类型的特征参数。 (1)(1)闪燃和闪点闪燃和闪点 可燃液体表而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的现象称为闪燃。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。 闪点这个概念主要适用于可燃液体，某些可燃固体，如樟脑和萘等，也能蒸发或升华为蒸气，因此也有闪点。 2.1.4 燃烧种类 (2)(2)
6、点燃和着火点点燃和着火点 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，这种现象称为点燃。点燃的最低温度称为着火点。 可燃液体的着火点约高于其闪点5-20。但闪点在l00以下时，二者往往相同。在没有闪点数据的情况下，也可以用着火点表征物质的火险。 测定闪点的影响因素: P23 点火源大小与离液面的距离、加热速度、试样的均匀程度、试样纯度、测试容器、大气压力等。 (3)(3)自燃和自燃点自燃和自燃点 在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。自燃的最低温 度称为自燃点。 物质自燃有受热自燃和自热自燃两种类型。 受热自燃。可燃物质在外部热源作用下温度升
7、高，达到其自燃点而自行燃烧称之为受热自燃。受热自燃的两个条件为：有外部热源和有热量蓄积的条件。自热自燃。可燃物质在无外部热源的影响下，其内部发生物理、化学或生化变化而产生热量，并不断积累使物质温度上升，达到其自燃点而燃烧，称为自热燃烧。 自热自燃的三个条件：比较容易产生反应热的物质（如氧化热,发酵热等）、具有比较大的比表面积和良好的绝热保温性、产生的热量大于向环境散发的热量。 2.1.5 氧指数 氧指数又叫临界氧浓度或极限氧浓度, 是用来对固体材料可燃性进行评价和分类的一个特性指标. 能维持物质有陷燃烧的最低氧气浓度,称为氧指数. 氧指数高的材料不易着火, 阻燃性好。 2.1.6 最小点火能量
8、 处于爆炸范围内的可燃气体混合物中产生电火花，从而引起着火所必须的最小能量称为最小点火能。2.2 燃烧机理 2.2.1 燃气燃烧的连锁反应 在燃烧反应中，气体分子间互相作用，往往不是两个分子直接反应生成 最后产物，而是活性分子自由基与分子间的作用。 活性分子自由基与另一个分子作用产生新的自由基，新自由基又迅速参加反应，如此延续下去形成一系列连锁反应。 连锁反应通常分为直链反应和支链反应两种类型。 2.3.1 可燃气体的燃烧速度可燃气体的燃烧速度 气体燃烧速度：单位时间内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距离，m/s。 燃气的燃烧速度用火焰传播速度来衡量。 管道中气体的燃烧速率与
9、管径有关。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（阻火器原理）。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。2.3 燃烧速度 氢气：受热燃烧 烃类气体：受热分解燃烧可燃混合气体的火焰传播速度的影响因素 2.3.2 可燃液体的燃烧速度可燃液体的燃烧速度 液体的着火速度和其蒸气压密切相关。 质量速度：每平方米面积上每小时燃烧容器内液体质量kgm-2h-1。 直线速度：每小时烧掉容器内液体的高度cmh-1 。 影响因素：液体初温、液体热容、蒸发潜热、火焰辐射强度、液面高低、水分含量等。 P34表2.7部分
10、易燃液体的燃烧速度. 2.3.3 可燃固体的燃烧速度可燃固体的燃烧速度 可燃固体经历受热、溶解、蒸发、分解、氧化燃烧等阶段。 可燃固体中的不稳定含氧基团对燃烧有促进作用，如硝基化合物，硝化纤维等。 燃烧速度与比表面积有关。 可燃物质燃烧热可从一般的物性数据手册中查阅。2.4 爆炸及其特性 2.4.0 爆炸概述 爆炸是物质发生急剧的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并伴有巨大声响的过程。 爆炸特征:u爆炸过程进行得很快; u爆炸点附近瞬间压力急剧上升; u发出声响; u周围建筑物或装置发生震动或遭到破坏。 爆炸是系统的一种非常迅速的物理的或化学的能量释放过程。2.4.1 爆炸分类 (1)按爆炸
11、的物理、化学原理分 物理爆炸：指物质的物理状态发生急剧变化而引起的爆炸。u蒸汽锅炉、压缩气体、液化气体过压等引起的爆炸，属于物理爆炸。u物质的化学成分和化学性质在物理爆炸后均不发生变化。 化学爆炸：指物质发生急剧化学反应，产生高温高压而引起的爆炸。u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。 u简单分解爆炸: 爆炸能量是由爆炸物分解产生的。爆炸时不一定发生燃烧反应。叠氮铅、叠氮银，乙炔铜、乙炔银等。u复杂分解爆炸：爆炸时有燃烧反应，燃烧时报需的氧由自身供给。硝化甘油。u爆炸性混合物爆炸：气相爆炸、液相爆炸、固相爆炸。(2)按事故过程爆炸分类 需要有点火源的爆炸u着火破坏型爆炸n由于
12、快速燃烧引起的爆炸n粉尘喷雾爆炸n爆炸性混合气体爆炸n气体的分解爆炸n爆炸性物质以及混合危险物质的爆炸n管道材料的燃烧u泄漏着火型爆炸n材料强度下降n外部载荷n内压上升n阀门操作n盖子打开p预防措施预防措施P38 化学反应热蓄积引起的爆炸u自然着火型爆炸n自然着火n混合接触n吸水n氧化n吸附u反应失控型爆炸n聚合n合成n分解 过热液体蒸发引起的爆炸u传热型蒸汽爆炸n水蒸汽爆炸n低温液化气爆炸u平衡破坏型蒸爆炸n蒸汽压平衡的破坏 3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
13、秒1千米至数千米以上的爆炸过程。 （1）爆炸极限：）爆炸极限：可燃气体或蒸气与空气（氧）组成的混合物在点火之后可以使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限（也称燃烧下限）；同理，能使火焰蔓延的最高浓度称为爆炸上限（也称燃烧上限）。 当浓度低于下限时，空气过剩，空气的冷却作用阻碍火焰的蔓延。 当浓度高于上限时，空气不足，火焰也不能蔓延。 可燃气体爆炸极限的表示方式：可燃气体爆炸极限的表示方式：通常用混合物可燃气体的体积百分数，有时用单位体积中可燃物的质量表示。2.4.2 爆炸极限及其估算 （2）爆炸极限的影响因素：）爆炸极限的影响因素： 原始温度原始温度，温度升高爆炸极限范围扩大。 原始
14、压力原始压力，压力升高爆炸极限范围扩大。 惰性介质惰性介质，惰性介质加入爆炸极限范围缩小。 容器直径容器直径：容器直径越小，爆炸范围越窄。 点火能源点火能源: 点火能源加大使爆炸范围变宽。 点火方向点火方向:u下部点火，爆炸下限值小，上限值大（范围最大）u上部点火，爆炸下限值大，上限值小（范围最小）u水平点火，介于两者之间 氧含量氧含量：氧含量增加爆炸极限范围扩大。 (3) 爆炸极限的计算（自学，爆炸极限的计算（自学，P42-46，例，例2.1，2.2，2.3） 2.4.3 爆炸范围爆炸范围 2.4.4 爆炸与爆轰爆炸与爆轰 预混物的组成或预热条件合适，爆炸波的速度可能高达1000m/s以上，
15、产生比普通爆炸的破坏力更大，称爆轰。 爆轰现象只发生在一定的浓度范围，称爆轰范围，其数值介于爆炸上、下限之间。 影响因素: a.混合气体的初始温度(影响较小) b.初始压力(压力高速度加快) c.管道或容器的长径比(表2.12) d.点火源的强度(强度大易产生爆轰) 2.4.5 分解爆炸性气体爆炸分解爆炸性气体爆炸 某些单一成分的气体，在一定的温度和压力下会发生分解反应（放热），在无助燃物的情况下可能发生分解爆炸。 当压力低于某数值时，不会发生分解爆炸。如乙炔分解爆炸的临界压力为1.4105Pa。 2.4.6 粉尘爆炸粉尘爆炸 悬浮在空气中的可燃性煤粉、有机物、高分子、面粉等固体微粒遇到着火源
16、时发生的爆炸现象称为粉尘爆炸。 (1) 粉尘爆炸的必要条件u燃料。粉尘颗粒在空气中要达到一定的浓度；u空气。或氧气，发生氧化反应；u混合。由于粉尘微粒悬浮在空气中，混合很好；u点火源。一定能量的点火源；u容器的密闭性。密闭的容器或空间，如果敞开空间只能发生燃烧（？）。 (2)粉尘爆炸机理 颗粒受热温度上升; 颗粒表面分子发生分解作用，颗粒周围产生可燃气体; 可燃气体与空气混合成爆炸性混合气体，发生燃烧; 燃烧产生的热使颗粒进一步分解, 燃烧连续传播，能量聚集，发生爆炸。 (3) 粉尘爆炸的特征 燃烧速度、爆炸压力比混合气体爆炸小； 多数不完全燃烧，产生一氧化碳等有毒物质较多； 堆积粉尘不会爆炸
17、，但爆炸波使堆积粉尘飞扬形成粉尘雾，从而连续产生二次、三次爆炸。 (4) 粉尘爆炸影响因素 化学性质和组成 粒度的大小与分布（粒子直径越小越易爆炸） 可燃气体存在容易引发爆炸（如煤粉中的甲烷） 最小点火能量（通过实验测定） 水分含量（水分增加最小点火能量增加） 爆炸极限（参见表2.14） 2.4.7 雾滴爆炸雾滴爆炸l可燃液体的雾滴在遇到适当的点火源可能会形成火灾或爆炸。l通常，雾滴的直径小于0.01mm时，爆炸下限等于该物质气相时的爆炸下限。当雾滴直径达到0.6mm以上时，不能爆炸。 2.4.8 爆炸温度与压力爆炸温度与压力 爆炸性气体混合物的爆炸温度和压力, 可根据燃烧反应热或内能来计算。
18、（爆炸速度很快，可认为是在绝热系统内进行） P53例2.4, P54例2.5。 l2.4.9 爆炸压力爆炸强度爆炸压力爆炸强度l可燃气体和空气达到一定混合比例时,燃烧速度最大。增加或减少可燃气成分，燃烧速度都会变小。l测试仪器放在密闭容器中，可测出瞬时爆炸压力。l用压力上升速度衡量燃烧速度和爆炸强度 。 在不同气体体积分数的状况下，可通过试验测定最大爆炸压力和最大压力上升速度。 点火位置与爆炸压力上升速度有关，靠近容器中心点火压力上升速度最大（主要考虑器壁吸热）。 常见可燃气体的爆炸压力相差不大，约7-8atm。但其压力上升速度有很大差异。 l实验表明，最大爆炸压力通常不受容器容积的影响；而容积对爆炸强度有显著的影响爆炸指数gdtdpKV3/1max)(stdtdpKV3/1max)(l Kg，Kst分别称作气体爆炸指数和粉尘爆炸指数。l 爆炸指数越大，表示最大压力上升速率越大，危害越大。l Kg 、 Kst与混合物组成、容器形状、点火能量大小、组分在容器内的混合状况、初始压力有关。当上述条件相同时， Kg 、 Kst即为常数。作业 P60 思考题1-16。（找出内容所在页码，重点学习）
