燃燒學—第4章2

1、燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系1燃燒學 燃燒學燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系24.4 4.4 爆炸極限理論及計算爆炸極限理論及計算 4.4.1 4.4.1 爆炸極限理論爆炸極限理論 v 爆炸下限爆炸下限v 爆炸上限爆炸上限v 混合爆炸物濃度在爆炸下限以下時含有過量空氣，由于空氣混合爆炸物濃度在爆炸下限以下時含有過量空氣，由于空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，此時，活化中心的銷毀數(shù)的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，此時，活化中心的銷毀數(shù)大于產(chǎn)生數(shù)。大于產(chǎn)生數(shù)。v 同樣，濃度在爆炸上限以上，含有過量的可燃性物質，空氣同樣，濃度在爆炸上限以上，含有過量的可燃性物質

2、，空氣非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。但此時若補但此時若補充空氣同樣有火災爆炸的危險充空氣同樣有火災爆炸的危險當混合氣燃燒時，其波面上的反應如下式當混合氣燃燒時，其波面上的反應如下式： ABCDQ 反應熱反應熱Q=W-EQ=W-EEWABCD燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系3 設燃燒波內(nèi)反應物濃度為設燃燒波內(nèi)反應物濃度為n n 則單位體積放出能量為則單位體積放出能量為nwnw。 燃燒波向前傳遞，使前方分子活化，活化概率為燃燒波向前傳遞，使前方分子活化，活化概率為（11） 則活化分子的濃度為則活化分子的濃度為nWnW/E/E。

3、第二批活化分子反應后再放出能量為。第二批活化分子反應后再放出能量為nWnW2 2/E/E。前后兩批分子反應時放出的能量比為前后兩批分子反應時放出的能量比為EQEWnWEnW1/2當當111時，表示放熱量越來越大，反應分子越來越多，形成爆炸時，表示放熱量越來越大，反應分子越來越多，形成爆炸 燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系4在爆炸極限時，在爆炸極限時，1 111EQ設爆炸下限為設爆炸下限為L L下下（體積百分比）與反應概率（體積百分比）與反應概率成正比，成正比，即即 下KLEQ1KL1下當當Q Q與與E E相比較大時，上式可近似寫做相比較大時，上式可近似寫做 EQKL1下各可燃

4、氣體的活化能變化不大，可大體上得出各可燃氣體的活化能變化不大，可大體上得出 ： 常數(shù)下QL爆炸下限爆炸下限L L下下與可燃性氣體的燃燒熱與可燃性氣體的燃燒熱Q Q近于成反比，可燃性氣體燃燒熱越近于成反比，可燃性氣體燃燒熱越大，爆炸下限就越低。大，爆炸下限就越低。燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系5 4.4.24.4.2爆炸極限的影響因素爆炸極限的影響因素 v （1 1）初始溫度）初始溫度 爆炸性混合物的初始溫度越高，則爆炸極限范圍越大，即爆炸下爆炸性混合物的初始溫度越高，則爆炸極限范圍越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高限降低而爆炸上限增高 圖4-19 溫度對甲烷爆炸極限的影響圖

5、4-20 溫度對氫氣爆炸極限的影響燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系6v （2 2）初始壓力）初始壓力 一般壓力增大，爆炸極限擴大一般壓力增大，爆炸極限擴大 壓力降低，則爆炸極限范圍縮小壓力降低，則爆炸極限范圍縮小 待壓力降至某值時，其下限與上限重合，將此時的最低壓力稱為待壓力降至某值時，其下限與上限重合，將此時的最低壓力稱為爆炸的臨界壓力。若壓力降至臨界壓力以下，系統(tǒng)便成為不爆炸爆炸的臨界壓力。若壓力降至臨界壓力以下，系統(tǒng)便成為不爆炸 溫度對丙酮爆炸極限的影響混合物溫度，混合物溫度，爆炸下限，爆炸下限，爆炸上限，爆炸上限，04.28.0504.09.81003.210.0 燃

6、燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系7圖4-22 不同壓力下氫氣爆炸極限1火焰向下傳播，圓筒容器尺寸為378cm；2端部或中心點，球形容器；3火焰向下傳播，圓筒容器圖4-21 不同壓力下甲烷爆炸極限1火焰向下傳播，圓筒容器尺寸為378cm；2端部或中心點，球形容器；3火焰向下傳播，圓筒容器燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系8v （3 3）惰性介質即雜質）惰性介質即雜質 若混合物中含惰性氣體的百分數(shù)增加，爆炸極限的范圍縮小，惰若混合物中含惰性氣體的百分數(shù)增加，爆炸極限的范圍縮小，惰性氣體的濃度提高到某一數(shù)值，可使混合物不爆炸性氣體的濃度提高到某一數(shù)值，可使混合物不爆炸

7、 圖4-23 各種惰性氣體對甲烷爆炸極限的影響加入惰性氣體，加入惰性氣體，爆炸上限顯著下降爆炸上限顯著下降爆炸下限略有上升爆炸下限略有上升 最終合為一點最終合為一點 爆炸臨界點爆炸臨界點 惰化能力：惰化能力：CCl4 CO2 H2O N2 He Ar燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系9v （4 4）容器）容器 容器管子直徑越小、爆炸極限范圍越容器管子直徑越小、爆炸極限范圍越小。小。 同一可燃物質，管徑越小，其火焰蔓同一可燃物質，管徑越小，其火焰蔓延速度亦越小。延速度亦越小。當管徑（或火焰通道）當管徑（或火焰通道）小到一定程度時，火焰即不能通過。小到一定程度時，火焰即不能通過。這

8、一間距稱最大滅火間距，亦稱臨界這一間距稱最大滅火間距，亦稱臨界直徑直徑( (消焰徑）消焰徑）。當管徑小于最大滅火當管徑小于最大滅火間距，火焰因不能通過而被熄滅。間距，火焰因不能通過而被熄滅。v （5 5）點火能源）點火能源 火花的能量、熱表面的面積、火源與火花的能量、熱表面的面積、火源與混合物的接觸時間等，對爆炸極限均混合物的接觸時間等，對爆炸極限均有影響有影響 圖4-24 火源能量對甲烷爆炸極限的影響（常壓，26）燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系10 4.4.3 4.4.3 爆炸極限的測定爆炸極限的測定v 爆炸極限的測定一般采用傳播法爆炸極限的測定一般采用傳播法v 測試原理

9、：首先將爆炸管內(nèi)抽成真空，然后充以一定濃度的可燃氣測試原理：首先將爆炸管內(nèi)抽成真空，然后充以一定濃度的可燃氣與空氣的混合氣體，用循環(huán)泵使可燃氣混合均勻，再用電極點火，與空氣的混合氣體，用循環(huán)泵使可燃氣混合均勻，再用電極點火，觀察火焰?zhèn)鞑デ闆r?；鹧?zhèn)鞑サ淖畹蜐舛然蜃罡邼舛龋扇細獾捏w觀察火焰?zhèn)鞑デ闆r。火焰?zhèn)鞑サ淖畹蜐舛然蜃罡邼舛龋扇細獾捏w積百分含量），即為該可燃氣的爆炸下限或爆炸上限。積百分含量），即為該可燃氣的爆炸下限或爆炸上限。4.4.4 4.4.4 爆炸極限的經(jīng)驗公式爆炸極限的經(jīng)驗公式 1 1）通過）通過1 1摩爾可燃氣在燃燒反應中所需氧原子的摩爾數(shù)（摩爾可燃氣在燃燒反應中所需氧原子的摩

10、爾數(shù)（N N）計算）計算有機可燃氣爆炸極限（體積百分數(shù)有機可燃氣爆炸極限（體積百分數(shù)） 上下4N76. 4400 x11N76. 4100 x 如：甲烷：如：甲烷：N=4 N=4 x下下= 6.5%， x上上= 17.3%， 燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系11（2 2）利用可燃氣體在空氣中完全燃燒時的化學計量濃度）利用可燃氣體在空氣中完全燃燒時的化學計量濃度x x0 0計算計算有機物爆炸極限有機物爆炸極限 008 . 4x55. 0 xxx上下AnO23.76nN2生成物生成物 有機可燃氣有機可燃氣A A在空氣中的化學計量濃度為在空氣中的化學計量濃度為 %76. 41100

11、%0nx 如：甲烷：如：甲烷：n=2 =2 x0%= 9.5%， x下下= 5.2%，x上上= 14.7% 燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系12（3 3）通過燃燒熱計算有機可燃氣的爆炸下限）通過燃燒熱計算有機可燃氣的爆炸下限xCQxQx 2211（4 4）多種可燃氣體組成的混合物爆炸極限的計算）多種可燃氣體組成的混合物爆炸極限的計算%100332211iiNPNPNPNPx 萊萊夏特爾公式夏特爾公式 萊萊夏特爾公式的證明如下：夏特爾公式的證明如下：證明時的指導思想證明時的指導思想：將可燃混合氣體中的各種可燃氣與空氣組成一組，其：將可燃混合氣體中的各種可燃氣與空氣組成一組，其組

12、成符合爆炸下限時的比例，可燃混氣與空氣組成的總的混合氣體為各組之組成符合爆炸下限時的比例，可燃混氣與空氣組成的總的混合氣體為各組之和。和。燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系131）設各種可燃氣體積為：）設各種可燃氣體積為：V1，V2，V3，Vi。則總的可燃氣體積為。則總的可燃氣體積為VV1+V2+V3+Vi 2）設各組可燃氣）設各組可燃氣空氣在爆炸下限時的體積為：空氣在爆炸下限時的體積為： V1，V2，V3，VI 。 則總的可燃混氣則總的可燃混氣空氣體積為空氣體積為 V V1+V2+V3，VI 3）設各種可燃氣爆炸下限為：）設各種可燃氣爆炸下限為：x1下下，x2下下，x3下下，

13、xi下下。則。則 100VV111下x100VV222下x100VV333下x100VViiix 下100 xVV111下100 xVV222下100 xVV333下100 xVViii下 燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系144 4）設總的可燃混氣的爆炸下限為）設總的可燃混氣的爆炸下限為x x下下。則有。則有 %100VV下x%100100100100100332211下下下下iixVxVxVxVV%100/100/100/100/100332211下下下下iixVVxVVxVVxVV（5 5）設）設 100VV11P100VV22P100VV33P100VViiP %xPx

14、PxPxP100ii332211下下下下下x燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系15例題 有燃氣體含有燃氣體含C2H6 40%，C4H10 60%，取，取1m3該燃氣與該燃氣與19m3空氣混空氣混合。該混合氣體遇明火是否有爆炸危險？（合。該混合氣體遇明火是否有爆炸危險？（C2H6和和C4H10在空氣在空氣中的爆炸上限分別為中的爆炸上限分別為12.5%、8.5%，下限為，下限為3.0%、1.6%）解：解： 乙烷：乙烷：P1=40% 丁烷：丁烷：P2=60%0 . 2%1.660340100下x%9.7%8.56012.540100上x混合氣中可燃氣濃度：混合氣中可燃氣濃度：1/（1

15、+19）=5% 2.0% 5% 9.7%故，該混合氣體遇火爆炸。故，該混合氣體遇火爆炸。燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系16例題 有混合氣體含有混合氣體含C2H6 1%，C4H10 1.5%，其余為空氣。該，其余為空氣。該混合氣體遇明火是否有爆炸危險？（混合氣體遇明火是否有爆炸危險？（C2H6和和C4H10在空在空氣中的爆炸上限分別為氣中的爆炸上限分別為12.5%、8.5%，下限為，下限為3.0%、1.6%）解：可燃氣體總濃度解：可燃氣體總濃度1%1.5%2.5%乙烷：乙烷：P11/2.5=40%丁烷：丁烷：P2=1.5/2.5=60% 2.0% 2.5% 9.7%故，該混合

16、氣體遇火爆炸。故，該混合氣體遇火爆炸。%0 . 2%1.660340100下x%9.7%8.56012.540100上x燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系17（5 5）含有惰性氣體的可燃混氣爆炸極限的計算方法）含有惰性氣體的可燃混氣爆炸極限的計算方法v 如果可燃混氣中含有惰性氣體，如如果可燃混氣中含有惰性氣體，如N2、CO2等，計算其爆炸等，計算其爆炸極限時，仍然利用萊極限時，仍然利用萊夏特爾公式夏特爾公式v 但需將每種惰性氣體與一種可燃氣編為一組，將該組氣體看但需將每種惰性氣體與一種可燃氣編為一組，將該組氣體看成一種可燃氣體成分。成一種可燃氣體成分。v 比如：比如：H2+N2

17、, CO+CO2, CH4v 該組在混合氣體中的體積百分含量為該組中惰性氣體和可燃該組在混合氣體中的體積百分含量為該組中惰性氣體和可燃氣體體積百分含量之和。氣體體積百分含量之和。v 而該組氣體的爆炸極限可先列出該組惰性氣體與可燃氣的組而該組氣體的爆炸極限可先列出該組惰性氣體與可燃氣的組合比值，再從圖中查出該組氣體的爆炸極限，然后代入萊合比值，再從圖中查出該組氣體的爆炸極限，然后代入萊夏特爾公式進行計算。夏特爾公式進行計算。 燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系18圖4-25 氫、一氧化碳、甲烷與氮、二氧化碳混合氣體在空氣中的爆炸極限燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程

18、系19圖4-26 乙烷、丙烷、丁烷和氮、二氧化碳混合物氣體在空氣中的爆炸極限燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系20 例例41 求煤氣的爆炸極限。煤氣組成為：求煤氣的爆炸極限。煤氣組成為：H2一一12.4；CO一一27.3；CO2一一6.2；O2一一0；CH4一一0.7；N2一一53.4。 解解 分組：分組：CO2+H2；N2+CO；CH4 CO2+H2： 6.2+12.418.6； N2+CO：27.3+53.480.7； CH4：0.77。 5 . 04 .122 . 6HCO2296. 13 .274 .53CON2從圖從圖425查得：查得： H2CO2組的爆炸極限為：組的

19、爆炸極限為：6.070； CON2組的爆炸極限為：組的爆炸極限為：4073。 CH4的爆炸極限為：的爆炸極限為：515下19%0 . 57 . 0407 .800 . 66 .18100 x上53.70%157 . 030. 77 .80706 .18100 x問題： 1m3該煤氣和19m3空氣混合，遇明火是否爆炸？燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系21表4-7 某些氣體混合物的爆炸濃度極限氣體混合物氣體組成（）氣體組成（）計算值計算值實驗值實驗值CO2O2COH2CH4N2下限上限下限上限水煤氣6.20.339.249.22.33.06.165.46.969.5半水煤氣7.0

20、0.232.040.00.820.07.670.08.170.5發(fā)生爐煤氣6.2027.312.40.753.419.071.020.373.7城市煤氣2.50.510.547.029.010.55.431.65.631.7焦爐煤氣1.90.46.354.435.41.64.528.15.028.4燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系22 （六）、爆炸濃度極限圖（六）、爆炸濃度極限圖v 可燃氣體可燃氣體助燃氣體助燃氣體惰性氣體惰性氣體 （F-S-I）v 可燃氣體可燃氣體1可燃氣體可燃氣體2助燃氣體助燃氣體 （F1-F2-S）燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系23（

21、一）三角坐標表示方法AC%B%BA%C燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系24C（二）三角坐標的性質ABMN性質性質1 直線直線MN上的任一點所上的任一點所表示的混合物中的表示的混合物中的A組組分含量相同。分含量相同。P性質性質2 直線直線AP上的任一點所上的任一點所表示的混合物中表示的混合物中B、C組分的比值組分的比值 （ B% / C% ）相同。）相同。Q推論推論 在在Q點所表示的混合物點所表示的混合物中加入中加入A組分，則組分，則 Q 點點沿沿PA直線向直線向A點移動。點移動。燃燒學-第四章中國礦業(yè)大學能源學院安全與消防工程系25（三）（三）F-S-I 體系爆炸濃度極限圖體系爆炸濃度極限圖（以可燃氣（以可燃氣氧氣氧氣氮氣體系為例）氮氣體系為例）FSIULCL,U-可燃氣在氧氣中的爆可燃氣在氧氣中的爆 炸濃度極限炸濃度極限C-爆炸臨界點爆炸臨界點（氧）（氮） LUC-爆炸三角形爆炸三角形20.9ULL,U-可燃氣在空氣中的可燃氣在空氣中的爆炸濃度極限爆炸濃度極限PQQ-失爆氧濃度失爆氧濃度PCQI-絕對安全區(qū)絕