燃燒和爆炸特性、機(jī)理和速度課件

第2章燃燒與爆炸2.1燃燒及其特性2.2燃燒機(jī)理2.3燃燒速度2.4爆炸及其類特性第2章燃燒與爆炸2.1燃燒及其特性2.1燃燒及其特性2.1.1燃燒概述

燃燒是一種同時有光和熱發(fā)生的劇烈的氧化還原反應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)中，失掉電子的物質(zhì)被氧化，獲得電子的物質(zhì)被還原。所以，氧化反應(yīng)并不限于同氧的反應(yīng)。燃燒的判斷：劇烈的氧化還原反應(yīng)放出大量的熱發(fā)出光以上三個要點(diǎn)同時成立的才為燃燒。如，氫在氯中燃燒。金屬和酸反應(yīng)非燃燒，燈泡中的燈絲非燃燒。2.1燃燒及其特性2.1.1燃燒概述燃燒三要素：有可燃物的存在；有助燃物的存在；有能導(dǎo)致著火的能源。需要說明的是，具備以上三要素并不一定引起燃燒，如可燃物與助燃物的比例（濃度）、點(diǎn)火源的強(qiáng)度（溫度）等。燃燒理論用連鎖反應(yīng)解釋物質(zhì)燃燒的本質(zhì),認(rèn)為燃燒是一種自由基的連鎖反應(yīng),提出燃燒四面體學(xué)說。連鎖反應(yīng)不愛限制，自由基反應(yīng)才能繼續(xù)。這是燃燒的第四要素，是某些滅火技術(shù)理論的基礎(chǔ)。2.1.2燃燒條件燃燒三要素：2.1.2燃燒條件2.1.3燃燒過程和燃燒形式可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)存在的相態(tài)、混合程度和燃燒過程不盡相同，燃燒形式多種多樣。1)均相燃燒和非均相燃燒均相燃燒是指可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)間的燃燒反應(yīng)在同一相中進(jìn)行，如氫氣在氧氣中的燃燒，煤氣在空氣中的燃燒。非均相燃燒是指可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)并非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空氣(氣相)中的燃燒。非均相燃燒比較復(fù)雜，需要考慮可燃液體或固體的加熱，以及由此產(chǎn)生的相變化。

2.1.3燃燒過程和燃燒形式可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)存在的相態(tài)2)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒

混合燃燒：可燃?xì)怏w與助燃?xì)怏w預(yù)先混合而后進(jìn)行的燃燒。速度快、溫度高，一般爆炸反應(yīng)屬于這種形式

擴(kuò)散燃燒：可燃?xì)怏w由容器或管道中噴出，與周圍的空氣(或氧氣)互相接觸擴(kuò)散而產(chǎn)生的燃燒。在擴(kuò)散燃燒中，由于與可燃?xì)怏w接觸的氧氣量偏低，通常會產(chǎn)生不完全燃燒的炭黑。

2)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒3)蒸發(fā)燃燒、分解燃燒和表面燃燒蒸發(fā)燃燒：可燃液體蒸發(fā)出的可燃蒸氣的燃燒。通常液體本身并不燃燒，只是由液體蒸發(fā)出的蒸氣進(jìn)行燃燒。分解燃燒：固體或不揮發(fā)性液體經(jīng)熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的燃燒。如木材和煤大都是由熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒?？扇脊腆w和液體的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒，均有火焰產(chǎn)生，屬火焰型燃燒。表面燃燒：當(dāng)可燃固體燃燒至分解不出可燃?xì)怏w時，便沒有火焰，燃燒繼續(xù)在所剩固體的表面進(jìn)行的燃燒。金屬燃燒即屬表面燃燒，無氣化過程，無需吸收蒸發(fā)熱，燃燒溫度較高。

3)蒸發(fā)燃燒、分解燃燒和表面燃燒物質(zhì)燃燒過程的溫度變化歷程T初為可燃物質(zhì)開始加熱的溫度。初始階段，加熱的熱量用于可燃物質(zhì)的熔化或分解，溫度上升較緩慢。到達(dá)T氧，可燃物質(zhì)開始氧化。由于溫度較低，氧化速度不快，氧化產(chǎn)生的熱量尚不足以抵消向外界的散熱。此時若停止加熱，尚不會引起燃燒。繼續(xù)加熱，到達(dá)T自，即使停止加熱，溫度仍自行升高。T自是理論上的自燃點(diǎn)，T自′是開始出現(xiàn)火焰的溫度，為實(shí)際測得的自燃點(diǎn)。T燃為物質(zhì)的燃燒溫度。T自到T自′的時間間隔稱為燃燒誘導(dǎo)期（著火延滯期）。

物質(zhì)燃燒過程的溫度變化歷程繼續(xù)加熱，到達(dá)T自，即使停誘導(dǎo)期與自燃點(diǎn)的關(guān)系誘導(dǎo)期與自燃點(diǎn)的關(guān)系如果按照燃燒起因，燃燒分為閃燃、點(diǎn)燃和自燃三種類型。閃點(diǎn)、著火點(diǎn)和自燃點(diǎn)分別是上述三種燃燒類型的特征參數(shù)。(1)閃燃和閃點(diǎn)可燃液體表而的蒸氣與空氣形成的混合氣體與火源接近時會發(fā)生瞬間燃燒，出現(xiàn)瞬間火苗或閃光的現(xiàn)象稱為閃燃。閃燃的最低溫度稱為閃點(diǎn)?？扇家后w的溫度高于其閃點(diǎn)時，隨時都有被火點(diǎn)燃的危險(xiǎn)。閃點(diǎn)這個概念主要適用于可燃液體，某些可燃固體，如樟腦和萘等，也能蒸發(fā)或升華為蒸氣，因此也有閃點(diǎn)。

2.1.4燃燒種類如果按照燃燒起因，燃燒分為閃燃、點(diǎn)燃和自燃三種類型。閃點(diǎn)、著(2)點(diǎn)燃和著火點(diǎn)可燃物質(zhì)在空氣充足的條件下，達(dá)到一定溫度與火源接觸即行著火，移去火源后仍能持續(xù)燃燒，這種現(xiàn)象稱為點(diǎn)燃。點(diǎn)燃的最低溫度稱為著火點(diǎn)?？扇家后w的著火點(diǎn)約高于其閃點(diǎn)5-20℃。但閃點(diǎn)在l00℃以下時，二者往往相同。在沒有閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，也可以用著火點(diǎn)表征物質(zhì)的火險(xiǎn)。測定閃點(diǎn)的影響因素:P23點(diǎn)火源大小與離液面的距離、加熱速度、試樣的均勻程度、試樣純度、測試容器、大氣壓力等。

(2)點(diǎn)燃和著火點(diǎn)(3)自燃和自燃點(diǎn)在無外界火源的條件下，物質(zhì)自行引發(fā)的燃燒稱為自燃。自燃的最低溫

度稱為自燃點(diǎn)。物質(zhì)自燃有受熱自燃和自熱自燃兩種類型。①受熱自燃?？扇嘉镔|(zhì)在外部熱源作用下溫度升高，達(dá)到其自燃點(diǎn)而自行燃燒稱之為受熱自燃。受熱自燃的兩個條件為：有外部熱源和有熱量蓄積的條件。②自熱自燃?？扇嘉镔|(zhì)在無外部熱源的影響下，其內(nèi)部發(fā)生物理、化學(xué)或生化變化而產(chǎn)生熱量，并不斷積累使物質(zhì)溫度上升，達(dá)到其自燃點(diǎn)而燃燒，稱為自熱燃燒。

自熱自燃的三個條件：比較容易產(chǎn)生反應(yīng)熱的物質(zhì)（如氧化熱,發(fā)酵熱等）、具有比較大的比表面積和良好的絕熱保溫性、產(chǎn)生的熱量大于向環(huán)境散發(fā)的熱量。(3)自燃和自燃點(diǎn)2.1.5氧指數(shù)氧指數(shù)又叫臨界氧濃度或極限氧濃度,是用來對固體材料可燃性進(jìn)行評價和分類的一個特性指標(biāo).能維持物質(zhì)有陷燃燒的最低氧氣濃度,稱為氧指數(shù).氧指數(shù)高的材料不易著火,阻燃性好。

2.1.6最小點(diǎn)火能量處于爆炸范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w混合物中產(chǎn)生電火花，從而引起著火所必須的最小能量稱為最小點(diǎn)火能。2.1.5氧指數(shù)2.2燃燒機(jī)理2.2.1燃?xì)馊紵倪B鎖反應(yīng)在燃燒反應(yīng)中，氣體分子間互相作用，往往不是兩個分子直接反應(yīng)生成最后產(chǎn)物，而是活性分子自由基與分子間的作用?；钚苑肿幼杂苫c另一個分子作用產(chǎn)生新的自由基，新自由基又迅速參加反應(yīng)，如此延續(xù)下去形成一系列連鎖反應(yīng)。連鎖反應(yīng)通常分為直鏈反應(yīng)和支鏈反應(yīng)兩種類型。2.2燃燒機(jī)理2.2.1燃?xì)馊紵倪B鎖反應(yīng)燃燒和爆炸特性、機(jī)理和速度課件燃燒和爆炸特性、機(jī)理和速度課件2.3.1可燃?xì)怏w的燃燒速度氣體燃燒速度：單位時間內(nèi)燃燒表面的火焰沿垂直于表面的方向向未燃燒部分傳播的距離，m/s。燃?xì)獾娜紵俣扔没鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葋砗饬?。管道中氣體的燃燒速率與管徑有關(guān)。當(dāng)管徑小于某個小的量值時，火焰在管中不傳播（阻火器原理）。火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S管徑的增加而增加；但當(dāng)管徑增加到某個量值時，火焰?zhèn)鞑ニ俾时悴辉僭黾?，此時即為最大燃燒速率。2.3燃燒速度2.3.1可燃?xì)怏w的燃燒速度2.3燃燒速度氫氣：受熱－燃燒烴類氣體：受熱－分解－燃燒氫氣：受熱－燃燒可燃混合氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩乜扇蓟旌蠚怏w的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?.3.2可燃液體的燃燒速度液體的著火速度和其蒸氣壓密切相關(guān)。質(zhì)量速度：每平方米面積上每小時燃燒容器內(nèi)液體質(zhì)量kgm-2h-1。直線速度：每小時燒掉容器內(nèi)液體的高度cmh-1。影響因素：液體初溫、液體熱容、蒸發(fā)潛熱、火焰輻射強(qiáng)度、液面高低、水分含量等。P34表2.7部分易燃液體的燃燒速度.2.3.2可燃液體的燃燒速度2.3.3可燃固體的燃燒速度可燃固體經(jīng)歷受熱、溶解、蒸發(fā)、分解、氧化燃燒等階段。可燃固體中的不穩(wěn)定含氧基團(tuán)對燃燒有促進(jìn)作用，如硝基化合物，硝化纖維等。燃燒速度與比表面積有關(guān)?？扇嘉镔|(zhì)燃燒熱可從一般的物性數(shù)據(jù)手冊中查閱。燃燒和爆炸特性、機(jī)理和速度課件2.4爆炸及其特性2.4.0爆炸概述

爆炸是物質(zhì)發(fā)生急劇的物理、化學(xué)變化，在瞬間釋放出大量能量并伴有巨大聲響的過程。爆炸特征:①爆炸過程進(jìn)行得很快;②爆炸點(diǎn)附近瞬間壓力急劇上升;③發(fā)出聲響;④周圍建筑物或裝置發(fā)生震動或遭到破壞。爆炸是系統(tǒng)的一種非常迅速的物理的或化學(xué)的能量釋放過程。2.4爆炸及其特性2.4.0爆炸概述2.4.1爆炸分類(1)按爆炸的物理、化學(xué)原理分物理爆炸：指物質(zhì)的物理狀態(tài)發(fā)生急劇變化而引起的爆炸。蒸汽鍋爐、壓縮氣體、液化氣體過壓等引起的爆炸，屬于物理爆炸。物質(zhì)的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì)在物理爆炸后均不發(fā)生變化?；瘜W(xué)爆炸：指物質(zhì)發(fā)生急劇化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓而引起的爆炸。物質(zhì)的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)爆炸后均發(fā)生了質(zhì)的變化。簡單分解爆炸:爆炸能量是由爆炸物分解產(chǎn)生的。爆炸時不一定發(fā)生燃燒反應(yīng)。疊氮鉛、疊氮銀，乙炔銅、乙炔銀等。復(fù)雜分解爆炸：爆炸時有燃燒反應(yīng)，燃燒時報(bào)需的氧由自身供給。硝化甘油。爆炸性混合物爆炸：氣相爆炸、液相爆炸、固相爆炸。2.4.1爆炸分類(1)按爆炸的物理、化學(xué)原理分(2)按事故過程爆炸分類需要有點(diǎn)火源的爆炸著火破壞型爆炸由于快速燃燒引起的爆炸粉塵噴霧爆炸爆炸性混合氣體爆炸氣體的分解爆炸爆炸性物質(zhì)以及混合危險(xiǎn)物質(zhì)的爆炸管道材料的燃燒泄漏著火型爆炸材料強(qiáng)度下降外部載荷內(nèi)壓上升閥門操作蓋子打開預(yù)防措施P38化學(xué)反應(yīng)熱蓄積引起的爆炸自然著火型爆炸自然著火混合接觸吸水氧化吸附反應(yīng)失控型爆炸聚合合成分解過熱液體蒸發(fā)引起的爆炸傳熱型蒸汽爆炸水蒸汽爆炸低溫液化氣爆炸平衡破壞型蒸爆炸蒸汽壓平衡的破壞(2)按事故過程爆炸分類需要有點(diǎn)火源的爆炸化學(xué)反應(yīng)熱蓄積引起3．按爆炸速度分類(1)輕爆爆炸傳播速度在每秒零點(diǎn)幾米至數(shù)米之間的爆炸過程；(2)爆炸爆炸傳播速度在每秒十米至數(shù)百米之間的爆炸過程；(3)爆轟爆炸傳播速度在每秒1千米至數(shù)千米以上的爆炸過程。3．按爆炸速度分類（1）爆炸極限：可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣（氧）組成的混合物在點(diǎn)火之后可以使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸下限（也稱燃燒下限）；同理，能使火焰蔓延的最高濃度稱為爆炸上限（也稱燃燒上限）。當(dāng)濃度低于下限時，空氣過剩，空氣的冷卻作用阻礙火焰的蔓延。當(dāng)濃度高于上限時，空氣不足，火焰也不能蔓延。可燃?xì)怏w爆炸極限的表示方式：通常用混合物可燃?xì)怏w的體積百分?jǐn)?shù)，有時用單位體積中可燃物的質(zhì)量表示。2.4.2爆炸極限及其估算（1）爆炸極限：可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣（氧）組成的混合物在點(diǎn)火（2）爆炸極限的影響因素：原始溫度，溫度升高爆炸極限范圍擴(kuò)大。

（2）爆炸極限的影響因素：原始壓力，壓力升高爆炸極限范圍擴(kuò)大。

原始壓力，壓力升高爆炸極限范圍擴(kuò)大。惰性介質(zhì)，惰性介質(zhì)加入爆炸極限范圍縮小。惰性介質(zhì)，惰性介質(zhì)加入爆炸極限范圍縮小。容器直徑：容器直徑越小，爆炸范圍越窄。點(diǎn)火能源:

點(diǎn)火能源加大使爆炸范圍變寬。點(diǎn)火方向:下部點(diǎn)火，爆炸下限值小，上限值大（范圍最大）上部點(diǎn)火，爆炸下限值大，上限值?。ǚ秶钚。┧近c(diǎn)火，介于兩者之間氧含量：氧含量增加爆炸極限范圍擴(kuò)大。(3)爆炸極限的計(jì)算（自學(xué)，P42-46，例2.1，2.2，2.3）容器直徑：容器直徑越小，爆炸范圍越窄。2.4.3爆炸范圍2.4.4爆炸與爆轟預(yù)混物的組成或預(yù)熱條件合適，爆炸波的速度可能高達(dá)1000m/s以上，產(chǎn)生比普通爆炸的破壞力更大，稱爆轟。爆轟現(xiàn)象只發(fā)生在一定的濃度范圍，稱爆轟范圍，其數(shù)值介于爆炸上、下限之間。2.4.3爆炸范圍燃燒和爆炸特性、機(jī)理和速度課件影響因素:a.混合氣體的初始溫度(影響較小)

b.初始壓力(壓力高速度加快)

c.管道或容器的長徑比(表2.12)

d.點(diǎn)火源的強(qiáng)度(強(qiáng)度大易產(chǎn)生爆轟)影響因素:a.混合氣體的初始溫度(影響較小)2.4.5分解爆炸性氣體爆炸某些單一成分的氣體，在一定的溫度和壓力下會發(fā)生分解反應(yīng)（放熱），在無助燃物的情況下可能發(fā)生分解爆炸。當(dāng)壓力低于某數(shù)值時，不會發(fā)生分解爆炸。如乙炔分解爆炸的臨界壓力為1.4×105Pa。2.4.5分解爆炸性氣體爆炸2.4.6粉塵爆炸懸浮在空氣中的可燃性煤粉、有機(jī)物、高分子、面粉等固體微粒遇到著火源時發(fā)生的爆炸現(xiàn)象稱為粉塵爆炸。(1)粉塵爆炸的必要條件燃料。粉塵顆粒在空氣中要達(dá)到一定的濃度；空氣?；蜓鯕猓l(fā)生氧化反應(yīng)；混合。由于粉塵微粒懸浮在空氣中，混合很好；點(diǎn)火源。一定能量的點(diǎn)火源；容器的密閉性。密閉的容器或空間，如果敞開空間只能發(fā)生燃燒（？）。2.4.6粉塵爆炸(2)粉塵爆炸機(jī)理顆粒受熱溫度上升;顆粒表面分子發(fā)生分解作用，顆粒周圍產(chǎn)生可燃?xì)怏w;可燃?xì)怏w與空氣混合成爆炸性混合氣體，發(fā)生燃燒;燃燒產(chǎn)生的熱使顆粒進(jìn)一步分解,燃燒連續(xù)傳播，能量聚集，發(fā)生爆炸。

(2)粉塵爆炸機(jī)理(3)粉塵爆炸的特征燃燒速度、爆炸壓力比混合氣體爆炸?。欢鄶?shù)不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳等有毒物質(zhì)較多；堆積粉塵不會爆炸，但爆炸波使堆積粉塵飛揚(yáng)形成粉塵霧，從而連續(xù)產(chǎn)生二次、三次爆炸。(3)粉塵爆炸的特征燃燒速度、爆炸壓力比混合氣體爆炸小；(4)粉塵爆炸影響因素化學(xué)性質(zhì)和組成粒度的大小與分布（粒子直徑越小越易爆炸）可燃?xì)怏w存在容易引發(fā)爆炸（如煤粉中的甲烷）最小點(diǎn)火能量（通過實(shí)驗(yàn)測定）水分含量（水分增加最小點(diǎn)火能量增加）爆炸極限（參見表2.14）

(4)粉塵爆炸影響因素2.4.7霧滴爆炸可燃液體的霧滴在遇到適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火源可能會形成火災(zāi)或爆炸。通常，霧滴的直徑小于0.01mm時，爆炸下限等于該物質(zhì)氣相時的爆炸下限。當(dāng)霧滴直徑達(dá)到0.6mm以上時，不能爆炸。2.4.7霧滴爆炸可燃液體的霧滴在遇到適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火源可能會2.4.8爆炸溫度與壓力爆炸性氣體混合物的爆炸溫度和壓力,可根據(jù)燃燒反應(yīng)熱或內(nèi)能來計(jì)算。（爆炸速度很快，可認(rèn)為是在絕熱系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行）P53例