防火與防爆

1、防火與防爆,謝 波重慶大學資源及環(huán)境科學學院,第一章 概述,1.1 火災爆炸事故危害性與特點嚴重性：涉及幾乎所有的工業(yè)行業(yè)，事故往往造成大量人員傷亡、嚴重的財產(chǎn)損失，以及極壞的社會影響。 危害形式：高溫灼傷、缺氧窒息、煙氣中毒、爆炸沖擊、地震。特點：嚴重性、復雜性和突然性。,近年發(fā)生的幾起典型的火災爆炸事故,8.2江蘇昆山中榮公司特大粉塵爆炸事故,中榮金屬制品有限公司系臺商獨資企業(yè)，為美國通用汽車提供零部件，主要基材為鋁或鋁

2、合金。,拋光車間噴砂拋光和拋銅過程中金屬粉塵濃度過高，在遭遇明火后產(chǎn)生爆炸，瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣體的爆燃，還發(fā)生連鎖反應，發(fā)生粉塵爆炸特別重大事故，造成75人死亡，185人受傷。,事故原因：初步掌握情況顯示，廠房沒有按照二類危險品場所進行設計和建設，違規(guī)雙層設計車間，生產(chǎn)工藝路線過于密集，除塵能力不足，車間內所有電器設備沒有按照防爆要求配置，沒有定期清理管道的積塵，造成粉塵濃度超標，遇到火源發(fā)生爆炸。另外該廠沒有防靜電的勞保用品，違反了

3、勞動法規(guī)，超時組織作業(yè)。兩個月前，事發(fā)車間除塵電機過熱起火，火苗順著管道蔓延，導致放在室外的泡沫夾芯板發(fā)生燃燒，車間外的積塵罐也冒了煙，消防人員趕到時，火情已被企業(yè)撲滅。當時積塵罐里當時積有幾噸鋁鎂粉塵。不準抽煙和使用明火，幾乎是公司唯一的安全措施。但有不少工人在距車間五六米的廁所里抽煙，甚至有工人將打火機帶進拋光車間抽煙。拋光工序常常伴隨著火星四射；打磨機長期使用，插頭松動，使用時會打火；一些燈管的線頭裸露出來，電線有時會冒煙，

4、2012年，公司因電路老化出過一次事故，也是所幸無大礙。,On February 7, 2008, a huge explosion and fire occurred at the Imperial Sugar refinery northwest of Savannah, Georgia, causing 14 deaths and injuring 38 others, including 14 with serious and

5、life-threatening burns. The explosion was fueled by massive accumulations of combustible sugar dust throughout the packaging building.,Investigations Detail _ U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board.,2010年11月

6、15日上海市余姚路膠州路火災58人死亡。起火原因：大樓在裝修作業(yè)施工中，有2名電焊工違規(guī)實施作業(yè)，在短時間內形成密集火災。暴露的問題：電焊工無作業(yè)資格證，嚴重違反操作規(guī)程；裝修工程層層多次分包，安全責任不落實；施工作業(yè)現(xiàn)場管理混亂，安全措施不落實，存在明顯的搶工期、搶進度、突擊施工的行為；事故現(xiàn)場違規(guī)使用大量尼龍網(wǎng)、聚氨酯泡沫等易燃材料，導致大火迅速蔓延；有關部門安全監(jiān)管不力，致使多次分包、多家作業(yè)和無證電焊工上崗，對停產(chǎn)后復工的項

7、目安全管理不到位。,中石化管道儲運分公司東黃輸油管道泄漏原油進入市政排水暗渠，在形成密閉空間的暗渠內油氣積聚遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失75172萬元。,事故過程： 2013年11月22日凌晨3點，中石化輸油儲運公司濰坊分公司輸油管線破裂，事故發(fā)現(xiàn)后，約3點15分關閉輸油，齋堂島街約1000平方米路面被原油污染，部分原油沿著雨水管線進入膠州灣，海面過油面積約3000平方米。黃島區(qū)立即組織在海面布設兩道圍油欄

8、。處置過程中，當日上午10點30分許，黃島區(qū)沿海河路和齋堂島路交匯處發(fā)生爆燃，同時在入海口被油污染海面上發(fā)生爆燃。事故原因：輸油管路與排水暗渠交匯處管道腐蝕變薄破裂，原油泄漏，流入排水暗渠，所揮發(fā)的油氣與暗渠當中的空氣混合形成易燃易爆的氣體，在相對封閉的空間內集聚，現(xiàn)場處置人員使用不防爆的液壓破碎錘，在暗渠蓋板上進行鉆孔粉碎，產(chǎn)生撞擊火花，引爆了暗渠的油氣。由于原油泄漏之后到爆炸八個多小時期間，泄漏的原油已經(jīng)形成的混合氣體受排水倒灌

9、的影響，在排水暗渠當中急劇蔓延、擴散，從而導致在大范圍內連續(xù)發(fā)生爆炸。 事故責任：“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故認定為責任事故。暴露出的突出問題是，輸油管道與城市排水管網(wǎng)規(guī)劃布置不合理；安全生產(chǎn)責任不落實，對輸油管道疏于管理，造成原油泄漏；泄漏后的應急處置不當，未按規(guī)定采取設置警戒區(qū)、封閉道路、通知疏散人員等預防性措施。,2013年5月31日下午，中儲糧總公司所屬黑龍江林甸直屬庫發(fā)生火災事故，80個儲

10、糧貨位表層過火，過火倉位共儲存糧食5.14萬噸，共造成糧食損失約1000噸，事故中沒有人員傷亡?；馂脑蚴怯捎诖┻^金屬配電箱的導線與配電箱箱體摩擦，致使導線絕緣皮破損，短路打火，引燃配電箱附近可燃的葦席和麻袋，進而引發(fā)火災。由于糧食輸送機和其配電箱在該糧庫的實際操作中要隨堆垛不斷搬運，在移動過程中埋下了隱患。,２０１３年６月３日，位于吉林省長春市德惠市的吉林寶源豐禽業(yè)有限公司主廠房發(fā)生特別重大火災爆炸事故，共造成１２１人死亡、７６人受傷

11、，直接經(jīng)濟損失１．８２億元。事故直接原因：主廠房部分電氣線路短路，引燃周圍可燃物，燃燒產(chǎn)生的高溫導致氨設備和氨管道發(fā)生物理爆炸。管理上的原因是：寶源豐公司安全生產(chǎn)主體責任不落實，地方消防部門安全監(jiān)督管理不力，建設部門在工程項目建設中監(jiān)管缺失，安全監(jiān)管部門綜合監(jiān)管不到位，地方政府安全生產(chǎn)監(jiān)管職責落實不力。,Smoke rises from railway cars that were carrying crude oil after d

12、erailing in downtown Lac Megantic, Que., Saturday, July 6, 2013. THE CANADIAN PRESS/Paul Chiasson.,火災爆炸事故涉及的行業(yè)與部門石油天然氣石油化工冶金加工煤炭 開采糧食、飼料、煙草等特殊行業(yè)：炸藥生產(chǎn)、煙花爆竹、推進劑等生產(chǎn)儲存,火災爆炸事故的危害形式與嚴重性主要包括沖擊波產(chǎn)生的破壞、毒害煙氣造成缺氧窒息與中毒、高溫灼傷和缺

13、氧窒息等。沖擊波：設備設施、人員受超壓和沖量作用。高溫灼傷：主要是與火焰和高溫煙氣的直接接觸，及其對流、熱輻射作用。煙氣毒害：熱解和燃燒產(chǎn)物氣體與蒸氣、分解或凝聚形成的固體、液體微粒、部分空氣。破片與二次破片：缺氧窒息：組織缺氧導致神經(jīng)、肌肉活動能力下降、呼吸困難，人腦缺氧3min以上就會發(fā)生損壞。,火災爆炸事故特點嚴重性：群死群傷，巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，惡劣的社會影響。復雜性：著火源、可燃物和氧化劑形式多樣。突發(fā)性

14、：雖有事故征兆，但目前事故監(jiān)測報警手段的可靠性、實用性等仍存限制，生產(chǎn)、操作管理人員對安全生產(chǎn)的認識不足，對事故發(fā)生發(fā)展的規(guī)律認識和了解不夠。,1.2 爆炸事故的分類按照釋放能量的形式劃分物理爆炸：壓力能、金屬或巖石等應變能、電磁能的猛烈釋放，以及閃蒸引起的bleve爆炸。只是物態(tài)的變化，不涉及化學反應。化學爆炸：快速放熱、同時產(chǎn)生大量氣體的化學反應。又可以細分為： 簡單分解爆炸、復雜分解爆炸和可燃混合物的爆炸三類。核

15、爆炸：核聚變或核裂變反應瞬間釋放大量的能量而形成的爆炸。,按照爆炸物質的狀態(tài)劃分氣體爆炸：可燃氣體、蒸汽與空氣混合物點燃爆炸。凝聚相炸藥爆炸：火藥、炸藥爆炸。常見的單質炸藥有：黑索金RDX：環(huán)三亞甲基三硝銨；太安 PETEN：季戊四醇四硝酸酯特屈兒Tetryl：2,4,6-三硝苯基-甲基-硝基胺梯恩梯TNT：2,4,6-三硝基甲苯苦味酸，2,4,6-三硝基苯酚兩相爆炸：可燃粉塵、液滴與空氣的懸浮物達到一定濃度時，在火

16、源作用下引起爆炸。,1.3 常見的工業(yè)爆炸事故形式氣體、蒸汽爆炸： 根據(jù)L/D的不同，可能是純超壓爆炸、爆燃向爆轟的轉變。粉塵爆炸：同氣體、蒸汽爆炸，但也存在區(qū)別開敞空間的氣云、粉塵爆炸：一般較少沸騰液體膨脹汽化爆炸（BLEVEs）：壓力容器爆炸物理蒸汽爆炸,1.4 火災爆炸的聯(lián)系與區(qū)別火災：是指在時間和空間上失去控制的災害性燃燒現(xiàn)象。爆炸（主要是化學爆炸）：則是在極短時間內釋放出大量能量，產(chǎn)生高溫，并放出

17、大量氣體，在周圍介質中造成高壓的化學反應狀態(tài)或狀態(tài)變化。區(qū)別與聯(lián)系：兩者本質都是可燃物與氧化劑之間快速的放熱反應，同時伴有火焰或可見光的燃燒現(xiàn)象。兩者的區(qū)別在于燃燒反應速率不同，火災的能量釋放速率相對較慢，持續(xù)時間長，而爆炸過程在瞬間發(fā)生并釋放出大量能量?；馂暮捅ㄊ鹿食３Ｏ喟榘l(fā)生、也可能互相轉化,1.5 火災爆炸事故災害的預防與控制基本思路：研究火災爆炸的基本原理、事故發(fā)生的機理與規(guī)律，并在此基礎上采取具有針對性與合理性的火災

18、爆炸預防和控制措施，有效降低事故發(fā)生的可能性，減弱或控制事故災害損失。不同可燃物質的性質、燃燒爆炸特性不同，因此事故發(fā)生的機理、事故效應和致災模式等存在著較大的差別；操作溫度、操作壓力和容積等工藝環(huán)境條件對燃燒爆炸過程也有重要的影響，在某些情況下，甚至具有決定性的影響，影響事故的發(fā)生機理與過程。,1.4 火災爆炸事故災害的預防與控制基本途徑：降低爆炸發(fā)生的概率和爆炸效應也是預防和控制事故災害的兩個基本途徑。降低事故發(fā)生的可能

19、性：防止可燃物料發(fā)生泄漏和擴散、預防形成各種可能的點火源。降低火災爆炸損失：合理選址與工藝布局、爆炸抑制、爆炸卸壓和爆炸隔絕等措施防止爆炸過程的進一步發(fā)展和增強；對于火災，則主要是通過自動噴淋、防火墻、阻燃等措施防止火災蔓延；一旦發(fā)生事故后（特別是火災事故），應根據(jù)指定的應急預案組織人員和設備的及時疏散，以降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。,預防和減弱/控制氣云爆炸事故的方法框架,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1 燃燒現(xiàn)象與特征2.1.1燃

20、燒燃燒的定義：具有強烈放熱并伴隨有光輻射的快速化學反應過程稱為燃燒。氧化劑：放出活潑氧原子（或類似的原子）的物質燃料：另一類組分則稱為燃料一般地，燃燒包括點火與點火后的燃燒過程兩個階段。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.1 燃燒的概念燃燒過程中的物理化學現(xiàn)象燃燒放熱→固體蠟融化并沿燭芯向上擴散、蒸發(fā)→與氧氣混合并快速氧化→穩(wěn)定的燃燒火焰，發(fā)光發(fā)熱能量的流動：化學能通過燃燒轉變?yōu)闊崮堋ㄟ^導熱、對流和輻射向外傳熱質量傳遞

21、：固體蠟融化→擴散、蒸發(fā)形成氣體→與氧氣混合燃燒→燃燒產(chǎn)物,圖2.1蠟燭燃燒及火焰溫度分布,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.2 燃燒基本要素與燃燒學說燃燒的基本要素：燃料（可燃物）、氧化劑（助燃物）、火源。三個要素相互作用才能形成燃燒，也是火災爆炸預防的基本原理。,圖 2.2燃燒的三個基本要素,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.2 燃燒基本要素與燃燒學說燃燒學說燃素學說：17世紀中葉到18世紀中葉大約100年期間，歐洲

22、流行氧化學說：1777年拉瓦錫否認了燃素學說的結論，認為只有在氧氣存在時，物質燃燒才能燃燒，燃燒是物質快速氧化的過程且在燃燒過程中放出光和熱量。反應碰撞理論：20世紀初，在氣體分子動論和統(tǒng)計熱力學的基礎上，人們提出了反應速率的碰撞理論。鏈式反應理論：直到上世紀30年代，開始建立了關于燃燒動態(tài)過程的理論，發(fā)展了燃燒反應動力學的鏈式反應理論，并提出了燃燒物理中的一些基本概念，如最低點火能量、火焰?zhèn)鞑サ取?第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.

23、1.2 燃燒基本要素與燃燒學說鏈式反應理論基本概念：燃燒化學反應實質上是由由若干個相繼發(fā)生或相繼平行發(fā)生的基元反應所組成，在這些基元反應過程中會生成某種自由基組分，連鎖基元反應是以自由基為載體的，連續(xù)不斷的重復一系列連鎖反應。自由基：反應物受外部能量作用和基元反應過程中形成的活性基團或自由原子，具有很強的反應活性，自由基的存在及其作用是鏈式反應的特征所在，是鏈反應的載體。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.2 燃燒基本要素與燃燒學

24、說氫氣氧氣的鏈式反應,,,,鏈起始,,（H.6）,,鏈傳播,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.2 燃燒基本要素與燃燒學說氫氣氧氣的鏈式反應,,,,,,鏈終止,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.2 燃燒基本要素與燃燒學說,圖2.3 球形容器中化學計量比條件下氫－氧混合物的爆炸極限,條件下氫－氧混合物的爆炸極限曲線呈半島狀。以在某給定的溫度（例如 ）時，沿著一根從最低壓力（1mmHg）向上到達幾個大氣壓力的垂線來觀察爆炸極限的變化。

25、,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.3 燃燒與火焰分類有焰燃燒：包括預混燃燒和擴散燃燒。無焰燃燒,預混燃燒,,按火焰?zhèn)鞑C理與特征分,,爆燃,爆轟,按燃燒時的流場狀態(tài)分,,層流燃燒,湍流燃燒,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.1.4 燃燒的本質從化學的觀點：反應物分子結構被破壞，原子中的外層電子重新組合，經(jīng)過一系列的中間產(chǎn)物的演變，最后形成了生成物即燃燒產(chǎn)物的過程?；瘜W能轉化為以熱能和光能的形式被釋放出來，表現(xiàn)為火焰現(xiàn)象。從物

26、理的觀點：燃燒過程發(fā)生在流動系統(tǒng)中，這種流動可能是均相流，也可能是多相流，可以是層流也可以是湍流。同時，燃燒過程總是發(fā)生在不均勻物質場的條件下，多種組分之間會發(fā)生混合、擴散等現(xiàn)象，甚至還有物質相態(tài)的變化。另外，燃燒引起的不均勻溫度場，使燃燒過程中還伴有能量的傳遞，且如外界電磁場、重力場等因素也會對燃燒過程產(chǎn)生顯著的影響。燃燒是一種物理和化學的復雜的綜合動態(tài)過程，涉及燃燒的化學熱力學和化學動力學基礎、燃燒的流體力學和傳熱傳質基礎等相關

27、基礎理論。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質燃燒的化學熱力學性質化學當量比（燃空比）,化學當量比對燃燒過程有重要的影響。在化學計量狀態(tài)附近燃燒最快，也最容易點燃。稱為最佳濃度。對于擴散慢于氧氣的燃料如乙烷等，則在稍偏富燃側達到最佳濃度，對于擴散快于氧氣的燃料如甲烷和氫氣等，則在稍偏貧燃側達到最佳濃度。,,燃料空氣混合物的當量濃度如何計算？,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,表2.1 五種氣體或蒸汽的空氣混

28、合物化學計量濃度和最易點燃濃度的對比,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質燃燒的化學熱力學性質焓與反應熱：對燃燒溫度有重要影響,標準生成焓：標準狀態(tài)下，由自然界中穩(wěn)定的單質生成1mol化合物的凈熱效應。約定穩(wěn)定單質的焓為零。一些典型物質的生成焓見表2.2反應熱：生成物的總焓與反應物的總焓之差，由于一般碳氫物質燃燒產(chǎn)物總有H20，可以使液態(tài)和蒸汽狀態(tài)，故存在高、低位反應熱，兩者相差水的蒸發(fā)潛熱。燃燒熱：1mol燃料完全燃

29、燒放出的熱量，也存在高位和低位燃燒熱 kJ/mol，對固體和液體常用熱值表示KJ/kg,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質燃燒的化學熱力學性質火焰溫度：對火焰?zhèn)鞑ミ^程和最終達到的壓力有影響,定容絕熱火焰溫度：在密閉空間中傳播時保持容積恒定、壁面絕熱時，火焰溫度達到的最大值，可以利用其計算得到火焰?zhèn)鞑r該密閉空間的最終壓力。UR(Tref,P0)=UP(Tad,P)定壓絕熱火焰溫度：火焰在開敞空間傳播時（體積會發(fā)生膨脹）

30、保持壓力恒定，即得到的是定壓絕熱火焰溫度，反應火焰的傳播能力。HR（Tad,P0）=HP(Tad,P0)在其他條件相同時，定容過程中釋放熱量全部用于加熱產(chǎn)物，因此定容絕熱火焰溫度大于定壓絕熱火焰溫度。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質可燃性：可燃極限、極限氧濃度、自動著火溫度或自燃溫度（AIT）、最低點火能量、猝熄直徑或最大試驗安全間隙(MESG)等。,可燃極限與可燃范圍可燃下限濃度（LFL）：當燃料濃度降低到某一個

31、臨界值時，由于混合物中燃料濃度太貧而不能維持燃燒，則該濃度稱為可燃下限（lower flammability limit 即LFL）?？扇忌舷逎舛龋║FL）：當增加燃料濃度達到某一值時，由于混合物太富也不能維持燃燒時的燃料濃度，稱為可燃上限（upper flammability limit 即UFL）常見可燃氣體的可燃極限見表2.3,空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法(GB/T 12474-2008),將可燃氣體與空氣按一定比例混合，用

32、電火花陰燃，改變可燃氣體濃度，直到能發(fā)生爆炸的最低和最高濃度。測定LFL時，如果在某濃度下未發(fā)生爆炸，則增大濃度直到能發(fā)生爆炸的最小濃度；如果在某濃度發(fā)生爆炸，則減小氣體濃度，直到不能發(fā)生爆炸的最大濃度，兩者的平均值即為LFL，測定時，每次該變量不大于進樣量的10%。問題：可燃上限的測定方法？,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,可燃極限的影響因素溫度：溫度升高，分子運動越劇烈，UFL會增大，LFL會降低，可燃區(qū)范圍變寬

33、。,,,Zabetakis, Lambiris et al 1959的經(jīng)驗公式,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,可燃極限的影響因素壓力：壓力升高對LFL幾乎沒有影響（對分子密度增大不明顯）。而UFL一般會隨壓力增加而升高（分子密度增大，碰撞幾率增大，增大UFL），隨壓力降低而降低。當壓力增加時，可燃范圍一般會增大。式中：UFLp=壓力為P時的可燃上限UFL=壓力為1atm時的可燃上限P=壓力（絕對壓力，MPa）

34、。注：可燃極限的實際測定中，實驗用的點火能量、容器大小也有影響。,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,可燃極限的近似計算Jones（1938）公式： 式中Cst為化學計量濃度，注意在空氣中還是純氧中的Cst的計算方法的區(qū)別。以碳氫物質為例：對燃料氧氣混合物：對燃料空氣混合物：,,,,（2.5）,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,可燃極限的近似計算Suzuki方法：式中

35、 LFL=可燃下限 UFL=可燃上限（燃料與空氣混合物中燃料的體積百分數(shù)） =是燃料的燃燒熱，單位103kJ/mol。,,,,（2.5）,,,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,可燃極限的近似計算多種可燃氣體混合物的可燃極限（Le Chatelier定律）：式中 =i組分的可燃下限； =i組分的可燃上限；

36、 yi=i組分的質量分數(shù),,,,（2.5）,,,,,,（2.16）,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,可燃極限圖,,,,,,,,,,,圖2.5 大量實驗得到的可燃極限圖其中的A點表示了混合物的組成情況。三個頂點表示純氧氣、純氮氣和純燃料，在三條邊上的點表示只有兩種組分。虛線區(qū)域為可燃區(qū)。由R和S兩種混合氣體組成的混合物，則該混合物位于可燃性圖中R點和S點的連線上。如果用S混合物持續(xù)稀釋R混合物，則混合物所處的點會沿著直線在點R

37、和S之間移動。,對于落在通過頂點（純組分）的某條直線上的混合物，則其他另外兩種組分的摩爾分數(shù)之比在整個直線上為常數(shù)值。其中包括化學計量組成線和空氣線。可以通過讀取化學計量組成線與穿過LFL的水平線的交點的氧氣濃度來估算LOC值，也即有方程：,對燃燒反應：1fuel+zO2→Products沿化學計量線有：當 時，則有：,常溫常壓下乙烯的可燃極限圖,常溫常壓下甲烷的可燃極限圖,,,乙烯的可燃范圍

38、要比甲烷的可燃范圍大得多，即乙烯的可燃上限比對應的甲烷的可燃上限要高。在可燃上限附近，即在可燃區(qū)的富燃部分，燃燒產(chǎn)生大量煙塵?？扇紖^(qū)的下邊界幾乎成水平直線，因而可以用LFL近似可燃區(qū)的下邊界。,思考：一個盛裝有純甲烷的儲罐，為確保在進行檢修期間工人安全呼吸，需用空氣來置換儲罐中的甲烷，檢修完畢后，要將儲罐內的空氣排出掉，重新投入使用。考慮這兩種情況下，如何避開可燃區(qū)？,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,極限氧濃度含義

39、：能傳播火焰的混合物中的氧氣濃度的最低值，該最低氧濃度的值即為極限氧濃度（LOC），當混合物的氧氣濃度低于該值時，由于缺氧而不能持續(xù)燃燒，因而不可能發(fā)生火災或爆炸。確定方法：可燃極限圖上，畫一條平行于燃料軸且與可燃區(qū)相切的直線，該直線與氧軸的交點即是LOC點。LOC值的影響因素：與燃料種類、溫度、壓力和惰性氣體有關。表2-5中給出了許多常見可燃物質的LOC的值。同時，表中二氧化碳作惰性氣體和氮氣作為惰性氣體時的LOC值不同。,第二章

40、 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,自動著火溫度（或自燃溫度）AIT含義：指其空氣混合物在沒有任何外界點火源時發(fā)生著火的最低溫度，也即這種混合物可能發(fā)生自燃，通常也稱為自燃溫度。影響因素：自動著火溫度受燃料種類、壓力、實驗容器的體積、是否存在催化劑、流動條件等。因此，在測定自動著火溫度時，實驗測定條件應盡可能與工藝條件相符。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,基本性質隨壓力增加而降低；當混合物向貧燃或富燃變化

41、時，AIT值增加；當氧濃度增加時，AIT值降低；當存在催化表面（包括銹蝕的管道等）或存在燃燒敏化劑（如NOX）時,AIT值降低。通常當實驗容器的容積增大時，AIT值也會降低。另外，自動著火過程也存在相應的誘導期或著火延遲時間。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,最低點火能量（MIE）含義：在給定的實驗條件下，點火源在可燃混合物中釋放能量能引起火焰向外進行無限傳播時的最低能量值。最低點火能量的最小值發(fā)生在處于化學計

42、量濃度附近（也稱為最佳爆炸濃度濃度）。表2.7 給出了部分氣體的最低點火能量（Glassman，1996）。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,關于最低點火能量的一般性結論：對大多數(shù)可燃氣體，其最低點火能量常采用0.25mJ，但其最低點火能量一般不會低于0.10mJ。一些特定的物質（如氫氣）的最低點火能量可能低于0.10mJ。對可燃氣體空氣混合物，在化學計量濃度附近得到的MIE值最低（不一定是在化學計量濃度值），且

43、當燃料濃度增加或降低時，MIE值也會從MIE的最低值開始增加或降低。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,對大多數(shù)可燃粉塵，盡管隨粉塵種類、粒徑等的不同存在很大的變化，粉塵的MIE值通常約為10mJ。溫度升高時，MIE值降低。當壓力增加時，MIE值降低。惰性氣體濃度增加時，MIE值增加。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,猝熄距離、猝熄直徑與最大試驗安全間隙（MESG） 猝熄距離與猝熄直徑：淬熄距離指剛

44、剛能夠維持火焰?zhèn)鞑サ膬善桨逯g的最小間距為淬熄距離。剛剛能夠維持火焰?zhèn)鞑サ淖钚」軓郊粹ㄖ睆健?在18個不同直徑的圓孔中均充滿待測的可燃混合氣，燃料燃燒后火焰同時傳入這18個圓孔中，根據(jù)熱電偶的溫度指示來判斷火焰在多大直徑的孔中熄滅，以確定猝熄直徑。,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,猝熄距離、猝熄直徑與最大試驗安全間隙（MESG）最大試驗安全間隙（MESG）：在標準規(guī)定試驗條件下，殼內所有濃度的被試氣體或蒸氣空氣的混

45、合物點燃后，通過25mm長的接合面均不能點燃殼外爆炸性氣體混合物的外殼空腔兩部分之間的最大間隙。測定：GB3836.11-91“爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備最大試驗安全間隙測定方法”。 表2.8 給出了部分可燃物質的最大試驗安全間隙。,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,猝熄距離、猝熄直徑與最大試驗安全間隙（MESG）,,a－標準外殼內腔；b－試驗箱內腔；c－千分表；d－泵；e－阻火器；f－觀察窗；m、i－閥門；h

46、－點火電極；k－標準外殼下殼體；l－標準外殼上殼體圖2.14 最大試驗安全間隙的測定裝置,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,最低點燃電流（MIC）比 采用電感放電火花點燃最易爆炸濃度的氣體或蒸汽混合物所需的最低電流與點燃相同試驗條件下甲烷所需的最低電流之比。作為最大試驗安全間隙的替代參數(shù)，可以用此參數(shù)來將電氣設備場所存在的可燃氣體、液體進行分級。,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,爆炸強度：包

47、括最大爆炸壓力、爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)等參數(shù)，反映了爆炸的潛在破壞能力。 最大爆炸壓力和壓力上升速率：,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,最大爆炸壓力和壓力上升速率：,,圖2.16、17 由10%甲烷、70%氮氣和20%氧氣組成的混合氣在20L實驗容器中的壓力－時間曲線（初始溫度和初始壓力分別為25℃和1atm）。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,立方根定律與爆炸指數(shù)：當其他實驗條件保持不變的情況

48、下，隨實驗容積的增大，最大爆炸壓力基本保持為常數(shù)，而壓力曲線的最大斜率（即壓力速率）逐漸減小。,,,KG稱為爆燃指數(shù)，反應速率越大，爆燃指數(shù)越大，爆炸越猛烈。 表2.10給出了典型氣體的最大爆炸壓力和爆燃指數(shù)。,,Bartknecht 1984提出的立方根定律，適用范圍：≥16L（氣體）≥40L（粉塵）,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.2 燃燒的性質,幾點需要注意的問題不同研究者之間得到的最大爆炸壓力一致性較好，但爆燃指數(shù)差異較大。

49、最大爆炸壓力上升速率與火焰?zhèn)鞑ニ俾手苯酉嚓P，其反映了燃燒過程的快慢。立方根定律是大量實驗獲得經(jīng)驗定律，爆燃指數(shù)可用于衡量爆炸的強弱，從而用于泄爆面積的計算；根據(jù)立方根定律可以在一定尺度范圍內推算不同尺容器內爆炸的壓力上升速率。無論是最大爆炸壓力還是爆燃指數(shù)均非物質固有的性質，而與實驗方法和條件有關。,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3 火焰?zhèn)鞑恿W特征2.3.1 燃燒速度與火焰速度兩個基本概念：燃燒速度U（burning

50、velocity）：火焰相對于其前方未燃氣體的傳播速率。也稱基本燃燒速度，表征了反應物轉變?yōu)槿紵晌锏目炻?，是混合物的基本性質。火焰速度S（flame speed）：火焰陣面相對于固定參考點的速度。,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.1 燃燒速度與火焰速度火焰陣面結構與傳播機理層流火焰陣面結構,,,傳播機理：反應區(qū)通過導熱加熱，預熱區(qū)通過擴散向反應區(qū)供給燃料和氧氣。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.1 燃燒速度與火焰速度

51、湍流火焰陣面結構與傳播機理,,,湍流火焰形成機制與湍流火焰速度的增加：流體不穩(wěn)定性（Taylor不穩(wěn)定性等）導致火焰陣面彎曲褶皺；激波誘導未燃氣體運動形成湍流流動，增強了輸運作用。同時，湍流條件下火焰陣面上的燃燒速度稍有增大。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.1 燃燒速度與火焰速度需要注意的兩個問題可燃氣云范圍內布置的各種設備、管道等，以及管道內的彎道、閥門等都存在湍流產(chǎn)生機制，如果具有足夠的轉變距離，層流燃燒也可能發(fā)展形成

52、湍流燃燒。管口壁面邊界層附近的氣體速度較低，低于燃燒速度時，管口火焰也可能發(fā)生回火現(xiàn)象。因此，要求管道直徑必須大于某個猝熄臨界直徑避免形成回火現(xiàn)象。,,,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.2 火焰加速與爆燃向爆轟的轉變（DDT）,,,氣體爆轟形成機制：在弱點火條件下，如果L/D足夠大，火焰從較慢的速度逐漸轉變形成加速湍流火焰，并達到某個臨界狀態(tài)時，會生成激波轉變成為爆轟波，并誘導產(chǎn)生過驅爆轟，過驅爆轟衰減后形成穩(wěn)態(tài)爆轟傳播，也即SWA

53、CER機理。也可以在射流火焰等強點火作用下直接觸發(fā)形成爆轟。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.1 燃燒速度與火焰速度,,,湍流火焰加速,障礙物誘導湍流加速火焰,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,2.3.1 燃燒速度與火焰速度,,,湍流導致火焰加速的正反饋機制,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.3.3 爆轟 爆轟波：爆轟激波是由燃燒驅動的激波傳播，其火焰陣面在未燃混合物中以超音速傳播。傳播速度取決于混合物種類、初始溫度和壓力等因素，可達100

54、0-3500m/s范圍。 爆轟波結構與爆轟波模型：爆轟波是由激波壓縮和未燃介質點火導致的化學能釋放來支持的，火焰陣面與激波陣面在時間和空間上耦合在一起。CJ模型：將爆轟波處理成沒有厚度的反應速率無窮大的間斷。ZND模型：在CJ模型的基礎上，ZND模型認為爆轟波由激波和緊靠激波陣面的反應區(qū)（即火焰）構成，反應區(qū)的厚度由反應速率確定。 ZND模型給出的爆轟速度和爆轟壓力與CJ模型一致，兩者唯一的差別就是ZND模型考慮了爆轟波

55、的厚度。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,在一端封閉的管道中爆轟傳播時的壓力-距離剖面 (即在管道封閉端x = 0),管道中爆燃傳播時的壓力-距離圖,爆燃與爆轟波形的區(qū)別,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,壓力疊加效應 如果燃燒發(fā)生在相互連接的容器中，當燃燒處于爆燃模式時，壓力陣面的傳播速度要比反應陣面高得多，就會形成這種壓力疊加效應（pressure piling），如圖所示。,相互連接的容器中的壓力疊加效應,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象

56、,,,2.4 火災與爆炸破壞效應2.4.1 熱效應：池火災、閃燃火災、射流火災或火球，以及氣體、液霧或粉塵爆炸過程中，由于反應的放熱性，必然對周圍人員、設備或建筑物等具有熱效應?；馂亩裕瑹彷椛涫瞧渲匾奈：π问街?。表2.11 人體暴露在熱輻射時達到疼痛閥值的時間。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4 火災與爆炸破壞效應,Schubach（1995）對熱輻射問題進行了綜述，他建議將輻射強度4.7kw/m2作為傷害閥值。在該強度的輻

57、射作用下，人體在不受任何遮蔽地經(jīng)受30秒即可能受到傷害。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4 火災與爆炸破壞效應,熱輻射對材料的作用：熱輻射作用于材料會發(fā)生反射、部分吸收或透射，材料對吸收熱輻射并被加熱，從而使材料被破壞。表2.12給出了熱輻射對人的影響。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4.2 爆炸波及其破壞作用,基本概念 壓力波、爆炸波與激波：當在氣體中發(fā)生爆炸時，則所釋放出來的能量引起氣體快速膨脹，壓縮周圍的空氣介質，形成壓

58、力波，并從爆源位置向外傳播，其具有的能量對周圍環(huán)境可以造成破壞。在空氣中傳播的壓力波稱為爆炸波（blast wave）。如果壓力波陣面壓力的變化非常陡峭，則稱為激波或沖擊波（shock wave）或激波陣面（shock front）。,給定時刻的激波波形,某固定位置上的激波壓力波形,氣云爆炸典型的壓力波波形,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4.2 爆炸波及其破壞作用,正相作用、負相作用：一般情況下，負相造成的破壞較小，但在超大型或核爆

59、炸中也會造成極大的破壞。 爆風：激波傳播誘導其后方的氣體跟隨激波運動。 爆炸沖量：壓力－時間曲線所包圍的面積。 側向超壓（side-on overpressure）：在與爆炸傳播方向相互垂直方向上則所測得的壓力，也稱自由場超壓（free field overpressure），簡稱超壓。 反射超壓：與激波發(fā)生正碰的大型墻體中間，則所測得的壓力稱為反射超壓（reflected overpressure），反映了激波壓力的大小及爆風

60、作用于物體時的動態(tài)壓力（dynamic pressure）的大小，弱爆炸時約為入射壓力的兩倍，強激波則可達8倍。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4.2 爆炸波及其破壞作用,爆炸后不同時刻的超壓曲線,爆炸波的傳播：由于氣體的粘性耗散，激波發(fā)生衰減。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4.2 爆炸波及其破壞作用,爆炸沖擊引起的破壞作用：取決于多種因素，包括爆炸波的波形、持續(xù)時間和幅值大??；物體與爆源之間的距離（standoff dist

61、ance）；物體的方位和尺寸，以及結構物的類型等。 對人體的作用：爆炸波或激波的壓縮作用，然后受到爆風的拖拽作用，因而使人體發(fā)生平移，并與物體發(fā)生碰撞。此外，還有破片對人造成傷害。 對設備、建筑物的作用,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.4.2 爆炸波及其破壞作用,正面：激波反射形成很高的超壓，同時還有稀疏波作用；外緣和背面：形成渦旋，產(chǎn)生一定的壓差，形成瞬態(tài)力作用。爆風：拖拽作用。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云

62、爆炸及其危險性估算,2.5.1 氣云爆炸發(fā)生階段與特征,高壓泄露,彌散形成大范圍的可燃氣云,爆炸效應取決于火焰速度,延遲1-5min點火,引起射流湍流,湍流生成利于火焰加速，但大多為爆燃,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.1 氣云爆炸發(fā)生階段與特征 湍流形成機制與泄漏過程本身有關的湍流（例如射流泄漏或容器發(fā)生災難性失效時導致的爆炸性彌散氣云）；火焰?zhèn)鞑ネㄟ^擁塞空間時，由于管道、泵站、閥門、容器

63、和其他工藝設備等障礙物作用，火焰前方受已燃氣體膨脹產(chǎn)生的湍流；由于如通風系統(tǒng)、粗糙的換熱管以及風扇等外部物體誘導產(chǎn)生的湍流。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.1 氣云爆炸發(fā)生階段與特征 破壞性超壓形成的條件所泄漏的物料是可燃的。在點火發(fā)生前，必須形成足夠規(guī)模的氣云。如果氣云范圍太小，或者過早點燃，只是會形成較小的火球，而不會有較高的超壓。與空氣混合，形成質量足夠且在可燃濃度范圍內的氣云。

64、如果沒有與空氣充分混合，可能會形成由擴散控制的火球，而不會形成較高的超壓。當氣云燃燒時，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺仨毮芗铀賯鞑?。如果沒有火焰的加速，只會形成閃燃，閃燃產(chǎn)生的破壞是由于熱輻射和直接火焰作用所致。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.2 氣云爆炸危險性的估算 基本思路：在搞清氣云爆炸即的詳細機理之前，可將實際爆炸與已知的燃料爆炸特性相比較。TNT當量法：與凝聚相炸藥TNT爆炸波特性相比描述凝聚相

65、炸藥爆炸場特征的術語 比例距離（scaled distance）z： R=到爆心的距離，W=TNT裝藥質量,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.2 氣云爆炸危險性的估算 比例峰值超壓Ps（scaled peak side-on overpressure ）p0=峰值側向超壓，Pa=環(huán)境絕對壓力 比例沖量is（scaled impulse）：

66、a0=空氣聲速，E=爆炸能量,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.2 氣云爆炸危險性的估算,地面TNT爆炸超壓曲線對猛炸藥（如TNT）爆轟產(chǎn)生的激波，激波超壓與TNT裝藥質量有明確的關系（自相似原理、Hopkinson比例定律），如圖所示是TNT裝藥地面爆炸時沖量和超壓與距離的關系（自由空氣中TNT質量減半考慮，因為考慮到地面反射作用）。,第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,

67、2.5.2 氣云爆炸危險性的估算,氣云爆炸TNT當量的計算：假設在當量能量的基礎上，參與爆炸的燃料與TNT爆炸產(chǎn)生的爆炸場相似，即有： 式中 W=TNT當量質量 =爆炸效能系數(shù)（也稱當量系數(shù) equivalency factor、場系數(shù) field factor或效能系數(shù)efficie

68、ncy factor）,大多數(shù)可燃氣云都在1%－10%之間變化。 m=可燃氣體的質量 Ec=可燃氣體的燃燒熱 ETNT =TNT爆炸能量(4602kJ/kg),第二章 燃燒與爆炸現(xiàn)象,,,2.5 氣云爆炸及其危險性估算,2.5.2 氣云爆炸危險性的估算,TNT當量法進行爆炸破壞估算的步驟確定爆炸過程中涉及的可燃物料的量?？梢愿鶕?jù)泄漏量或擴散模型來進行估算（AIChE，