第三讲 燃气的燃烧与爆炸过程

1、1 1 第一部分第一部分 燃烧燃烧 v燃烧燃烧是可燃是可燃物质物质(（气体（气体、液体或、液体或固体）与固体）与助燃助燃物（氧物（氧或或氧化剂）发氧化剂）发 生生的伴有放热和发光的一种激烈的化学反应。的伴有放热和发光的一种激烈的化学反应。 发光发光 发热发热 生成新物质生成新物质 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u燃烧的分类燃烧的分类 v根据根据可燃物状态的可燃物状态的不同不同 v根据根据燃烧方式的燃烧方式的不同不同 v根据根据燃烧发生瞬间的燃烧发生瞬间的特点特点 第一部分第一部分 燃烧燃烧 最易燃烧，燃 烧所需热量只用于本身氧 化分解，所以将可燃气体 加热到其燃点即可燃烧。 第一部分第一部分 燃

2、烧燃烧 第一部分第一部分 燃烧燃烧 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u 实际实际燃烧温度不是固定的值，它受可燃物浓度和一系列燃烧温度不是固定的值，它受可燃物浓度和一系列 外界因素的影响。外界因素的影响。 第一部分第一部分 燃烧燃烧 气体气体燃烧速度：火焰在可燃介质中的传播速度也称燃烧速度。燃烧速度：火焰在可燃介质中的传播速度也称燃烧速度。 气体的组成和结构气体的组成和结构 可燃气体含量可燃气体含量 初温初温 燃烧形式燃烧形式 管道管道 压力和流动状态压力和流动状态 第一部分第一部分 燃烧燃烧 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u原油和天然气工程设计防火规范 (GB50183-93) 中，有关常用储存物品

3、的 火灾危险性分类及举例： 10 储存物储存物 品类别品类别 火灾危险性特征火灾危险性特征举例举例 甲甲1 37.8的蒸气压的蒸气压200kPa 的液体的液体 2 闪点闪点28的液体的液体 3 爆炸下限爆炸下限10%的气体的气体 4 受到水或空气中水蒸气的受到水或空气中水蒸气的 作 用 能 产 生 爆 炸 下 限 作 用 能 产 生 爆 炸 下 限 10%气体的固体物质气体的固体物质 液化石油气、天然气凝液液化石油气、天然气凝液 汽油、苯、甲苯、甲醇、乙醇、石脑油、汽油、苯、甲苯、甲醇、乙醇、石脑油、 乙硫醇、丙酮、吡啶、丙烯、己烷、戊烷、乙硫醇、丙酮、吡啶、丙烯、己烷、戊烷、 环戊烷、原油环

4、戊烷、原油 甲烷甲烷、乙烷、乙烷、丙烷、丁烷丙烷、丁烷、氢、乙炔、硫、氢、乙炔、硫 化氢、乙烯、丙烯、丁二烯、化氢、乙烯、丙烯、丁二烯、水煤气水煤气 电石、碳化铝电石、碳化铝 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u原油和天然气工程设计防火规范 (GB50183-93) 中，有关常用储存物品的 火灾危险性分类及举例： 11 储存物储存物 品类别品类别 火灾危险性特征火灾危险性特征举例举例 乙乙1 闪点闪点28到到60的液体的液体 2 爆炸下限爆炸下限10%的气体的气体 3 不属于甲类的化学易燃危险固不属于甲类的化学易燃危险固 体体 4 助燃气体助燃气体 煤油、丁醇、溶剂油、戊醇、丙苯、煤油、丁醇、溶剂油

5、、戊醇、丙苯、 苯乙烯、氯苯、乙二胺苯乙烯、氯苯、乙二胺 氨氨 硫磺、镁粉、铝粉硫磺、镁粉、铝粉 氧氧 丙丙1 闪点闪点60的液体的液体 2可燃固体可燃固体 乙二醇、二甘醇、三甘醇、一乙醇胺、乙二醇、二甘醇、三甘醇、一乙醇胺、 二乙醇胺、二异丙醇胺、环丁砜、二二乙醇胺、二异丙醇胺、环丁砜、二 甲基亚砜、机油、轻柴油、沥青、润甲基亚砜、机油、轻柴油、沥青、润 滑油滑油 硫硫胺胺 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u 依据GB13690-92常用危险化学品的分类及标志，将危险化学品分 为8大类21项。 第第1类：爆炸品类：爆炸品 第第2类：类：压缩气体和液化气体压缩气体和液化气体 第第3类：易燃液体类：

6、易燃液体 第第4类：易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品类：易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品 第第5类：氧化剂和有机过氧化物类：氧化剂和有机过氧化物 第第6类：毒害品和感染性物品类：毒害品和感染性物品 第第7类：放射性物品类：放射性物品 第第8类：腐蚀品类：腐蚀品 12 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u控制可燃物 控制气态可燃物控制气态可燃物 控制液态可燃物控制液态可燃物 控制固态可燃物控制固态可燃物 13 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u控制助燃物 密闭设备系统密闭设备系统 惰性气体保护惰性气体保护 隔绝空气隔绝空气 隔离储存隔离储存 14 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u控制火源 在生产加工过程中，

7、点火源常常是一种必要的热能源，故须科学在生产加工过程中，点火源常常是一种必要的热能源，故须科学 地对待点火源，即要保证安全地利用有益于生产的点火源，又要地对待点火源，即要保证安全地利用有益于生产的点火源，又要 设法消除能够引起火灾爆炸的点火源。设法消除能够引起火灾爆炸的点火源。 u阻止火势蔓延 阻火装置：安全液封、阻火器、回火防止器、防火阀、火星熄灭阻火装置：安全液封、阻火器、回火防止器、防火阀、火星熄灭 器。器。 阻火设施阻火设施 ：防火门、防火墙、防火带、防火卷帘、水封井、防：防火门、防火墙、防火带、防火卷帘、水封井、防 火堤、防火分隔堤、事故存油罐、防火集流坑。火堤、防火分隔堤、事故存油

8、罐、防火集流坑。 15 第一部分第一部分 燃烧燃烧 u建筑灭火器配置设计规范(GBJ140-90，1997年版) 中将火灾分为五类： 16 第二部分第二部分 爆炸爆炸 17 第二部分第二部分 爆炸爆炸 1.天然气管道开裂爆炸 发生时间：2010年9月9日 发生地点：美国太平洋燃气电力公司天然气传输132号管线途经加利 福尼亚州圣布鲁诺市一居民区 事故类型：焊接不合规范导致开裂事件 直接后果：泄漏134万方天然气，爆炸导致损坏108座房屋，66人伤亡 ，管道修理费用1350万美元。 2.事发管线的基本情况 132号管线直径为30(762mm) ，材质X42，壁厚0.375 (9.5mm) 3.事

9、故经过及采取措施 第二部分第二部分 爆炸爆炸 20 132线首站开启更换线首站开启更换UPS电源电气工程工电源电气工程工 作。为调节阀控制器、压力信号传感器、作。为调节阀控制器、压力信号传感器、 阀门位置指示器更换供电电源。工作开始阀门位置指示器更换供电电源。工作开始 后将自动调节阀设定为手动档。后将自动调节阀设定为手动档。 14:46 工作完成后将调节阀控制器设定回自动控工作完成后将调节阀控制器设定回自动控 制档，但由于供电系统设置不当，回路中制档，但由于供电系统设置不当，回路中 增加了一个多余的增加了一个多余的24V直流电压，该电压直流电压，该电压 使得压力信号传感器产生了一个错误的低使得

10、压力信号传感器产生了一个错误的低 压信号，导致自动调节阀处于完全打开状压信号，导致自动调节阀处于完全打开状 态。态。 16:38 由于调节阀门处于完全打开状态，出站压由于调节阀门处于完全打开状态，出站压 力线路压力持续升高。力线路压力持续升高。 16:38 17:22 第二部分第二部分 爆炸爆炸 21 发现供电系统问题，并将调节阀压力设发现供电系统问题，并将调节阀压力设 定值从定值从2.66MPa调节至调节至2.55MPa以降低出以降低出 站压力。（站压力。（132线的线的MAOP为为2.76MPa， MOP为为2.59MPa） MAOP最大允许操作压力最大允许操作压力 MOP最大操作压力最大

11、操作压力 17:28 由于典型的阀门响应时间滞后，出站压由于典型的阀门响应时间滞后，出站压 力持续升高达到顶点力持续升高达到顶点2.73MPa。 17:42 管道破裂。管道破裂。 18:11 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆炸 事故管事故管道基本信息道基本信息 直径 30 英寸 (762 mm) 材质X42 壁厚 0.375英寸 (9.525mm ) MAOP 400psig (2.758Mp) MOP 375psig (2.586Mp) 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆

12、炸 28 第二部分第二部分 爆炸爆炸 29 第二部分第二部分 爆炸爆炸 30 第二部分第二部分 爆炸爆炸 31 第二部分第二部分 爆炸爆炸 32 第二部分第二部分 爆炸爆炸 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。 u爆炸体系和它周围的介质之间发生急剧的压力突变是爆炸的最重要 特征，这种也是产生爆炸破坏作用的直接原因。 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u爆炸可以由各种不同的物理成因或化学成因所引起。我 们按照引起爆炸过程发生的原因，把爆炸现象分成 等三类。 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u物理物理爆炸现象爆炸现象 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u物理爆炸现象物理爆炸

13、现象 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u核子爆炸现象核子爆炸现象 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u化学爆炸现象化学爆炸现象 第二部分第二部分 爆炸爆炸 u化学爆炸三阶段化学爆炸三阶段 第一阶段，物质受到外界激发发生高速化学反应，释放出大量热第一阶段，物质受到外界激发发生高速化学反应，释放出大量热 能和生成大量气体；能和生成大量气体； 第二阶段，热能加热气体产物，以一定的形式第二阶段，热能加热气体产物，以一定的形式(定容、绝热定容、绝热)转化转化 为压缩能；为压缩能； 第三阶段，强压缩能急剧绝热膨胀对外作功，使周围物质变形、第三阶段，强压缩能急剧绝热膨胀对外作功，使周围物质变形、 移动或破坏。移动或破

14、坏。 39 第二部分第二部分 爆炸爆炸 （1）爆燃爆燃：每秒数米，如无烟火药；：每秒数米，如无烟火药； （2）爆炸：每秒十几米至数百）爆炸：每秒十几米至数百米，如天然气；米，如天然气； （3）爆轰：）爆轰：10007000m/s，“冲击波冲击波”，如原子弹；，如原子弹； 冲击波：造成对附近建筑物的破坏；冲击波：造成对附近建筑物的破坏； 碎片冲击：各种碎片飞散而造成的伤害，飞散距离可达碎片冲击：各种碎片飞散而造成的伤害，飞散距离可达100- 500m； 震荡：短暂的地震波；震荡：短暂的地震波； 40 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u可燃性混合物可燃性混合物 指由可燃性物质与

15、助燃物组成的爆炸性物质，如可燃气体指由可燃性物质与助燃物组成的爆炸性物质，如可燃气体 、蒸气和空气混合。、蒸气和空气混合。 可燃性混合物为有爆炸危险的物质可燃性混合物为有爆炸危险的物质 41 2222 23.7623.76COONCON 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u爆炸极限爆炸极限 指可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（氧气）必须在一指可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（氧气）必须在一 定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸 的浓度范围。的浓度范围。 u 可燃气体与蒸气以体积百分比来表示

16、，可燃气体与蒸气以体积百分比来表示， u 如如CO与空气与空气12.5%-80% u 粉尘以单位体积混合物中的质量数粉尘以单位体积混合物中的质量数（g/m3） u 如铝粉为如铝粉为40（g/m3） 42 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u爆炸下限与上限爆炸下限与上限 其爆炸范围越宽，其爆炸危险越大。其爆炸范围越宽，其爆炸危险越大。 u 爆炸下限越低爆炸下限越低 u 少量可燃物（如可燃气体稍有泄漏）就会形成爆炸少量可燃物（如可燃气体稍有泄漏）就会形成爆炸 u 爆炸上限越高爆炸上限越高 u 少量空气渗入容器，就能与可燃物混合形成爆炸条件少量空气渗入容器，就能与可燃物混合形成爆炸

17、条件 u 甲烷的爆炸极限是甲烷的爆炸极限是5.015意味着意味着： u 甲烷在空气中体积浓度在甲烷在空气中体积浓度在5.015之间时，遇火源会爆炸，否之间时，遇火源会爆炸，否 则就不会爆炸。则就不会爆炸。 43 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 44 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u某种天然气的组成如下：甲烷某种天然气的组成如下：甲烷80%，乙烷，乙烷15%，丙烷，丙烷4% ，丁烷，丁烷1%。各组分的爆炸下限分别为。各组分的爆炸下限分别为5%，3.22%， 2.37%和和1.86%，则该天然气的爆炸下限为：，则该天然气的爆炸下限为： =4.37% 45

18、312 123 1 % . M L VVV LLL 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 初始温度初始温度 混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导 致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了 混合物的爆炸危险性。混合物的爆炸危险性。 46 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 初始压力初始压力 增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范增加混合气体的初始压

19、力，通常会使上限显著提高，爆炸范 围扩大。增加压力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合围扩大。增加压力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合 气在较低的着火温度下能够发生燃烧。原因在于，处在高压气在较低的着火温度下能够发生燃烧。原因在于，处在高压 下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分子间传热和发生下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分子间传热和发生 化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减少化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减少 。压力对甲烷爆炸极限的影响。在已知的气体中，只有。压力对甲烷爆炸极限的影响。在已知的气体中，只有CO 的爆炸范围是随压力增加而变窄的。的爆炸范

20、围是随压力增加而变窄的。 47 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 含氧量含氧量 混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，因为可燃气在混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，因为可燃气在 下限浓度时氧是过量的。由于可燃气在上限浓度时含氧量不足，所下限浓度时氧是过量的。由于可燃气在上限浓度时含氧量不足，所 以增加氧含量使上限显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生火灾爆以增加氧含量使上限显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生火灾爆 炸的危险性。若减少氧含量，则会起到相反的效果。例如甲烷在空炸的危险性。若减少氧含量，则会起到相反的效果。例如

21、甲烷在空 气中的爆炸范围为气中的爆炸范围为514，而在纯氧中的爆炸范围则放大到，而在纯氧中的爆炸范围则放大到5 61。甲烷的极限氧含量为。甲烷的极限氧含量为12，若低于极限氧含量，可燃气就，若低于极限氧含量，可燃气就 不能燃烧爆炸了。不能燃烧爆炸了。 48 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 惰性气体含量惰性气体含量 爆炸性混合气体中加入惰性气体，如氮、氧、水蒸气、二氧爆炸性混合气体中加入惰性气体，如氮、氧、水蒸气、二氧 化碳、四氯化碳等，可以使可燃气分子和氧分子隔离，在它化碳、四氯化碳等，可以使可燃气分子和氧分子隔离，在它 们之间形成一

22、层不燃烧的屏障。这层屏障可以吸收能量，使们之间形成一层不燃烧的屏障。这层屏障可以吸收能量，使 游离基消失，链锁反应中断，阻止火焰蔓延到其他可燃气分游离基消失，链锁反应中断，阻止火焰蔓延到其他可燃气分 子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。 49 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 点火源与最小点火能量点火源与最小点火能量 点火源的强度高，热表面的面积大，火源与混合物的接触时点火源的强度高，热表面的面积大，火源与混合物的接触时 间长，会使爆炸范围扩大，增加燃烧、爆炸的危险性。间长，会使爆炸范

23、围扩大，增加燃烧、爆炸的危险性。 最小点火能量是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要最小点火能量是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要 的最小能量。混合气体的浓度对点火能量有较大的影响，通的最小能量。混合气体的浓度对点火能量有较大的影响，通 常可燃气浓度稍高于化学计量浓度时，所需的点火能量为最常可燃气浓度稍高于化学计量浓度时，所需的点火能量为最 小。若点火源的能量小于最小能量，可燃物就不能着火。小。若点火源的能量小于最小能量，可燃物就不能着火。 50 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 消焰距离消焰距离 实验证明，通道尺寸越小，通道内

24、混合气体的爆炸浓度范围实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆炸浓度范围 越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。这是因为燃烧在一通道中越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。这是因为燃烧在一通道中 进行时，通道的表面要散失热量，通道越窄，比表面积越大进行时，通道的表面要散失热量，通道越窄，比表面积越大 (通道表面积和通道容积的比值通道表面积和通道容积的比值)，中断链锁反应的机会就越，中断链锁反应的机会就越 多，相应的热损失也越大。多，相应的热损失也越大。 51 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u影响爆炸极限的因素影响爆炸极限的因素 容器、管径影响容器、管径影响 容器、管子直径越小，则爆炸范

25、围越小，当管径小到一定程容器、管子直径越小，则爆炸范围越小，当管径小到一定程 度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散发出的热量就度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散发出的热量就 会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最 大管径称为临界直径。大管径称为临界直径。 容器材料也有很大影响，如氢和氟在玻璃器皿中混合，即使容器材料也有很大影响，如氢和氟在玻璃器皿中混合，即使 在液态空气温度下，置于黑暗处仍可发生爆炸，而在银器中在液态空气温度下，置于黑暗处仍可发生爆炸，而在银器中 ，在一般温度下才能发生爆炸反应。，在一般温度下才能发生爆

26、炸反应。 52 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 53 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 54 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u爆炸后果分析（以纯天然气爆炸为例）爆炸后果分析（以纯天然气爆炸为例） （1）高温）高温 在天然气浓度在在天然气浓度在9.5%条件下测定瞬时温度，在自由空间条件下测定瞬时温度，在自由空间 内可达内可达1850，在封闭空间内最高可达，在封闭空间内最高可达2650。 爆炸产生的高温危害主要指爆炸冲击波的火焰锋面所造成的危爆炸产生的高温危害主要指爆炸冲击波的火焰锋面所造成的危 害。从正常的燃烧速度害。从正常的燃烧速度(

27、12.5m/s)到爆轰式传播速度到爆轰式传播速度(2500 m/s)。火。火 焰锋面温度可高达焰锋面温度可高达21502650。火焰峰面经过之处，人被烧死或。火焰峰面经过之处，人被烧死或 大面积烧伤。大面积烧伤。 55 第三部分第三部分 可燃混合气体爆炸可燃混合气体爆炸 u爆炸后果分析（纯以天然气爆炸为例）爆炸后果分析（纯以天然气爆炸为例） （2）冲击波冲击波 由于爆炸时气体温度骤然升高，必然引起气体压力的突由于爆炸时气体温度骤然升高，必然引起气体压力的突 然增大。然增大。 冲击波锋面压力可达到冲击波锋面压力可达到2MPa（20大气压）。大气压）。 前向冲击波叠加和反射时可达前向冲击波叠加和反

28、射时可达10MPa（100大气压）。大气压）。 其传播速度总是大于声速。其传播速度总是大于声速。 在冲击波的作用下，其它可燃物就能够均匀分散开来，在冲击波的作用下，其它可燃物就能够均匀分散开来， 形成新的爆炸混合物，产生再次爆炸。形成新的爆炸混合物，产生再次爆炸。 56 第四部分第四部分 爆炸极限测定装置爆炸极限测定装置 u由反应管、点火装置、搅拌装置、真空 泵、压力计、电磁阀等组成。 u装置的主要部分是一个用硬质玻璃为材 质的反应管，管长140050mm，管内径 605mm，管壁厚不小于2mm，管底部 装有通径不小于25mm泄压阀。 u装置安放在可升温至50的恒温箱内。 恒温箱前后各有双层门，一层为普通玻 璃，一层为有机玻璃，用以观察实验并 起保护作用。 57 1一安全塞；2一反应管；3一电磁阀；4一 真空泵；5一干燥瓶；6一放电电极；7一电压互 感器；8一泄压电磁阀；9一搅拌泵；10一压力 计；M1、M2一电动机 第四部分第四部分 爆炸极限测定装置爆炸极限测定装置 u可燃气体和空气混合气利用电火花点 燃，电火花能量应大于混合气的点燃 能量。放电电极距反应管底部不小于 100mm处位于管的横截面中心，电极 间距离为34mm。 注：建议采用注：建议采用300VA电压互感器作电压互感器