第一章 燃烧与爆炸基本原理

第一章燃烧与爆炸

基本原理

防火防爆技术

爆炸的基本原理2燃烧基本原理1第一章

燃烧与爆炸基本原理了解燃烧爆炸学说；熟悉各种燃烧类型；熟悉影响燃烧爆炸极限的因素；熟悉爆炸极限的计算方法；掌握燃烧爆炸的原理和条件。理论要求学习目标能够利用燃烧原理概括防火灭火方法；能操作燃烧爆炸实验学习目标技能要求第一节燃烧基本原理一、燃烧理论1.燃烧的本质用火，是人类认识燃烧的真正起点。按考古学的发现，人类最早使用火的时代可以追溯到距今140～150万年以前。在古希腊的神话中，火是神的贡献，是普罗米修斯为了拯救人类的灭亡，从天上偷来的。在我国，燧人氏钻木取火的故事更为感人，也更为贴合实际。但这些离火的本质相距甚远。第一节燃烧基本原理2.燃烧的要素和条件燃烧必须具备以下要素：第一，要有可燃物（还原剂）；第二，要有助燃物（氧化剂）；第三，要有点火源。第一节燃烧基本原理（1）可燃物（还原剂）一般说来，不论是固体、液体还是气体，凡是能在空气、氧气或其他氧化剂中发生燃烧反应的物质都称为可燃物，否则称不燃物。（2）助燃物（氧化剂）与可燃物相结合能导致燃烧的物质称助燃物，它是引起燃烧反应必不可少的条件。第一节燃烧基本原理（3）点火源是指能够引起可燃物与助燃物发生燃烧反应的能量来源，有时也称着火源。图1-1燃烧三角形第一节燃烧基本原理燃烧的充分条件如下：①具备一定数量的可燃物；②有足够数量的氧化剂；③点火源要具有一定的能量；④三要素必须相互作用。图1-2燃烧四面体第一节燃烧基本原理3.燃烧极限可燃物与适量的助燃物作用并达到一定的数量比例，才能够产生燃烧，此比例范围对可燃物来讲，就是其燃烧极限（着火极限LimitsofFlammability）。燃烧极限是成份或压力的极限，超过这一极限，可燃物和助燃物的混合物就不能燃烧。第一节燃烧基本原理4.引燃能、最小点火能根据燃烧的条件，可燃物、助燃物、点火源三者不仅要同时存在，而且可燃物、助燃物要具备一定的数量或浓度，点火源要具有一定大小的能量和一定高低的温度，可燃物才会被引燃，火灾才会发生。第一节燃烧基本原理最小点火能的测定可用电火花法，测定装置是一个放电回路，通过改变电源电压和可变电容值来调节电极放出的能量的大小，找出使可燃物质引燃的最小能量，即临界值。最小点火能可由下式计算：（1-1）第一节燃烧基本原理表1-1部分可燃物的最小点火能可燃物名称最小点火能/mJ可燃物名称最小点火能/mJ空气中氧气中粉尘云粉尘层二硫化碳0.015铝粉151.6氢0.0190.0013镁粉800.24乙炔0.0190.0003醋酸纤维素粉15－乙烯0.090.001沥青粉806.0环氧乙烷0.105聚乙烯粉10－甲醇0.215聚苯乙烯粉40－甲烷0.28酚醛塑料粉1040丙烯0.2820.031尿素树脂粉80－乙烷0.25乙烯基树脂粉10－丙烷0.26苯二甲酸酐粉15－苯0.55硫黄粉151.6氨0.77烟煤粉40－丙酮0.15木粉30－第一节燃烧基本原理表1-2常见点火源的温度点火源名称火源温度/℃点火源名称火源温度/℃火柴焰烟头（中心）烟头（表面）机械火星电火花煤炉炽热体烟囱飞火石灰遇水发热500~650700~8002501200700800600600~700气体灯焰酒精灯焰煤油灯焰植物油灯焰蜡烛焰打火机焰焊割火花汽车排气管火星1600~21001180700~900500~700640~94010002000~3000600~800第一节燃烧基本原理5.燃烧温度放热是燃烧反应的主要特征。可燃物质燃烧时所放出的热量，一部分被火焰辐射时散失，而大部分则消耗在加热燃烧产物上，使产物温度升高。燃烧温度就是指燃烧产物被加热的温度。燃烧体系放热量越大，燃烧产物温度越高。第一节燃烧基本原理表1-3部分可燃物质在空气中的燃烧温度物质名称燃烧温度/℃物质名称燃烧温度/℃甲烷乙烷乙炔甲醇乙醇丙酮乙醚原油汽油煤油重油木材石蜡甲苯180018952127110011801000286111001200700~103010001000~117714272071一氧化碳二硫化碳丙烯腈氢气煤气硫化氢天然气石油气氨苯钠镁硫磷16802195218821301600~18502110202021207002032140030001820900第一节燃烧基本原理6.燃烧速度（1）气体燃烧速度由于气体的燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化、蒸发等过程，所以燃烧速度很快。气体的燃烧速度随物质的组成不同而异。简单气体燃烧（如氢气）只需受热、氧化等过程，而复杂的气体（如天然气、乙炔）等则要经过受热、分解、氧化过程才能开始燃烧。因此，简单气体的燃烧速度比复杂气体的燃烧速度快。第一节燃烧基本原理表1-4一些可燃气体在直径25.4mm管道中火焰传播速度气体名称最大火焰传播速度/（m/s）可燃气体在空气中的含量/%氢4.8338.5一氧化碳1.2545甲烷0.679.8乙烷0.856.5丙烷0.824.6丁烷0.823.6乙烯1.427.1炼焦煤气1.7017炼焦发生煤气0.7348.5水煤气3.143第一节燃烧基本原理表1-5甲烷和空气混合物在不同管径时的传播速度（cm/s）管径/cm甲烷体积分数/%2.51020406080623.543.563951181378508010015418320310651101361882152361235748012316318513224562104130138第一节燃烧基本原理如果在大管径中燃烧的混合物在小管径中熄灭，这种现象是由于在管子直径减小时增加了热损失所致。按热损失观点来分析，那么加热区域与反应区域的比例是：第一节燃烧基本原理（2）液体燃烧速度液体的燃烧速度可用质量速度或直线速度两种方法表示。液体燃烧的质量速度是指每平方米面积上，1h烧掉液体的质量；直线速度是指1h内烧掉的液体层的高度（cm）。第一节燃烧基本原理表1-6几种易燃液体的燃烧速度液体名称燃

烧

速

度直线速度/（cm/h）质量速度/[kg/(m2·h)]苯乙醚甲苯航空汽油车用汽油二硫化碳丙酮甲醇煤油18.917.516.0812.610.510.478.47.26.6165.37125.84138.2991.9380.85132.9766.3657.655.11第一节燃烧基本原理（3）固体燃烧速度可燃固体物质的燃烧速度，一般要小于可燃气体和可燃液体。不同的可燃固体物质其燃烧速度有很大差异。如萘及其衍生物、三硫化磷、松香等，在常温下是固体，燃烧过程是受热熔化、蒸发、气化、分解、氧化、起火燃烧，一般速度较慢。第一节燃烧基本原理表1-7部分固体可燃物质的燃烧速度物质名称燃烧的平均速度/[kg/(m2·h)]天然橡胶人造橡胶布质电胶木酚醛塑料聚苯乙烯树脂木材（含水分14%）棉花（含水分6%~8%）人造短纤维（含水分6%）纸张有机玻璃3024321030508.521.62441.5第一节燃烧基本原理二、燃烧类型1.闪燃闪燃是液体可燃物的特征之一。表1-7部分固体可燃物质的燃烧速度种

类级

别闪点/℃举

例易燃液体Ⅰ≤8汽油、甲醇、乙醇、乙醚、苯、甲苯等Ⅱ28~45煤油、丁醇等可燃液体Ⅲ45~120戊醇、柴油、重油等Ⅳ＞120植物油、矿物油、甘油等第一节燃烧基本原理表1-9几种液体的闪点物质闪点/℃物质闪点/℃物质闪点/℃汽油-58~10二氯乙烷8松节油30二硫化碳-45甲醇9.5丁醇35乙醚-45.5乙醇11戊醇46丙酮-17醋酸丁酯13乙二醇112苯-15醋酸戊酯25甘油176.5甲苯1煤油28~45桐油239醋酸乙酯1二乙胺28冰醋酸40第一节燃烧基本原理表1-10几种可燃物质的燃点物质燃点/℃物质燃点/℃物质燃点/℃磷34棉花150豆

油220松节油53麻绒150烟

叶222樟

脑70漆布165粘胶纤维235灯

油86蜡烛190松

木250赛璐珞100布匹200无烟煤280~500橡

胶130麦草200涤纶纤维390纸130硫207第一节燃烧基本原理图1-3说明了物质燃点的物理意义。可燃物质在温度T0下开始氧化反应，放出热量，物质进一步受热，氧化反应加剧，这时吸收的热量消耗于物质的升温、熔化、分解或蒸发及向周围的散热上。图1-3物质自受热至着火过程中温度的变化第一节燃烧基本原理3.自燃可燃物质虽没有受到外界点火源的直接作用，但当受热达到一定温度，或由于物质内部的物理（辐射、吸附等）、化学（分解、化合等）或生物（细菌、腐败作用等）反应过程所提供的热量聚积起来使其达到一定的温度，从而发生自行燃烧的现象叫自燃。第一节燃烧基本原理表1-11几种可燃物质的自燃点物质自燃点/℃物质自燃点/℃物质自燃点/℃黄磷34~35二硫化碳102棉籽油370三硫化四磷100乙醚170桐油410赛璐珞150~180煤油240~290芝麻油410赤磷200~250汽油280花生油445松香240石油沥青270~300菜籽油446锌粉360柴油350~380豆油460丙酮570重油380~420亚麻仁油343第一节燃烧基本原理（1）受热自燃可燃物质在外部热源作用下，使温度升高，当达到其自燃点时，即着火燃烧，这种现象称为受热自燃。（2）自热自燃某些物质在没有外来热源影响下，由于物质内部所发生的化学、物理或生化过程而产生热量，这些热量在适当条件下会逐渐积聚，使物质温度上升，达到自燃点而燃烧。第一节燃烧基本原理自热燃烧的物质可分为：自燃点低的物质遇空气、氧气发热自燃的物质自然分解发热的物质易产生聚合热或发酵热的物质第一节燃烧基本原理（3）影响自燃点的因素压力对自燃点有很大的影响，压力越高，则自燃点越低。表1-12硫铁矿矿粉的自燃点分

级筛子网眼/mm自燃点/℃10.20~0.1540620.15~1.1040130.10~1.18640040.086340第一节燃烧基本原理表1-13部分气体和液体的自燃点物

质自燃点/℃物

质自燃点/℃空气中氧气中空气中氧气中氢气572560乙烯490485一氧化碳609588乙炔305296二硫化碳120107苯580566硫化氢292220环丙烷498454甲烷632556甲醇470461丙烷493468乙醛275159丁烷408283乙醚193182戊烷290258丙酮561485乙酸550490二甲醚350352第一节燃烧基本原理表1-14部分液体燃料的自燃点和闪点比较/℃物

质闪点/℃自燃点/℃物

质闪点/℃自燃点/℃汽油＜28510~530重柴油＞120300~330煤油28~45380~420蜡油＞120300~320轻柴油45~120350~380渣油＞120230~240第一节燃烧基本原理5.爆燃爆燃（或叫燃爆）是火炸药或燃爆性气体混合物的快速燃烧，是混合气体在燃烧时的一个特例。一般燃料的燃烧需要外界供给助燃的氧，没有氧，燃烧反应就不能进行，例如煤炭在空气中的燃烧。某些含氧的化合物（如硝甲基苯等）或混合物，在缺氧的情况下虽然也能燃烧，但由于其含氧量不高，隔绝空气后燃烧就不完全或熄灭。第一节燃烧基本原理三、燃烧特征1.着火延滞期（诱导期）如前所述，对着火延滞时间一般有下列描述：①着火延滞时间指可燃性物质和助燃气体的混合物在高温下从开始暴露到起火的时间间隔。②混合气着火前自动加热的时间称为诱导期，在燃烧过程中又称为着火延滞期或着火落后期，单位用ms表示。（1-2）第一节燃烧基本原理当混合气的温度继续加热上升时，不需供给能源就会自动着火，此时，着火温度和着火滞后时间之间存在着下述关系（Semenov提出）：（1-3）第一节燃烧基本原理2.燃烧热（1）燃烧热的表示方法①燃烧热（）：1mol有机化合物在25℃，101.325kPa下完全燃烧时所放出的热量称为该化合物的燃烧热。②热值：某些单质、化合物它们燃烧放出的热量，既可以用燃烧热表示，又可以用热值表示，并具有以下换算关系：（kJ/mol）（1-4）（kJ/mol）（1-5）（kJ/kg）（1-6）第一节燃烧基本原理高热值（QH）：可燃物中的水和氢燃烧生成的水以液态存在时的热值称为高热值。低热值（QL）：可燃物中的水和氢燃烧生成的水以气态存在时的热值称为低热值。热值可以用门捷列夫公式进行计算：（kJ/kg）（1-7）（kJ/kg）（1-8）（kJ/kg）（1-9）第一节燃烧基本原理【例1-1】求5kg木材燃烧的高、低热值。已知木材的组成为：C含量43%，H含量7%，O含量41%，N含量2%，W含量7%。解由（1-7）和（1-8）式可得：5kg木材的高热值为18971.4×5=94857（kJ）；低热值为17207.4×5=86073（kJ）。第一节燃烧基本原理（2）燃烧热的测量表1-15某些物质燃烧热值（低热值）物

质燃烧热值物

质燃烧热值/（kJ/kg）kJ/kgkJ/m3氢11948010753淀粉17490乙炔4811255856苯40260甲烷5008235823甲苯40570乙烯4663158321无烟煤31380乙烷4728058160褐煤18830丙烯4577381170焦碳31380丙烷4623383470炼焦煤气32640丁烯45271107530照明用煤气20920丁烷45606108370酒精29290戊烷45396133890汽油43510硫化氢1560624016煤油42890木材16740柴油42050天然纤维17360重油41590石蜡46610棉花17584第一节燃烧基本原理表1-16某些物质完全燃烧时消耗1m3氧气所产生的热量物

质热量/（MJ）物

质热量/（MJ）物

质热量/（MJ）纤维素17.79褐煤17.17聚苯乙烯16.98棉花17.82煤、沥青17.68有机玻璃16.99报纸17.54聚乙烯16.56聚丙烯腈17.81瓦楞纸板箱17.93聚丙烯16.57甲烷16.42硬木16.07聚异丁烯16.72苯17.10木材16.38聚丁二烯17.00平均值17.09第一节燃烧基本原理（3）燃烧热的传递①热传导。②热对流。③热辐射。表1-17几种固体物质的导热系数λ×103[W/(cm·℃)]物

质导热系数物

质导热系数物

质导热系数木材1.25~4.18毛毡0.63黄铜1086.80纸板1.25石棉1.25~2.5碳钢528.00~501.60胶合板0.42~1.25石棉酚醛塑料1.05水泥2.93瓷10.45混凝土8.36~12.54石英66.88~125.40普通玻璃5.85~7.52大理石29.68泡沫玻璃0.42~1.25花岗岩33.44第一节燃烧基本原理3.火焰传播（1）气体（2）液体、固体火焰（3）火焰传播①火焰传播的热理论。②火焰传播的扩散理论。第一节燃烧基本原理3.火焰传播（1）气体（2）液体、固体火焰（3）火焰传播①火焰传播的热理论。②火焰传播的扩散理论。第一节燃烧基本原理表1-18某些可燃物燃烧时烟气的特征物质名称烟

气

特

征颜色嗅味木材灰黑色树脂臭稍有酸味石油产品黑色石油臭稍有酸味磷白色大蒜臭－镁白色－金属味硝基化合物棕黄色刺激臭酸味硫黄－硫臭酸味橡胶棕黑色硫臭酸味棉和麻黑褐色烧纸臭稍有酸味聚氯乙烯纤维黑色盐酸臭酸味有机玻璃－芳香稍有酸味第二节爆炸的基本原理一、爆炸及其种类1.爆炸现象在自然界中存在着各种爆炸。我们把物质发生一种极为迅速的物理或化学变化，并在瞬间放出大量能量，同时产生巨大声响的现象称为爆炸。它通常借助于气体的膨胀来实现。例如乙炔罐里的乙炔与氧气混合发生爆炸时，大约在1秒内完成下列化学反应：2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+Q第二节爆炸的基本原理一般说来，爆炸现象具有以下特征：①爆炸过程进行得很快；②爆炸点附近压力急剧升高；③发出或大或小的响声；④周围介质发生震动或邻近物质遭到破坏。第二节爆炸的基本原理2.爆炸分类与爆炸原理（1）物理爆炸①受压容器爆炸。②水蒸气爆炸。第二节爆炸的基本原理（2）化学爆炸①化学爆炸按爆炸时所发生的化学变化可分为以下几种。a.气体单分解爆炸。例如乙炔在高压下能发生单分解爆炸，反应式如下：C2H22C+H2+266.08kJ/mol表1-19乙炔在直径为2.5cm的管内爆炸初压及诱导距离初压（绝压）/MPa0.340.370.491.96距离/m9.16.73.70.9~1.0第二节爆炸的基本原理b.气体混合物爆炸。c.炸药爆炸。表1-20常见几种炸药的爆炸参数序号名称爆热/(kJ/kg)爆温/℃爆容/(L/kg)爆压/GPa爆速/(m/s)1梯恩梯TNT4435258773019.0870002黑索今RDX5816370090832.6382003太安PENT6067381679030.0582814奥克托HMX5983303878233.491105硝化甘油NG6210400071526.797500第二节爆炸的基本原理②按照爆炸的瞬时燃烧速度的不同，爆炸可分为以下三类：a.爆燃。b.爆炸。c.爆轰。为防止殉爆的发生，应保持使空气冲击波失去引起殉爆能力的距离，其安全间距按下式计算：（1-10）表1-20常见几种炸药的爆炸参数混合气体混合百分比/%爆轰速度/(m/s)混合气体混合百分比/%爆轰速度/(m/s)乙醇－空气乙烯－空气一氧化碳－氧二硫化碳－氧6.29.166.725.01690173412641800甲烷－氧苯－氧乙炔－氧氢－氧33.311.840.066.72146220627162821第二节爆炸的基本原理（3）粉尘爆炸①粉尘爆炸的条件。②粉尘爆炸的过程③粉尘爆炸的特性。④影响粉尘爆炸的因素。图1-4粉尘爆炸过程第二节爆炸的基本原理二、爆炸极限及其理论1.爆炸极限表1-22烃类和液体可燃物在空气中的爆炸极限可燃物名称分子式φ/%ρ/（mg/L）下

限上

限下

限上

限氢一氧化碳甲烷乙烷乙烯乙炔丙烷丁烷戊烷己烷环己烷苯庚烷甲苯辛烷二甲苯乙醚丙酮酒精甲醇H2COCH4C2H6C2H4C2H2C3H8C4H10C5H12C6H14C6H12C6H6C7H16C7H8C8H18C8H10(C2H5)2O(CH3)2COC2H5OHCH3OH4.012.55.33.03.12.52.21.91.51.21.31.41.21.41.01.01.93.04.37.375741412.536819.58.57.87.58.07.16.76.7－6.0481119363.31463538322740464543444650544844597282976386093156370880174206234270270230280260－2651480270360480第二节爆炸的基本原理表1-23常见一些粉尘的爆炸下限粉尘爆炸下限/（g/m3）粉尘爆炸下限/（g/m3）粉尘爆炸下限/（g/m3）钛锰锌粉铝粉铁粉镁粉硅452105003512020160酚醛树脂环氧树脂聚乙烯醇聚苯乙烯聚乙烯聚丙烯腈聚酰胺25203520252530玉米淀粉棉纤维小麦烟煤硫粉木粉糖粉451006035354019第二节爆炸的基本原理2.爆炸极限的影响因素（1）温度的影响（2）压力的影响表1-24加压对甲烷爆炸极限的影响压力/MPa爆炸下限/%爆炸上限/%极限范围0.15.614.38.71.05.917.211.35.05.429.424.012.55.745.740.0第二节爆炸的基本原理表1-25减压对一氧化碳爆炸极限的影响压力/MPa爆炸下限/%爆炸上限/%极限范围0.115.568.352.50.07916.065.049.00.05319.557.738.20.03922.551.529.00.0337.437.400.026不爆不爆－第二节爆炸的基本原理（3）氧含量表1-26气态可燃物在空气中和氧气中的爆炸浓度极限物质名称在空气中在纯氧中物质名称在空气中在纯氧中爆炸下限/%范围爆炸下限/%范围爆炸下限/%范围爆炸下限/%范围甲烷5～1510.05.4～6054.6氨15～30.215.213.5～7965.5乙烷3～12.59.53～6663.0一氧化碳12.5～7461.515.5～9478.5第二节爆炸的基本原理续上表丙烷2.1～9.57.42.3～5552.7丙烯2～11.19.12.1～5350.9丁烷1.5～8.57.01.8～4947.2环丙烷2.4～10.48.02.5～6360.5乙烯2.7～3431.33～8077.0乙醚1.95～36.534.652.1～8279.9炔2.4～8279.62.8～9390.21－丁烯1.6～108.41.8～5856.2氢4～75.671.04.7～9489氯乙烯3.8～3127.24.0～7066第二节爆炸的基本原理（4）惰性组分图1-5各种惰性气体含量对甲烷爆炸极限的影响第二节爆炸的基本原理（5）爆炸容器对爆炸极限的影响（6）点火源的影响表1-27部分气体和最低引爆能量可燃气体名称含量/%（体积分数）最低引爆能量/mJ氢气（在空气中）29.20.019氢气（在氧气中）29.20.0013甲醇12.240.215甲烷8.50.28乙炔（在空气中）7.730.02乙炔（在氧气中）7.730.003乙烯（在空气中）6.520.016乙烯（在氧气中）6.520.001乙烷（在空气中）4.020.031乙烷（在氧气中）4.020.031第二节爆炸的基本原理续上表可燃气体名称含量/%（体积分数）最低引爆能量/mJ环氧乙烷7.720.105乙醛7.720.376丙烯4.440.282丁二烯3.670.17苯2.710.55氨21.80.77丙酮4.871.15甲苯2.272.50第二节爆炸的基本原理图1-6点火能量对甲烷爆炸极限影响第二节爆炸的基本原理3.爆炸极限的计算（1）爆炸完全反应浓度计算【例1-2】求乙烯在氧气中完全反应的浓度。解写出乙烯在氧气中完全反应的方程式：C2H4+3O2=2CO2+2H2O+Q根据反应式得知，参加反应物质的总体积为1+3=4，则乙烯的体积在总体积中占：乙烯在氧气中完全反应的浓度为25%。可第二节爆炸的基本原理可燃气体或蒸汽的化学当量浓度，也可用以下方法计算。可燃气体或蒸汽分子式一般用CαHβOγ表示，设燃烧1mol气体所必需的氧物质的量为n，则燃烧反应式可写成：αHβOγ+nO2→生成气体+Q如果把空气中氧气的浓度取为20.9%，则在空气中可燃气体完全反应的浓度X0%为：（1-11）又设在氧气中可燃气体完全反应的浓度为X（%），即：（1-12）第二节爆炸的基本原理式（1-11）和式（1-12）表示出X和X0与n或2n之间的关系（2n表示反应中氧的原子数）。在完全燃烧的情况下，燃烧反应式为：CαHβOγ+2nO2→αCO2+βH2O+Q式中2n=2α+1/2β-γ,对于各种不同的烃，它们之间有不同的关系式。根据2n的数值，从表1-29中可直接查出可燃气体在空气（或氧气）中完全反应的浓度。第二节爆炸的基本原理【例1-3】试求戊烷（C5H12）和乙醇（C2H5OH）的爆炸完全反应物浓度和爆炸极限。解先按公式分别求出戊烷（C4H10）和乙醇（C2H5OH）在空气中完全燃烧所需的氧分子数n0。戊烷n0=α+β/4=5+12/4=8乙醇n0=α+β/4-γ/2=2+6/4-1/2=3再按公式分别求出戊烷和乙醇的爆炸完全反应物浓度X0：戊烷乙醇第二节爆炸的基本