第三讲燃气的燃烧与爆炸过程

11第三讲燃气的燃烧与爆炸过程第一部分燃烧定义燃烧是可燃物质(（气体、液体或固体）与助燃物（氧或氧化剂）发生的伴有放热和发光的一种激烈的化学反应。三个特征发光发热生成新物质第一部分燃烧燃烧的分类根据可燃物状态的不同气体燃烧、液体燃烧、和固体燃烧根据燃烧方式的不同扩散燃烧、预混燃烧、蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧根据燃烧发生瞬间的特点闪燃、着火和自燃第一部分燃烧可燃气体最易燃烧，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。第一部分燃烧

完全燃烧可燃气体燃烧，可燃气体分子中所含的碳全部氧化成二氧化碳，氢全部氧化生成水，这样的过程称为完全燃烧。燃烧热燃烧热的数值是用热量计在常压下测得，是单位质量或单位体积的可燃物完全燃烧后冷却到18℃时所放出的热量(kJ/kg，kJ/m3)。第一部分燃烧第一部分燃烧

燃烧温度理论燃烧温度：是指可燃物与空气在绝热条件下完全燃烧，所释放出来的热量全部用于加热燃烧产物，使燃烧产物达到的最高燃烧温度。实际燃烧温度：可燃物燃烧的完全程度与可燃物在空气中的浓度有关，燃烧放出的热量也会有一部分散失于周围环境，燃烧产物实际达到的温度称为实际燃烧温度，也称火焰温度。实际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。第一部分燃烧燃烧速度气体燃烧速度：火焰在可燃介质中的传播速度也称燃烧速度。影响因素气体的组成和结构可燃气体含量初温燃烧形式管道压力和流动状态第一部分燃烧第一部分燃烧《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：10储存物品类别火灾危险性特征举例甲137.8℃的蒸气压＞200kPa的液体2闪点＜28℃的液体3爆炸下限＜10%的气体4受到水或空气中水蒸气的作用能产生爆炸下限＜10%气体的固体物质液化石油气、天然气凝液汽油、苯、甲苯、甲醇、乙醇、石脑油、乙硫醇、丙酮、吡啶、丙烯、己烷、戊烷、环戊烷、原油甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢、乙炔、硫化氢、乙烯、丙烯、丁二烯、水煤气电石、碳化铝第一部分燃烧《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储存物品类别火灾危险性特征举例乙1闪点≥28℃到＜60℃的液体2爆炸下限≥10%的气体3不属于甲类的化学易燃危险固体4助燃气体煤油、丁醇、溶剂油、戊醇、丙苯、苯乙烯、氯苯、乙二胺氨硫磺、镁粉、铝粉氧丙1闪点≥60℃的液体2可燃固体乙二醇、二甘醇、三甘醇、一乙醇胺、二乙醇胺、二异丙醇胺、环丁砜、二甲基亚砜、机油、轻柴油、沥青、润滑油硫胺第一部分燃烧

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1类：爆炸品第2类：压缩气体和液化气体第3类：易燃液体第4类：易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品第5类：氧化剂和有机过氧化物第6类：毒害品和感染性物品第7类：放射性物品第8类：腐蚀品12第一部分燃烧控制可燃物控制可燃物，就是使可燃物达不到燃爆所需要的数量、浓度，或者使可燃物难燃化或用不燃材料取而代之，从而消除发生燃爆的物质基础。控制气态可燃物控制液态可燃物控制固态可燃物13第一部分燃烧控制助燃物控制助燃物，就是使可燃性气体、液体、固体、粉体物料不与空气、氧气或其他氧化剂接触，或将它们隔离开来，即使有点火源作用，也因为没有助燃物参混而不致发生燃烧、爆炸。密闭设备系统惰性气体保护隔绝空气隔离储存

14第一部分燃烧控制火源在生产加工过程中，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，又要设法消除能够引起火灾爆炸的点火源。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、火星熄灭器。阻火设施：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。15第一部分燃烧《建筑灭火器配置设计规范》(GBJ140-90，1997年版)中将火灾分为五类：A类火灾：指含碳固体可燃物，如木材、棉、毛、痳、纸张等燃烧的火灾B类火灾：指甲、乙、丙类液体，如汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醚、丙酮等燃烧的火灾C类火灾：指可燃气体，如煤气、天然气、甲烷、丙烷、乙炔、氢气等燃烧的火灾D类火灾：指可燃金属，如钾、钠、镁、钛、锆、锂、铝镁合金等燃烧的火灾带电火灾：指带电物体燃烧的火灾16第二部分爆炸17第二部分爆炸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.事故经过及采取措施

2010年9月9日18:11，由太平洋燃气电力公司(thePacificGasandElectricCompany，PG&E)运营管理的加利福尼亚州天然气传输132号管线在圣布鲁诺市的一处居民区发生断裂并引发爆炸。第二部分爆炸2014:46132线首站开启更换UPS电源电气工程工作。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。工作开始后将自动调节阀设定为手动档。16:38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，回路中增加了一个多余的24V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压信号，导致自动调节阀处于完全打开状态。16:38~17:22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。3.事故经过及采取措施第二部分爆炸2117:28发现供电系统问题，并将调节阀压力设定值从2.66MPa调节至2.55MPa以降低出站压力。（132线的MAOP为2.76MPa，MOP为2.59MPa）MAOP最大允许操作压力MOP最大操作压力17:42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2.73MPa。18:11管道破裂。第二部分爆炸

约134.8万立方米的天然气（价值约263000美元）泄漏。释放的天然气被点燃，引起火灾。消防人员约18:13出现在事故现场。从该城市及周边地区被紧急召集的救援队伍超过900人，包括消防、搜索、疏散和医疗业务。灭火工作共持续50小时。4.事故后果第二部分爆炸爆炸产生一个长约72英尺（22米），宽约26英尺（8米）的坑陷。事故管道基本信息直径30英寸(762mm)材质X42壁厚0.375英寸(9.525mm)MAOP400psig(2.758Mp)MOP375psig

(2.586Mp)第二部分爆炸

爆炸发生在伯爵大街和格伦维尤快车道的交叉路口。

一段长约8.5米，重约1.36吨的破裂管道在爆炸中被弹射至坑陷南约30米处。根据PG&E报告，管道修理费用约1350万美元。暴炸产生的坑道断裂的管段伯爵大街格伦维尤快车道第二部分爆炸

火灾影响区域半径约183米，主要向东北方向蔓延。火灾波及了108座房屋，其中38座被摧毁，17座严重损坏，53座轻微损坏。第二部分爆炸74辆汽车被烧毁或损坏。被烧毁的区域里还包括一个公园林地和一个游乐场。事故现场一事故现场二第二部分爆炸

美国联邦法规830.2条定义：致命伤为任何事故造成的30天内死亡的伤害，严重伤害为：

（1）需要住院治疗超过48小时，从受伤开始的7天内算起；（2）导致骨折的（除简单的手指，脚趾，鼻骨折外）；（3）造成大量出血或神经、肌腱损伤的；（4）涉及内部器官损伤的；（5）涉及二度或三度烧伤，或任何超过体表面积5%的烧伤。伤员类型数量致命8严重10轻微48总计66第二部分爆炸28图示黄色管段为事故管段180段，1956年改线工程建设项目。该改线工程没有外委，由PG&E自己的施工队执行。提供给NTSB的施工文档包括300页的日记凭单，物资中转，铺设收据，以及其他各种成本核算表。PG&E没有提供任何设计或施工规范，检测记录，竣工图纸，或X光片报告。第二部分爆炸29事故点管道由6根短管组成，图中浅色部分为爆炸后的断裂部分。1-5号短管无论其管材规格或焊接性能都不符合当时的规范。环焊缝处断裂裂缝贯穿连接处环焊缝C1环焊缝C2环焊缝C3环焊缝C4环焊缝C5环焊缝C6环焊缝C7中部管段长27英尺8英寸靠北管段长15英尺9英寸靠南管段长12英尺4英寸气体流向第二部分爆炸30失效初始位置为1号短管的纵向焊缝失效初始位置环焊缝C1环焊缝C2第1部位的靠南连接管顺时针方向钢管东面靠南止裂处第二部分爆炸311号短管纵向焊缝未焊接区域贯穿整个焊缝内部。内表面对接不重合，其角度差为15°。标准DSAW（双面电弧焊）纵向焊缝横截面。外层金属焊接热影响区域边界焊接金属未焊接区域裂缝贯穿焊接金属焊趾对接不重合角度15°焊趾焊接金属焊接金属焊接热影响区域边界第二部分爆炸32检测结果表明，裂纹首先随着焊缝根部的韧性断裂扩展（图示黄色区域），随后以疲劳断裂模式增长（图示绿色区域），最终发生准解理断裂导致管体破裂。第1阶段--韧性断裂第2阶段—疲劳断裂第2阶段—准解理断裂断裂焊缝未焊接区域焊趾管外壁管内壁第二部分爆炸第二部分爆炸爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。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，这种压力突跃变化也是产生爆炸破坏作用的直接原因。第二部分爆炸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，把爆炸现象分成物理爆炸、核子爆炸、化学爆炸等三类。第二部分爆炸物理爆炸现象它是由物理原因引起的爆炸，最常见的是蒸汽锅炉和高压气瓶的爆炸。蒸汽锅炉爆炸是由于锅炉出现缺陷，锅炉内过热水迅速转变为蒸汽，产生很高的压力，冲破容器的阻力而引起的。高压气瓶充气压力过高，高压气瓶靠近热源或者在阳光下爆晒也会使气瓶内部压力升高，当它们超过气瓶时强度就会发生因气瓶破裂而发生的爆炸事故。第二部分爆炸物理爆炸现象由地壳弹性压缩而引起的地壳运动（地震）也是一种强烈的物理爆炸现象。最大的地震能量达1013～1015KJ，比一百万吨TNT炸药的爆炸还要厉害。第二部分爆炸核子爆炸现象核爆炸的能源是核裂变（如U235的裂变）或核聚变（如氘、氚、锂核的聚变）反应所释放出的核能。核爆炸反应所释放出的能量比炸药爆炸放出的化学能要大得多，集中很多。核爆炸时可形成数百万到数千万度的高温，在爆炸中心区造成数百万丈气压的高压，同时还释放出大量的热辐射和强烈的光，此外还要产生各种对人类生存有害的放射性粒子，造成地区长时间的放射性污染。核爆炸的能量约相当于数万吨到数千万吨TNT。核弹爆炸图第二部分爆炸化学爆炸现象由物质以极快的反应速度发生放热的化学反应，产生的高温高压的气体而引起的爆炸称为化学爆炸。化学爆炸前后，物质的组分和性质均发生了根本的变化。2KNO3+S+3C=K2S+N2↑+3CO2↑黑火药爆炸方程式CH4+2O2=点燃=CO2+2H2O天然气爆炸化学方程式4C3H5N3O9=引爆剂=12CO2↑+10H2O↑+6N2↑+O2↑炸药三硝酸甘油酯爆炸方程式第二部分爆炸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(定容、绝热)转化为压缩能；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、移动或破坏。39第二部分爆炸

按爆炸的瞬时燃烧速度不同分类（1）爆燃：每秒数米，如无烟火药；（2）爆炸：每秒十几米至数百米，如天然气；（3）爆轰：1000～7000m/s，“冲击波”，如原子弹；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100-500m；震荡：短暂的地震波；40第三部分可燃混合气体爆炸可燃性混合物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。可燃性混合物为有爆炸危险的物质在适当的条件下变为危险的物质41第三部分可燃混合气体爆炸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。可燃气体与蒸气以体积百分比来表示，如CO与空气12.5%-80%粉尘以单位体积混合物中的质量数（g/m3）如铝粉为40（g/m3）42第三部分可燃混合气体爆炸爆炸下限与上限其爆炸范围越宽，其爆炸危险越大。爆炸下限越低少量可燃物（如可燃气体稍有泄漏）就会形成爆炸爆炸上限越高少量空气渗入容器，就能与可燃物混合形成爆炸条件甲烷的爆炸极限是5.0％～15％意味着：甲烷在空气中体积浓度在5.0％～15％之间时，遇火源会爆炸，否则就不会爆炸。43第三部分可燃混合气体爆炸44第三部分可燃混合气体爆炸某种天然气的组成如下：甲烷80%，乙烷15%，丙烷4%，丁烷1%。各组分的爆炸下限分别为5%，3.22%，2.37%和1.86%，则该天然气的爆炸下限为：

=4.37%45第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素初始温度

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。46第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素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。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。47第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素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。例如甲烷在空气中的爆炸范围为5％～14％，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12％，若低于极限氧含量，可燃气就不能燃烧爆炸了。48第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素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子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。49第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素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间长，会使爆炸范围扩大，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第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素消焰距离实验证明，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)，中断链锁反应的机会就越多，相应的热损失也越大。51第三部分可燃混合气体爆炸影响爆炸极限的因素容器、管径影响容器、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。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，在一般温度下才能发生爆炸反应。52第三部分可燃混合气体爆炸53第三部分可燃混合气体爆炸54第三部分可燃混合气体爆炸爆炸后果分析（以纯天然气爆炸为例）（1）高温

在天然气浓度在9.5%条件下测定瞬时温度，在自由空间内可达1850℃，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害。从正常的燃烧速度(1～2.5m/s)到爆轰式传播速度(2500m/s)。火焰锋面温度可高达2150～2650℃。火焰峰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤。55第三部分可燃混合气体爆炸爆炸后果分析（纯以天然气爆炸为例）（2）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然增大。

冲击波锋面压力可达到2MPa（20大气压）。前向冲击波叠加和反射时可达10MPa（100大气压）。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，形成新的爆炸混合物，产生再次爆炸。56第四部分爆炸极限测定装置由反应管、点火装置、搅拌装置、真空泵、压力计、电磁阀等组成。装置的主要部分是一个用硬质玻璃为材质的反应管，管长1400±50mm，管内径φ60±5mm，管壁厚不小于2mm，管底部装有通径不小于φ25mm泄压阀。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。571一安全塞；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爆炸极限测定装置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