第二章 气体燃烧与爆炸

第二章气体燃烧与爆炸氢气、乙炔、甲烷、煤气、天然气等防止气体爆炸是安全工程学的一个重要课题本章内容：可燃性气体的燃烧与爆炸可燃性气体的爆炸极限可燃性混合气体的发火条件气体爆炸效应气体分解爆炸第一节可燃性气体的燃烧与爆炸可燃性气体定义：凡是遇火、受热或与氧化剂接触能够发生着火或爆炸的气体，统称为可燃性气体。一、可燃气体的燃烧形式一般情况下，可燃气体不需要经过蒸发、熔化等过程，比可燃液体或固体更容易燃烧可燃性气体的燃烧形式可概分为扩散燃烧与预混合燃烧（一）扩散燃烧：可燃气体流入到大气中时，在可燃性气体与助燃性气体的接触面上所发生的燃烧。例如：喷管喷出的煤气在空气中点燃就是典型的扩散燃烧特点：由于可燃气体与空气是逐渐混合并逐渐燃烧消耗掉火焰的明亮层是扩散区燃烧速度很低，一般小于0.5m／s火焰缓慢而稳定火炬燃烧、气焊的火焰、燃气加热等也属于这类扩散燃烧只要控制得好，就不会造成火灾

扩散燃烧火焰结构示意（二）预混合燃烧：定义：如果可燃气体与空气是在

燃烧之前按一定比例均匀混合的，形成预混气，遇火源则发生爆炸式燃烧——称预混合燃烧或动力燃烧预混燃烧火焰结构示意图预混合燃烧一般包括三个阶段：①气体燃料与空气（氧气）的混合；②可燃混合气的加热和着火；③可燃混合气的燃烧。工业炉的燃烧大多属于预混合燃烧气体火灾与爆炸灾害大部分是由预混合燃烧所引起的例如：井喷火灾、较难扑救1、预混火焰物质燃烧产生的火焰是指物质燃烧时发生剧烈放热化学反应的一个空间区域。

燃烧波传播过程示意图各种混合气体的最大燃烧速度混

合

气燃料配比(％)燃烧速度(cm／s)甲烷一空气乙烷一空气丙烷一空气丁烷一空气戊烷一空气已烷一空气乙烯一空气丙烯-空气一氧化碳一空气氢一空气乙炔一空气苯一空气二硫化碳一空气甲醇一空气甲烷一氧气丙烷—氧气一氧化碳—氧气氢—氧气9.986.284.543.522.922.5l2.267.451.043.010.23.342.6512.333.015.177.070.033.840.139.037.938.638.538.668.345.027016340.757.065.0330380108890预混火焰的特点：根据其燃烧条件与燃烧装置的不同，可能会产生不同的燃烧波：爆震和缓燃。根据火焰在燃烧区内的具体情况，又有层流火焰及湍流火焰之区分

2、爆震与缓燃

图2—4水平管内可燃混合气中燃烧波的传播爆震波是指相对于未燃混合气体以超音速传播的燃烧波，（V>340m/s）缓燃波是指相对于未燃混气以亚音速传播的燃烧波

(V<340m/s)（1）爆震波爆震波是一种高速的火焰传播，其传播速度常大于1000m/s。它不受外界因素的干扰，其传播并不是依靠传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的。可燃混气出现爆震的混合比有其确定的上下限，其极限值称为爆震极限。假如混合比不在爆震极限之内？（2）缓燃波缓燃波是一种比较慢的火焰传播，它的传播速率一般为每秒几到几百厘米，一般不大于1~3m/s。它依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应。可以近似认为缓燃波的火焰传播是一个等压过程。（3）火焰速度

不是定值密闭容器内的混合气体一旦着火

内部压力在短时间内急剧上升

爆轰

3、影响火焰速度的因素

①混合比的影响

过贫或过富余的可燃混合气都不能维持正常火焰的传播，即存在可燃极限范围。②燃料结构

随着燃料相对分子质量的增加，可燃极限变窄

对于不饱和烃，碳原子数目小，火焰速度高；碳原子数目增加，则火焰速度急剧减小

8个以后，趋于一定值

③压力增大，火焰速度减小

④燃料燃烧初温增大，火焰速度迅速增加，火焰速度约与初温的平方成正比

⑤混合气体的导热系数增大，密度和定压热容减小，火焰速度将增大

⑥在混合气体中加入某些惰性填加物，如N2、CO2等，会使反应速率降低，从而使火焰速度减小，而加入活化剂，则可使火焰速度增大。不同的填加剂对火焰速度的不同影响，对于实际应用控制火焰速度，以及消防工程技术具有实际的指导意义

4、层流火焰和湍流火焰

对于缓燃波，还存在有层流火焰和湍流火焰两种不同火焰及其燃烧形式。层流还是湍流：由火焰传播的速度、可燃混气的粘度、管径的大小、管壁的粗糙度等共同决定。图2—5管内传播的燃烧波面实际图形（1）层流火焰若在一容器中(例如长管或球体中)充满了均匀混合气，当我们用电火花或其它加热方式使混合气的某一局部——例如管的闭口端或球的中心加热着火，并形成火焰。此后依靠导热的作用将能量输送给火焰邻近的冷混合气层，使混合气温度升高而引起化学反应，并形成新的火焰。这样一层一层的，新鲜混合气依次着火，也即薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线（薄薄的化学反应发光区叫火焰前沿）→层流火焰传播

层流火焰传播机理反应区放出的热量，不断向新鲜混合气体中传递，同时新鲜混合气体不断向反应区中扩散

层流火焰传播速度取决于预混可燃气的物理化学性质等多因素，其数值较小，一般为20~100cm/s（标准状况下）

（2）湍流火焰

工程中各种燃烧装置、设备中的燃烧过程都是在湍流条件下进行的，因此绝大多数火焰都是湍流火焰湍流燃烧过程比层流燃烧过程进行得快，湍流火焰传播速度比层流火焰要大好几倍。其传播的速度不仅与燃料的物理化学性质有关，还与湍流性质有关。图2—6本生灯火焰ab层流火焰湍流火焰区别：湍流火焰往往伴随着噪声，其燃烧产物中氧化氮（NO）的含量较少，对环境污染较小。二、可燃性气体燃烧的

理论氧含量与理论混合比（一）理论氧含量理论氧含量：可燃性气体正好完全燃烧所必须的氧气量完全燃烧：在燃烧时，碳氢化合物分子中的碳反应后完全生成CO2，氢反应后全部生成H2O举例

2H2+O2→2H2O

即2mol的氢完全燃烧需要1mol的氧，若按质量计算，则1kg的氢需要7.94kg的氧。当助燃气体是空气时，若氧气的浓度为21%(体积比)，其余为氮，则1kg氢完全燃烧需要34.22kg空气。（二）理论混合比定义：理论混合比——在常温常压下，可燃性气体在空气中完全燃烧时，空气中的可燃性气体的浓度意义：完全的化合反应时，燃烧所放出的热量最多，所产生的压力也最大

燃料不足和过甚：过甚：当混合物中可燃物质超过完全反应的浓度时，空气就会不足，可燃物质就不能全部燃尽，所产生的热量和压力就会随着可燃物质在混合物中浓度的增加而减小；不足：动力不足三、可燃性气体的

燃烧和爆炸界限可燃性气体或蒸汽与空气组成的混合物：并非在任何混合比例下都可以燃烧或爆炸混合的比例不同：燃烧的速度(这里指火焰蔓延速度)也不同

浓度接近于理论混合比时，燃烧最快或最剧烈浓度比理论混合比的浓度减少或增加，则火焰的蔓延速度降低

定义：爆炸界限或燃烧界限：使火焰不再传播的浓度界限爆炸性混合气体在一点上着火后，火焰是以一层一层同心圆球面的形式往各方向蔓延的，火焰蔓延的速度，开始只有每秒若干米或者还要小一些，若条件适合，火焰以加速度传播，则在达到每秒数百米甚至数千米时，就形成了爆炸。可燃性混合气体的爆炸现象实质：一个由燃烧到爆炸的转变过程

四、爆炸性混合气体发生爆炸的原因爆炸性混合气体发生爆炸的原因可以用热爆炸理论和链反应理论来解释。热爆炸理论：当燃烧反应在一定空间进行时，如果放热大于散热，反应温度不断提高，加快了反应速度爆炸。链锁反应观点（化学动力学观点）反应时的热效应是断定物质能否爆炸的重要条件

第二节可燃性气体的爆炸极限一、爆炸极限理论

爆炸极限：爆炸浓度极限当可燃性气体、蒸气与空气或氧气在一定浓度范围内均匀混合，遇到火源发生爆炸的浓度范围最低浓度：爆炸下限最高浓度：爆炸上限将这一浓度范围内的混合气体称为爆炸性混合气体上、下限之间的范围：爆炸极限爆炸极限的表征：可燃性气体或蒸汽在混合物中的体积百分数（百分比）单位体积中可燃物的质量[克／立方米(g／m3)或毫克／升(mg／L)]

含义：安全意义浓度在上限以上或下限以下的混合物，则不会着火或爆炸。浓度在爆炸下限以下：可燃性物质不足；空气过量：由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；浓度在爆炸上限以上：可燃性物质过量，而空气非常不足(主要是氧不足)，火焰也不能蔓延

问题：上限以上的混合气体是安全的？反思煤矿瓦斯爆炸的原因二、爆炸极限的计算

各种可燃气体和可燃液体蒸气的爆炸极限可用专门仪器测定也可用经验公式计算有多种计算方法：根据完全燃烧反应所需的氧原子数、完全反应的浓度、燃烧热和散热等计算出近似值对安全工程的意义（一）根据完全燃烧反应所需的氧原子数计算

经验公式：L下——爆炸下限，L上——爆炸上限，N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数

[例3]试求乙烷在空气中爆炸浓度下限和上限乙烷的燃烧反应式：2C2H6+7O2→4CO2+6H2ON=7，代入：得乙烷爆炸下限的体积分数为3.38％爆炸上限的体积分数为10.7％爆炸极限的体积分数为3.38％～10.7％

石蜡烃的浓度及其爆炸极限体积分数的

计算值与实验值的比较

序号可燃气体名称分子式碳原子数化学计量浓度C0%爆炸下限L下/%爆炸上限L上/%计算值实验值计算值实验值1甲烷CH419.55.25.014.315.02乙烷C2H625.63.33.010.712.53丙烷C3H834.02.22.19.59.54丁烷C4H1043.11.71.58.58.55异丁烷C4H1043.11.71.88.58.46戊烷C5H1252.51.41.47.78.07异戊烷C5H1252.51.31.47.77.6（二）利用可燃气体混合时完全燃烧的浓度，即理论混合比

适用于链烷烃：[例4]试求甲烷在空气中的

爆炸浓度下限和上限

燃烧反应式：CH4+2O2→CO2+2H2O求得：C0=9.48%；代入，求得：L下=5.2%，L上=14.7%甲烷的爆炸极限为5.2％～14.7％

实测：4％～16％（5~15%）应用举例：《煤矿安全规程》规定：井下大气中，瓦斯浓度超过1%，停止爆破作业，加强通风此公式用于链烷烃类，其计算值与实验值比较，误差不超过10％。但用以估算H2、C2H2以及含N2、CO2等可燃气体时，出入较大，不可应用。

（三）根据脂肪族化合物的含碳原子数计算爆炸极限

——脂肪族碳氢化和物含碳原子数n（四）多种可燃气体混合物的爆炸极限计算

Lm——多组分混合可燃气体的爆炸极限，%；

L1、L2、L3——各组分的爆炸极限，%；

V1、V2、V3——各组分在混合气体中的浓度，%；

V1+V2+V3+…=100%

理．查特里（LeChatelier）

法则特别适用于烃类的混合气体爆炸极限计算用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较准确，对于氢与乙烯、氢与硫化氢、硫化氢等混合气及一些含二硫化碳的混合气体，计算的误差较大。对其他大多数可燃性气体混合物（如含氢等混合物），会出现一些偏差，但也有一定的参考价值[例5]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：

上限是？天然气的爆炸危险性，你知道吗？氢、一氧化碳、甲烷混合气的爆炸极限

可燃气的组成(体积分数)／％爆炸极限／％可燃气的组成(体积分数)／％爆炸极限／％H2COCH4实测值计算值H2COCH4实测值计算值1007550251000000255075901007550250000002550754.1~754.7~一6.05~71.88.2～一10.8～一12.5~73.09.5～一7.7~22.86.4~—一4.9～一6.2~72.28.3～一10.4~—9.6～一7.75~25.065～一025507S9033.35548.50000033.31501007550251033.3305.6～15.14.7~—6.4～一4.1～一4.1～一5.7~26.94.7~—一~33.65.1～一4.75～一4.4~—4.2~—6.6~32.45.0~——~24.6（五）含有惰性气体的多种

可燃气混合物爆炸极限计算

先求出混合物中由可燃气体和惰性气体分别组成的混合比，再从相应的比例图(见图2—7和图2—8)中查出它们的爆炸极限，然后将各组的爆炸极限分别代入

图2—7乙烷、丙烷、丁烷和氢、二氧化碳混合气爆炸极限

图2—8氢、一氧化碳和氮、二氧化碳混合气爆炸极限[例6]求某回收煤气的爆炸极限，其组成为：CO：58％，CO2：19.4％，N2：20.7％，O2：0.4％，H2：1.5％。

解：将煤气中的可燃气体和阻燃性气体组合为两组：

(1)CO及CO2，即58％(CO)+19.4％(CO2)=77.4％(CO+CO2)

其中CO2/CO=19.4/58=0.33

从图2—8中查得L上=70％，L下=17％。

(2)N2及H2，即1.5％(H2)+20.7％(N2)=22.2％(H2+N2)其中，N2/H2=20.7/1.5=13.8，从图2—8中查得L上=76％，L下=64％。

代入：该煤气的爆炸极限为20.3％～71.5％

三、爆炸极限的应用爆炸极限是表征可燃气体危险性的主要示性数。可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越大

生产过程中：根据各种可燃物所具有爆炸极限的不同特点，采取严防跑、冒、滴、漏和严格限制外部空气渗入容器与管道内等安全措施。采用可燃气体检测仪经常检查可燃气体的浓度,凡一超过了爆炸下限浓度可以发出警报；当已知可燃性气体或蒸气的爆炸极限后，采取必要的安全措施，避免爆炸事故的发生

应用方面第一、区分可燃物质的爆炸危险程度，从而尽可能用爆炸危险性小的物质代替爆炸危险性大的物质。

例如，乙炔的爆炸极限为2％～81％；液化石油气组分的爆炸极限分别为丙烷2.17％～9.5％，丁烷1.15％～8.4％，丁烯1.7％～9.6％，它们的爆炸极限范围比乙炔小得多，说明液化石油气的爆炸危险性比乙炔小，因而在气割时推广用液化石油气代替乙炔

第二，爆炸极限可作为评定和划分可燃物质危险等级的标准。例如可燃气体按爆炸下限[＜10％或≥10%]分为一、二两级

第三，根据爆炸极限选择防爆电机和电器例如：生产或贮存爆炸下限≥10％的可燃气体，可选用任一防爆型电气设备；爆炸下限＜10％的可燃气体，应选用隔爆型电气设备。

第四，确定建筑物的耐火等级、层数和面积等。

例如：贮存爆炸下限小于10％的物质，库房建筑最高层次限一层，并且必须是一、二级耐火等级

第五，在确定安全操作规程以及研究采取各种防爆技术措施——通风、检测、置换、检修等时，也都必须根据可燃气体或液体的爆炸危险性的不同，采取相应的有效措施，以确保安全

四、爆炸极限的测定

可燃性气体的爆炸极限不是一个物理常数，它是随实验条件的变化而变化的。在判断某工艺条件下的爆炸危险时，需根据可燃性气体所处的条件来考虑其爆炸极限

图2—9标准爆炸界限测定装置150cm进行常压下测定时，以美国矿山局的装置及方法作为基准，(1)往直径5cm，长125~150cm的垂直玻璃管内充入混合气体(2)经搅拌后，在其下部用1~20mJ的火花点火;(3)若火焰能自下而上传播，便属于其爆炸范围之内，并求其界限值，五、爆炸极限的影响因素（一）温度

混合爆炸气体的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，爆炸危险性增加

温度对甲烷爆炸极限的影响丙酮爆炸极限受温度变化的影响情况混合物温度/0C爆炸下限%爆炸上限%04.28.0504.09.81003.210.0煤气温度与爆炸极限的关系混合物温度/0C爆炸下限%爆炸上限%206.0013.401005.4513.602005.0513.803004.4014.254004.0014.705003.6515.356003.3516.407003.2519.75（二）压力在0.1MPa~2.0MPa的压力下，对爆炸下限影响不大，对爆炸上限影响较大；当大于2.0MPa时，爆炸下限变小而上限增大，爆炸极限范围扩大一般情况下，压力增大，爆炸界限扩大

甲烷在减压下的爆炸极限因此，于密闭容器中进行减压、(负压)操作，甚至使系统压力降低至临界压力以下对安全生产是有利的

（三）惰性介质及杂质

惰性气体：氮、二氧化碳、水蒸气、氩、氦等

随着惰性气体含量的增加，爆炸极限范围缩小，当惰性气体的浓度增加到某一数值时，使爆炸上下限趋于一致，使混合气体不发生爆炸

加入惰性气体后，使可燃气体的分子和氧分子隔离，它们之间形成一层不燃烧的屏障，氧的浓度下降；当氧分子冲击惰性气体时，活化分子失去活化能，使反应键中断，若在某处已经着火，则放出热量被惰性气体吸收，热量不能积聚，火焰不能蔓延到可燃气分子上去，可起到抑制作用。惰性气体浓度对甲烷爆炸极限影响可燃气体在空气和纯氧气中的爆炸极限范围物质名称在空气中的爆炸极限%范围在氧气中的爆炸极限%范围甲烷4.9~1510.15~6156.0乙烷3~1512.03~6663.0丙烷2.1~9.57.42.3~5552.7丁烷1.5~8.57.01.8~4947.2乙烯2.75~3431.253~8077.0乙炔1.53~3432.472.8~9390.2氢4~7571.04~9591.0氨15~2813.013.5~7965.5一氧化碳12~74.562.515.5~9478.5（四）爆炸容器

爆炸容器的材料、形状和尺寸对爆炸极限都有影响。若容器材料的传热性好，则管径越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小

实验证明，对于圆柱形容器，管子直径越小，爆炸极限范围则越小，火焰蔓延的速度也越小。当管径(或火焰通道)小到一定程度时，火焰即不能通过。这一直径(或间距)称临界直径或最大灭火间距。当管径小于最大灭火间距时，火焰因不能通过而熄灭。如甲烷的临界直径为0.4~0.5mm，氢和乙炔的临界直径为0.1~0.2mm。利用这一原理制成隔爆型电气设备。材质的影响：例如氢和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在液态空气温度下在黑暗中也会发生爆炸而在银制器皿中，只有在常温下才能发生反应。

（五）点火源

点火源的火花能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围也增大。一般情况下，爆炸极限均在较高的点火能量下测得。采用10J以上的点火能量，甲烷空气混合物的爆炸极限数据为5~15%

（甲烷在混合气所占质量百分数）。当电压为100V，电流强度为2A时其爆炸界限为5.9~13.6%，而当电流强度为3A时，爆炸界限为5.85~14.8%。点火能量对甲烷爆炸极限影响（六）光在黑暗中氢与氯的反应十分缓慢，但在强光照射下则发生连锁反应会导致爆炸。又如甲烷与氯的混合物，在黑暗中长时间内不发生反应，但在日光照射下，便会引起激烈的反应，如果两种气体的比例适当则会发生爆炸。第三节可燃性混合气体的发火条件

一、自燃温度（自燃点）

可燃性物质在无外界明火作用下，能发生燃烧的最低环境温度称为自燃点。可燃性混合气体在温度条件适宜时会发生自行发火。可燃气体的自燃温度是指其与空气或氧气混合后的自燃温度，并不是一个固定的常数：随其受热延滞时间的变化；随其组分的变化而变化，对于某一混合比例的混合气体，就存在一个与其相对应的自然温度；一般在反应热最大的混合比例时，其自燃温度最低。

若从热力学来考虑，可燃性混合气体的自行发火是混合系统内的化学反应所产生的与各种传递形式所造成的热扩散的平衡问题，而发火是因为发热速度大于散热速度致使温度上升所引起的。任何物质在低于某一温度时，散热速度大于发热速度，便不会发火；高于某一温度时则引起着火。该界限温度称为自燃温度。与爆炸性混合气体接触的任何物体，如电动机、反应罐、暖气管道等，其接触表面的温度必须控制在所接触的爆炸性混合物的自燃温度以下

气体自燃点测定装置A——用电热丝加热的二氧化硅管，内径为12cm，长65cm，使容器加热；E——上盖，有一小孔，插入热电偶H，测量容器中心温度；J——玻璃观察窗，观察试样在容器中着火情况；F——下盖，上有空气进入孔L和可燃气体入口孔K，可燃气体从K进入二氧化硅管G中，G管内径为2mm，外径为4mm，置放在容器的中心位置两种测定着火温度的方法：（1）当气体流入后，在G管口部混合，观察延滞时间为0.5s时的着火温度，把这一温度称作瞬间着火温度，用此法测得的部分气体的着火温度见表中的着火温度2。（2）另一方法是气体流入，温度逐渐上升直到着火，用这方法测得的数据见表中的着火温度l。用此法测得的着火温度又称最低发火温度，也就是经过长时间加热后，开始着火的最低温度。部分可燃气体的着火温度气体名称在氧气中在空气中着火温度2／℃着火温度1／℃着火温度2／℃着火温度1／℃氢气625585630585一氧化碳甲烷乙烷68768026646286503556~700520~630693168327226506513650~750520~630丙烷戊烷—355490~570—600乙烯604510337543丙烯586618乙炔苯二硫化碳硫化氢—685132—420——227430710156—429——364注：1)在空气(或氧气)中含有0.63％水份；2)在空气(或氧气中)含有2％的水份；3)在空气(或氧气中)含有5.3％水份。二、最小点火能量

能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要的最低能量值，是衡量可燃性气体（可燃性粉尘）爆炸危险性的重要示性数，也是静电安全的重要技术参数。最小发火能量是爆炸性气体混合物的基本特性，爆炸性气体的分级标准是自最小发火能量决定的。最小发火能量可以利用电容贮能、释放的方式进行测定。两种理论计算方法当电容为C，充电电压为V时，电火花能量为忽略了放电时其它因素造成的能量损失，导致了对最小点火能量的过高估计

精确算法直接测出电极两端的电压和电流放电波形，通过功率曲线对时间积分求得放电火花的能量。

影响最小点火能量的因素

（一）可燃物的理化性质对点火能量的影响

一般情况下，当可燃物燃烧热越大，反应速率越快，熔点越低，热传导系数越小，最小点火能量越低，物质危险性越大

对单质燃料来说，燃料的化学结构与最小点火能量的关系一般有如下规律：(1)碳氢化合物化学结构与点火能量的关系是：烷烃类大于烯烃类，烯烃类大于炔烃类；碳链长、分枝多的物质，其点火能量增加。(2)具有共轭效应结构的物质，点火能量减少。(3)带有负的置换基，其点火能按如下顺序递增：

SH＜OH＜Cl＜N2H＜CN(4)一级胺比二、三级胺的点火能量大。(5)醚与硫醚比同样碳原子数的直链烷烃点火能量高。(6)过氧化物的点火能量小。混合气体组成对点火能量的影响对于可燃性气体，其与空气的混合比例对点火能量也有影响

（三）电极间隙对点火能量

的影响当电极间隙小于某一值时，点火能量急剧增加，继续加大能量也难于点燃，一般将这一电极间隙称作消焰距离。

将缝隙控制在消焰距离之内，使火焰不能传播，是防爆电机及阻火器设计的重要依据

2、浓度对点火能量的影响

当浓度值在理论配合比附近时，反应最充分，放热量最大，系统得热最多，使燃烧反应能持续进行下去所需的点火能量最少

对于能够自身供氧的火炸药蒸气和粉尘，则随着浓度的增加（参与反应的活化分子数增加，反应速度加快，反应放出的热量也大），点火能量下降，至某一值后，逐渐趋于一个稳定值。三、最小发火电流

图2—18三种试验电路图2—19最小点燃电流示意曲线I类，适用于煤矿(主要是甲烷气)；Ⅱ类的A、B、C三级，适用于不同可燃气体。

三种标淮试验电路来测定其在指定电压下的最小点燃电流

对于其它条件下的最小点燃电流曲线，可查阅《爆炸危险环境用电器设备—本质安全型规程》

（一）最小传爆断面

当爆炸性混合气体的火焰经过足够小的断面时，火焰尚能传播而不熄灭的最小断面称为最小传播断面。这种阻断火焰传播的原理称为缝隙原理。缝隙隔爆原理有多种应用形式：如接合面隔爆；曲路隔爆；细管隔爆；金属或陶瓷小珠的堆积体(包括烧结体)隔爆

四、最小传爆断面与最大试验安全间隙及最大允许结构间隙隔爆型电气设备是按接合面缝隙隔爆的原理设计的

隔爆型设备的隔爆接合面按气体传播能力作了分级，在分级中用到以下两个概念：最大安全间隙和最大允许结构间隙。最大安全间隙：用于可燃性气体的分级，最大允许结构间隙：用于防爆设备的分级。（二）最大（试验）安全间隙从安全上考虑最大安全间隙具有更重要的意义

最大安全间隙：容器内部爆炸后，不能引起外部燃料发火的最大间隙

往往由实验测得，故又称最大试验安全间隙

即在国际电工委员会79-1A号文件所规定的标准试验条件下，受试设备两部分壳体间存在一个最大间隙值，在这个间隙值时，能阻止其内部可燃混合气被点燃后通过25mm长的接合面将爆炸传至外部的可燃混合气。

（三）最大允许结构间隙根据电气设备的组别、爆炸外壳的容积和隔爆接合面的长度所规定的最大间隙值。最大允许结构间隙是隔爆型电气设备隔爆接合面的制造标准，这个间隙值是在最大试验安全间隙的基础上，取一定安全系数值，通常取2，即最大允许结构间隙=最大实验安全间隙/2详见《爆炸危险场所电气设备—隔爆型规程》。

五、绝热压缩引起的发火当气体被压缩时，热损失小，系统温度上升，而变为绝热压缩。在进行高压气体处理和制备时，若向一端密闭的容器中快速地导入高压气体，则容易达到可燃性气体发火所必须要的温度。高压储气罐的阀门上附有压力调节器，若突然打开阀门，常造成调节器内发生高温。若压缩器为可燃气体或乙炔等分解爆炸性气体，则会引起燃烧和爆炸。第四节气体爆炸效应

一、燃烧热

单位质量或单位体积的可燃物质，在一定温度一定压力条件下完全燃烧所放出的热量。温度压力在标准状态时的燃烧热称标准燃烧热。可燃物燃烧爆炸时所能达到的最高压力及爆炸力均与物质的燃烧热有关

燃烧热一般是用量热计在常压下测量的

二、化学能量

通过计算TNT的分解放热反应，例题通常将4170、4184kJ／kg(1000kcal／kg)作为TNT的当量，用来计算和评价爆炸效应。(由于引用的参数不同，有的文献是4816kJ／kg，有的文献推荐的TNT当量是4670kJ／kg)。

[例7]1kg汽油蒸气与空气混合并达到爆炸极限，遇火花在1s内发生爆炸，试求爆炸所作的功。

1kg汽油蒸气的燃烧热为43l00kJ，因此其功率为：

ω=43100/1=43100KW三、爆炸温度与压力

可燃性混合气体爆炸时对器壁产生的压力为爆炸压力

是防爆设备强度设计的重要依据

最大爆炸压力：P。、Pmax——初始压力与爆炸最大压力，Pa；

T。、Tmax—初始温度与爆炸最高温度，(K)；

m、n——爆炸前与爆炸后气体摩尔数。理论上的爆炸最高温度可根据反应热计算

也可以根据燃烧反应方程式与气体的内能进行计算：四、立方根法则

用途：为计算确定安全距离RL——距爆心的距离(m)；

W——该爆炸物的量，以TNT当量计(单位为kg)；λ——等效距离，与冲击波超压有关，图

例：100kgTNT爆炸时，求①100m处的冲击波压力；②只允许房屋窗户损坏的安全距离。解：①按公式得：查左图得：△P≈5.6kPa

②查下表得：△P=5kPa

查图，得：λ≈23

由式，得：RL≈107（m）冲击波压力及其效应△P（kPa）破坏效应0.2某些大型的椭圆型窗户玻璃破裂0.3产生喷气式飞机的冲击音0.7某些小型的椭圆型窗户玻璃破裂1窗玻璃全部破裂2有冲击产生的碎片飞出3民用住房轻微损坏5窗户外框损坏6房基受到损坏8树木折枝，房屋需修理才能居住10承重墙破坏，屋基向上错动15屋基破坏，30%树木倾倒，动物耳膜破坏2090%树木倾倒，钢筋混凝土柱扭曲30油罐开裂，钢柱倒塌，木柱折断50货车倾覆，民用建筑全部损坏，人体肺部受伤70砖墙全部破坏100油罐压坏多成分系列混合气体爆炸范围图

爆炸性混合气体是由二、三、四种成分构成时

二成分系列混合气体的爆炸极限在手册中列出

三成分系列混合气体的爆炸极限计算（图解法）

三成分系混合气组成三角坐标氨一氧一氮混合气的爆炸极限（常温、常压）第五节气体分解爆炸

一般情况下，可燃性气体要发生爆炸需要适量的空气。但是有些气体即使没有空气或氧同样可以发生爆炸

如乙烯、氧化乙烯、氧化乙炔、四氟乙烯、丙烯、臭氧、NO、NO2等。一、乙炔分解爆炸乙炔的分解反应为：C2H2→2C（固态）+H2+226kJ／mol

即分解后生成固体碳和氢气。因该反应发热量很大，若无热损失时，火焰温度可高达3100℃，如在密闭容器内发生分解爆炸，其压力可为初始压力的9~10倍。管道中发生乙炔的分解爆炸？

盛装乙炔的容器不能用铜和含铜多的合金制造。乙炔易与铜、银等金属反应生成爆炸性的乙炔盐，这种乙炔盐只需轻微的撞击便发生爆炸而使乙炔着火。在用乙炔焊接的过程中，不能使用银焊料。乙炔与银所构成盐比乙炔铜的爆炸力更强水银虽属金属，但不与乙炔发生反应，因而是安全的。乙炔产生分解爆炸的难、易与其压力有很大关系。低压时需要较大的能量才能发火，高压时稍加能量便能发火。乙炔压力与最小发火能量的关系二、乙烯分解爆炸根据Zabetakis的试验，用1g的硝化纤维作为发火源，使乙烯在20℃，6MPa下分解爆炸，则乙烯产生如下摩尔数的生成物：

C2H4→1.02C+0.95CH4+0.02C2H2+0.17H21mol物质的分解热约为120kJ，压力为初压的6.3倍。当乙烯在10MPa以下时，若无巨大的发火能量，不会产生分解爆炸，但若在高压状态下，则只要有与一般混合气体发火同等能量的发火源，就可能形成分解爆炸。三、氧化乙烯的分解爆炸

氧化乙烯是沸点为10.7℃的可燃性气体，在玻璃管中装入该种蒸气，在常温常压下，用电气融断细白金丝的方法点火，则产生无色的分解火焰传播，其反应式如下：

C2H4O→CH4+CO+134kJ／mol(a)2C2H4O→C2H4+2CO+2H2+33kJ／mol(b)

在常温常压下分解爆炸时，氧化乙烯的69%是按式(a)分解，31%是按式(b)分解。

四、氮氧化合物分解爆炸N2O、NO、NO2是主要的氮氧化合物，其分解反应可设想为：

N2O→N2+1/2O2+81.5kJNO→1/2N2+1/2O2+90.3kJNO2→1/2N2+O2+37.6kJ

试验结果表明：N2O的压力在250kPa以上，NO在1.5MPa以上时都能分解出90%以上的N2和O2，。爆炸压力多随初压而变化在高压情况下，有少许能量便产生分解爆炸，而低压时则需要较大的点火能量，才能产生分解爆炸

第六节蒸气云及液化气罐的爆炸

一、蒸气云爆炸：事故1973年10月，日本一家聚氯乙烯制造厂的氯乙烯气罐的闸门破损，4t单基氯乙烯流出，猛烈蒸发而形成蒸气云，流出15min后，因着火而爆炸。

1974年6月，英国一家卡普龙制造厂的环己烷氧化反应罐的50.8cm连接管，因设计不良而破损，温度为155℃、压力为890kPa的反应罐内36t环己烷以1t／s的流速喷出而形成可燃性蒸气云，45s后因着火而爆炸，使工厂遭到破坏，死亡28人，伤89人。什么是蒸气云爆炸大量的可燃性气体或大量的可燃性液体流入大气中形成蒸气，与空气混合后形成可燃性混合气，当其与某一火源接触便立即产生爆炸。在开放的大气中产生的，所以又称为自由空间中的无约束蒸气云爆炸蒸气云爆炸的产生，是由于流出物体的贮藏状态第一，常温常压下，着火点比常温还低的物质，例如汽油；流出的液体从地面得到热量后，从液面连续蒸发而产生蒸气并向周围扩散。第二，常温但为加压下的液化气体。如液化丙烷、液化丁烷等；第三，温度在某物质的沸点以上，但由于加压而能使其液化，此类物质如反应罐中的苯；第二种和第三种是在高压下气相与液相处于平衡状态，并在常压下流出的物质，因为流出的液体的温度比其在常压下的沸点高，因而急剧气化。第四，大气压下因低温而液化的气体，如液化天然气。若属于第四种情况，在非常低温储藏的液化天然气流出后，由于受地面及周围的热作用，会使其急剧沸腾。若地面温度较低时，蒸发速度较慢，但在短时间内也会生成大量的可燃性蒸气云，一旦出现蒸气云，就可能出现下列后果：①不发火。泄漏的气体及蒸气云释放扩散，未引起灾害；②在气体和蒸气流出的同时发火，但未发生爆炸；③在大量的蒸气云形成之后发火。此时则会酿成大的火灾，并且蒸气云中的火焰往往会以高速传播转变为爆炸，从而形成冲击波。二、液化气罐的爆炸

爆炸过程火灾将储气罐加热使罐内液化气体产生很高的蒸气压力；液罐上部因火灾过热而引起延时破坏，分割成大的碎片。液罐裂口后，内部压力突然降低，过热的液化气突然沸腾气化，并与空气混合而成可燃性蒸气云，若遇火则产生蒸气云爆炸。这类事故称为BLEVE，指沸腾的液化气体气化膨胀时发生的爆炸现象，是从物理爆炸转向化学爆炸的最危险的例子。（二）火球的形成

球型液化气罐被火焰点燃的情况罐体的钢板被加热，如果持续10min，则液面上部的钢板温度可达425~480℃。其屈服强度因罐内的液化石油蒸气压产生的拉应力而下降，罐的侧壁向外逐渐膨胀，最后破裂形成裂洞。罐内的液体也同时被加热，温度升高，蒸气压力也相应地增大，此时的液体处于过热状态，在热力学上是不稳定的，一旦罐体破裂，这种处于过热状态的液体在内部压力作用下便会以雾状喷出并迅速汽化，产生大量的蒸气和空气形成可燃性混合气体，如果遇上点火源便会马上在油罐外面发生着火。在这种情况下的蒸气云形状基本上呈球形，故称为火球，火球的大小等于蒸气云的大小。因罐的破坏情况、蒸气云的形成情况、着火时间等不同，有时未必能形成明显的火球。

（三）火球的大小及持续时间除核爆炸和炸药爆炸外，火球几乎都是液化气着火产生的。火球直径、持续时间与药量之间的关系：

D=5.33W0.327

T=1.089W0.327

式中D——火球直径，m；

T——火球持续时间，s；火球的典型成长过程（四）、火球的威力火球的直径有时可达到数百米，如果人或房屋被卷入其中，一定无法幸免，而且在远离火球的地方也会受到强烈的热幅射。物体表面得到的幅射热E，一般由下式给出：

E=εδT4φ

式中：ε=1.0；δ是Stefan-Boltsmann常数；T是火球的温度；φ称为形态系数，其大小是由火球的形状及火球与受热体之间的距离决定的。

关于火球的温度，驰田提出对可燃性气体是1750~1800K与一般的火焰温度相比要高50％，所以它的幅射热是很强的。

辐射热和引起剌痛的极限辐射时间(s)引起剌痛的极限热辐射强度(kJ／m2．h)(J／cm2·s)2551801.553401301.174351100.965313500.8410175600.5420125400.3830112900.3350100300.29100100300.29200100300.29液化气罐爆炸事故危害发生BLEVE事故时，除火球辐射热外，爆炸时产生的空气冲击波及飞散的罐体破片也是危害很大的。从发火到BLEVE或火球的发生需要10~30min，消防人员往往在这段时间内已经进入火灾灭火现场，结果因处置不当，往往使很多消防人员丧失生命

在美国消防人员中反复强调BLEVE的危险性，提出在液化石油气罐发生火灾的时候，不要随意靠近、灭火，要注意灭火安全作业题1、试分别求CH4、C3H8在空气中完全反应的理论混合比及爆炸极限。2、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？3、100kgTNT爆炸时，求①150m处的冲击波压力；②只允许窗户外框损坏的安全距离。复习题1、什么叫可燃气体？其燃烧形式有何特点？2、什么是预混火焰？其特点有哪些？3、什么叫爆震和缓燃？两者有何区别？4、影响火焰速度的因素有哪些？5、何谓理论混合比？6、何谓可燃气体的爆炸极限？其含义和表征方法是什么？7、试分别求CH4、C3H8在空气中完全反应的理论混合比及爆炸极限。8、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？9、掌握可燃气体的爆炸极限有何实际意义？10、影响爆炸极限的主要因素有哪些？具体有何影响？11、可燃气体自燃点的含义？12、何谓最大安全间隙和最大允许结构间隙？二者有何关系？有何实际意义？13、什么是最小点火能量？14、何谓立方根法则？有何实际意义？15、100kgTNT爆炸时，求①150m处的冲击波压力；②只允许窗户外框损坏的安全距离。16、试列出三成分系列混合气体的组合情况。17、何谓气体分解爆炸？有何特点？18、何谓蒸气云爆炸？有何特点？19、何谓BLEVE爆炸？有何特点？20、请解释缝隙原理。水井不明气体燃烧11天巴彦淖尔消防灌浆封堵

起吊防火挡板设置卡环放置漏斗漏斗放好实施灌浆辅助灌浆成功封堵瓦斯的燃烧和爆炸矿井五大灾害:水、火、瓦斯、矿尘、冒顶2003年，我国煤矿事故死亡人数是世界上主要产煤国煤矿死亡总人数的4倍以上，百万吨煤死亡率是美国的160倍、印度的10倍。美国的煤矿，一年死亡人数大约在30人左右。澳大利亚甚至做到了2003年煤矿开采零死亡。这些以露天煤矿为主、全机械化开采的国家不同的是，我国的煤炭赋存条件较差，以井工开采为主，采煤机械化程度仅为45％。

从2001年到2004年，我国煤炭产量每年增长2亿吨以上，煤炭供应紧张、价格直线上扬，这在世界煤炭工业史上是前所未有的，（2012年中国煤炭产量36.6亿吨，比上年增长4%左右）我国的煤矿安全欠帐多；煤矿工程技术人员也严重短缺。矿井瓦斯的危害尤为严重。人们所谈论的瓦斯通常是指从煤岩中放出的气体的统称，它的主要成分通常是以甲烷为主的烃类气体。甲烷是无色、无味、无臭、易燃、易爆的气体。一定浓度的甲烷与空气(或氧气)的混合物遇到明火(电火花等)或灼热固体颗粒就会发生燃烧，在一定条件下会立即转变成爆轰。矿井瓦斯的危害如果空气中瓦斯的浓度在5%~15%时，有明火的情况下就能发生爆炸。瓦斯爆炸会产生高温、高压、冲击波，并放出有毒气体。矿井就好比一个一端封闭的很长的管道，矿井内瓦斯一旦点燃，燃烧产物不易迅速扩散，燃烧波在矿井中反射叠加后得以加强，因而一般矿井中一定浓度的瓦斯与空气混合物只要一经点燃着火，则都会转成爆轰，给国家财产和人民生命安全带来严重危害。瓦斯爆炸的本质矿井瓦斯爆炸是一种热—链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。2004年10月20日，河南省郑州煤业集团公司大平煤矿发生一起特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡，32人受伤。2004年11月28日，陕西铜川矿务局陈家山煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，造成168人死亡。2005年2月14日，辽宁阜新矿业集团公司的孙家湾煤矿海州立井，发生一起特大瓦斯事故，死亡人数达到214人。一、瓦斯的燃烧(爆炸)过程

(1)燃烧化学反应瓦斯是一种可燃性气体，它与空气(或氧气)组成可燃混合气体以后在火源或灼热固体残渣诱发下就会发生一种迅猛的氧化还原反应，其反应方程式可概括为：

CH4+2O2→CO2+2H2O或CH4+2[O2+（79/21）N2]→CO2+2H2O+7.52N2混合气中甲烷燃尽时，一个体积的甲烷要与两个体积的氧化合，此时氧化反应最完全，燃烧反应产生的热量最多。燃烧反应一般都是放热反应，甲烷燃烧时也放出大量的热量，下面是一些燃气燃烧时的放热量甲烷CH4

燃烧放热量为882.6kJ／mol乙烷C2H6

燃烧放热量为1552.9kJ／mol丙烷C3H8

燃烧放热量为2205.2kJ／mol一氧化碳CO燃烧放热量为285.5kJ／mol氢H2

燃烧放热量为242.0kJ／mol（2）瓦斯燃烧的化学反应机理

理论与实验研究表明：甲烷的燃烧反应机理是链式反应机理，且是分支链反应。在矿井瓦斯燃烧的链反应机理中，链起始是由高温热源或火花的作用，作用能量的大小必须大于链起始反应的活化能，前人研究认为，甲烷的链式反应机理如下：

甲烷的氧化反应的发展是由活化中心(自由基)、温度和热能等因素决定的，所以当甲烷—空气混合物中加入惰性、吸热降温起负催化作用的物质或渗入足够数量的能够同活化中心结合的物质(例如三氟一溴甲烷CF3Br)时，就可以使CH4的燃烧与爆炸中止。安全火焰灯所以安全，从链式反应理论来看，就是因为自由基与灯的金属网罩接触使链中止，以及金属网吸热降温使得反应中断。

(3)矿井瓦斯燃烧(爆炸)的

安全技术参数

为了有效地预防矿井瓦斯的爆炸，必须掌握煤矿爆炸性气体的安全技术参数，这些参数主要是浓度的爆炸极限(上、下限)、最低点燃温度、最小点火能量、最大爆炸压力等(见表2—20)。①瓦斯的爆炸极限爆炸性气体与空气混合，只在某些浓度范围之内才是可爆炸的，即点燃这种浓度的混合气体爆炸会自动蔓延开来(不需再继续输入能量和空气)。可能产生爆炸的最低浓度称为爆炸下限；最高浓度为爆炸上限。上、下爆炸极限常用气体与空气混合的体积百分比浓度表示。上、下限还在一定程度上与实验条件有关。用体积百分比浓度表示的爆炸极限在100℃以下时，在测试精度范围内，它的数值与混合气体的温度无关；在100℃以上时，必须要考虑温度的影响。爆炸地点温度增加时，下限下降，上限上升，见表2—21

随着爆炸地点压力的升高，甲烷—空气混合气体的爆炸范围逐渐扩大，见表2—22，该规律对烃类气体也适用。

甲烷的爆炸范围随着混合气体中氧浓度的降低而缩小，图2—32是爆炸地点温度为150℃时的试验值。氧气浓度的降低不仅使爆炸范围缩小，而且最大爆炸压力也明显下降，爆炸下限几乎保持不变，而爆炸上限下降甚大；当氧浓度降至极限值(即失爆氧度)10%(150℃初始温度下)时，爆炸上、下限重合在一点(5%CH4)。

飞扬在甲烷—空气混合气体中的煤尘，会降低甲烷的爆