燃烧与爆炸理论课件

燃烧及其灾害第一节燃烧条件一、燃烧的定义

燃烧是可燃物质与助燃物质（氧或其他助燃物质）发生的一种发光发热的氧化反应。在化学反应中，失掉电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。所以，氧化反应并不限于同氧的反应。

二、燃烧条件

（一）燃烧三角形燃烧的本质因素是燃料、氧化剂和引燃源。这三个因素就是我们通常所说的燃烧三要素。1.燃烧极限在可燃性气体混合物中，可燃气体与空气（或氧气）的比例只在一定的范围内才可以发生燃烧。高于或低于这个范围都不会燃烧。

1.燃烧极限通常，把1个大气压下可燃气体在其与空气的混合物中能发生燃烧的最低体积浓度称为燃烧下限（LFL），而将最高体积浓度称为燃烧上限（UFL）。在上限与下限之间的浓度，则称为可燃物的燃烧范围。

1.燃烧极限一般燃烧下限比燃烧上限更重要，表示可以发生燃烧的燃料的最低浓度。不过，有些物质的燃烧上限几乎是百分之百，如乙炔、氧化乙烯，即使没有空气，也能燃烧。

物质下限(LFL)体积%上限(UFL)体积%物质下限(LFL)体积%上限(UFL)体积%甲烷5.015丙烷2.19.5乙烷3.012.4甲苯1.27.1乙烯2.736氯乙烯3.633乙炔2.5100甲醇6.736氧化乙烯3.6100乙醇3.319一氧化碳12.574二乙醚1.936硫化氢4.044丙酮2.613氢4.075氨1528表2-1某些可燃性气体和蒸气的燃烧极限数据

表2-2燃烧极限和爆炸极限差别较大的常见气体比较

混合物下限(LFL),体积%上限(UFL),体积%燃烧爆轰爆轰燃烧H2-O24.65159094H2-空气4.018.35974CO-O2（潮湿）15.5389093.9(CO+H2)-空气12.51958.774.2C2H2-空气2.54.25080C4H10O(乙醚-O2)2.12.64082C4H10O-空气1.852.84.536.52．极限氧浓度

对可燃性气体而言，并不是在任何氧浓度下都可以发生燃烧，存在一个可引起燃烧的最低氧浓度，即极限氧浓度（LOC）。也称为最小氧浓度（MOC），或者最大安全氧浓度（MSOC）。

2．极限氧浓度各种可燃性气体的极限氧浓度在不同的惰性气体中是不同的。可以由燃烧下限来计算极限氧浓度

例2-1

估算丁烷（C4H10）的LOC。

3．最小引燃能（MIE）

各种可燃性物质或爆炸性混合物，包括粉尘，在外界火源作用下被引燃或引爆时都存在一个最小的引燃能量或点燃能量，称为最小引燃能（MIE）。3.最小引燃能（MIE）低于这个能量就不会发生燃烧或爆炸。因此，最小引燃能是表示可燃性混合物爆炸危险性的一项重要参数。该能量越小爆炸危险性就越大。

3．最小引燃能（MIE）有实验研究表明混合物中压力增加时引燃能降低；氮气浓度增加时引燃能随之增加，表明引燃能随氧气浓度降低而升高。

常见的主要引燃源

明火类，如吸烟、火柴、燃气炉、电焊火花等；冲击或摩擦类，如物体下落撞击产生火花，物体之间摩擦生热或产生火花；

常见的主要引燃源高温类，如高温蒸汽管道表面、加热炉和加热釜等高温物体及其表面；静电类，包括静电放电、静电火花等。

常见的主要引燃源普通的火花塞放出的能量约为25mJ，在地毯上行走摩擦产生的静电能量可达22mJ。（二）燃烧四面体

根据燃烧的链琐反应理论，很多燃烧的发生和持续有游离基（自由基）作“中间体”，因此燃烧三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个燃烧四面体。三、燃烧条件的应用

（一）防火方法（二）灭火方法（一）防火方法

1．控制可燃物燃料是燃烧发生最根本的要素，因此消除或控制燃料是防火的根本措施。

2．隔绝空气

将空气、氧气、或其他助燃物质与可燃性气体、液体或固体隔绝，避免相互接触，可以避免发生燃烧或爆炸。3．消除或控制点火源

虽然并不是所有可燃物质的燃烧都需要火源，但绝大多数火灾是由于火源的存在而引发的，因此消除或控制火源对防火极其重要。火源的种类很多，实际引发火灾的火源情况更是千差万别，非常复杂。某化学品分配站发生系列爆炸分析在罐体的充装口附近形成过爆炸性蒸气和空气的混合物。罐体，称重称和泵都是接地的，但是充装嘴，软管组件（和金属重物）没有做等电位连接和接地，它们被合成橡胶充装软管隔绝起来。静电可能积聚在了这些部件上，并对不锈钢罐体放电，产生了火花，而点燃了在充装过程中积聚在充装口附近的气体。你知道吗？当液体通过管道，阀门和其它设备时，会产生静电。正确的等电位连接和接地保证了静电不会积聚并引起火花。静电火花可以点燃许多易燃蒸气和空气的混合物。你知道吗？等电位连接就是电气连接可导电物体，以使这些物体间电势相等，而防止火花。你知道吗？接地就是将可导电物体与地连接，以释放积聚的静电和其它来源的电荷。你知道吗？你能做什么？针对易燃材料处理，要确保可导电的管道和设备的等电位连接和接地，设计正确。它包括容器、泵，管道，阀门，喷嘴，仪表探头，充装管和充装嘴，桶和可移动的容器，以及其它的可导电的设备。你能做什么？要确保定期地检查你工厂的接地连接情况，以保证它们正常地工作。当在向容器充装易燃液体时，要尽量减小液体自由下落的高度，因为这种方式会在液体中制造出静电。分析罐体正通过一个短喷嘴进行充装，此时易燃的醋酸乙脂正在穿越空气下落到罐体中，这无疑会在罐体空气中形成小液粒和雾状微粒。在液体自由下落穿越空气时，静电荷就可能产生了，而且可能进一步导致火花而点燃可燃气体环境。推荐的做法从底部进行充装，它可以通过一个浸入到液体下面的管子来实现。应该在下浸管被淹没在液体液面下150mm之前，充装速度要控制在1米/秒或更小。你能做什么？使用下浸管道或底部充装。当存在液体自由下落的可能时，要使用合适的低的流速。正确地对所有设备和容器进行接地和等电位金属连接。使用为处理易燃材料而设计的充装喷嘴和软管，例如，软管具有一个完整的连接到管道和接头的金属编织网。（二）灭火方法

1．隔离法2．窒息法3．冷却法4．抑制法抑制法

使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而使燃烧反应终止。第二节燃烧过程及形式

一、燃烧过程可燃物质的燃烧一般是在气相中进行的。由于可燃物质的状态不同，其燃烧过程也不相同。

一、燃烧过程熔化、蒸发或分解蒸发氧化分解着火燃烧固体液体气体物质燃烧过程的温度变化

燃烧诱导期

由T自到T’自间的时间间隔称为燃烧诱导期，或着火延滞期。在安全上有一定实际意义。二、燃烧的形式

可燃物质和助燃物质存在的相态、混合程度和燃烧过程不尽相同，其燃烧形式是多种多样的。

（一）均相燃烧和非均相燃烧

均相燃烧是指可燃物质和助燃物质间的燃烧反应在同一相中进行，如氢气在氧气中的燃烧，煤气在空气中的燃烧。

（一）均相燃烧和非均相燃烧非均相燃烧是指可燃物质和助燃物质并非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空气(气相)中的燃烧。与均相燃烧比较，非均相燃烧比较复杂，需要考虑可燃液体或固体的加热，以及由此产生的相变化。（二）预混燃烧和扩散燃烧

可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的燃烧称为预混燃烧。预混燃烧速度快、温度高，一般爆炸反应属于这种形式。

（二）预混燃烧和扩散燃烧可燃气体由容器或管道中喷出，与周围的空气(或氧气)互相接触扩散而产生的燃烧，称为扩散燃烧。在扩散燃烧中，由于与可燃气体接触的氧气量偏低，通常会产生不完全燃烧的炭黑。（三）蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧

蒸发燃烧是指可燃液体蒸发出的可燃蒸气的燃烧。通常液体本身并不燃烧，只是由液体蒸发出的蒸气进行燃烧。硫磺和萘这类可燃固体是先熔融、蒸发，后进行燃烧，也可视为蒸发燃烧。

（三）蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧很多固体或不挥发性液体经热分解产生的可燃气体的燃烧称为分解燃烧。如木材和煤大都是由热分解产生的可燃气体进行燃烧。（三）蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧可燃固体和液体的蒸发燃烧和分解燃烧，均有火焰产生，属火焰型燃烧。当可燃固体燃烧至分解不出可燃气体时，便没有火焰，燃烧继续在所剩固体的表面进行，称为表面燃烧。第三节燃烧的种类

闪燃点燃自燃爆炸一、闪燃及闪点

可燃液体表面的蒸气与空气形成的混合气体与火源接近时会发生瞬间燃烧，出现瞬间火苗或闪光。这种现象称为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。一、闪燃及闪点闪点这个概念主要适用于可燃液体。某些可燃固体，如樟脑和萘等，也能蒸发或升华为蒸气，因此也有闪点。闪点是用来描述液体火灾爆炸危险性的主要参数之一。闪点的测量

闪点的测量开杯闪点测定过程存在的问题是开杯上方的空气流动可能会改变蒸气浓度而使实验测定的闪点值偏高。为了防止出现这些情况，更多新式的闪点测定方法都采用闭杯法。

闪点测量的影响因素

点火源的大小与离液面的距离加热速率试样的均匀程度试样的纯度测试容器大气压力的影响闪点的估算

纯物质的闪点同液体的沸点关联的很好

闪点的估算多组分混合物中仅有一种组分是可燃的通过确定在某温度下混合物中的可燃组分的蒸气压等于该组分在纯净状态下闪点时的蒸气压来估算混合物的闪点。

闪点的估算可燃组分超过一种的多组分混合物推荐使用实验测定闪点例2-2

甲醇的闪点为12.2℃，该温度下的蒸气压为62mmHg。请问重量百分比分别为75%的甲醇和25%的水的混合溶液的闪点是多少？二、点燃及着火点

可燃物质在空气充足的条件下，达到一定温度与火源接触即行着火，移去火源后仍能持续燃烧达5min以上，这种现象称为点燃。点燃的最低温度称为着火点。

三、自燃及自燃点

在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。自燃的最低温度称为自燃点。物质自燃有受热自燃和自热燃烧两种类型。

（一）受热自燃

是当有空气或氧存在时，可燃物虽未与明火直接接触，但在外部热温的作用下，由于传热而使可燃物温度上升，达到自燃点而着火燃烧。

受热自燃的条件

外部热源有热量积蓄的条件（二）自热自燃

是某些物质在没有外部热源作用下，由于物质内部发生的物理、化学或生化过程而产生热量，这些热量在适当的条件下会逐渐积聚，以致使物质温度升高，达到自燃点而着火燃烧。

自热自燃的条件

必须是比较容易产生反应热的物质;此类物质要具有较大的比表面积或是呈多孔隙状的，有良好的绝热和保温性能;热量产生的速度必须大于向环境散发的速度。自热自燃的类型

由于氧化热积蓄引起的自燃由分解发热而引起的自燃由于聚合热、发酵热引起的自燃由于化学品混合接触而引起的自燃

（三）自燃点的测定及影响因素

1．可燃物浓度

可燃气（蒸气）-空气混合气有各种配比，在可燃极限范围内，其组分为化学计算量时，自燃点最低。

2．压力

压力愈高，自燃点愈低；压力愈低，自燃点愈高。

3．容器

试样容器的直径、材质以及表面的物理状态对自燃点的测定值有影响。容器的直径越小，越易散热，自燃点便越高。

3．容器不同的容器材质对自燃点也有影响。如汽油在铁管中测得的自燃点是680℃，在石英管中测得的是585℃，而在铂坩祸中测得的是390℃。

4．添加剂或杂质

含有过氧基化合物的烃类试样，自燃点会降低；而含卤素或卤代烷，则对烃类燃烧起抑制作用。

5．固体物质的粉碎度

粉碎度越细，粒径越小，其自燃点越低对于受热分解后，析出气体的固体物质，析出物越多，自燃点越低。四、爆炸

爆炸是物质发生急剧的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并伴有巨大声响的过程。在爆炸过程中，爆炸物质所含能量的快速释放，变为对爆炸物质本身、爆炸产物及周围介质的压缩能或运动能。化学爆炸的分类

简单分解爆炸杂分解爆炸爆炸性混合物爆炸简单分解爆炸

引起简单分解爆炸的爆炸物，在爆炸时并不一定发生燃烧反应。爆炸能量是由爆炸物分解时产生的。叠氮类化合物，如叠氯铅、叠氮银等；乙炔类化合物，如乙炔铜、乙炔银等。

杂分解爆炸

这类物质爆炸时有燃烧现象，燃烧所需的氧由自身供给硝化甘油的爆炸反应：C3H5(ONO2)33CO2+2.5H2O+1.5N2+0.25O2

爆炸性混合物爆炸

爆炸性混合物是至少由两种化学上不相联系的组分所构成的系统。混合物之一通常为含氧相当多的物质；另一组分则相反。爆炸性混合物可以是气态、液态、固态或是多相系统。爆炸性混合物爆炸气相爆炸，包括混合气体爆炸、粉尘爆炸、气体的分解爆炸、喷雾爆炸。液相爆炸包括聚合爆炸及不同液体混合引起的爆炸。固相爆炸包括爆炸性物质的爆炸、固体物质混合引起的爆炸和电流过载所引起的电缆爆炸等。

根据爆炸速度分类轻爆。爆速为几十厘米每秒到几米每秒。爆炸。爆速为十米每秒到数百米每秒。爆轰。爆速为一千米每秒到数千米每秒。

第四节燃烧机理

活化能理论过氧化物理论链锁反应理论一、活化能理论

二、过氧化物理论

在燃烧反应中，首先是氧分子在热能作用下活化，被活化的氧分子形成过氧键—O—O—，这种基团加在被氧化物分子上而成为过氧化物。此种过氧化物是强氧化剂，不仅能氧化形成过氧化物的物质，而且也能氧化其他较难氧化的物质。

三、链锁反应理论

气态分子间的作用，不是两个反应分子直接简单作用得到最后生成物，而是由一连串的反应组成的。三、链锁反应理论该反应只要一经引发生成自由基，就会相继发生一系列基元反应。先由自由基（活性基团）与另一分子起作用，从而产生新的自由基和产物，新的自由基又迅速参与反应。如此下去，直到反应物消耗殆尽，或通过外加因素使链中断而停止反应。三、链锁反应理论链锁反应通常分直链反应与支链反应两大类。氯和氢反应是典型的直链反应，氢和氧反应是典型的支链反应。

直链反应

链的引发

Cl22Cl•链的传递

2Cl•+H2HCl+H•H•+Cl2HCl+Cl•链的终止

H•+Cl•HClCl•+Cl•Cl2

H•+H•H2支链反应H2+O22HO•H2+M2H•+MHO•+H2H•+H2OH•+O2O•+HO•O•+H2H•+•OHH•+O2+MHO2•+MHO2•+H2H2O+HO•2H•H2H•+•OHH2OH•+H•H2链的引发链的传递

链的终止

三、链锁反应理论任何链锁反应都由三个阶段组成，即链的引发、链的传递和链的终止。大多数碳氢化合物的燃烧反应进行得比较缓慢，因为碳氢化合物的燃烧是种退化的支链反应，即新的链环要依靠中间生成物分子的分解才能发生，且分子结构越复杂其反应机理也越复杂。第五节燃烧极限及计算

一、燃烧极限的概念

可燃气体或蒸气与空气（或氧）组成的混合物在点火后可以使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的燃烧下限；同理，能使火焰蔓延的量高浓度称为燃烧上限。二、燃烧极限的影响因素

1.原始温度原始温度越高，则燃烧极限范围越宽，即下限降低而上限增高。系统温度升高，其分子内能增加，这时活性分子也就相应增加，使原来不燃不爆的混合物变为可燃可爆，所以温度升高使爆炸的危险性增加。

以下经验公式适用于蒸气

2.原始压力

压力增加，燃烧极限范围扩大，且上限随压力增加较为显著。因为系统压力增加，物质分子间距缩小，碰撞几率增加，使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易。

2.原始压力压力降低，则气体分子间距拉大，燃烧极限范围会变小。待压力降到某一数值时，其上限即与下限重合，出现一个临界值；若压力再下降，系统便成为不燃不爆。因此，在密闭容器内进行负压操作，对安全生产是有利的。

压力增加对上限的影响

例2-3

如果物质的UFL在表压为0.0MPa下为11.0%，那么，在表压为6.2

MPa下的UFL是多少？

3.惰性介质

4.容器

容器直径越小，爆炸范围越窄。从传热来说，随容器或管道直径的减小，单位体积的气体就有更多的热量消耗在管壁上。

4.容器燃烧所以能持续下去，其条件是新生的自由基数量必须等于或大于消失的自由基数。随着管径的缩小，自由基与反应分子间的碰撞几率也不断减少，而自由基与器壁碰撞的概率反而不断增大。当器壁间距小到某一数值时，这种器壁效应就会使火焰无法继续。5.点火能源

随着点火能量的加大，燃烧范围变宽。

6.火焰的传播方向

在垂直的测试管中于下部点火，火焰由下向上传播时，燃烧下限值最小，上限值最大；当于上部点火时．火焰向下传播，燃烧下限值最大，上限值最小；在水平管中测试时，燃烧上下限值介于前两者之间。7.含氧量

由于当处于空气中爆炸的下限时，其组分中(O2)已很高，故增加(O2)对燃烧下限影响不大；增加(O2)使上限显著增加，是由于氧取代了空气中的氮，使反应更易进行。

三、燃烧极限的估算

（一）纯净气体或蒸汽燃烧极限的估算（二）混合气体或蒸气燃烧极限的估算混合气体中全部都是可燃气体或蒸气混合气体或蒸汽中含有惰性气体

（一）纯净气体或蒸汽燃烧极限的估算

烃类蒸气，LFL和UFL是燃料化学计量浓度（Cst）的函数将燃烧极限表达为燃料燃烧热的函数。适用于含有碳、氢、氧、氮和硫的30种有机物。

例2-4

估算(正)己烷的LFL和UFL，将计算值同实际的实验值进行比较。（二）混合气体或蒸气燃烧极限的估算

1．混合气体中全部都是可燃气体或蒸气

例2-5

含有体积百分比分别为0.8%的（正）己烷，2.0%的甲烷和0.5%的乙烯混合气体的LFL和UFL为多少？2．混合气体或蒸汽中含有惰性气体

例2-6

某干馏气体的成分为：CnHm含1%（爆炸范围：3.1%—28.6%），CH4含3%（爆炸范围：5%—15%），CO含3%（爆炸范围：12.5%—74.2%），H2含10%（爆炸范围：4.1%—74.2%），CO2含18%，N2含65%，计算爆炸极限。第六节火灾

火灾是火失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象；具有“自然”和“人为”的双重性。建筑火灾特点

火灾隐患多，危险性大。；由于风力作用，加之可燃物燃烧猛烈，火势发展极为迅速；由于竖井管道的“烟囱效应”，烟气运动快，甚至在一分钟之内烟气即可传播到200m的高度；人员疏散、营救以及灭火难度大；人员伤亡惨重。

森林火灾特点

延烧时间长；火烧面积大；火蔓延速度快。其方式主要有两种，有飞火或无飞火。无飞火时火蔓延速度一般不超过10m／min，有飞火时火蔓延速度可超过10m／min，甚至达到100m／min或更大；森林火灾特点火强度大、有明显的对流柱。；受可燃物种类、环境、地形、气象等条件影响大；对林木的危害严重。工业火灾池火灾喷射火灾一、池火灾（PoolFire）

池火灾是在可燃物的液池表面上发生的火灾。池火灾主要包括两类，一类是可燃物在常温下为液态，另一类是可燃物在常温下为固态。池火灾的发展历程

液体的挥发气与空气混合形成可燃气体混合物，被引燃；部分火焰能量反馈到液体促使其温度升高，加速挥发或气化，可燃气则不断燃烧；火焰会蔓延至整个液池表面，并逐渐进入稳定燃烧阶段。1．液体燃烧的条件

要点燃液体，在其表面产生持续的火焰，可燃气的供给速度必须不小于燃烧时可燃气的消耗速度，

2.火焰在液池表面蔓延的过程

（三）池火的危害及防护

高温及辐射危害；火焰温度主要取决于可燃液体种类，一般石油产品的火焰温度在900-1200℃；（三）池火的危害及防护池火火焰对物体的热辐射与池火的高度、池火的热释放速率、火焰温度与厚度、火焰内辐射粒子的浓度、火焰与目标物之间的几何关系、风速等众多因素有关。二、喷射火灾（JetFire）

加压气体和/或液体由泄漏口释放到非受限空间（自由空间）并立即被点燃，就会形成喷射火灾。喷射火的辐射危害及防护

要预防喷射火灾的发生，首要任务就是要经常检查、监控以防止泄漏的发生。喷射火灾发生后则可以设法降低喷射（泄漏）速度或断绝燃料气的供应。但是断绝燃料气供应时需要慎重考虑是否有产生回火爆炸的危险。物质的燃烧

第一节气体的燃烧

一、预混气中火焰的传播理论

火焰（即燃烧波）在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式：正常火焰传播爆轰

（一）物理模型与雨果尼特方程

（一）物理模型与雨果尼特方程雨果尼特方程

瑞利方程

（一）物理模型与雨果尼特方程

称马赫数，其物理意义是混气速度（它等于燃烧波速度，只是方向相反）与当地声速之比。

（二）正常火焰传播与爆轰

1、爆轰区（Ⅰ）区是爆轰区。①燃烧后气体压力要增加。②燃烧后气体密度要增加。③燃烧波以超音速进行传播

2.正常火焰传播

（Ⅲ）区是正常火焰传播区。①燃烧后气体压力要减少或接近不变；②燃烧后气体密度要减少；③燃烧波以亚音速（即小于音速）进行传播。

二、层流预混气中正常火焰传播速度

（一）传播机理1．火焰前沿概念若在一长管中充满均匀混气，当用电火花或其它火源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿。2．火焰前沿的特点

2．火焰前沿的特点（1）火焰前沿可以分成两部分：预热区和化学反应区。（2）火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散。3．火焰传播机理

（1）火焰传播的热理论火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果。

3．火焰传播机理（2）火焰传播的扩散理论凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发生链锁反应的结果。

（二）层流火焰传播速度——马兰特简化分析

1．物理模型

图3-4火焰前沿中的温度分布（Ⅰ）预热区（Ⅱ）反应区1．物理模型

反应区中温度分布为线型分布热平衡方程式为：2．火焰传播速度

因为：

所以：

或者：

其中：，称导温系数

2．火焰传播速度又因为：

公式表明层流火焰传播速度与导温系数及化学反应速度的平方根成正比。

2．火焰传播速度又因：

所以：

2．火焰传播速度另外：

于是：

公式意味着对于二级反应，火焰传播速度Sl将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了这个结论。

2．火焰传播速度应该指出这一理论还不完善，例如未燃混气初温如果等于这里的着火温度，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。（三）物理化学参数对层流火焰传播速度的影响

1．混气初温混气初温增加，混气燃烧时火焰温度就越高，化学反应速度Ws会越快，火焰传播速度Sl就越高。实验结果表明，通常，其中n＝1.5～2。

2．压力

对二级反应，压力与火焰传播速度关系不大。3．可燃气体浓度

混气中可燃气与空气比值不同，火焰传播速度不同。实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，在此最佳比值条件下火焰传播速度最快，否则会下降。理论上这个最佳比值应等于化学当量比，即＝1.但实际燃烧时的最佳比值往往并不等于1，而是有些差别，这与实际燃烧时情况很复杂，影响因素很多有关。3．可燃气体浓度实验还发现火焰传播也存在一个浓度极限问题。在混气中如果可燃气太少或太多，火焰均不能传播。可燃气含量在一定范围内才能传播，这是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依据。图3-8氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响图3-9CO浓度对火焰传播速度的影响（H2+空气）（CO+空气）

4．惰性气体

惰性气体加入量越多，火焰传播速度越小。5．混气性质

主要是指混气的热容CP和导热系数。混气导热系数增加，火焰传播速度Sl增加；热容CP增加，则Sl下降。

5．混气性质这是灭火剂要具有低的导热系数和高热容的原因。低的导热性可以延缓热的传递，高的热容使灭火剂能够吸收大量的热量，这都不利于火焰的传播。第二节液体的燃烧

一、液体的蒸发（一）蒸发过程（二）蒸气压在一定温度下，液体和它的蒸气处于平衡状态时，蒸气所具有的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。

（二）蒸气压分子间的力称分子间力，又叫范德华力。分子间力中最重要最普遍的力是色散力。色散力是由于分子在运动中，电子云和原子核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移，产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。

（二）蒸气压分子量越大，分子就越易变形，色散力就越大。所以在同类物质中，分子量越大，蒸发越难，蒸气压就低。但在水分子（H2O）、氟化氢（HF）氨分子（NH3）中，以及很多有机化合物中，由于存在氢键，分子间力会大大加强，蒸发也不容易，蒸气压也低。

（二）蒸气压

图3-11几种液体的蒸气压温度曲线（二）蒸气压lg（P蒸）（二）蒸气压此式称为克拉佩龙方程式。利用上式，若已知蒸发热和某一温度下的蒸气压，则可计算另一温度下的蒸气压；若已知某液体在两温度下之蒸气压，则可计算上述两温度范围的蒸发热。（三）蒸发热

在液体体系同外界环境没有热量交换的情况下，随着液体蒸发过程的进行，由于失掉了高能量分子而使余下分子的平均动能逐渐降低。鉴于平均动能与绝对温度的正比关系，所以随着液体的蒸发，其温度随之降低，蒸发速度也随着减慢。

（三）蒸发热欲使液体保持原温度，即维持液体分子的平均动能，必须从外界吸收热量。这就是说，要使液体在恒温恒压下蒸发，必须从周围环境吸收热量。这种使液体在恒温恒压下气化或蒸发所必须吸收的热量，被称为液体的气化热或蒸发热。（三）蒸发热该蒸发热一方面消耗于增加液体分子动能以克服分子间引力而使分子逸出液面进入蒸气状态；另一方面，它又消耗于气化时体积膨胀所做的功。

（三）蒸发热蒸发热主要是为了克服液体分子间的引力以便气化所吸收的热量。那么蒸发热值就必然成为液体分子间吸引力大小的一种量度。一般来说，蒸发热越大，其液体分子间引力越大。（四）液体的沸点

所谓液体的沸点，系指液体之饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。在此温度时，气化在整个液体中进行，称为液体沸腾；而在低于此温度时的气化，则仅限于在液面上进行。

二、液体燃烧速度

（一）液体燃烧速度表示方法燃烧线速度（V）重量燃烧速度

二、液体燃烧速度液体燃烧重量速度与线速度关系

（二）影响液体燃烧速度的因素

燃烧区传给液体的热量不同，燃烧速度不同；液体初温越高，燃烧速度越快；液体的燃烧速度随着贮罐直径不同而不同。图3-13液体燃烧速度随罐径的变化1-汽油；2-煤油；3-轻油

（二）影响液体燃烧速度的因素液体燃烧速度随贮罐中液面高度降低而减慢；水对燃烧速度的影响；风的影响。图3-14风对燃烧速度的影响

三、油罐火灾

（一）油罐火灾的发生及发展火焰加热油的表面使油迅速蒸发，油蒸发比重减小因浮力而形成上升气流，上升气流则在油罐内形成局部低压，因之周围的空气被吸入油罐与油蒸气混合燃烧形成火舌，随着火势增强，火焰对油面的反馈热辐射也增强。油面接受了更多的辐射热从而产生更多的油蒸气，进一步增强了火势和上升气流的速度。

（一）油罐火灾的发生及发展火焰的辐射热是使油加热的主要方式，油面接受火焰的辐射热后，表面层迅速被加热到沸点温度，并形成很薄的高温层，高温层的厚度与油罐直径及容积无关；同时产生油蒸气，油蒸气不断进入燃烧区，从而维持燃烧并得以继续进行。

图3-15油层内温度分布

（一）油罐火灾的发生及发展在火焰底部与油面之间存在一个中间层，它是由油蒸气、烟和燃烧产物以及穿透火焰进入该层的空气组成；进入中间层的烟越多，中间层的“灰度”增加；随着油面的下降，中间层厚度增大，中间层对火焰辐射热的“热屏蔽作用”越明显。

图3-16油罐火灾不同阶段的特征

油罐火灾的初期

油表面被加热层厚度很薄；油的蒸发速率迅速增加；油的被加热层向深部扩展；中间层厚度较薄且接近“透明体”，中间层的的“热屏蔽”作用很小；火势发展迅速。

油罐火灾中期

燃烧速率比初期大，但已趋于稳定；油面蒸发速度增大，产生火焰脉动及蘑菇状烟柱；油面被加热层以接近于恒定的速度向深部缓慢扩展；中间层厚度增加，烟及燃烧产物进入中间层越来越多，使中间层成为灰色气体层，并对油面有相当明显的热屏蔽作用。

油罐火灾晚期

中间层的厚度及“灰度”均相当大；对油面的热屏蔽作用很强；油面所接受的辐射热不仅不能使油面内被加热层厚度进一步增大，而且也不足以维持一定的油蒸发速率，燃烧速度明显下降；火焰温度及高度均下降；辐射热反馈亦减小，是油罐火灾的衰落期。

（二）油罐内油品燃烧火焰的特征

1．火焰的倾斜度油罐内油晶燃烧的火焰呈锥形，锥形底就等于燃烧油罐的面积；当风速等于或大于4.0m／s时。火焰的倾斜角约为60°—70°；在无风时，火焰倾斜角为0°～15°。

2．火焰高度

油罐火灾的火焰高度取决于油罐直径和油罐内储存的油品种类。油罐直径越大，储存的油品越轻，则火焰高度越高。

3．火焰温度

主要取决于可燃液体种类，一般石油产品的火焰温度在900～1200℃之间。图3-17火焰沿纵轴的温度分布

3．火焰温度从油面到火焰底部随高度增加温度迅速增加；到达火焰底部后有一个稳定阶段；高度再增加时温度逐渐下降。四、原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅由于液体特性不同，热量在液体中的传播具有不同的特点，在一定的条件下，热量在液体中的传播会形成热波，并引起液体的沸溢和喷溅，使火灾变得更加猛烈。

（二）单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点

单组分液体（如甲醇、丙酮、苯等）和沸程较窄的混合液体（如煤油、汽油等），在自由表面的燃烧，很短时间内就形成稳定燃烧，燃烧速度基本不变。热量只能传入很浅的液层内。图3-18正丁醇稳定燃烧时表面下方的温度分布

（二）单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点在液体燃烧时，火焰传给液面的热量使液面温度升高，至到沸点液面的温度就再不能升高了。这样，高沸点液体表面温度就比低沸点液面温度要高，液面与液层内部的温差就大，这有利于导热。所以高沸点液体热量传入液体内部要深一些。（三）原油燃烧时热在液层传播特点——热波

原油在连续燃烧的过程中，其中沸点较低的轻质部分首先被蒸发，离开液面进入燃烧区。而沸点较高的重质部分，则携带在表面接受的热量向液体深层沉降，或者形成一个热的锋面向液体深层传播，逐渐深入并加热冷的液层。这一现象称为液体的热波特性，热的锋面称为热波。

（三）原油燃烧时热在液层传播特点——热波热波形成条件必须是沸程较宽的原油，低沸点的轻质组分蒸发以后，留下高沸点的重质组分向下沉降才能形成热波。

（四）沸溢和喷溅

原油中的水一般以乳化水和水垫两种形式存在。所谓乳化水是原油在开采运输过程中，原油中的水由于强力搅拌成细小的水珠悬浮于油中而成。放置久后，油水分离，水因比重大而沉降在底部形成水垫。（四）沸溢和喷溅沸溢形成必须具备三个条件：

原油具有形成热波的特性，即沸程要宽，比重相差较大；原油中必须含有乳化水，水遇热波变成蒸气；原油粘度较大，使水蒸气不容易从下向上穿过油层。（四）沸溢和喷溅（四）沸溢和喷溅一般情况下，发生沸溢要比喷溅的时间早得多。发生沸溢的时间与原油种类，水分含量有关。根据实验，含有1％水分的石油，经45—60分钟燃烧就会发生沸溢。

（四）沸溢和喷溅喷溅发生时间与油层厚度，热波移动速度以及油的燃烧线速度有关热波传播速度的影响因素(1)油品的组成油品中轻组分越多，液面蒸发气化速度越快，燃烧越猛烈，油品接受火焰传递的热量越多，液面向下传递的热量也越多；轻组分含量越大，则油品的粘性越小，高温重组分沉降速度越大。因此，油品中轻组分越多，热波传播速度越大。(2)油品中含水量

含水量较小时(如小于4%)，随着含水量的增大，热波传播速度加快。但含水量大于10%时，油品燃烧不稳定。含水量超过6%时，点燃很困难，即使着火了，燃烧也不稳定，影响热波传播速度。

(3)油品储罐的直径

在一定的直径范围内，油品的热波传播速度随着储罐直径的增大而加快。但当直径大于2.5m后，热波传播速度基本上与储罐直径无关。

图3-21原油热波传播速度与油罐直径的关系

(4)储罐内的油品液位

储罐内的油品发生燃烧时，如果液位较高，空气就较容易进入火焰区，燃烧速度就快，火焰向液面传递的热量就多，所以热波传播速度就快；反之，如果液位低，热波传播速度就慢。

热波传播速度的影响因素实验发现，裂化汽油、煤油、二号燃料油和六号燃料油的混合物几乎不能形成热波。这说明，油品中的杂质、游离碳等，对热波的形成起了很大的作用。而且油品中的杂质有利于形成重组分微团，从而加快了热波传播速度；热波传播速度的影响因素风能使火焰偏向油罐的一侧，使下风向的罐壁温度升高，罐内液体的温度分布不均匀，从而加快了液体的热对流和热波传播速度；对较小直径的贮罐用水冷却罐壁，能够带去高温层中的热量，阻止高温层下降，从而降低热波传播速度。

喷溅的判断油罐火灾在出现喷溅前，通常会出现油面蠕动、涌涨现象；火焰增大，发亮、变白；出现油沫2～4次；烟色由浓变淡；发生剧烈的“嘶!嘶!”声。第三节固体的燃烧

一、固体燃烧概述（一）固体可燃物的燃烧分类升华式燃烧熔融蒸发式燃烧热分解式的燃烧固体表面燃烧

（二）固体的热分解

二、木材燃烧

（一）木材的组成主要成分是碳（50％）、氢（6.4％）和氧（42.6％）元素，还有少量的氮（0.01％～0.2％）和其它元素（0.8％～0.9％），但不含有其它燃料中常有的硫。

（二）木材的热分解

木材被加热到130℃时，首先是水的蒸发，接着开始微弱的分解；加热到150℃时木材开始显著分解，分解产物主要是水和二氧化碳；温度升高到200℃以上，构成木材主要成分的纤维素被分解，生成一氧化碳、氢和碳氢化合物；木材加热到270～380℃时，木材发生剧烈的热分解，热分解的剩余物得到30％～38％的碳。

（三）木材的燃烧过程

木材燃烧大体分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。木材的有焰燃烧是木材热分解出的可燃气燃烧，它的特点是燃烧速度快；燃烧量大，约占整个木材重量的70％；火焰温度高，燃烧时间短，火灾发展迅速猛裂。

（三）木材的燃烧过程在木材的有焰燃烧阶段，木材表面上生成的碳，虽然处在灼热的状态，但不燃烧。因为此时，分解产物的燃烧阻碍了氧气扩散到碳的表面上去。当析出的气体产物很少时，氧扩散到碳的表面，即有焰燃烧接近尾声时，碳才开始燃烧。两种形式燃烧同时进行若干时期以后，完全不析出可燃气体时，才出现仅有碳的无火焰燃烧。

（四）木材燃烧速度

1．木材密度的影响木材的密度越大，燃烧速度越小，这是因为密度大的木材导热性能好，大量热被导入木材深处，使表面温度上升慢，热分解慢，不容易着火，燃烧速度慢。

2．含水量的影响

木材含水量越大，木材不易着火，着火后燃烧速度也慢；蒸发的水蒸气充满燃烧区使氧与可燃气浓度减少；水分会使木材导热率增加。

3．木材比表面的影响

比表面积大，燃烧时单位体积的木材承受的热量就大，与氧气接触面积也大，所以易着火且燃烧速度大。

三、固体物质阴燃

阴燃是物质无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温度升高的迹象；阴燃与有焰燃烧的区别是无火焰；与无焰燃烧的区别是能热分解出可燃气。在一定条件下阴燃可以转换成有焰燃烧。

（一）阴燃的发生、发展过程

（一）阴燃的发生、发展过程区域I（灼热燃烧区）。此区内物质的大部气体已经挥发完毕，剩下的固体碳进行气固两相燃烧，温度达到最大值。区域Ⅱ（热解碳化区）。从区域I和周围传来的热量，使得本区温度急剧上升，物质进行热分解，放出挥发性气体。

（一）阴燃的发生、发展过程区域Ⅲ（原始材料区）。此区的温度较低，还没有达到足以使材料发生显著热分解的温度，物质还保持原来的状态。区域Ⅳ（残渣区）。燃烧进行完毕，剩下非常松散的燃烧残渣，由碳和灰分组成。此区的温度慢慢下降。

阴燃传播方式

自燃引起阴燃；已经发生阴燃的物质，可以作为引燃源导致其它可燃物发生阴燃；用明火或热源引起物质阴燃。

（二）阴燃燃烧条件

发生阴燃的内部条件

可燃物必须是受热分解后能产生刚性结构的多孔碳的固体物质发生阴燃的外部条件有一个合适供热强度的热源（三）阴燃向有焰燃烧的转变

当区域I的温度增加时，由于热传导使得区域Ⅱ温度上升，热分解速率增快，挥发物增多，这时区域Ⅱ附近空间的可燃气浓度加大，当这个浓度达到某一值时，若有明火即可引燃；如果没有明火，当温度继续升高时，可以自燃着火。这就完成了从阴燃向有焰燃烧的转变。有些木器家俱的燃烧，当阴燃进行一段时间后，就可能发生向有焰燃烧的转变。

（四）影响阴燃传播速度的因素

（1）粉尘颗粒大小的影响粉尘颗粒变小，使得热传导变小，改进了绝热，从而导致传播速度稍微增加。

（2）粉尘湿度的影响

湿度变大，增加了未燃烧料的热容，从而加大了对热的需要量。

（3）粉尘厚度的影响

对粗大尘粒影响不大，对平均直径<0.065mm的细粉尘，随着厚度增加，传播速度变小，原因是粉尘变厚使得氧进入燃烧区变得更加困难。（4）外加空气流速度的影响

当空气流速加大时，传播速度增加，如果空气流向和传播速度方向一致时，随着空气流速度加大时，阴燃传播速度明显增加；对粗大粉尘影响更显著。在高速气流下还可能引起有焰燃烧。

（5）外加剂的影响

有些无机外加剂可以促进或抑制阴燃的发生和传播。其中有些外加剂能有助碳化反应进行，因而有助于阴燃的发生和传播。有些无机外加剂能降低材料的碳生成量，使材料阴燃的可能性降低。

预混气体的着火理论

概述所谓着火，是指系统中的可燃预混气因某种原因引起自动升温，反应自动加速，最后出现火焰的过程。火焰是着火的重要标志。第一节谢苗诺夫热自燃理论

一、概述

任何充满预混气的体系中，一方面体系中的预混气会因缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高；同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。热自燃理论

着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热占优势，体系就会出现热量积累，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，体系温度下降，不能自燃。

热自燃理论系统的能量方程二、热自燃着火条件

着火临界条件的数学表达式

三、热着火理论中的着火感应期

在热着火理论中，着火感应期的定义是：当混气系统已达着火条件的情况下，由初始状态达到温度开始骤升的瞬间所需的时间。

图4-3不同初温时的散热曲线图4-4不同初温时的着火感应期

影响着火感应期的因素

系统环境温度越高，其着火感应期越短；大的混气发热量和高的混气反应速度都会使着火感应期变短；高的着火点以及高的反应活化能都会使着火感应期变长。第二节链锁自燃理论

一、链锁自燃自燃之所以会产生主要由于在感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累，活化分子不断增加以致造成反应的自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气自燃过程中不少现象。

一、链锁自燃

但是，也有不少现象与实验结果，热自燃理论是无法解释，例如氢和空气温合气的着火浓度界限的实验结果正好与热自燃理论对双分子反应的分析结果相反。

图4-5氢与空气的可燃混合气的压力极限

一、链锁自燃在低压下一些可燃混合气如H2+O2、OO+O2和CH4+O2等，其着火的临界压力与温度的关系曲线也不像热自燃理论所提出的那样单调地下降，而是呈S形，有着二个或二个以上的着火界跟，出现了所谓“着火半岛”的现象。

图4-6着火半岛现象（碳氢化合物与空气的混合气的着火界限）

一、链锁自燃这些情况都说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起的。实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应却是不多。

一、链锁自燃链锁自燃理论认为，使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分枝，迅速增殖活化中心来促使反应不断加速直至爆燃着火。

1．链锁分枝反应的发展条件

简单反应的反应速度随时间的进展由于反应物浓度的不断消耗而逐渐减小；但在某些复杂的反应中，反应速度却随着生成物浓度的增加而自行加速。这类反应称为自动催化反应，链锁反应就属于这种更为广义的自动催化反应。

1．链锁分枝反应的发展条件链锁反应的速度受到中间某些不稳定产物浓度的影响；在某种外加能量使反应产生活化中心以后，链的传播就不断地进行下去，活化中心的数目因分枝而不断增多，反应速度就急剧加快，直到最后形成爆炸。

1．链锁分枝反应的发展条件在链锁反应过程中，不但有导致活化中心形成的反应，也有使活化中心消灭和链锁中断的反应，所以链锁反应的速度是否能得以增长以致爆炸，还得取决于这两者之间的关系。活化中心形成的速度

初始条件求解，得

整个分枝链锁反应的速度

图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化

在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速度却很快，，则。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当时间趋于无限长时，活化中心浓度和反应速度都将趋于一个定值，即当2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化随着温度的增高，链的分枝速度不断增加而中断速度却几乎没有改变，值就逐渐增大，且成为正值，并随着温度升高愈大愈大。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化这时，活化中心浓度和反应速度却随着时间而急剧地增长。当时间趋于无限长时，两者都趋向于无限大，故反应就会由于活化中心不断积累而自行加速产生所谓“链锁自燃”现象。

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化因为W1值很小，故感应期内反应很缓慢，甚至观察不出；而后由于活化中心迅速增殖导致速度猛烈地增长形成爆燃；当然在活化中心不断积累，反应自行加速的同时还伴随着自行加热。图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当温度增加到某一数值时，却好使链的分枝速度等于其中断速度，即或，则此时活化中心浓度和反应速度均以直线规律随时间增长。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化在这种情况下，反应是不会引起自燃的。若稍微提高一些温度而使，则反应就会因活化中心的不断积累而致产生爆燃；但若温度稍低一些，则会因，使反应速度趋于一极限值而达到一稳态反应。所以这一情况正好代表由稳态向自行加速的非稳态过渡的临界条件。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化以（或）称为“链锁着火条件”，而相当于的混合气温度则称为“链锁自燃温度”。此时()的临界压力和温度就是链锁自燃的爆燃界限。对于氢氧混合气来说，链锁自燃温度T＝550℃。图4-8不同值下分枝链锁反应的发展

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化链锁自燃(或称链锁着火)现象在实验中可以观察到，例如在低压、等温下氢与氧可以无需反应放热而可由链锁反应的自行加速产生自燃，这就是所谓“冷焰”现象。二、感应期的确定

根据链锁反应的性质，在反应开始时速度很低，过了一段时间后，速度才开始上升到可被察觉出的程度。所谓感应期就是指反应速度由几乎为零增大到可以察觉到的一定数值时所需的时间。感应期

当时因在感应期内较大，故，同时可认为，则上式就可写成或感应期事实上，在一定组成、温度和压力下几乎为定值，它受外界的影响变化很小，所以或感应期这一结论已为实验所证实。如对一般可燃混合气着火而言，就有

三、着火半岛现象

着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证。在压力很低时，由于气体很稀薄，分子向四周的扩散速度很高，而且是压力越低，扩散越快。若此时容器的体积较小且压力又低，则活化中心向器壁的扩散就变得十分容易，因而就大大增加了与壁面碰撞失去活化的机会，这样就提高了链锁中断的速度，而且压力越低，中断速度越大。

三、着火半岛现象故当压力降低到某一数值时，就有可能使中断速度大于分枝速度，那时就出现了链锁自燃的低界限。若提高容器内混合气的压力，则由于分于浓度的增大，减少了活化中心与器壁的碰撞机会，则此时链锁的中断就主要发生在气相内部活化中心的相撞中。三、着火半岛现象因此，随着压力的提高，这种机会越来越多，链的中断速度亦就越来越大，因而当压力增大到某一数值时，又会遇到分枝速度与中断速度相等的临界情况，这时就出现链锁自燃的着火高界限。三、着火半岛现象越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现第三个爆燃界限，高于该界限后会再一次引起爆燃。第三界限的存在完全可用热力着火理论来解释。三、着火半岛现象因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自动加速的作用越来越重要。达到第三爆燃界限时，由于反应放热大于散热而引起的升温和加速已居支配地位，此时的爆燃就纯粹是一种热力爆燃，完全遵循热自燃理论的规律。三、着火半岛现象通过对碳氢化合物和氧（空气）的着火测定实验，发现它们在着火临界压力—温度图上有好几个界限。图4-10已烷在空气中着火时的着火界限

三、着火半岛现象这种多界限的现象说明了着火现象的复杂性，其中可能同时有链锁自燃和热自燃，因此在着火理论研究方面又出现了一种所谓“链锁热力爆燃理论”；它认为燃烧的着火过程中既有出于热量积累产生升温而使反应加速的现象，也有在温度变化很小的每一瞬间由于链锁分枝而使反应加速的现象。

爆炸及其灾害

第一节爆燃及爆轰

化学反应导致的爆炸破坏效应很大程度上依赖于是爆轰还是爆燃引起的爆炸。爆燃是一种燃烧过程，反应阵面（reactionfront）移动速度低于未反应气体中的声速，反应阵面主要通过传导和扩散而进入未反应气体中。

第一节爆燃及爆轰

爆轰的反应阵面移动速度比未反应气体中的声速高。对爆轰来说，主要通过压缩反应阵面前面的未反应气体使其受热，从而使反应阵面向前传播。二者的主要差别在于前者是亚音速流动，而爆轰则为超音速流动。

一、爆燃

来自反应的能量通过热传导和分子扩散转移至未反应的混合物中。这些过程相对较慢，促使反应阵面以低于声速的速度传播。

图5-1气相爆燃物理模型（爆炸发生在左侧很远处）

一、爆燃爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于声速。压力波阵面在未反应气体中以声速向前传播，并逐渐远离反应阵面。随着燃烧反应不断向前行进，反应阵面会产生一系列单个的压力波阵面。

一、爆燃这些压力波阵面以声速离开反应阵面并在主压力波阵面处不断聚集。由于反应阵面不断产生压力波阵面，造成单个压力波阵面不断迭加，使得主压力波阵面在尺寸上不断增加。爆燃产生的压力波阵面持续时间长（几毫秒至数百毫秒），阵面宽而平滑。

二、爆轰

对某些反应而言，其反应阵面是通过强压力波不断向前传播的，强压力波通过压缩反应阵面前方的未反应物料，使其温度超过自燃温度。由于压缩进行得很快，导致反应阵面前方出现压力突变或激波。这种现象就是爆轰。二、爆轰爆轰又称爆震，它是一个伴有巨大能量释放的化学反应传输过程，同时反应阵面及其前方的冲击波以声速或超声速向未反应混合物传播。爆轰速度约在1500~9000m/s的范围。

（一）爆轰过程

图5-2气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）

（一）爆轰过程对于爆轰，反应阵面的移动速度大于声速。激波阵面（shockfront）在反应阵面前方不远处。反应阵面为激波阵面提供能量并且以声速或超声速驱动它持续向前行进。当反应阵面和激波阵面耦合在一起同步前行时，稳定发展的爆轰波便形成了。

（一）爆轰过程爆轰产生的激波阵面，其压力是突然上升的。最大压力与反应物料的相以及类型都有关系。持续时间与爆炸能有关系，一般在几秒至数十秒之间。

（二）影响爆轰发生的因素

1．浓度范围爆炸性混合气体的爆轰现象只发生在一定的浓度范围内，这个浓度范围叫爆轰范围。

2．强氧化剂

如纯氧或氯气（不是空气）等强氧化剂，会使反应加速，并发生爆轰现象。氯酸盐、高氯酸盐等氧化剂的存在会发生加速反应或爆炸性反应。

3．压力

压力的增加也可以导致反应速度的增加。乙炔管线过热。温度的增加导致乙炔分解。反应增加了气体压力从而使分解速度增加，并发展为爆轰速度。

4．反应热

如果在燃烧反应中放出的热量巨大，同样可能造成某些稳定混合物发生爆轰。

5．初始温度

混合气的初始温度对爆轰的传播速度影响很小，实验数据表明，升高温度反而使爆轰速度有所下降。原因是升高温度使气体密度减小所造成。6．管径或容器的长径比

由于爆炸性混合气体在点火以后到形成爆轰有一段发展过程，在常压非扰动的初始条件下，在管子或小直径容器中爆轰的形成与管道或容器的长径比有关。大型容器即使长径比小，也不能因此认为不会引发爆轰。当有相当大的扰动产生，或能量很高的点火源，也可使爆轰在大型容器中产生。7．催化剂

催化剂通常可以降低初始反应所需要的能量，并可导致反应加速。因此催化剂可以使更多的混合物通过施加一个引发源来开始反应，并达到爆轰速度。三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）

爆轰可以通过两种方式产生：一种是直接起爆，如用炸药、强激光等高能量物质来进行直接起爆，这种方法需要巨大的点火能量，对于一般碳氢燃料，约需105~106J；

三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）另一种是通过爆燃向爆轰转变（DDT）的方式产生，即采用弱点火能量点火形成火焰，火焰在一定条件下加速，形成湍流燃烧，再形成热点，并逐渐放大，形成爆轰。

三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）爆燃转爆轰（DDT）在管道中尤其常见，但是在容器或开放空间中却不太可能发生。

转变机理

在一个装有预混可燃气体混合物的管子里，如果一端封闭，在靠近封闭端处点火，形成爆燃波。爆燃波从封闭端向另一端传播。由于波后的燃烧产物被封闭端限制，从而使爆燃波后压力和温度不断升高，使火焰加速。转变机理由此在波前形成压缩波，它在波前局部声速向前传播。由于爆燃波后的温度和压力不断提高，后面的压缩波赶上前面的压缩波，经过一定时间和距离形成激波。激波诱导气流二次运动，使层流火焰变成紊流火焰，形成许多局部爆炸中心。

转变机理当一个或若干个局部爆炸中心达到临界点火条件时，产生小的爆炸波向周围迅速放大，并与激波反应区结合形成自持的超声速爆轰波。激波对化学反应有诱导作用，决定了化学反应的感应时间。化学反应对激波起驱动作用，提供激波传播所需能量。

图5-3爆燃波向爆轰波转变过程中压力曲线随时间的变化

四、爆燃和爆轰的破坏机理

爆燃和爆轰造成的破坏有显著不同，相同的能量，爆轰造成的破坏比爆燃大得多，主要是由于爆轰的最大超压更大。爆燃虽然最大超压低，但是压力持续时间长，对某些结构组件可能更有破坏性。爆燃破坏机理如果爆炸是由爆燃造成，爆炸产生的碎片比较少，而且在裂缝附近的容器壁面厚度会变薄；这是因为在破裂前容器壁会发生形变，也可称为应力破裂或延性破坏（stressfracture或ductilefailure）。

爆轰破坏机理如果爆炸是由爆轰引起的，则激波阵面的突然到来造成容器破裂，形成大量碎片。从裂缝附近抛出的碎片也没有变薄，这是因为容器破裂时间非常短，器壁来不及变薄，这就是所谓的脆性破坏（brittlefracture）。

四、爆燃和爆轰的破坏机理这两种破裂模式的差别是由于爆炸压力作用到器壁上的速率的不同导致的。对于爆燃的情况，压力缓慢作用到器壁，使得器壁有时间延展，最后撕破。而对于爆轰的情况，由于压力作用非常突然，器壁没有时间进行延展就破裂了。第二节蒸气云爆炸

一、基本概念可燃蒸气云点燃后若火焰速度加速到足够高并产生显著的超压，则形成蒸气云爆炸。若不能火焰加速而产生显著超压，则只是产生闪火（flashfire，是蒸气云的非爆炸性突然燃烧）。若喷泄而出的粉尘在空气中分散后被点燃并发生爆炸，也可以归为蒸气云爆炸以作分析。

二、成因及特点

只有压缩能和热能才能单独形成蒸气云。能量的大小与蒸气云的增长速度、可燃蒸气云的形成速度直接相关。

二、成因及特点一般情况下，若容器压力越高，则可燃物泄漏速度越快，形成等体积蒸气云的时间越短，卷吸空气而形成可燃混合物的速度也越快。对于泄漏液体，只有过热液体才能迅速蒸发并快速形成大的蒸气云团。

发生蒸气云爆炸的条件

泄漏的物质必须是可燃的；点燃之前必须形成足够尺寸的蒸气云；在点燃之前要有足够量的空气混合进入蒸气云，以使得混合物的浓度在可燃范围内；蒸气云燃烧时火焰必须加速传播，否则只会形成闪火。

图5-4形成蒸气云爆炸的示意图

二、成因及特点蒸气云爆轰时，爆源初始尺寸约为爆炸长度的1/10，蒸气云爆燃时，爆源初始尺寸与爆炸长度相当。和炸药激波相比，蒸气云爆炸的爆炸波能级较低，峰值压力不高。二、成因及特点蒸气云爆炸的能量释放速率也比凝聚相爆炸的能量释放速率小得多。因此，蒸气云爆炸形成的爆炸波有很尖的负相部分，并且形成明显的第二爆炸波。图5-5蒸气云爆炸的理想爆炸波波形

蒸气云爆炸事故的特点

蒸气云爆炸事故频率高，后果尤为严重；绝大多数是由燃烧发展而成的爆燃，而不是爆轰；蒸气云的形成是加压储存的可燃液体和液化气体大量泄漏的结果，储存温度一般大大高于它们的常压沸点；蒸气云爆炸事故的特点发生蒸气云爆炸时泄漏的可燃气体或蒸气的质量一般在5000kg以上；参与蒸气云爆炸的燃料最常见的为低分子碳氢化合物；除了氢以外，能够引起蒸气云爆炸的大多数可燃气体或蒸气的密度及与空气形成的易爆混和物密度都大于周围大气的密度；蒸气云爆炸事故的特点从开始喷泄到点燃之间时间拖得越长，爆炸的总能量就越大，后果也就越严重；蒸气云爆炸与凝聚相爆炸不同，不能看作点源爆炸，而是一种面源爆炸。

三、危害及防护

可燃蒸气云团被点燃后有两种典型的危害，即火球和蒸气云爆炸。即使发生蒸气云爆炸，参与爆炸的可燃物的数量也少的惊人，大部分可燃物是以火球的形式燃烧掉。云团的核心几乎完全是燃料，只是外围由可燃浓度范围内的混合物构成。三、危害及防护外围首先被点燃后，在可燃浓度范围内的蒸气云形成一个比较薄的壳包络着过富的混和物。当火焰蔓延到包络着过富云团的时候，在深部的燃料就发生燃烧。这种火焰的燃烧速度一般要比预混和气的火焰慢。因为热的燃烧气体的浮力增加，燃烧的云团会上升、膨胀并呈球形，表现为火球的形式。

三、危害及防护发生火球时，燃烧的能量几乎仅以热能的形式释放出来。蒸气云爆炸的破坏作用来自爆炸波、一次破片作用、抛掷物以及火球热辐射；爆炸波效应一般已经成了大多数蒸气云爆炸的鉴别标志。三、危害及防护要预防蒸气云爆炸事故的发生，唯一可靠的方法是防止发生可燃物的大量泄漏。可以从根本上减少系统中易燃物的储存量，以及缓和反应条件。

三、危害及防护气象条件影响着蒸气云爆炸的全过程，主要的影响因素是风速和气温，湿度、降雨量、大气压等的影响则处于次要地位。在做规划时应避免把新的石油或化工装置建在窝风的山沟里。三、危害及防护厂区内不宜种植高大的乔木，以免影响可燃气体逸散。在适当位置安装可燃物检测仪表。如能在低浓度下发现可燃泄出物，则应尽快采取防范措施。

第三节沸腾液体扩展蒸气爆炸

沸腾液体膨胀蒸气爆炸是温度高于常压沸点的加压液体突然释放并立即气化而产生的爆炸。加压液体的突然释放通常是因为容器的突然破裂引起的。它实质是一种物理性爆炸。二、典型形成过程

图5-6沸腾液体膨胀蒸气爆炸形成的示意图

三、危害及防护

破坏能量来源：容器本身是高压容器，它的突然破裂能够释放出巨大的能量，产生爆炸波并且将容器破片抛向远方；液化气剧烈燃烧能够释放出巨大的能量，产生巨大的火球和强烈的热辐射。

三、危害及防护事故的危害包括容器爆炸的爆炸波、容器碎片、热辐射及火球火焰的直接伤害。事故预防

防止压力容器失效。选用合格的工艺设备，并进行定期检查。预防其它火灾爆炸事故，尤其要防止易燃易爆物质的泄漏。运输过程中严格遵守危险化学品管理条例，可以限制同车运输的可燃物的量。

第四节喷雾爆炸

认为在敞开系统中处理可燃液体而温度低于闪点是安全的；当温度还低于其闪点的可燃液体的雾滴在空气中也会发生爆炸。

第四节喷雾爆炸用雾化流体或者把热的液体闪蒸，接着用冷的气体骤冷，就可能获得空气中的液体分散相微滴。电火花、明火、热金属线、子弹等都可以使雾滴开始点燃。但是在较低的温度下，要求的能量是较高的。第四节喷雾爆炸雾滴的燃烧速度不是决定于蒸气压力，相反，而是决定于使微滴到达它的沸点和液体蒸发所需要的热量。在蒸气着火之前有相当大的气化反应。当雾滴表面接近沸点时才发生燃烧。

第四节喷雾爆炸细微液滴的爆炸下限与蒸气空气混合物的爆炸下限是完全相同的。雾滴的均匀性在火焰传播方面是十分重要的因素。雾滴中的爆炸速度比在蒸气空气混合物中稍微低一些，但是随着雾滴浓度的增加而增大。第四节喷雾爆炸用添加剂可以使雾滴成为不燃性，它可以抑制火焰的传播，不燃性的气体如N2和CO2；也可以把水加入雾化的混合物可以使油雾成为不燃的；用化学抑制燃烧的过程OH基起着重要作用，通过OH基同HBr、HI或HCl中任何一个反应，可以中断燃烧。第五节粉尘爆炸

粉尘爆炸是悬浮在空气中的可燃性团体微粒接触到火焰（明火）或电火花等任何着火源时发生的爆炸现象。

常见可爆炸粉尘材料包括：

农林：粮食、饲料、食品、农药、肥料、木材、糖、咖啡。矿冶：煤碳、钢铁、金属、硫磺等。纺织：棉、麻、丝绸、化纤等。轻工：塑料、纸张、橡胶、染料、药物等。化工：多种化合物粉体。

常见粉尘爆炸场所是：

室内：通道、地沟、厂房、仓库等。设备内部：集尘器、除尘器、混合机、输送机、筛选机、打包机等。广州番禺一工厂粉尘爆炸4死12伤。工厂爆炸将一幢四层楼的玻璃全部震碎，一楼部分墙体倒塌1m3粉尘爆炸粉尘爆炸实验面粉简易实验1面粉简易实验2白糖爆炸分析一、粉尘基础知识

（一）概述粉尘是粉碎到一定细度的固体粒子的集合体，按状态可分成粉尘层和粉尘云两类。粉尘层（或层状粉尘）是指堆积在物体表面的静止状态的粉尘；粉尘云（或云状粉尘）则指悬浮在空间的运动状态的粉尘。（一）概述

粉尘粒度是粉尘爆炸中一个很重要的参数；粉尘的表面积比同质量的整块固体的表面积可大好几个数量级。表面积的增加，意味着材料与空气的接触面积增大，这就加速了固体与氧的反应，增加了粉尘的化学活性，使粉尘点火后燃烧更快。

（一）概述粉尘粒子的形状和表面状态对爆炸反应也有较大的影响。即使粉尘粒子的平均直径相同，但若其形状和表面状态不同，其爆炸性能也不同。

（二）粉尘爆炸的条件（五边形）（二）粉尘爆炸的条件燃料：可燃粉尘。粉尘的颗粒大小尺寸是重要的，越小的颗粒更可能悬浮和更容