燃烧爆炸理论及应用 课件 第1-3章 绪论、燃烧及其灾害、物质的燃烧

燃烧爆炸理论主要内容第一章绪论燃烧爆炸第二章燃烧及其灾害燃烧条件燃烧过程及形式燃烧的种类燃烧机理燃烧极限及计算火灾主要内容第三章物质的燃烧气体的燃烧液体的燃烧固体的燃烧第四章预混气体的着火理论谢苗诺夫热自燃理论链锁自燃理论主要内容第五章爆炸及其灾害爆燃及爆轰蒸气云爆炸沸腾液体扩散蒸气爆炸喷雾爆炸粉尘爆炸爆炸温度、压力和强度主要内容第六章火灾爆炸的预防及控制着火源的控制静电及其控制惰化可燃性图表及其应用通风火灾和爆炸蔓延的控制爆炸的防护第一章绪论第一节燃烧一、人类对燃烧的认识过程燃烧俗称火，早在远古时代，人们就开始用火了。人类真正认识火的本质，科学地解释这一现象，则是从氧的发现开始的，至今只有两百多年的历史。

火的传说我国的五行说：“金、木、水、火、土”；古希腊的四元说：“水、土、火、气”；古印度的四大说：“地、水、火、风”等。在古人看来，火是万物之源，火能化育万物。火的应用人类在懂得用火之前，其生活与动物基本一样，“食草木之食，鸟兽之肉，饮其血，茹其毛”。因此，健康状况差，寿命短，生殖能力低下，人在地球上的数量极少。火的应用科学家研究发现，在遥远的旧石器时代,人数增加一倍需要三万年，经过长久的繁衍，直到一万年前，全世界人口还不到500万。火的应用学会用火，摆脱了蛮荒时期的生活方式，使人吃上有滋有味的熟食；生活条件大大改善，人的智力和体质也发生了变化，繁衍后代的能力逐渐提高。到了新石器时期，人口增长一倍的时间缩短为150年，到了1830年，世界人口已达到10亿。

火的应用火的使用，促进了人类自身的发展，还表现在以下两个方面：(1)走进洞穴，实现了定居(2)扩大了人类的生活空间

(1)走进洞穴，实现了定居在火被利用之前，古人类不是洞居的。发现火能够驱赶寒冷和潮湿，并且为使火种易于保存，才开始居住在山洞里。由不固定的野外居住变为相对稳定的洞居，这是火给人类生活带来的一大变化。(2)扩大了人类的生活空间因为发现火能取暖，人类便由有限的居住地扩展到了全球各地，在寒冷的地区也能生活。

火的应用到了近代，随着科学技术的发展和生产力水平的不断提高，火在工业技术中的应用日益广泛，例如制陶、冶金等。使得人们迫切地想要弄清火的本质，于是产生了种种对燃烧现象的解释。

燃素说燃素说认为，火是由无数细小的微粒构成的物质实体，这种火的微粒就是燃素。所有的可燃物质都含有燃素，并在燃烧时释放出来，变成灰烬；不含燃素的物质不能燃烧；物质燃烧之所以需要空气，是因为空气能够吸收燃素。

燃素说燃素说曾解释过许多化学现象，并对科学的发展起过一定的积极作用。直到18世纪下半叶，氧被发现后，燃烧的秘密才终于被揭开，从而也宣告了燃素说的破产。氧学说1774年，英国化学家普利斯特利在实验室发现了氧。法国化学家拉瓦锡进行了大量的实验，通过对实验结果的归纳和分析，终于在人类历史上第一次提出了科学的燃烧学说——燃烧的氧学说，并于1777年公布于世。氧学说中心思想是：燃烧是可燃物与氧的化合反应，同时放出光和热。现代化学表明，燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常拌有火焰、发光和(或)发烟现象。二、燃烧与人类文明的关系

利用了火，人类才吃上了熟食，改变了茹毛饮血的动物般的生活，使人的大脑逐渐发达。火的利用，极大地推动了科学技术的发展。火的利用火被用来酿造、制陶；火又被用于冶炼；燃烧提供动力的蒸汽机的发明和广泛使用，促进了近代工业和资本主义的发展。现代人们的衣食住行，工农业生产的发展，都离不开火。二、燃烧与人类文明的关系总之，人类文明是伴随着火的应用而发展的。没有火的利用，就没有今天的物质文明和精神文明。一部人类文明进步史，就是一部人类用火史。火的灾难火虽然给人类带来了现代文明，但燃烧一旦失去控制，又会给人类带来灾难。这种失去控制的燃烧所造成的灾害叫做火灾。火灾社会越发展，物质越丰富，火灾发生的频率和造成的损失就越大。2005年我国共发生火灾235941起，死亡2496人，受伤2506人，直接财产损失13.6亿元（不含森林、草原、矿井地下部分火灾）。

火灾其中重特大火灾283起，死亡501人，受伤282人，直接财产损失18656.8万元；商场市场、宾馆饭店、学校医院等人员密集场所共发生火灾9135起，死亡302人，受伤483人，直接财产损失12848.8万元；火灾个体私营企业共发生火灾21188起，死亡344人，受伤684人，直接财产损失31032.5万元，发生的火灾占企业火灾总数的四分之三以上。在公安消防部门调查的143232起火灾中，除原因不明的外，绝大部分火灾是人为因素引起的。

三、燃烧概述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。三、燃烧概述氢在氯中燃烧生成氯化氢。氢原子失掉一个电子被氧化，氯原子获得一个电子被还原。金属钠在氯气中燃烧，炽热的铁在氯气中燃烧，都是激烈的氧化反应，并伴有光和热的发生。三、燃烧概述金属和酸反应生成盐也是氧化反应，但没有同时发光发热，所以不能称作燃烧。灯泡中的灯丝通电后同时发光发热，但并非氧化反应，所以也不能称作燃烧。只有同时发光发热的氧化反应才被界定为燃烧。第二节爆炸

一、爆炸概述

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。

一、爆炸概述

能量的快速释放：冲击波大量能量在极短的时间内，在有限体积内突然释放并聚积：高温、高压爆炸介质在压力作用下，表现出不寻常的运动或机械破坏效应：碎片、声响

一、爆炸概述爆炸常伴随发热、发光、高压、真空、电离等现象，并且具有很大的破坏作用。爆炸的破坏作用与爆炸物质的数量和性质、爆炸时的条件以及爆炸位置等因素有关。爆炸的威力爆炸力的冲击波最初使气压上升，随后气压下降使空气振动产生局部真空，呈现出所谓的吸收作用。由于爆炸的冲击波呈升降交替的波状气压向四周扩散，从而造成附近建筑物的震荡破坏。爆炸的威力化工装置、机械设备、容器等爆炸后，变成碎片飞散出去会在相当大的范同内造成危害。化工生产中属于爆炸碎片造成的伤亡占很大比例。爆炸碎片的飞散距离一般可达到100—500m。

爆炸的威力爆炸气体扩散通常在爆炸的瞬间完成，对一般可燃物质不致造成火灾，而且爆炸冲击波有时能起灭火作用。但是爆炸的余热或余火，会点燃从破损设备中不断流出的可燃液体蒸气而造成火灾。二、燃烧与爆炸的区别

爆炸属于一种特殊的燃烧形式。火灾和爆炸之间的主要区别是能量释放的速度。火灾中能量释放很慢，而爆炸释放能量很快，通常是微秒级的。火灾也可能由爆炸引起，爆炸也可能由火灾引起。

二、燃烧与爆炸的区别（举例）轮胎中的压缩空气含有一定的能量，如果能量通过喷嘴缓慢释放，轮胎就无害地缩小；如果轮胎突然破裂，压缩轮胎内的所有能量迅速释放，就会导致爆炸。三、爆炸的分类

物理爆炸化学爆炸核爆炸物理爆炸

由物理变化所致，其特征是爆炸前后系统内物质的化学组成及化学性质均不发生变化。主要是指压缩气体、液化气体和过热液体在压力容器内，由于某种原因使容器承受不住压力而破裂，内部物质迅速膨胀并释放大量能量的过程。

物理爆炸蒸汽锅炉因水快速气化，压力超过设备所能承受的强度而产生的锅炉爆炸；装有压缩气体的钢瓶受热爆炸等。

化学爆炸

由化学变化造成的，其特征是爆炸前后物质的化学组成及化学性质都发生了变化。化学爆炸可燃气体和助燃气体的混合物遇明火或火源而引起的（如煤矿瓦斯爆炸）；可燃粉末与空气的混合物遇明火或火源而引起的（如粉尘爆炸）；更多的是炸药以及爆炸性物品所引起的爆炸。化学爆炸三要素反应速度极快放出大量热量产生大量气体只有上述三者都同时具备的化学反应才能发生爆炸。四、基本概念

机械爆炸：这种爆炸是由装有高压非反应性气体的容器的突然失效造成的。爆燃：在这种爆炸中，反应前沿的移动速度低于声音在未反应介质中的传播速度。四、基本概念爆轰：在这种爆炸中，反应前沿的移动速度高于声音在未反应介质中的传播速度。受限爆炸：这种爆炸发生在容器或建筑物中。这种情况很普遍，并且通常导致建筑物中居民受到伤害和巨大的财产损失。

四、基本概念无约束爆炸：无约束爆炸发生在空旷地区。这种类型的爆炸通常是由可燃性气体泄漏引起的。气体扩散并同空气混合，直到遇到引燃源。无约束爆炸比受限爆炸少，因为爆炸性物质常常被风稀释到低于LFL。这些爆炸都是破坏性的，因为通常会涉及到大量的气体和较大的区域。四、基本概念沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）：如果装有温度高于其在大气压下的沸点温度的液体的储罐破裂，就会发生BLEVE。紧接着BLEVE是容器内大部分物质的爆炸性汽化；如果汽化后形成的气云是可燃的，还会发生燃烧或爆炸。BLEVE当外部火焰烘烤装有易挥发性物质的储罐时，这种类型的爆炸就会发生。随着储罐内物质温度的升高，储罐内液体的蒸气压增加，由于受到烘烤，储罐的结构完整性降低。如果储罐破裂，过热液体就会爆炸性地蒸发。

四、基本概念粉尘爆炸：这种爆炸是由纤细的固体颗粒的快速燃烧引起的。许多固体物质（包括常见的金属，如铁和铝）当变成纤细的粉末后就成了易燃物。超压：由冲击波引起的作用在物体上的压力。四、基本概念冲击波：是沿气体移动的不连贯的压力波。敞开空间中的冲击波后面是强烈的大风；冲击波与风结合后称为爆炸波。冲击波中的压力增加的很快，因此，其过程几乎是绝热的。第二章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。（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。第三章物质的燃烧

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