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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,(V340m/s)缓燃波是指相对于未燃混气以亚音速传播的燃烧波(V340m/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1176.4%100)(下NL476.4%1004NL上经验公式: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:055.0CL下048.0CL上[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04343.01347.01nL下05151.010337.01nL上——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%332211100LVLVLVmLLm——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:%37.4%86.1137.2422.315580100下L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.
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