燃烧和爆炸理论重点

第一章绪论燃烧（定义）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。爆炸是物质发生剧烈的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并半由巨大声响的过程。火灾和爆炸的主要区别是能量释放的速度。根据爆炸发生原因的不同，可将其分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三类。化学爆炸的主要特点是：反应速度极快、放出大量热量、产生大量气体，只有上述都同时具备的化学反应才能发生爆炸。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。冲击波是沿气体移动的不连贯的压力波，冲击波与风结合后称为爆炸波，其过程几乎是绝热的。第二章燃烧及其灾害燃烧的定义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。燃烧的本质因素（三要素）：燃料、氧化剂和引燃源。是燃烧发生的必要条件，而不是充分条件。燃烧四面体：可燃物、助燃物、游离基和点火源防火方法：控制可燃物、隔绝空气、消除或控制点火源灭火方法：①隔离法：将可燃物质同燃烧火场隔离开，燃烧就会停止；②窒息法：在燃烧过程中消除氧或者其他助燃剂成分，使燃烧反应因缺少助燃物质而停止燃烧；③冷却法：对燃烧物体进行降温，使其降低至着火温度以下，使燃烧停止；④抑制法：燃烧四面体为抑制法提供了理论依据，这种方法的原理是：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，形成稳定分子或活性游离基，从而使燃烧反应终止。任何可燃物质的燃烧都经历氧化分解、着火、燃烧等阶段。由理论上的自燃点T自到开始出现火焰的温度T’自间的时间间隔称为燃烧诱导期。可燃气体和助燃气体燃烧反应预混燃烧和扩散燃烧两种形式。均相燃烧和非均相燃烧；预混燃烧和扩散燃烧；蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧。可燃固体或液体的燃烧反应有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧。燃烧可以分为闪燃、着火、自燃和爆炸四个种类。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。这种现象成为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。闪点的测量。开杯闪电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。测量闪点时存在如下的一些影响因素：①点火源的大小与距离液面的距离②加热速率③试样的均匀程度④试样的纯度⑤测试容器⑥大气压力的影响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。在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。物质自燃有受热自燃和自热燃烧两种形式。受热自燃的两个条件：外部热源、有热量积蓄的条件自热自燃的三个条件：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：①由于氧化热积蓄引起的自燃；②由分解发热而引起的自燃；③由于聚合热、发酵热引起的自燃；④由于化学品混合接触而引起的自燃自燃点的测定及影响因素：①可燃物浓度；②压力；③容器；④添加剂或杂质；⑤固体物质的粉碎度。化学爆炸的分类：简单分解爆炸、杂分解爆炸、爆炸性混合物爆炸根据爆炸速度分类：轻爆、爆炸、爆轰。燃烧机理：活化能理论、过氧化物理论、链锁反应理论链锁反应理论：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。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。链的引发：Cl2→2Cl•链的传递：2Cl•+H2→HCl+H•H•+Cl2→HCl+Cl•链的终止：H•+Cl•→HClCl•+Cl•→Cl2H•+H•→H2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。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。燃烧极限的估算（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LFL=0.55CstUFL=3.50Cst（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。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。工业火灾分为池火灾和喷射火灾。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。喷射火灾：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，形成喷射火灾。第三章物质的燃烧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：正常火焰传播和爆轰。（Ⅰ）区是爆轰区。特点：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（Ⅲ）区是正常火焰传播区。特点：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。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。100空气的摩尔数燃料的摩尔数燃料的摩尔数stC21.01100z燃料的摩尔数空气的摩尔数1100燃料的摩尔数氧气的摩尔数21.011100niiimixUFLyUFL11niiimixLFLyLFL11BBLBBLLffm110010011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。（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。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。油罐火灾的特征可分为三个阶段：油罐火灾初期：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。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。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。沸溢和喷溅：在热波向液体深层运动时，由于热播温度远高于水的沸点，因而热播会使油品中的乳化水气化，大量的蒸气就要穿过油层向液面逃去，在向上移动过程中形成油包气的气泡，即油的一部分形成了含有大量蒸气气泡的泡沫。这样，必然使液体体积膨胀，向外溢出，同时部分未形成泡沫的油品也被下面的蒸气膨胀力抛出罐外，使液面猛烈沸腾起来，就像“跑锅”一样。这种现象叫沸溢。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。木材燃烧大体分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。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。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。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。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。第四章预混气体的着火理论在热着火理论中，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。第五章爆炸及其灾害爆燃是一种燃烧过程，反应阵面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进入未反应气体中。爆燃是一种带有压力波的燃烧，爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于声速。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。蒸气云爆炸必须满足的条件：①泄露的物质必须是可燃的。②点燃之前必须形成足够尺寸的蒸气云。③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。风速越大，空气混合进入的速度越快，形成可燃云团的时间越短。④蒸气云燃烧时火焰必须加速传播，否则只会形成闪火。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。沸腾液体膨胀蒸气爆炸（BLEVE）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。BLEVE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。粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同。气体爆炸采用体积百分数（％）表示；粉尘爆炸一般都用单位体积中所含粉尘粒子的质量来表示，常用单位是g/m3或mg/L。粉尘爆炸的特点：①燃烧速度或爆炸压力上升速度比气体爆炸要小，但燃烧时间长，产生的能量大；②发生爆炸时，有燃烧粒子飞出，会使可燃物局部严重炭化和人体严重烧伤；③引起第二次爆炸；④伴随有不完全燃烧，含有大量的CO，会引起中毒。粉尘爆炸的影响因素：①化学性质和组分②粒度大小及分布的影响③可燃性气体共存的影响④最小点燃能量⑤爆炸极限⑥水分含量压力上升速度dp/dt是衡量燃烧速度的尺度，也就是衡量爆炸强度的尺度（即爆炸强度）。压力上升速度的定义是，在爆炸压力-时间曲线的上升线段通过拐点引出的切线斜率，等于压力差除以时间差的商。三次方定律可用来估计在一个有限空间内，如建筑物或容器中爆炸所造成的后果。第六章火灾爆炸的预防及控制在动火前必须进行动火分析，一般不要早于动火前半小时。如动火中断半小时以上，应重做分析。化工企业的动火标准是，爆炸下限＜4％的，动火地点可燃物浓度＜0.2％为合格；爆炸下限＞4％的，则现场可燃物含量＜0.5％为合格。在爆炸性物质的处理中，如果其中含有微小气泡时，有可能受到绝热压缩，导致意想不到的爆炸事故。静电火花引起火灾爆炸事故必须具备下列条件：要具备产生静电的条件。要具备产生火花放电的电位。有能产生火花放