地质勘测专业2018年版《爆破工程》 第十二章_燃烧与爆炸

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1、第二章 燃烧与爆炸 火灾和爆炸是最具破坏作用的安全事故。 本章学习燃烧和爆炸的基本原理，研究火灾 和爆炸事故的一般规律，掌握防火防爆技术措施。,2.1 燃烧及其特性 2.1.1 燃烧与氧化 燃烧是同时产生光和热的剧烈氧化反应，如： C O2 CO2 Q 光 CH4 2O2 CO2 2H2O Q 光 燃烧反应必须具有如下3个特征： (1) 是一个剧烈的氧化还原反应； (2) 放出大量的热； (3) 发出光。 根据这三个特征，可以把燃烧与其他现象区别 开来。,无氧燃烧反应 ： 氯得到电子被还原，而铁和氢失去电子被氧 化，在反应过程中同时有光和热发生，故属于燃烧 反应。 有的反应虽然是氧化还原，但不

2、是燃烧反应； （没有产生光和热 ）,2.1.2 燃烧条件 1）燃烧必须具备三个条件 有可燃物存在。 有氧化剂存在。 有能导致着火的能源。 上述三个条件是燃烧的必要条件。但具备了这 三个条件，也不一定发生燃烧，还要看是否具备充 分条件。,2）燃烧的充分条件： 可燃物与助燃物要达到一定的比例，才能 引起燃烧。 例如：将在空气中能燃烧的物质放在含氧量 为5%的容器内，就不一定能燃烧。 点火源要有一定强度(即温度和热量要达到 一定强度)。 例如：用一根火柴就不一定能点燃一根粗木 棒。 3）近代燃烧理论提出的第四个燃烧要素即自,由基反应能继续下去。 这种理论尚未得到普遍认同，有兴趣的同学可自学。 2.1

3、.3 燃烧形式及燃烧过程 1）可燃物及其燃烧形式 可燃物质可以是固体、液体或气体；绝大多数可燃物质的燃烧是在气体(或蒸汽)状态下进行的；燃烧过程随可燃物质聚集状态的不同而有差异。 A）气体燃烧 在三种形态的可燃物中，气体最易燃烧。 气体的燃烧形式分为两类：,混合燃烧：可燃气体和空气或氧气预先混合 成可燃气体的燃烧。 但如果可燃气体与空气或氧气的混合浓度处于 爆炸范围内就可能发生爆炸。 扩散燃烧：可燃气体分子与空气中的氧分子 通过互相扩散，边混合边燃烧。 这是常用的气体燃烧方式，如家用燃气灶具， 燃气切割工具等都是用的这种燃烧方式。 B）液体燃烧,通常液体燃烧并不是液体本身燃烧，而是在热 源作用

4、下由液体蒸发所产生的蒸汽与氧发生反应以 至着火燃烧，亦称为蒸发燃烧。 C）固体燃烧 固体燃烧又分为分解燃烧和表面燃烧。 分解燃烧 简单固体可燃物质，像硫在燃烧时，先受热熔 化(并有升华)继而蒸发生成蒸汽而燃烧；复杂固体 物质，如木材，燃烧时先是受热分解，生成气态和,液态物质，然后由气态物质和液态物质的蒸汽与氧 反应而燃烧； 这些燃烧现象均有火焰出现，属于 火焰型燃烧。 表面燃烧 燃烧在固体的表面进行，看不出扩散火焰，如 木炭的燃烧。 但有的燃烧是分解燃烧与表面燃烧交替进行的 ，如木材的燃烧。 2）燃烧过程的温度变化,物质在燃烧时，其温度变化是很复杂的。如下 图2.1所示：图中各符号为： T初可

5、燃物开始加热时的温度， T氧可燃物开始氧化的温度， T自理论自燃点温度， T自实验自燃点温度， T燃可燃物的燃烧温度。,T初为可燃物开始加热时的温度，大部分热量用 于熔化、蒸发或分解，故可燃物温度上升缓慢。到 T氧时，可燃物开始氧化。由于温度较低，氧化速度 不快，氧化所产生的热量还较少，若此时停止加热 ，仍不致引起燃烧。 如继续加热，则氧化反应速度加快，温升亦快 ，当达到T自时，此时氧化产生热量的速度与向环境 散发热量的速度相等；温度再稍升高，就突破这种 平衡状态，即使不再加热，温度也能自行上升，到 T自就出现火焰并燃烧起来。 从T自到T自这一段延迟时间称为诱导期，也称 着火延滞期，用Q诱表示

6、。,诱导期是指物质温度已达到理论上的着火点， 但并不立即着火，而要经过一定时间后才着火。 诱导期长短与测试条件有关，不仅决定于燃料 的性质，而且与环境温度、混合气压力以及可燃物 浓度有关。 混合气的着火延滞期与外界温度和压力的关系 可用下列公式表示：,式中： Q诱着火延滞时间，S pk 混合气压力，MPa T器壁温度，K E最小点火能量，J R气体常数，8.314 J/molK 2.1.4 燃烧种类 （一）着火 在有空气存在的环境中，可燃物质与明火接触 能引起燃烧，并且在火源移去以后仍能保持继续燃 烧的现象叫着火。,能引起着火的最低温度叫着火点或燃点。如木 材的着火点为295。 （二）闪燃 闪

7、燃与闪点：可燃液体的表面蒸汽与空气 形成的混合可燃气体，遇到明火以后，只出现瞬间 闪火而不能持续燃烧的现象叫闪燃。 引起可燃液体闪燃的最低温度叫闪点。闪点是评价 可燃液体危险程度的重要参数之一。 互溶的两元可燃混合液体的闪点，一般介于原 来两液体闪点之间。但不呈现线性关系。,易燃液体与不燃液体混合时，由于易燃液体的 蒸汽压下降，闪点就相应提高。 表2.1列出了乙醇水溶液的闪点变化，其闪点 随乙醇浓度的降低而升高。 除液体之外，某些固体由于在室温或稍高于室 温的下即能挥发或升华，在其周围空气中的浓度能 达到闪燃的浓度，因此也有闪点，如 硫、萘和樟 脑等。 闪点测试及其影响因素 可燃液体的闪点用实

8、验方法测试，常用的闪点 测定仪有开杯式和闭杯式两种，测出的闪点有开杯,闪点和闭杯闪点之分。 不同资料来源的闪点数据常有些出入，这是因 为在测定闪点时存在如下一些影响因素：,a 点火源的能量大小与离液面的距离。 点火能量大测得的闪点值偏低。火源距离液面 越近，测得试样的闪点值就越偏低。 b 加热速率。 加热过快，液相温度梯度较大，导致液面上蒸 汽分布不均，测得的闪点值偏高。 c 试样的均匀程度。 在测试过程中，要进行搅拌，否则试样浓度不 均(温度也不均)，影响测定数值。,d 试样的纯度。 能溶于水的试样，随水分含量的增高则闪点值 升高。 e 测试容器。 用闭杯式时，试样蒸汽不散失，故测得的闪点

9、值要比开杯式测得的数值低。 f 大气压力的影响。 高于1个大气压测得的闪点值偏低；低于1大气 压测得的闪点值偏高。因此要按实际气压进行温度,修正。 e 测试容器。 用闭杯式时，试样蒸汽不散失，故测得的闪点值 要比开杯式测得的数值低。 f 大气压力的影响。 高于1个大气压测得的闪点值偏低；低于1大气压 测得的闪点值偏高。因此要按实际气压进行温度修正。 （三）自燃 可燃物质在外部热源的作用下或自行发热而引,起燃烧的现象叫自燃。 可燃物质产生自燃的最低温度叫自燃点，也称 引燃温度。 1）受热自燃和自热自燃 A）受热自燃。是指可燃物受外部传热影响而 使温度上升，达到自燃点而着火燃烧。 物质发生受热自燃

10、取决于两个条件：一是要有 外部热源；二是有热量积蓄的条件。 B）自热自燃。是指因可燃物内部发生物理、,化学、或生化过程而产生热量，并逐渐积聚，以致 使可燃物温度达到自燃点而着火燃烧。 自热自燃的条件 a 必须是较易发生放热反应的物质； b 要有较大的比表面积或呈多孔隙状； c 热量产生的速度必须大于向环境散发的速度。 自热自燃的几种类型 a 由氧化热积蓄引起的自燃。 如含油破布、棉纱、木屑等有很大的氧化表面,能引起自热自燃； 煤因氧化与吸附作用可自热自燃； 硫化铁易在常温下发生氧化反应而放热，因 此极易自燃； 含有大量不饱和脂肪酸的亚麻酸、桐油等，其 双键在空气中氧化时会放出较高的热量而发生自

11、燃。 b 由分解发热而引起的自燃。 常见可因分解发热而自燃的物质有硝化棉、赛 璐珞等和有机过氧化物。,储存的硝化棉应浸润在乙醇或异丙醇混合液中 ，防止成干燥状态，以免发生自燃。 c 由于聚合热、发酵热引起的自燃。 如具有较高化学活性的单体，在贮存时应加入 阻聚剂，防止聚合作用放热造成事故；如环氧丙烷。 未经充分干燥的木屑、麦草等由于细菌活动放 出热量，在散热条件不良时，可能因热量聚积而引 发燃烧。 d 由化学品混合接触而引起的自燃。,a）接触空气而自行燃烧的物质。如黄磷、磷 化氢等。 b)接触水分能引起自燃的物质。如碱金属钾、 钠及磷化钙、硼氢化物等，与水反应析出氢气，反 应热导致氢气自行燃烧

12、。 c）相互混合引起自燃的物质。如硝酸、高锰 酸钾、漂白粉等一些氧化剂，当它们遇到有机物时 就能因反应放热而自行燃烧。 2）自燃点的测定及其影响因素,用自燃点测试仪可测定可燃液体或气体的自燃 点。 自燃点不是一个恒定的物理常数，受到一系列 因素的影响。其影响因素如下： 可燃物浓度的影响。在可燃极限范围内， 可燃气体（蒸汽）与空气的配比为化学计算量时， 自燃点最低。 压力的影响。压力愈高，自燃点愈低；压 力愈低，自燃点愈高。,容器影响。试样容器的材质、直径、表面状 态等对自燃点的测定值由影响。如容器的直径越小 ，越易散热，自燃点便越高。 添加剂或杂质的影响。如含有过氧基化合 物的烃类，自燃点会降

13、低；而含卤素或卤代烷，则 对烃类燃烧起抑制作用。 固体物质的粉碎度对自燃点的影响。粉碎 度越细，粒径越小，其自燃点越低。,2.1.5 氧指数 氧指数又叫临界氧浓度(COC)或极限氧浓度 (LOC)，它是用来对固体材料可燃性进行评价和分 类的一个特性指标；是指维持燃料火焰燃烧的最低 氧浓度。 氧指数高的材料不易着火，氧指数低的材料容 易着火。 材料的氧指数的测定方法按国家标准GB2406 80标准规定进行测试。,2.1.6 最小点火能量 通过发生电火花使处于爆炸范围内的可燃气体 混合物着火或爆炸所必须的最小能量称为最小点火 能。其工作原理如图2.4所示。计算公式为： 其中： E放电能量 J (焦

14、耳) C电容量 F (法拉) U电压 V (伏特) Q电荷 C (库仑),可燃混合气点火能量的大小取决于该物质的燃 烧速度、热传导系数、可燃气体的浓度、温度、压 力以及电极间隙和形状。其中浓度影响较大，一般 当可燃气体的浓度稍高于化学计算量时，其点火能 量最小。 教材图2.5是乙炔含量对点火能量的影响曲线。 表2.4是可燃性气体的最小点火能量表。 2.2 燃烧机理 燃烧从本质上说是一种化学反应，它符合基本 的化学定律。但由于燃烧过程非常复杂，目前对其,机理的研究尚不充分，比较得到认同的是燃气燃烧 的连锁反应机理。 连锁反应由3个阶段组成： 链的引发 链的传递 链的终止 2.3 燃烧速度 可燃物

15、的燃烧速度是由可燃物与氧发生化学反 应的能力决定的，其氧化反应能力越强，燃烧速度 越快。 一般情况下：可燃气体的燃烧速度较快，可燃 液体的燃烧速度次之，可燃固体的燃烧速度较慢。,2.3.1 可燃气体的燃烧速度 1）可燃气体燃烧速度与其结构和组成有关， 简单构成的可燃气体比复杂的可燃气体燃烧速度快。 如氢气的燃烧速度比乙烯的燃烧速度快。 2）可燃气体的燃烧方式不同，燃烧速度也不 同。 混合燃烧速度比扩散燃烧速度快得多。 3）可燃气体的燃烧速度一般用火焰传播速度 来衡量，其速度式为：,u = ds/dt 式中： u火焰传播速度，m/s； s传播距离，m； t时间，s。 2.3.2 可燃液体的燃烧速

16、度 可燃液体的燃烧过程一般为液体受热蒸发（或 分解）成可燃气体，再着火燃烧。 液体的燃烧速度由两种表示方法：, 液体燃烧的质量速度 以容器每平方米面积上每小时燃烧掉液体的质 量来表示，单位是kg/m2h； 液体燃烧的直线速度 以每小时燃烧掉容器内液体的高度来表示，单 位是cm/h。 液体的燃烧速度还与液体的初温、容器的大小、 液体的热容、蒸发潜热、火焰的辐射强度、液面的 高低和液体中水分的含量等有关。,2.3.3 可燃固体的燃烧速度 可燃固体的燃烧过程一般要先经过熔化和气化 过程。 1）可燃固体的物质不同，燃烧速度差别很大。 2）可燃固体的比表面积越大，燃烧速度越快。 2.4 爆炸及其特性 爆炸是大量能量在瞬间以对外做功的形式迅速 释放，物系状态发生突变。表现为气体的迅速膨胀 。,1）爆炸的特征：