09 第三章 防火防爆技术基础 3-1 燃烧条件及特性.pptx

第1页：第3章防火防爆理论基础

3.防火防爆的理论基础

• 燃烧条件及特性
• 爆炸概述
• 爆燃
• 可燃气体爆炸
• 爆炸极限

第2页：第3章学习目标

3.防火防爆的理论基础——学习目标：

• 明确关于燃烧、爆炸的基本概念；
• 掌握燃烧和爆炸的基本原理；
• 掌握爆炸极限相关内容。

第3页：燃烧与爆炸的两面性

燃烧和爆炸是常见的自然现象和人为行为，其实质是一种独特的化学反应或物理过程。控制状态下的燃烧和爆炸，使人们从中得到所需的能量；失去控制的燃烧和爆炸，会给人类造成灾害。

第4页：研究燃烧的两个目的

在燃气行业中研究燃烧有两个目的：

• 一、研究燃烧为了防止燃烧（从研究燃烧条件、机理等方面入手，针对燃气行业中易燃、易爆的气、液相介质及富氧环境，发现并采取必要对策，制止不必要的燃烧即火灾事故的发生）；
• 二、研究燃烧为了利用燃烧（从研究燃烧机理、燃烧速度、导热速度、空气消耗系数设计入手，针对锅炉生产和容器热处理等过程，采取相应对策以提高热效率、得到理想热处理效果）。

第5页：防止燃烧的研究路径

防止燃烧：从研究燃烧条件、机理等方面问题入手，针对燃气行业中易燃、易爆的气、液相介质及富氧的环境，发现并相应采取必要的对策，制止不必要的燃烧（火灾事故等）的发生。

第6页：利用燃烧的研究路径

利用燃烧：从研究燃烧机理、燃烧速度、导热速度、空气消耗系数设计入手，针对锅炉生产和容器热处理等过程，发现并采取相应的对策，以提高热效率、得到理想热处理效果。

第7页：燃烧的定义

§3.1 燃烧条件及特性——3.1.1 燃烧的定义（《消防基本术语第一部分》GB5907-86）

燃烧

可燃物与氧化剂相互作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光、发烟现象。燃烧就是平常所说的「着火」，一旦失去对燃烧的控制就会发生火灾、造成危害，所以要研究防火必须了解燃烧。

第8页：燃烧过程的两个特性

燃烧过程具有两个特性：

• 有新的物质产生（燃烧是化学反应）；
• 伴随着发光放热现象。

第9页：燃烧的三要素

3.1.2 燃烧条件：燃烧必须同时具备可燃物、氧化剂和点火源三个条件。

可燃物

一般说来，凡是能在空气、氧气或其他氧化剂中发生燃烧反应的物质都称为可燃物，否则称不燃物。

第10页：可燃物的分类

可燃物分类：

• 按其常温状态分：可燃气体、可燃液体、易燃固体
• 按其组成分：有机可燃物、无机可燃物

第11页：无机与有机可燃物

无机可燃物

无机可燃物多为单质，其燃烧产物的组成较为简单，主要是它的氧化物，如Na₂O、CaO等。

有机可燃物

主要成分为C、H、O、S、P、N，可能的产物为CO、CO₂、H₂O、SO₂、P₂O₅；氮在一般条件下不参与反应，在特定条件下氮也会被氧化成NO、NO₂。燃烧中还会生成一些酮类、醛类、醇类、酚类、醚类等。

第12页：氧化剂

氧化剂（即助燃物）

凡是能和可燃物发生反应并引起燃烧的物质称为氧化剂。氧化剂的种类很多，氧气是一种最常见的氧化剂，它存在于空气中，故一般可燃物质在空气中均能燃烧。

第13页：点火源

点火源

指具有一定能量、能够引起可燃物质燃烧的能源，有时也称着火源或火源。「点火源」这一燃烧条件的实质是提供了一个初始能量，在这一能量激发下使可燃物与氧化剂发生剧烈的氧化反应，引起燃烧。

第14页：可燃气体的点火能量

可燃气体的点火能量很低，只有几十到几百微焦耳量级，因此极易被点燃。常见碳氢化合物和空气混合气体的最小点火能约为0.25mJ量级。

取人体的平均电容为200pF、化纤衣服的静电位为15kV，则其放电能量为22.5mJ，这足以点燃可燃气体。因此在生产、使用可燃气体的场所要加强点火源的控制。

第15页：点火源性质对爆炸的影响

点火源的性质对爆炸的影响

能量强度越高、加热面积越大、作用时间越长、点火位置越靠近混合气体中心，则爆炸极限范围越宽。

不同点火源具有不同的点火温度和点火能量。例如：明火能量比一般火花能量大，所对应的爆炸极限范围就大；而电火花虽然温度高，如果不是连续的，点火能量就小，所对应的爆炸极限范围也小。

第16页：燃烧三要素的质与量条件

对燃烧三要素的进一步理解：

「质」方面的条件——必要条件

①可燃物 ②氧化剂 ③点火源

「量」方面的条件——充分条件

①可燃气体浓度在一定范围内（燃烧范围）②点火能量大于可燃气体最小点火能

第17页：济南1.3爆炸事故经过

济南1.3煤气大爆炸：1995年1月3日17时50分，济南市和平路羊头谷东沟街地下电力电缆沟突然发生大爆炸，原因仍然是煤气泄漏引起的。该条宽4m的街道上埋有煤气管道和高压电缆，煤气管道距地面1.8m，高压电缆距地面只有1m，由于路窄施工时只好同位敷设，高压电缆与煤气管道只有1m左右的距离，而5m间距才是安全的。由于煤气管道密封不严，煤气不断泄漏进高压电缆沟，使长3km的高压电缆沟内充满煤气，使之成为埋在地下的巨大定时炸弹。当日该街一家玻璃店的煤炉首先引爆煤气，紧接着煤气管道上方的7条10000V高压电缆突然跳闸，产生的电火花再次引爆沟内煤气而发生连续爆炸。

第18页：济南1.3爆炸破坏情况

爆炸形成了一条3km长的丁字形爆炸区：行驶中的车辆被炸翻、砸坏，多处高空电线和电线杆被炸断，马路两侧部分楼房玻璃被震碎，临街围墙坍塌，商亭支离破碎，平房屋顶掀起，3辆摩托车随着爆炸声飞挂到3m高的房顶上，铺设人行道的水泥方砖落在60m以外的宿舍院内。

此次爆炸造成2.2km路段的人行道和部分路面不同程度损坏，严重地段临街建筑物玻璃炸毁、铺路花砖炸裂，快车道上61人受伤、12人死亡、7辆路过车损坏，直接经济损失400余万元。

第19页：燃烧范围与反应速度

燃气与空气的混合物并不是在任何混合比下都能燃烧的，它只有在一定范围内才能发生燃烧，而且混合比例不同燃烧速度不同，相应地火焰传播速度也就不同。燃烧过程的化学反应速度或释放热能的速度由燃气和空气二者浓度的乘积决定：

V＝f(C_a·C_g)

式中：V——燃烧反应速度；C_a——空气浓度；C_g——燃气浓度。由上式可看出：任意因素的浓度严重降低，均能促使反应速度减少并使释放的热能不能补偿热量的散失，进而使混合气不能被点燃，这就是混合气浓度过稀或过浓都不能顺利点火的原因。

第20页：燃烧上限与下限

燃烧下限

可燃气体含量减少到不能形成燃烧混合物时的含量。

燃烧上限

可燃气体含量一直增加到不能形成燃烧混合物时的含量。

上、下限之间称为燃烧区，在此之外的称为非燃烧区。只有在燃烧区内，可燃混合物才可能被燃烧，即出现燃烧的基本条件。

第21页：单一成分燃烧极限计算

燃烧极限计算——1）单一成分燃烧极限的近似计算：如果已知可燃物的相对分子量 M 和燃烧反应的低热值 ΔH，可以根据经验公式预测可燃物的燃烧下限 L（可燃物体积分数）。

式中：ΔH——燃烧反应的低热值，单位用 1Btu/lb 表示（1Btu/lb＝2300J/kg）；L——燃烧下限；M——相对分子量。

第22页：燃烧上限与危险度

燃烧上限 R 的计算式如下；根据前两个式子可以计算出危险度 H（可燃气体的危险性）。

式中：R——燃烧上限；H——危险度。

第23页：混合气体燃烧极限计算

2）两种或多种可燃气体（蒸气）混合物燃烧极限的计算：已知混合气体中各单一气体的着火极限，利用勒夏德里公式便可以计算出混合可燃气体的着火极限。

式中：L——燃烧下限；L_i——各组分的燃烧下限；φ_i——各组分在混合气体中的体积百分比。

第24页：含惰性气体时的修正

当混合气体中有惰性气体存在时，利用上式就不大准确。这时必须借助实验曲线，先确定某一可燃组分和惰性气体混合时的燃烧下限和上限，然后将二种组分的混合气看成一种可燃气体，再利用勒夏德里公式计算出该种可燃气与其他可燃气体混合在一起的燃烧极限。

第25页：最小点火能

最小点火能（最小火花引燃能、临界点火能）：

• 它是表达可燃气体爆炸危险性的重要参数，指使可燃气体和空气的混合物起火所必需的能量临界值；
• 如果引燃源的能量低于这个临界值，一般情况下不能着火；若点火源提供的能量大于最小点火能则发生燃烧反应；
• 可燃气体的最小点火能越小，泄漏后越易着火。

第26页：最小点火能的测定

可燃气体最小点火能量长期以来一直采用电容放电、通过变压器耦合使针形电极击穿产生电火花的方法来测定。通过实验研究发现，这种装置90%的能量损耗在电路中，只有10%的能量供给电极。

美国矿山局后来改进了点火线路，解决了能量损耗问题，提高了点火能量和持续时间；这些装置的主要原理是高压击穿、低压连续弧，并利用精确测得的电极两端放电电压和电流积分计算出电火花能量，使最小点火能量的测定更准确，更能反映实际点火的敏感度。

第27页：点火能测定装置图

本页源文件仅提取到页码标识，页面主体为最小点火能测定装置图片，位于「最小点火能的测定」与「3.1.3 燃烧分类」两节之间，建议对照原课件图片补充本页要点。

第28页：按着火方式分类

3.1.3 燃烧分类——按着火方式分类：

• 强制着火（点燃）：有外部能源（点火源）与可燃物直接接触（一般是局部或点接触）引起燃烧；
• 自发着火（自燃）：受热自燃、本身自燃。

第29页：本身自燃与受热自燃

a. 本身自燃

某些物质在没有外来热源影响时，由于物质内部所产生的物理、化学及生物化学过程产生热量，这些热量在某些条件下会积聚起来导致升温，又进一步加快上述过程的进行速度，当达到一定温度时就会发生燃烧（不需要外界提供能量）。

b. 受热自燃（加热自燃）

一般需要外部提供一定的能量，但提供能量的方式与强制着火不同：点火源并不与可燃物直接接触，不是局部地引起可燃物燃烧，而是间接地、整体地加热可燃物，从而引起可燃物整体瞬间着火。

第30页：气相燃烧

按燃烧时可燃物的状态分类——气相燃烧：即燃烧反应进行时可燃物和氧化剂均为气相。

• 气相燃烧的特征是有火焰产生，气相燃烧是均相燃烧，如氢气在氧气中的燃烧、煤气在空气中的燃烧；
• 气相燃烧是一种最基本的燃烧形式，多数可燃物（气体、多数液体和固体）燃烧时呈气相燃烧。

第31页：液相燃烧与固相燃烧

液相燃烧

即燃烧时可燃物呈液态。大部分液体燃烧是通过蒸发、分解成可燃气体呈气相燃烧的，只有某些液体在高温状态下直接发生燃烧，并非液体燃烧。

固相燃烧

即燃烧进行时可燃物为固相，特征是没有火焰、只产生光和热（阴燃）；只有某些固体的燃烧既有气相燃烧又有固相燃烧。

第32页：非均相燃烧

液相燃烧和固相燃烧都是在两相（液—气、固—气）之间的表面上进行的，所以又称为非均相燃烧。如：石油（液相）、木材（固相）在空气（气相）中的燃烧。

第33页：扩散燃烧与动力燃烧

扩散燃烧

可燃物与氧化剂（空气）的混合是在燃烧过程中进行的，即边混合边燃烧。特征：反应物向火焰区扩散，燃烧产物和热量背离火焰区扩散；燃烧速度由扩散速度决定，一般来说扩散燃烧较平稳。

动力燃烧

可燃物与空气（或其他氧化剂）已经混合混匀并且完全是气相，遇火源而燃烧。特征：反应物质不扩散，反应区（火焰峰）和热在混合物中向未反应区扩散；燃烧速度由化学反应速度决定，一般来说动力燃烧速度较快，可能导致爆炸。

第34页：不同状态物质的燃烧过程

3.1.4 不同状态物质的燃烧过程：自然界里一切物质在一定的温度和压力条件下都以一定的状态存在，固态、液态、气态三种状态物质的燃烧特点是不同的，三种状态物质的燃烧过程可用框图表示。

第35页：三态燃烧过程框图

三种状态物质的燃烧过程框图：

• 固态 → 熔化、蒸发、升华或分解 → 着火（自燃或点燃）→ 持续燃烧
• 液态 → 蒸发或分解 → 着火（自燃或点燃）→ 持续燃烧
• 气态 → 氧化、分解 → 着火（自燃或点燃）→ 持续燃烧

各过程均有热量放出并回馈加热未燃部分。

第36页：气体的燃烧

气体燃烧

气体燃烧的情况比较简单。由于气体在燃烧时所需要的热量仅仅用于氧化或分解气体以及将气体加热到燃点，因此一般说来气体比较容易燃烧而且燃烧速度比较快。

第37页：液体的燃烧

液体的燃烧：多数液体呈气相燃烧。液体在火源作用（加热）下，通常首先被蒸发呈气态，而后蒸发氧化分解开始燃烧。

• 蒸气燃烧：只有液体产生的蒸气进行的燃烧；
• 分解燃烧：由液体热分解产生可燃气体再燃烧；
• 某些液体在高温状态下直接发生燃烧（气相燃烧）。

第38页：固体的燃烧

固体的燃烧：多数固体呈气相燃烧，有些固体则同时产生气相燃烧与固相燃烧，不同化学组成的固体燃烧过程有所不同。

• 有些固体受热时首先熔化为液体，然后蒸发、燃烧，如硫、磷、石蜡、梯恩梯（TNT）炸药等；
• 有些组成较为复杂的固体受热后先分解成气态和液态物质，而后气态产物和液态产物的蒸气着火燃烧（气相燃烧），如沥青、木柴等。

第39页：燃烧持续的热量回馈

在蒸发、分解过程中会留下一些不分解、不挥发的固体，燃烧可在气、固相界面进行，即呈固相燃烧。

无论哪一种可燃物的燃烧，燃烧过程中都将放出大量的热能；放出的热量加热了可燃物，使其未燃烧部分达到燃点又发生燃烧，这样就使燃烧持续下去，直至可燃物质烧完燃烧才会停止。

第40页：完全燃烧与不完全燃烧

3.1.5 燃烧产物：物质的燃烧出现完全燃烧和不完全燃烧两种情况。

完全燃烧

物质燃烧后产生不能继续燃烧的物质，如CO₂、SO₂、水蒸汽等。

不完全燃烧

物质燃烧后产生还能继续燃烧的物质，如CO、未燃尽的碳、甲醇、丙酮、烟灰等；烟灰是不完全燃烧产物，由悬浮在空气中的未燃尽细炭粒及分解产物构成。

第41页：燃烧产物的毒性

燃烧是否完全与氧化剂的供给程度以及其他燃烧条件有直接关系。燃烧产物中CO₂为窒息性气体；CO、P₂O₅、NO、NO₂等都是有毒气体。

第42页：闪燃与闪点

3.1.6 燃烧类型——1.闪燃（适用于可燃性液体）

闪燃

是在液体表面上能产生足够的可燃蒸气，遇火发生一闪即灭的燃烧现象。

闪点

在规定实验条件下液体发生闪燃的最低温度，即在液体的某一最低温度时火星或火焰可使液体上部的蒸汽空间发生瞬时的火，该温度称为闪点。可燃液体温度高于闪点时随时都有被点燃的危险，闪点是评定液体火灾危险性的主要依据。

燃烧类型包括：1.闪燃 2.自燃 3.点燃。

第43页：乙醇浓度与闪点关系

可燃液体的闪点是随其浓度的变化而变化的。例：当乙醇含量为100%时，闪点只有9℃；当乙醇含量为80%时，闪点增至19℃；当含量降至5%时，闪点为62℃；含量再降至3%时，就没有闪燃现象了。

第44页：自燃的类型

2、自燃：分为受热自燃（间接地、整体地加热可燃物）与本身自燃（不需要外界提供能量）。

常见的自燃现象：堆积植物的自燃；煤的自燃；涂油物（油纸、油布）的自燃；化学物质的自燃。需注意潜在的火灾危险性较大。

第45页：点燃与燃点

点燃

指可燃物质遇明火直接接触引起燃烧，在火源移去后仍能保持继续燃烧的现象，又称强制着火。

燃点

指物质能被点燃的最低温度。

第46页：自燃与点燃的区别

自燃

可燃物由于受到外界热源间接加热或自身放热，受热比较均匀，发生燃烧时整体温度较高，燃烧几乎在整个可燃物或相当大的范围内同时发生。

点燃

一般说来可燃物整体温度并不高，只有在与明火接触的局部温度很快上升很高而引起燃烧，开始时燃烧只在热边界发生，然后依据火焰传播特性向可燃物的其他部分传播。

第47页：燃烧速度的定义

3.1.7 燃烧速度：一般认为燃烧速度就是单位面积上和单位时间内烧掉的可燃物质的数量。气体的燃烧速度随物质的组成不同而异：

• 简单气体燃烧（如氢气）只需受热氧化过程；
• 复杂的气体（如天然气、乙炔等）则要经过受热、分解、氧化等过程才能开始燃烧。

因此，简单的气体比复杂的气体燃烧速度快。

第48页：扩散燃烧与混合燃烧速度

在气体燃烧中：扩散燃烧速度取决于气体的扩散速度，而混合燃烧速度则取决于化学反应速度。通常混合燃烧速度高于扩散燃烧速度，故气体的燃烧性能常以火焰传播速度来衡量，亦称正常火焰传播速度，表示燃气燃烧的快慢。

第49页：火焰传播速度

火焰传播速度

指火焰从垂直于燃烧火焰面向未燃气体方向的传播速度（一般书中火焰的传播速度都是在层流状态下测得的）。

在一定条件下，燃烧速度对于某种可燃气体是一定值，常见的可燃气体最大燃烧速度见下表。

第50页：最大燃烧速度表

各种可燃气体与空气（氧气）混合物的最大燃烧速度：

说明：原文「二硫化硫」按标准名称更正为二硫化碳；表中330、360、890等数值远高于同组分空气中的数据，疑为氧气中的燃烧速度，原文均标注为空气，建议对照原图核对。

第51页：层流与紊流燃烧速度

燃烧速度（注意与可见火焰速度区别）：

• 根据燃烧时的流态分为层流燃烧速度和紊流燃烧速度；
• 常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度；
• 影响基本燃烧速度的主要因素有：可燃气体的性质、浓度、初始温度、压力和含有惰性气体的种类和数量。

第52页：紊流燃烧与爆炸效应

紊流燃烧速度较难测量，而层流燃烧速度较易测量。由于紊流燃烧速度的测定易受各种条件影响，如气体流动中的耗散性、界面效应、管壁摩擦、密度差、重力作用、障碍物绕流及射流效应等可能引起湍流和漩涡，使火焰不稳定、表面变得皱折不平，从而增大火焰面积、体积和燃烧速率，增强爆炸破坏效应。在极端情况下，由于火焰加速而使燃烧转变为爆轰。