1、防火与防爆,谢 波重庆大学资源及环境科学学院,第一章 概述,1.1 火灾爆炸事故危害性与特点严重性：涉及几乎所有的工业行业，事故往往造成大量人员伤亡、严重的财产损失，以及极坏的社会影响。 危害形式：高温灼伤、缺氧窒息、烟气中毒、爆炸冲击、地震。特点：严重性、复杂性和突然性。,近年发生的几起典型的火灾爆炸事故,8.2江苏昆山中荣公司特大粉尘爆炸事故,中荣金属制品有限公司系台商独资企业，为美国通用汽车提供零部件，主要基材为铝或铝合金。,抛光车间喷砂抛光和抛铜过程中金属粉尘浓度过高，在遭遇明火后产生爆炸，瞬间产生的高温高压气体的爆燃，还发生连锁反应，发生粉尘爆炸特别重大事故，造成75人死亡，185人
2、受伤。,事故原因：初步掌握情况显示，厂房没有按照二类危险品场所进行设计和建设，违规双层设计车间，生产工艺路线过于密集，除尘能力不足，车间内所有电器设备没有按照防爆要求配置，没有定期清理管道的积尘，造成粉尘浓度超标，遇到火源发生爆炸。另外该厂没有防静电的劳保用品，违反了劳动法规，超时组织作业。两个月前，事发车间除尘电机过热起火，火苗顺着管道蔓延，导致放在室外的泡沫夹芯板发生燃烧，车间外的积尘罐也冒了烟，消防人员赶到时，火情已被企业扑灭。当时积尘罐里当时积有几吨铝镁粉尘。不准抽烟和使用明火，几乎是公司唯一的安全措施。但有不少工人在距车间五六米的厕所里抽烟，甚至有工人将打火机带进抛光车间抽烟。抛光工
3、序常常伴随着火星四射；打磨机长期使用，插头松动，使用时会打火；一些灯管的线头裸露出来，电线有时会冒烟，2012年，公司因电路老化出过一次事故，也是所幸无大碍。,On February 7, 2008, a huge explosion and fire occurred at the Imperial Sugar refinery northwest of Savannah, Georgia, causing 14 deaths and injuring 38 others, including 14 with serious and life-threatening burns. The e
4、xplosion was fueled by massive accumulations of combustible sugar dust throughout the packaging building.,Investigations Detail _ U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board.,2010年11月15日上海市余姚路胶州路火灾58人死亡。起火原因：大楼在装修作业施工中，有2名电焊工违规实施作业，在短时间内形成密集火灾。暴露的问题：电焊工无作业资格证，严重违反操作规程；装修工程层层多次分包，安全责任不落实；施工作业
5、现场管理混乱，安全措施不落实，存在明显的抢工期、抢进度、突击施工的行为；事故现场违规使用大量尼龙网、聚氨酯泡沫等易燃材料，导致大火迅速蔓延；有关部门安全监管不力，致使多次分包、多家作业和无证电焊工上岗，对停产后复工的项目安全管理不到位。,中石化管道储运分公司东黄输油管道泄漏原油进入市政排水暗渠，在形成密闭空间的暗渠内油气积聚遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失75172万元。,事故过程： 2013年11月22日凌晨3点，中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，事故发现后，约3点15分关闭输油，斋堂岛街约1000平方米路面被原油污染，部分原油沿着雨水管线进入胶州湾，海面过
6、油面积约3000平方米。黄岛区立即组织在海面布设两道围油栏。处置过程中，当日上午10点30分许，黄岛区沿海河路和斋堂岛路交汇处发生爆燃，同时在入海口被油污染海面上发生爆燃。事故原因：输油管路与排水暗渠交汇处管道腐蚀变薄破裂，原油泄漏，流入排水暗渠，所挥发的油气与暗渠当中的空气混合形成易燃易爆的气体，在相对封闭的空间内集聚，现场处置人员使用不防爆的液压破碎锤，在暗渠盖板上进行钻孔粉碎，产生撞击火花，引爆了暗渠的油气。由于原油泄漏之后到爆炸八个多小时期间，泄漏的原油已经形成的混合气体受排水倒灌的影响，在排水暗渠当中急剧蔓延、扩散，从而导致在大范围内连续发生爆炸。 事故责任：“1122”中石化东黄输
7、油管道泄漏爆炸特别重大事故认定为责任事故。暴露出的突出问题是，输油管道与城市排水管网规划布置不合理；安全生产责任不落实，对输油管道疏于管理，造成原油泄漏；泄漏后的应急处置不当，未按规定采取设置警戒区、封闭道路、通知疏散人员等预防性措施。,2013年5月31日下午，中储粮总公司所属黑龙江林甸直属库发生火灾事故，80个储粮货位表层过火，过火仓位共储存粮食5.14万吨，共造成粮食损失约1000吨，事故中没有人员伤亡。火灾原因是由于穿过金属配电箱的导线与配电箱箱体摩擦，致使导线绝缘皮破损，短路打火，引燃配电箱附近可燃的苇席和麻袋，进而引发火灾。由于粮食输送机和其配电箱在该粮库的实际操作中要随堆垛不断搬
8、运，在移动过程中埋下了隐患。,年月日，位于吉林省长春市德惠市的吉林宝源丰禽业有限公司主厂房发生特别重大火灾爆炸事故，共造成人死亡、人受伤，直接经济损失亿元。事故直接原因：主厂房部分电气线路短路，引燃周围可燃物，燃烧产生的高温导致氨设备和氨管道发生物理爆炸。管理上的原因是：宝源丰公司安全生产主体责任不落实，地方消防部门安全监督管理不力，建设部门在工程项目建设中监管缺失，安全监管部门综合监管不到位，地方政府安全生产监管职责落实不力。,Smoke rises from railway cars that were carrying crude oil after derailing in downt
9、own Lac Megantic, Que., Saturday, July 6, 2013. THE CANADIAN PRESS/Paul Chiasson.,火灾爆炸事故涉及的行业与部门石油天然气石油化工冶金加工煤炭 开采粮食、饲料、烟草等特殊行业：炸药生产、烟花爆竹、推进剂等生产储存,火灾爆炸事故的危害形式与严重性主要包括冲击波产生的破坏、毒害烟气造成缺氧窒息与中毒、高温灼伤和缺氧窒息等。冲击波：设备设施、人员受超压和冲量作用。高温灼伤：主要是与火焰和高温烟气的直接接触，及其对流、热辐射作用。烟气毒害：热解和燃烧产物气体与蒸气、分解或凝聚形成的固体、液体微粒、部分空气。破片与二次破片：
10、缺氧窒息：组织缺氧导致神经、肌肉活动能力下降、呼吸困难，人脑缺氧3min以上就会发生损坏。,火灾爆炸事故特点严重性：群死群伤，巨大的经济财产损失，恶劣的社会影响。复杂性：着火源、可燃物和氧化剂形式多样。突发性：虽有事故征兆，但目前事故监测报警手段的可靠性、实用性等仍存限制，生产、操作管理人员对安全生产的认识不足，对事故发生发展的规律认识和了解不够。,1.2 爆炸事故的分类按照释放能量的形式划分物理爆炸：压力能、金属或岩石等应变能、电磁能的猛烈释放，以及闪蒸引起的bleve爆炸。只是物态的变化，不涉及化学反应。化学爆炸：快速放热、同时产生大量气体的化学反应。又可以细分为： 简单分解爆炸、复杂分解
11、爆炸和可燃混合物的爆炸三类。核爆炸：核聚变或核裂变反应瞬间释放大量的能量而形成的爆炸。,按照爆炸物质的状态划分气体爆炸：可燃气体、蒸汽与空气混合物点燃爆炸。凝聚相炸药爆炸：火药、炸药爆炸。常见的单质炸药有：黑索金RDX：环三亚甲基三硝铵；太安 PETEN：季戊四醇四硝酸酯特屈儿Tetryl：2,4,6-三硝苯基-甲基-硝基胺梯恩梯TNT：2,4,6-三硝基甲苯苦味酸，2,4,6-三硝基苯酚两相爆炸：可燃粉尘、液滴与空气的悬浮物达到一定浓度时，在火源作用下引起爆炸。,1.3 常见的工业爆炸事故形式气体、蒸汽爆炸： 根据L/D的不同，可能是纯超压爆炸、爆燃向爆轰的转变。粉尘爆炸：同气体、蒸汽爆炸，
12、但也存在区别开敞空间的气云、粉尘爆炸：一般较少沸腾液体膨胀汽化爆炸（BLEVEs）：压力容器爆炸物理蒸汽爆炸,1.4 火灾爆炸的联系与区别火灾：是指在时间和空间上失去控制的灾害性燃烧现象。爆炸（主要是化学爆炸）：则是在极短时间内释放出大量能量，产生高温，并放出大量气体，在周围介质中造成高压的化学反应状态或状态变化。区别与联系：两者本质都是可燃物与氧化剂之间快速的放热反应，同时伴有火焰或可见光的燃烧现象。两者的区别在于燃烧反应速率不同，火灾的能量释放速率相对较慢，持续时间长，而爆炸过程在瞬间发生并释放出大量能量。火灾和爆炸事故常常相伴发生、也可能互相转化,1.5 火灾爆炸事故灾害的预防与控制基本
13、思路：研究火灾爆炸的基本原理、事故发生的机理与规律，并在此基础上采取具有针对性与合理性的火灾爆炸预防和控制措施，有效降低事故发生的可能性，减弱或控制事故灾害损失。不同可燃物质的性质、燃烧爆炸特性不同，因此事故发生的机理、事故效应和致灾模式等存在着较大的差别；操作温度、操作压力和容积等工艺环境条件对燃烧爆炸过程也有重要的影响，在某些情况下，甚至具有决定性的影响，影响事故的发生机理与过程。,1.4 火灾爆炸事故灾害的预防与控制基本途径：降低爆炸发生的概率和爆炸效应也是预防和控制事故灾害的两个基本途径。降低事故发生的可能性：防止可燃物料发生泄漏和扩散、预防形成各种可能的点火源。降低火灾爆炸损失：合理
14、选址与工艺布局、爆炸抑制、爆炸卸压和爆炸隔绝等措施防止爆炸过程的进一步发展和增强；对于火灾，则主要是通过自动喷淋、防火墙、阻燃等措施防止火灾蔓延；一旦发生事故后（特别是火灾事故），应根据指定的应急预案组织人员和设备的及时疏散，以降低人员伤亡和财产损失。,预防和减弱/控制气云爆炸事故的方法框架,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1 燃烧现象与特征2.1.1燃烧燃烧的定义：具有强烈放热并伴随有光辐射的快速化学反应过程称为燃烧。氧化剂：放出活泼氧原子（或类似的原子）的物质燃料：另一类组分则称为燃料一般地，燃烧包括点火与点火后的燃烧过程两个阶段。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.1 燃烧的概念燃烧过程中的物
15、理化学现象燃烧放热固体蜡融化并沿烛芯向上扩散、蒸发与氧气混合并快速氧化稳定的燃烧火焰，发光发热能量的流动：化学能通过燃烧转变为热能通过导热、对流和辐射向外传热质量传递：固体蜡融化扩散、蒸发形成气体与氧气混合燃烧燃烧产物,图2.1蜡烛燃烧及火焰温度分布,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说燃烧的基本要素：燃料（可燃物）、氧化剂（助燃物）、火源。三个要素相互作用才能形成燃烧，也是火灾爆炸预防的基本原理。,图 2.2燃烧的三个基本要素,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说燃烧学说燃素学说：17世纪中叶到18世纪中叶大约100年期间，欧洲流行氧化学说：177
16、7年拉瓦锡否认了燃素学说的结论，认为只有在氧气存在时，物质燃烧才能燃烧，燃烧是物质快速氧化的过程且在燃烧过程中放出光和热量。反应碰撞理论：20世纪初，在气体分子动论和统计热力学的基础上，人们提出了反应速率的碰撞理论。链式反应理论：直到上世纪30年代，开始建立了关于燃烧动态过程的理论，发展了燃烧反应动力学的链式反应理论，并提出了燃烧物理中的一些基本概念，如最低点火能量、火焰传播等。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说链式反应理论基本概念：燃烧化学反应实质上是由由若干个相继发生或相继平行发生的基元反应所组成，在这些基元反应过程中会生成某种自由基组分，连锁基元反应是以自由基为
17、载体的，连续不断的重复一系列连锁反应。自由基：反应物受外部能量作用和基元反应过程中形成的活性基团或自由原子，具有很强的反应活性，自由基的存在及其作用是链式反应的特征所在，是链反应的载体。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说氢气氧气的链式反应,链起始,（H.6）,链传播,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说氢气氧气的链式反应,链终止,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.2 燃烧基本要素与燃烧学说,图2.3 球形容器中化学计量比条件下氢氧混合物的爆炸极限,条件下氢氧混合物的爆炸极限曲线呈半岛状。以在某给定的温度（例如 ）时，沿着一根从最低压力（1mmHg）
18、向上到达几个大气压力的垂线来观察爆炸极限的变化。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.3 燃烧与火焰分类有焰燃烧：包括预混燃烧和扩散燃烧。无焰燃烧,预混燃烧,按火焰传播机理与特征分,爆燃,爆轰,按燃烧时的流场状态分,层流燃烧,湍流燃烧,第二章 燃烧与爆炸现象,2.1.4 燃烧的本质从化学的观点：反应物分子结构被破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列的中间产物的演变，最后形成了生成物即燃烧产物的过程。化学能转化为以热能和光能的形式被释放出来，表现为火焰现象。从物理的观点：燃烧过程发生在流动系统中，这种流动可能是均相流，也可能是多相流，可以是层流也可以是湍流。同时，燃烧过程总是发生在不均匀物质场的
19、条件下，多种组分之间会发生混合、扩散等现象，甚至还有物质相态的变化。另外，燃烧引起的不均匀温度场，使燃烧过程中还伴有能量的传递，且如外界电磁场、重力场等因素也会对燃烧过程产生显著的影响。燃烧是一种物理和化学的复杂的综合动态过程，涉及燃烧的化学热力学和化学动力学基础、燃烧的流体力学和传热传质基础等相关基础理论。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质燃烧的化学热力学性质化学当量比（燃空比）,化学当量比对燃烧过程有重要的影响。在化学计量状态附近燃烧最快，也最容易点燃。称为最佳浓度。对于扩散慢于氧气的燃料如乙烷等，则在稍偏富燃侧达到最佳浓度，对于扩散快于氧气的燃料如甲烷和氢气等，则在稍偏贫燃侧达
20、到最佳浓度。,燃料空气混合物的当量浓度如何计算？,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,表2.1 五种气体或蒸汽的空气混合物化学计量浓度和最易点燃浓度的对比,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质燃烧的化学热力学性质焓与反应热：对燃烧温度有重要影响,标准生成焓：标准状态下，由自然界中稳定的单质生成1mol化合物的净热效应。约定稳定单质的焓为零。一些典型物质的生成焓见表2.2反应热：生成物的总焓与反应物的总焓之差，由于一般碳氢物质燃烧产物总有H20，可以使液态和蒸汽状态，故存在高、低位反应热，两者相差水的蒸发潜热。燃烧热：1mol燃料完全燃烧放出的热量，也存在高位和低位燃烧热 kJ/m
21、ol，对固体和液体常用热值表示KJ/kg,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质燃烧的化学热力学性质火焰温度：对火焰传播过程和最终达到的压力有影响,定容绝热火焰温度：在密闭空间中传播时保持容积恒定、壁面绝热时，火焰温度达到的最大值，可以利用其计算得到火焰传播时该密闭空间的最终压力。UR(Tref,P0)=UP(Tad,P)定压绝热火焰温度：火焰在开敞空间传播时（体积会发生膨胀）保持压力恒定，即得到的是定压绝热火焰温度，反应火焰的传播能力。HR（Tad,P0）=HP(Tad,P0)在其他条件相同时，定容过程中释放热量全部用于加热产物，因此定容绝热火焰温度大于定压绝热火焰温度。,第二章 燃烧与
22、爆炸现象,2.2 燃烧的性质可燃性：可燃极限、极限氧浓度、自动着火温度或自燃温度（AIT）、最低点火能量、猝熄直径或最大试验安全间隙(MESG)等。,可燃极限与可燃范围可燃下限浓度（LFL）：当燃料浓度降低到某一个临界值时，由于混合物中燃料浓度太贫而不能维持燃烧，则该浓度称为可燃下限（lower flammability limit 即LFL）。可燃上限浓度（UFL）：当增加燃料浓度达到某一值时，由于混合物太富也不能维持燃烧时的燃料浓度，称为可燃上限（upper flammability limit 即UFL）常见可燃气体的可燃极限见表2.3,空气中可燃气体爆炸极限测定方法(GB/T 1247
23、4-2008),将可燃气体与空气按一定比例混合，用电火花阴燃，改变可燃气体浓度，直到能发生爆炸的最低和最高浓度。测定LFL时，如果在某浓度下未发生爆炸，则增大浓度直到能发生爆炸的最小浓度；如果在某浓度发生爆炸，则减小气体浓度，直到不能发生爆炸的最大浓度，两者的平均值即为LFL，测定时，每次该变量不大于进样量的10%。问题：可燃上限的测定方法？,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,可燃极限的影响因素温度：温度升高，分子运动越剧烈，UFL会增大，LFL会降低，可燃区范围变宽。,Zabetakis, Lambiris et al 1959的经验公式,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质
24、,可燃极限的影响因素压力：压力升高对LFL几乎没有影响（对分子密度增大不明显）。而UFL一般会随压力增加而升高（分子密度增大，碰撞几率增大，增大UFL），随压力降低而降低。当压力增加时，可燃范围一般会增大。式中：UFLp=压力为P时的可燃上限UFL=压力为1atm时的可燃上限P=压力（绝对压力，MPa）。注：可燃极限的实际测定中，实验用的点火能量、容器大小也有影响。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,可燃极限的近似计算Jones（1938）公式： 式中Cst为化学计量浓度，注意在空气中还是纯氧中的Cst的计算方法的区别。以碳氢物质为例：对燃料氧气混合物：对燃料空气混合物：,（2.5）
25、,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,可燃极限的近似计算Suzuki方法：式中 LFL=可燃下限 UFL=可燃上限（燃料与空气混合物中燃料的体积百分数） =是燃料的燃烧热，单位103kJ/mol。,（2.5）,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,可燃极限的近似计算多种可燃气体混合物的可燃极限（Le Chatelier定律）：式中 =i组分的可燃下限； =i组分的可燃上限； yi=i组分的质量分数,（2.5）,（2.16）,第二章 燃烧与爆炸现象,可燃极限图,图2.5 大量实验得到的可燃极限图其中的A点表示了混合物的组成情况。三个顶点表示纯氧气、纯氮气和纯燃料，在三条边上的点表示
26、只有两种组分。虚线区域为可燃区。由R和S两种混合气体组成的混合物，则该混合物位于可燃性图中R点和S点的连线上。如果用S混合物持续稀释R混合物，则混合物所处的点会沿着直线在点R和S之间移动。,对于落在通过顶点（纯组分）的某条直线上的混合物，则其他另外两种组分的摩尔分数之比在整个直线上为常数值。其中包括化学计量组成线和空气线。可以通过读取化学计量组成线与穿过LFL的水平线的交点的氧气浓度来估算LOC值，也即有方程：,对燃烧反应：1fuel+zO2Products沿化学计量线有：当 时，则有：,常温常压下乙烯的可燃极限图,常温常压下甲烷的可燃极限图,乙烯的可燃范围要比甲烷的可燃范围大得多，即乙烯的可
27、燃上限比对应的甲烷的可燃上限要高。在可燃上限附近，即在可燃区的富燃部分，燃烧产生大量烟尘。可燃区的下边界几乎成水平直线，因而可以用LFL近似可燃区的下边界。,思考：一个盛装有纯甲烷的储罐，为确保在进行检修期间工人安全呼吸，需用空气来置换储罐中的甲烷，检修完毕后，要将储罐内的空气排出掉，重新投入使用。考虑这两种情况下，如何避开可燃区？,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,极限氧浓度含义：能传播火焰的混合物中的氧气浓度的最低值，该最低氧浓度的值即为极限氧浓度（LOC），当混合物的氧气浓度低于该值时，由于缺氧而不能持续燃烧，因而不可能发生火灾或爆炸。确定方法：可燃极限图上，画一条平行于燃料轴
28、且与可燃区相切的直线，该直线与氧轴的交点即是LOC点。LOC值的影响因素：与燃料种类、温度、压力和惰性气体有关。表2-5中给出了许多常见可燃物质的LOC的值。同时，表中二氧化碳作惰性气体和氮气作为惰性气体时的LOC值不同。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,自动着火温度（或自燃温度）AIT含义：指其空气混合物在没有任何外界点火源时发生着火的最低温度，也即这种混合物可能发生自燃，通常也称为自燃温度。影响因素：自动着火温度受燃料种类、压力、实验容器的体积、是否存在催化剂、流动条件等。因此，在测定自动着火温度时，实验测定条件应尽可能与工艺条件相符。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性
29、质,基本性质随压力增加而降低；当混合物向贫燃或富燃变化时，AIT值增加；当氧浓度增加时，AIT值降低；当存在催化表面（包括锈蚀的管道等）或存在燃烧敏化剂（如NOX）时,AIT值降低。通常当实验容器的容积增大时，AIT值也会降低。另外，自动着火过程也存在相应的诱导期或着火延迟时间。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,最低点火能量（MIE）含义：在给定的实验条件下，点火源在可燃混合物中释放能量能引起火焰向外进行无限传播时的最低能量值。最低点火能量的最小值发生在处于化学计量浓度附近（也称为最佳爆炸浓度浓度）。表2.7 给出了部分气体的最低点火能量（Glassman，1996）。,第二章 燃
30、烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,关于最低点火能量的一般性结论：对大多数可燃气体，其最低点火能量常采用0.25mJ，但其最低点火能量一般不会低于0.10mJ。一些特定的物质（如氢气）的最低点火能量可能低于0.10mJ。对可燃气体空气混合物，在化学计量浓度附近得到的MIE值最低（不一定是在化学计量浓度值），且当燃料浓度增加或降低时，MIE值也会从MIE的最低值开始增加或降低。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,对大多数可燃粉尘，尽管随粉尘种类、粒径等的不同存在很大的变化，粉尘的MIE值通常约为10mJ。温度升高时，MIE值降低。当压力增加时，MIE值降低。惰性气体浓度增加时，MIE值增
31、加。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,猝熄距离、猝熄直径与最大试验安全间隙（MESG） 猝熄距离与猝熄直径：淬熄距离指刚刚能够维持火焰传播的两平板之间的最小间距为淬熄距离。刚刚能够维持火焰传播的最小管径即猝熄直径。,在18个不同直径的圆孔中均充满待测的可燃混合气，燃料燃烧后火焰同时传入这18个圆孔中，根据热电偶的温度指示来判断火焰在多大直径的孔中熄灭，以确定猝熄直径。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,猝熄距离、猝熄直径与最大试验安全间隙（MESG）最大试验安全间隙（MESG）：在标准规定试验条件下，壳内所有浓度的被试气体或蒸气空气的混合物点燃后，通过25mm长的接合面均
32、不能点燃壳外爆炸性气体混合物的外壳空腔两部分之间的最大间隙。测定：GB3836.11-91“爆炸性环境用防爆电气设备最大试验安全间隙测定方法”。 表2.8 给出了部分可燃物质的最大试验安全间隙。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,猝熄距离、猝熄直径与最大试验安全间隙（MESG）,a标准外壳内腔；b试验箱内腔；c千分表；d泵；e阻火器；f观察窗；m、i阀门；h点火电极；k标准外壳下壳体；l标准外壳上壳体图2.14 最大试验安全间隙的测定装置,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,最低点燃电流（MIC）比 采用电感放电火花点燃最易爆炸浓度的气体或蒸汽混合物所需的最低电流与点燃相同试
33、验条件下甲烷所需的最低电流之比。作为最大试验安全间隙的替代参数，可以用此参数来将电气设备场所存在的可燃气体、液体进行分级。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,爆炸强度：包括最大爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数，反映了爆炸的潜在破坏能力。 最大爆炸压力和压力上升速率：,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,最大爆炸压力和压力上升速率：,图2.16、17 由10%甲烷、70%氮气和20%氧气组成的混合气在20L实验容器中的压力时间曲线（初始温度和初始压力分别为25和1atm）。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,立方根定律与爆炸指数：当其他实验条件保持不变的情况
34、下，随实验容积的增大，最大爆炸压力基本保持为常数，而压力曲线的最大斜率（即压力速率）逐渐减小。,KG称为爆燃指数，反应速率越大，爆燃指数越大，爆炸越猛烈。 表2.10给出了典型气体的最大爆炸压力和爆燃指数。,Bartknecht 1984提出的立方根定律，适用范围：16L（气体）40L（粉尘）,第二章 燃烧与爆炸现象,2.2 燃烧的性质,几点需要注意的问题不同研究者之间得到的最大爆炸压力一致性较好，但爆燃指数差异较大。最大爆炸压力上升速率与火焰传播速率直接相关，其反映了燃烧过程的快慢。立方根定律是大量实验获得经验定律，爆燃指数可用于衡量爆炸的强弱，从而用于泄爆面积的计算；根据立方根定律可以在一
35、定尺度范围内推算不同尺容器内爆炸的压力上升速率。无论是最大爆炸压力还是爆燃指数均非物质固有的性质，而与实验方法和条件有关。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3 火焰传播动力学特征2.3.1 燃烧速度与火焰速度两个基本概念：燃烧速度U（burning velocity）：火焰相对于其前方未燃气体的传播速率。也称基本燃烧速度，表征了反应物转变为燃烧生成物的快慢，是混合物的基本性质。火焰速度S（flame speed）：火焰阵面相对于固定参考点的速度。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.1 燃烧速度与火焰速度火焰阵面结构与传播机理层流火焰阵面结构,传播机理：反应区通过导热加热，预热区通过扩散向反应区供给燃
36、料和氧气。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.1 燃烧速度与火焰速度湍流火焰阵面结构与传播机理,湍流火焰形成机制与湍流火焰速度的增加：流体不稳定性（Taylor不稳定性等）导致火焰阵面弯曲褶皱；激波诱导未燃气体运动形成湍流流动，增强了输运作用。同时，湍流条件下火焰阵面上的燃烧速度稍有增大。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.1 燃烧速度与火焰速度需要注意的两个问题可燃气云范围内布置的各种设备、管道等，以及管道内的弯道、阀门等都存在湍流产生机制，如果具有足够的转变距离，层流燃烧也可能发展形成湍流燃烧。管口壁面边界层附近的气体速度较低，低于燃烧速度时，管口火焰也可能发生回火现象。因此，要求管道直径必须
37、大于某个猝熄临界直径避免形成回火现象。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.2 火焰加速与爆燃向爆轰的转变（DDT）,气体爆轰形成机制：在弱点火条件下，如果L/D足够大，火焰从较慢的速度逐渐转变形成加速湍流火焰，并达到某个临界状态时，会生成激波转变成为爆轰波，并诱导产生过驱爆轰，过驱爆轰衰减后形成稳态爆轰传播，也即SWACER机理。也可以在射流火焰等强点火作用下直接触发形成爆轰。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.1 燃烧速度与火焰速度,湍流火焰加速,障碍物诱导湍流加速火焰,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.1 燃烧速度与火焰速度,湍流导致火焰加速的正反馈机制,第二章 燃烧与爆炸现象,2.3.3 爆轰
38、 爆轰波：爆轰激波是由燃烧驱动的激波传播，其火焰阵面在未燃混合物中以超音速传播。传播速度取决于混合物种类、初始温度和压力等因素，可达1000-3500m/s范围。 爆轰波结构与爆轰波模型：爆轰波是由激波压缩和未燃介质点火导致的化学能释放来支持的，火焰阵面与激波阵面在时间和空间上耦合在一起。CJ模型：将爆轰波处理成没有厚度的反应速率无穷大的间断。ZND模型：在CJ模型的基础上，ZND模型认为爆轰波由激波和紧靠激波阵面的反应区（即火焰）构成，反应区的厚度由反应速率确定。 ZND模型给出的爆轰速度和爆轰压力与CJ模型一致，两者唯一的差别就是ZND模型考虑了爆轰波的厚度。,第二章 燃烧与爆炸现象,在一
39、端封闭的管道中爆轰传播时的压力-距离剖面 (即在管道封闭端x = 0),管道中爆燃传播时的压力-距离图,爆燃与爆轰波形的区别,第二章 燃烧与爆炸现象,压力叠加效应 如果燃烧发生在相互连接的容器中，当燃烧处于爆燃模式时，压力阵面的传播速度要比反应阵面高得多，就会形成这种压力叠加效应（pressure piling），如图所示。,相互连接的容器中的压力叠加效应,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4 火灾与爆炸破坏效应2.4.1 热效应：池火灾、闪燃火灾、射流火灾或火球，以及气体、液雾或粉尘爆炸过程中，由于反应的放热性，必然对周围人员、设备或建筑物等具有热效应。火灾而言，热辐射是其重要的危害形式之一。表2
40、.11 人体暴露在热辐射时达到疼痛阀值的时间。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4 火灾与爆炸破坏效应,Schubach（1995）对热辐射问题进行了综述，他建议将辐射强度4.7kw/m2作为伤害阀值。在该强度的辐射作用下，人体在不受任何遮蔽地经受30秒即可能受到伤害。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4 火灾与爆炸破坏效应,热辐射对材料的作用：热辐射作用于材料会发生反射、部分吸收或透射，材料对吸收热辐射并被加热，从而使材料被破坏。表2.12给出了热辐射对人的影响。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4.2 爆炸波及其破坏作用,基本概念 压力波、爆炸波与激波：当在气体中发生爆炸时，则所释放出来的能量引起气体
41、快速膨胀，压缩周围的空气介质，形成压力波，并从爆源位置向外传播，其具有的能量对周围环境可以造成破坏。在空气中传播的压力波称为爆炸波（blast wave）。如果压力波阵面压力的变化非常陡峭，则称为激波或冲击波（shock wave）或激波阵面（shock front）。,给定时刻的激波波形,某固定位置上的激波压力波形,气云爆炸典型的压力波波形,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4.2 爆炸波及其破坏作用,正相作用、负相作用：一般情况下，负相造成的破坏较小，但在超大型或核爆炸中也会造成极大的破坏。 爆风：激波传播诱导其后方的气体跟随激波运动。 爆炸冲量：压力时间曲线所包围的面积。 侧向超压（side-
42、on overpressure）：在与爆炸传播方向相互垂直方向上则所测得的压力，也称自由场超压（free field overpressure），简称超压。 反射超压：与激波发生正碰的大型墙体中间，则所测得的压力称为反射超压（reflected overpressure），反映了激波压力的大小及爆风作用于物体时的动态压力（dynamic pressure）的大小，弱爆炸时约为入射压力的两倍，强激波则可达8倍。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4.2 爆炸波及其破坏作用,爆炸后不同时刻的超压曲线,爆炸波的传播：由于气体的粘性耗散，激波发生衰减。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4.2 爆炸波及其破坏作用
43、,爆炸冲击引起的破坏作用：取决于多种因素，包括爆炸波的波形、持续时间和幅值大小；物体与爆源之间的距离（standoff distance）；物体的方位和尺寸，以及结构物的类型等。 对人体的作用：爆炸波或激波的压缩作用，然后受到爆风的拖拽作用，因而使人体发生平移，并与物体发生碰撞。此外，还有破片对人造成伤害。 对设备、建筑物的作用,第二章 燃烧与爆炸现象,2.4.2 爆炸波及其破坏作用,正面：激波反射形成很高的超压，同时还有稀疏波作用；外缘和背面：形成涡旋，产生一定的压差，形成瞬态力作用。爆风：拖拽作用。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.1 气云爆炸发生阶段与特征
44、,高压泄露,弥散形成大范围的可燃气云,爆炸效应取决于火焰速度,延迟1-5min点火,引起射流湍流,湍流生成利于火焰加速，但大多为爆燃,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.1 气云爆炸发生阶段与特征 湍流形成机制与泄漏过程本身有关的湍流（例如射流泄漏或容器发生灾难性失效时导致的爆炸性弥散气云）；火焰传播通过拥塞空间时，由于管道、泵站、阀门、容器和其他工艺设备等障碍物作用，火焰前方受已燃气体膨胀产生的湍流；由于如通风系统、粗糙的换热管以及风扇等外部物体诱导产生的湍流。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.1 气云爆炸发生阶段与特征 破坏性超压
45、形成的条件所泄漏的物料是可燃的。在点火发生前，必须形成足够规模的气云。如果气云范围太小，或者过早点燃，只是会形成较小的火球，而不会有较高的超压。与空气混合，形成质量足够且在可燃浓度范围内的气云。如果没有与空气充分混合，可能会形成由扩散控制的火球，而不会形成较高的超压。当气云燃烧时，火焰传播速度必须能加速传播。如果没有火焰的加速，只会形成闪燃，闪燃产生的破坏是由于热辐射和直接火焰作用所致。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.2 气云爆炸危险性的估算 基本思路：在搞清气云爆炸即的详细机理之前，可将实际爆炸与已知的燃料爆炸特性相比较。TNT当量法：与凝聚相炸药TNT爆炸
46、波特性相比描述凝聚相炸药爆炸场特征的术语 比例距离（scaled distance）z： R=到爆心的距离，W=TNT装药质量,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.2 气云爆炸危险性的估算 比例峰值超压Ps（scaled peak side-on overpressure ）p0=峰值侧向超压，Pa=环境绝对压力 比例冲量is（scaled impulse）：a0=空气声速，E=爆炸能量,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.2 气云爆炸危险性的估算,地面TNT爆炸超压曲线对猛炸药（如TNT）爆轰产生的激波，激波超压与TNT装药质量有明确的
47、关系（自相似原理、Hopkinson比例定律），如图所示是TNT装药地面爆炸时冲量和超压与距离的关系（自由空气中TNT质量减半考虑，因为考虑到地面反射作用）。,第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.2 气云爆炸危险性的估算,气云爆炸TNT当量的计算：假设在当量能量的基础上，参与爆炸的燃料与TNT爆炸产生的爆炸场相似，即有： 式中 W=TNT当量质量 =爆炸效能系数（也称当量系数 equivalency factor、场系数 field factor或效能系数efficiency factor）,大多数可燃气云都在1%10%之间变化。 m=可燃气体的质量 Ec=可燃气体的燃烧热 ETNT =TNT爆炸能量(4602kJ/kg),第二章 燃烧与爆炸现象,2.5 气云爆炸及其危险性估算,2.5.2 气云爆炸危险性的估算,TNT当量法进行爆炸破坏估算的步骤确定爆炸过程中涉及的可燃物料的量。可以根据泄漏量或扩散模型来进行估算（AIChE，1999b）。估算爆炸效能系数并利用方程（2.4）计算TNT当量质量。利用方程（2.2）给出的比例定律，以及图2.29估算峰值侧向超压。利用表2.13或表2.14估算普通结构和工艺设备的破坏情况。,
