危险化学品安全技术及管理-燃烧爆炸基础.ppt

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1、危险化学品安全技术-1.燃烧与爆炸基础东北大学东北大学 火灾火灾&爆炸防治实验室爆炸防治实验室李李 刚刚024-83681830 p燃烧n燃烧是一种复杂的物理化学过程。燃烧过程具有发光、发热、生成新物质的三个特征。n常见的燃烧反应 2H2+O2 2H2O 氢气燃烧CH4+2O2 CO2+2H2O 甲烷燃烧C+O2 CO2 木炭燃烧2Na+2H2O 2NaOH+H2 金属钠与水反应 +0.5O2 H2OH2+Cl2 2HCl （强光照射）氢气与卤素化合燃烧第一节 燃烧的基本原理燃烧的必要条件p燃烧三角形助燃剂可燃物点火源可燃物：n气体：最易燃烧，点火能很低，H2约为0.02mJn液体：汽油，柴油

2、n固体：木柴，煤，铁，镁助燃剂：空气、纯氧或其它氧化剂点火源：引起可燃物质着火的能源，如明火，静电，自燃，摩擦撞击火花，绝热压缩等燃烧的过程p可燃物质的燃烧都有一个过程，这个过程随可燃物质的状态不同其燃烧过程也不同。p气体最易燃烧，只要达到其氧化分解所需的热量便能迅速燃烧。p可燃液体燃烧并不是液相与空气直接燃烧，而是先蒸发为蒸汽，蒸汽再于空气混合而燃烧。p可燃固体二类：1、简单物质，受热时熔化、蒸发与空气混合物燃烧。2、复杂物质，则先受热分解出可燃气体和蒸汽，然后与空气混合而燃烧，并留下若干固体残渣。燃烧的过程 根据可燃物质燃烧状态不同，燃烧有气相和固相两种情况。气相燃烧是指在进行燃烧反应过程

3、中，可燃物和助燃物均为气体，这种燃烧的特点是有火焰产生的，它是一种最基本的燃烧。固相燃烧是指在燃烧过程中，可燃物质为固态，这种燃烧亦称为表面燃烧，特征是燃烧时没有火焰产生，只呈现光和热。有些特殊物质燃烧既有气相燃烧，也有固相燃烧，如油品、煤。燃烧的种类燃烧的种类 p 着火p 自燃p 闪燃p 爆燃（俗称爆炸）着火（ignition）p定义：不论是固态、液态或气态的可燃物质，如与空气共同存在，当达到一定温度时，与火源接触就会燃烧，移去火源后还继续燃烧。这时，可燃物质的最低温度叫做燃点，也叫做着火点。p燃点、着火点，引起可燃物着火的最低温度，指可燃物质的温度。p木材的着火点（fire point）为

4、295常见物质着火温度（空气常温）自燃(spontaneous combustion)p定义：可燃物不与明火接触引起的自发燃烧现象。p自燃温度（AIT）：在标准测试装置中可燃物着火的最低温度。p气体、液体自燃温度测试装置GB/T5332GasH2COCH4戊烷C2H4C3H6C2H2AIT/560605540337600618305闪燃（flash combustion）p定义：可燃液体表面蒸气与空气形成的混合可燃气体，遇到明火只出现瞬间闪火而不能持续燃烧的现象。p闪点（flash point）：在规定的试验条件下，液体表面能产生闪燃的最低温度称为闪点。p固体有没有闪点？闪燃（flash co

5、mbustion）p闪点特征n同系物中异构体比正构体的闪点低；n两元可燃混合液体的闪点低于二者闪点的平均值，闪点40煤油和闪点为-38车用汽油以1：1相混合，其闪点低于1。n易燃液体与不燃液体混合时的闪燃 p蒸气压降低，闪点提高；如酒精浓度越低越难点着p利用四氯化碳稀释甲醇需要41%的浓度n一般液体燃点高于闪点，易燃液体的燃点比闪点高15。n液体火灾危险分类及分级是根据其闪点来划分的，分为甲类（一级易燃液体）：液体闪点小于28；乙类（二级易燃液体）：闪点大于等于28小于60；丙类（可燃液体）：液体闪点大于等于60三种。自燃类型受热自燃和自热自燃p受热自燃：在外部热源作用下，由于传热使可燃物温度

6、升高，达到自燃点而着火燃烧。条件：n有外部热源n有热量积蓄的条件p自热自燃：物质内部发生的物理、化学或生化过程而产生热量并积聚，以致温度升高达到着火点燃烧。条件：n容易产生氧化热、分解热、聚合热、吸附热、发酵热等反应热n比表面积大，有良好的绝热保温性能n热量产生速度大于向环境散发速度燃烧形式p气体n气相扩散燃烧 可燃气体从储存容器或输送管道中喷泻出来，且当即被点燃；燃烧速度几厘米至几米秒 n气相预混燃烧 本生灯、家庭做饭炉具天然气或液化气的燃烧n气相燃烧的特殊方式：爆燃（爆炸），十几米至上百米秒14年6月一男子在地下室内点燃煤气罐，随后手持斧头和铁棍堵在门口。危急时刻，冒着爆炸危险，民警与消防

7、员突入地下室内，21岁的消防员姜伟东迎着斧头冲上去，“抱起”已经被烧红、冒着火焰的煤气罐冲进开阔地排除险情。燃烧形式p固体n分解燃烧：指在燃烧过程中可燃物首先遇热分解，再由热分解产物和氧反应产生火焰的燃烧。（木材、煤、纸；油、脂、沥青、蜡）n表面燃烧：物体表面上的燃烧，不产生火焰，但有红热的表面。（木材、铝、镁、铁）n粉尘爆燃：见后燃烧形式p液体n可燃液体的燃烧实际上是可燃蒸气的燃烧n液体是否能发生燃烧，燃烧速率的高低与液体的蒸气压、闪点、沸点和蒸发速率等性质有关。燃烧形式p液体燃烧过程n加热到汽化温度；n吸收汽化潜热，发生相变成为可燃蒸气；n可燃蒸气加热到着火温度发生燃烧p燃烧形式n蒸发燃烧

8、：适于粘度不太大沸点不太高轻质可燃液体；n液雾（滴）燃烧（爆炸）：几微米到几百微米，边蒸发边燃烧；n沸溢燃烧：液体在燃烧过程中，由于不断向液层内传热，会使含有水分、粘度大、沸点在100以上的重油、原油产生沸溢和喷溅现象，造成大面积火灾危险性大。能产生突沸现象的油品称为沸溢性油品。沸溢火灾沸溢火灾第二节第二节 爆炸的基本原理爆炸的基本原理一、爆炸一、爆炸 爆炸是物质在瞬间突然发生物理或化学变化,同时释放出大量气体和能量(光能、热能和机械能)并伴有巨大声音的现象。物质的状态或成分瞬间发生变化 爆炸 温度和压力骤然升高主要 能量突然释放特征 产生强烈的冲击波并发出巨大的响 声 二、爆炸的分类二、爆炸

9、的分类 (一)按照爆炸的性质分类 1.物理性爆炸 物理性爆炸是由物理变化(温度、体积和压力等因素)引起的,在爆炸的前后,爆炸物质的性质及化学成分均不改变。氨气储罐爆炸案例 2.化学性爆炸 化学爆炸是由化学变化造成的。化学性爆炸可分为四类：(1)简单分解爆炸 如：叠氮铅的分解爆炸反应为:震动 Pb(N3)2 Pb+3N2+Q C2H2=2C+H2（2）复杂分解爆炸 如：硝化甘油炸药的爆炸反应 引爆C3H5(ON02)3 3C02+2.5H20+1.5N2+0.25O2（3）爆炸性混合物的爆炸 气体混合物,如甲烷、氢、乙炔、一氧化碳、烯烃等可燃气体与空气或氧形成的混合物；蒸气混合物,如汽油、苯、乙

10、醚、甲醇等可燃液体的蒸气与空气或氧形成的混合物；粉尘混合物,如铝粉尘、硫磺粉尘、煤粉尘、有机粉尘等与空气或氧气形成的混合物；3、遇水爆炸的固体物质,如钾、钠、碳化钙、三异丁基铝等与水接触,产生的可燃气体与空气或氧气混合形成爆炸性混合物。4、核爆炸 一起煤气罐爆炸马老汉是个五保户，在靠近门口的地方，摆放着另一个煤气罐和灶台，12年3月6日凌晨5点半，起床烧早饭。他发现一个煤气罐没火了，就换了个罐子。接上阀门后，他一手开灶台开关，一手开气瓶阀门，点火后发现灶台和气瓶阀门同时着火了。马老汉立即关了灶台阀门，把皮管拔下来。但气瓶阀门还在呼呼地冒着火。马老汉说，他当时急了，只想着千万不能在屋里炸，一旦失

11、火不但自己房子完了，周围邻居房子都要倒霉。他死命将沉重的煤气罐拖到门口，将煤气罐放倒，让罐子顺着门口的斜坡滚到门外的地面上。一起煤气罐爆炸在此过程中，马老汉左边衣服被火点着，他赶紧找来湿毛巾掩在上面，才把火灭了。之后，精疲力竭的马老汉瘫坐在家门口，眼睁睁地看着煤气罐在不到两米外的地面上一直烧，直到半个多小时后在一声轰然巨响中被炸得四分五裂。试分析该过程是物理爆炸还是化学爆炸？粉尘为什么会爆炸？p可燃物质分得越细n燃烧速度越快n越容易点燃p以粉末（粒径0.5mm）悬浮于空气形成粉尘云n特别容易点燃n燃烧速度极快n空间相对封闭会产生压力急剧升高发生爆炸粉尘什么条件下会爆炸？可燃粉尘氧化剂（air）

12、点火源空间受限粉尘云粉尘爆炸粉尘爆炸“五边形五边形”哪些物质会发生粉尘爆炸？p爆炸化学本质n燃料氧气 氧化物热量n非稳定的氧化物会产生粉尘爆炸n有些物质和CO2,N2也能发生反应p能发生粉尘爆炸的物质n天然有机物质（谷物，糖，麻等）n合成有机材料（塑料，有机颜料，杀虫剂等）n煤n金属（铝，镁，锌，铁，锆等）哪些物质不会发生粉尘爆炸？p硅酸盐p硫酸盐p硝酸盐p碳酸盐p普通水泥p沙子p大理石 会爆炸的“非爆炸性粉尘”p会爆炸的飞灰（fly ash）n粮食港口散粮系统n氧化铝生产车间的飞灰n人造大理石p原因n未燃尽n未燃透n混入燃料的飞灰1981年发生爆炸的广州黄埔港筒仓群-35只爆炸性参数-爆炸极

13、限p 可燃物质（可燃气体、蒸气、粉尘或纤维）与空气（氧气或氧化剂）均匀混合形成爆炸性混合物,其浓度达到一定的范围时,遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸,这个浓度范围称为爆炸极限（或爆炸浓度极限）p爆炸浓度下限-形成爆炸性混合物的最低浓度。p爆炸浓度上限-形成爆炸性混合物的最高浓度。p爆炸浓度的上限、下限之间称为爆炸浓度范围。可燃粉尘的爆炸下限一般在30-150g/m3，爆炸上限很难测试，一般认为为下限的100倍。爆炸性参数-最大爆炸压力p可燃物质在标准测试条件下，所有浓度范围内的最大超压值。某锌粉爆炸压力-时间曲线1200g/m3浓度时的爆炸压力曲线Explosionpressurehist

14、oryat1200g/m3 2000g/m3浓度时的爆炸压力曲线Explosionpressurehistoryat2000g/m3爆炸性参数-最小点火能p引燃可燃气体或可燃粉尘与空气混合物爆炸的最小电火花能量 如：如：H H2 2:0.017mJ:0.017mJ；C C2 2H H2 2:0.019mJ:0.019mJ 玉米淀粉：玉米淀粉：30-50mJ;30-50mJ;铝粉（昆山）：铝粉（昆山）：7-10mJ7-10mJ爆炸反应当量浓度 根据化学反应计算可燃气体或蒸气的反应当量浓度。例如,求一氧化碳在空气中的反应当量浓度。解:写出一氧化碳在空气中燃烧的反应式:2CO+O2+3.76N2=2

15、CO2+3.76N2 根据反应式得知,参加反应的物质的总体积为2+1+3.76=6.76。若以这个总体积为100,则2个体积的一氧化碳在总体积中所占比例为 2 X=-100%=29.6%6.76 （三）爆炸的影响因素惰性气体含量初始温度初始压力火源强度含氧量爆炸极限的 影响因素消焰距离初始温度的影响初始温度升高，爆炸极限范围变宽。温度初始温度升高，爆炸极限范围变宽。温度越高，爆炸范围越宽（下限下降，上限上越高，爆炸范围越宽（下限下降，上限上升），爆炸危险性增加。升），爆炸危险性增加。如：CH3COCH3在0为4.2-8%100为3.210%初始含氧量（2）含氧量越高，爆炸极限变宽。混合气中增加

16、氧含）含氧量越高，爆炸极限变宽。混合气中增加氧含量，会使上限显著增高，爆炸范围增大。量，会使上限显著增高，爆炸范围增大。如：H2空气4-75%H2氧气4-95%惰性介质含量惰性介质含量（3 3）惰性介质含量越高，爆炸极限范围变窄，危险）惰性介质含量越高，爆炸极限范围变窄，危险性小。但不同惰性气体的影响不同。性小。但不同惰性气体的影响不同。如：水蒸气，如：水蒸气，N N2 2,CO,CO2 2,Ar,Ar等。等。初始压力初始压力（4）初始压力增大，爆炸极限的范围变宽。）初始压力增大，爆炸极限的范围变宽。压力越大，爆炸范围越宽（对下限的影响较小，压力越大，爆炸范围越宽（对下限的影响较小，对上限的影

17、响较大），危险性增加。压力降到某对上限的影响较大），危险性增加。压力降到某一数值，上限与下限重合，这一压力称为临界压一数值，上限与下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸的危险。力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸的危险。如：如：CH4:0.1MP时为：5.6-14.3%5MP时为：5.4-29.4%设备几何尺寸（5 5）容器管道减小，爆炸极限的范围变小。）容器管道减小，爆炸极限的范围变小。实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆炸浓度范围越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。把炸浓度范围越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。把火焰蔓延不下去

18、的最大通道尺寸叫最大实验安全火焰蔓延不下去的最大通道尺寸叫最大实验安全间隙（也称消焰距离）。间隙（也称消焰距离）。各种可燃气有不同的消焰距离，消焰距离还与可各种可燃气有不同的消焰距离，消焰距离还与可燃气的浓度有关，也受气体流速、压力的影响。燃气的浓度有关，也受气体流速、压力的影响。消焰距离是可燃物蔓延能力的一个度量参数，度消焰距离是可燃物蔓延能力的一个度量参数，度量可燃物危险程度的一个重要参数。量可燃物危险程度的一个重要参数。如：如：H2,C2H2,d0.1-0.2mm时爆炸不传播时爆炸不传播点火能量（6）火源能量越高，爆炸极限范围愈宽。）火源能量越高，爆炸极限范围愈宽。点火源的点火源的强度高

19、，热表面的面积大，火源与混合物的接触强度高，热表面的面积大，火源与混合物的接触时间长，会使爆炸范围扩大，增加燃烧、爆炸的时间长，会使爆炸范围扩大，增加燃烧、爆炸的危险性。危险性。如：CH4,100V,1A电火花不炸 2A：5.9-13.6%3A:5.85-14.8%可能的点火源igniton sources1.热表面2.火焰和热气体（明火）3.机械产生的火花4.电气设备（电火花和高温表面）5.杂散电流6.静电7.雷电8.1043*1012射频电磁波9.3*10113*1015电磁波10.电离辐射11.超声波12.绝热压缩和冲击波13.包括粉尘自燃的放热效应明火p高温下气体电离产生的等离子体p温

20、度高，能量大p切割时使得环境的氧浓度高p火柴 燃烧的木火柴功率100J/s闷燃机械撞击p跌落的螺丝 2530m/sp铝和铁锈 2Al+Fe2O3 Al2O3+2Fe+Q （铝热剂）n铝较软，一般不会发生上述反应n金属外镀铝遇到铁锈较危险，如防爆手工具！外表面覆盖涂料层可减小机械撞击危险，但静电危险增加。关于火花p机械摩擦和撞击产生的火花p电能释放产生的火花-电气火花n静电火花n电气火花p电阻电路p电感电路p电容电路p电火花和机械火花的引燃能力分析摩擦冲击火花p煤矿事故表明摩擦冲击火花可以点燃甲烷混合物p实验室还未验证，但被广泛认可p摩擦冲击火花不是静电火花p“火花”是高温碎片，更接近热表面点燃p火花点燃能力n不能按冲击能量来考虑，被冲击物体吸收n可参考被点燃的可燃气体的最小点火能n碎片的温升来自于冲击能量和碎片高温时的自我氧化放热，对于镁、铝、铁更明显钛棒摩擦引燃瓦斯实验电气火花p电气火花（电弧）p静电火花(高压放电现象)电源供电的电路断开时产生电火花，火花通过空气消耗的能量对于感性电路W0.5LI2对于电容电路W0.5CI2