燃烧和爆炸与防火防爆安全技术-工艺技术(编辑修改稿)

燃烧和爆炸与防火防爆安全技术-工艺技术(编辑修改稿)内容摘要：

的概念，并给出了标准燃烧热的定义。 可燃物质燃烧爆炸时所达到的最高温度、最高压力和爆炸力与物质的燃烧热有关。 物质的标准燃烧热数据不难从一般的物性数据手册中查阅到。 物质的燃烧热数据一般是用量热仪在常压下测得的。 因为生成的水蒸气全部冷凝成水和不冷凝时，燃烧热效应的差值为水的蒸发潜热，所以燃烧热有高热值和低热值之分。 高热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸气全部冷凝成水时所放出的热量；而低热值是指生成的水蒸气不冷凝时所放出的热量。 表 4—6 是一些可燃气体的燃烧热数 据。 表 4— 6 可燃气体燃烧热 第四节 爆炸及其类型 一、爆炸概述 爆炸是物质发生急剧的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并伴有巨大声响的过程。 在爆炸过程中，爆炸物质所含能量的快速释放，变为对爆炸物质本身、爆炸产物及周围介质的压缩能或运动能。 物质爆炸时，大量能量极短的时间在有限体积内突然释放并聚积，造成高温高压，对邻近介质形成急剧的压力突变并引起随后的复杂运动。 爆炸介质在压力作用下，表现出不寻常的运动或机械破坏效应，以及爆炸介质受振动而产生的音响效应。 爆炸常伴随发热、发光 、高压、真空、电离等现象，并且具有很大的破坏作用。 爆炸的破坏作用与爆炸物质的数量和性质、爆炸时的条件以及爆炸位置等因素有关。 如果爆炸发生在均匀介质的自由空间，在以爆炸点为中心的一定范围内，爆炸力的传播是均匀的，并使这个范围内的物体粉碎、飞散。 爆炸的威力是巨大的。 在遍及爆炸起作用的整个区域内，有一种令物体震荡、使之松散的力量。 爆炸发生时，爆炸力的冲击波最初使气压上升，随后气压下降使空气振动产生局部真空，呈现出所谓的吸收作用。 由于爆炸的冲击波呈升降交替的波状气压向四周扩散，从而造成附近建筑物的震荡破坏。 化工装置、机械设备、容器等爆炸后，变成碎片飞散出去会在相当大的范围内造成危害。 化工生产中属于爆炸碎片造成的伤亡占很大比例。 爆炸碎片的飞散距离一般可达 100～ 500 m。 爆炸气体扩散通常在爆炸的瞬间完成，对一般可燃物质不致造成火灾，而且爆炸冲击波有时能起灭火作用。 但是爆炸的余热或余火，会点燃从破损设备中不断流出的可燃液体蒸气而造成火灾。 二、爆炸分类 1．按爆炸性质分类 (1)物理爆炸 物理爆炸是指物质的物理状态发生急剧变化而引起的爆炸。 例如蒸汽锅炉、压缩气体、液化气体过压等引起的爆炸，都属于物理爆炸。 物质的化学成分和化学性质在物理爆炸后均不发生变化。 (2)化学爆炸 化学爆炸是指物质发生急剧化学反应，产生高温高压而引起的爆炸。 物质的化学成分和化学性质在化学爆炸后均发生了质的变化。 化学爆炸又可以进一步分为爆炸物分解爆炸、爆炸物与空气的混合爆炸两种类型。 爆炸物分解爆炸是爆炸物在爆炸时分解为较小的分子或其组成元素。 爆炸物的组成元素中如果没有氧元素，爆炸时则不会有燃烧反应发生， 爆炸所需要的热量是由爆炸物本身分解产生的。 属于这一类物质的有叠氮铅、乙炔银、乙炔铜、碘化氮、氯化氮等。 爆炸物质中如果含有氧元素，爆炸时则往往伴有燃烧现象发生。 各种氮或氯的氧化物、苦味酸即属于这一类型。 爆炸性气体、蒸气或粉尘与空气的混合物爆炸，需要一定的条件，如爆炸性物质的含量或氧气含量以及激发能源等。 因此其危险性较分解爆炸为低，但这类爆炸更普遍，所造成的危害也较大。 2．按爆炸速度分类 (1)轻爆 爆炸传播速度在每秒零点几米至数米之间的爆炸过程； (2)爆炸 爆炸传播速度在每秒十米至数百米之间的爆炸过程； (3)爆轰 爆炸传播速度在每秒 1 千米至数千米以上的爆炸过程。 3．按爆炸反应物质分类 (1)纯组元可燃气体热分解爆炸 纯组元气体由于分解反应产生大量的热而引起的爆炸； (2)可燃气体混合物爆炸 可燃气体或可燃液体蒸气与助燃气体，如空气按一定比例混合，在引火源的作用下引起的爆炸； (3)可燃粉尘爆炸 可燃固体的微细粉尘，以一定浓度呈悬浮状态分散在空气等助燃气体中，在引火源作用下引起的爆炸； (4)可燃液体雾滴爆炸 可燃液体在空 气中被喷成雾状剧烈燃烧时引起的爆炸； (5)可燃蒸气云爆炸 可燃蒸气云产生于设备蒸气泄漏喷出后所形成的滞留状态。 密度比空气小的气体浮于上方，反之则沉于地面，滞留于低洼处。 气体随风漂移形成连续气流，与空气混合达到其爆炸极限时，在引火源作用下即可引起爆炸。 爆炸在化学工业中一般是以突发或偶发事件的形式出现的，而且往往伴随火灾发生。 爆炸所形成的危害性严重，损失也较大。 下面将介绍化工行业中常见的几种爆炸类型。 三、常见爆炸类型 1．气体爆炸 (1)纯组元气体分解爆炸 具有分解爆炸特 性的气体分解时可以产生相当数量的热量。 摩尔分解热达到80～ 120kJ 的气体一旦引燃火焰就会蔓延开来。 摩尔分解热高过上述量值的气体，能够发生很激烈的分解爆炸。 在高压下容易引起分解爆炸的气体，当压力降至某个数值时，火焰便不再传播，这个压力称作该气体分解爆炸的临界压力。 高压乙炔非常危险，其分解爆炸方程为 C2H2→ 2C(固 )+H2+226 kJ 如果分解反应无热损失，火焰温度可以高达 3100℃。 乙炔分解爆炸的临界压力是 0． 14 MPa，在这个压力以下贮存乙炔就不会发生分解爆炸。 此外，乙炔类化合物也同样具有分解爆炸危险，如乙烯基乙炔分解爆炸的临界压力为 0． 11 MPa，甲基乙炔在 20℃分解爆炸的临界压力为 0． 44 MPa，在 120℃则为 0． 31 MPa。 从有关物质危险性质手册中查阅到的分解爆炸临界压力多为 20℃的数据。 乙烯分解爆炸反应方程式为 C2H4→ C(固 )+CH4+127． 4 kJ 乙烯分解爆炸所需要的能量随压力的升高而降低，若有氧化铝存在，分解爆炸则更易发生。 乙烯在 0℃的分解爆炸临界压力是 4 MPa，故在高压下加工或处理乙烯 ，具有与可燃气体 — 空气混合物同样的危险性。 氮氧化物在一定压力下也可以发生分解爆炸，按下述反应式进行 N2O→ N2+0． 5 O2+81． 6 kJ NO→ 0． 5N2+0． 5O2+90． 4 kJ N2O 的分解爆炸临界压力是 0． 25 MPa， NO 的是 0． 15 MPa，在上述条件下，90％以上可以分解为 N2和 O2。 环氧乙烷的分解反应式为 C2H4O→ CH4+CO+134． 3 kJ 2C2H4O→ CH4+2CO+33． 4 kJ 环氧乙烷的分解爆炸临界压力为 0． 038MPa，故环氧乙烷有较大的爆炸危险性。 在 125℃时，环氧乙烷的初始压力由 0． 25 MPa 增至 1． 2 MPa，最大爆炸压力与初压之比则由 2 增至 5． 6，可见爆炸的初始压力对终压有很大影响。 (2)混合气体爆炸 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例均匀混合，而后点燃，因为气体扩散过程在燃烧以前已经完成，燃烧速率将只取决于化学反应速率。 在这样的条件下，气体的燃烧就有可能达到爆炸的程度。 这时的气体或蒸汽与空气的混合物，称为爆炸性混合物。 例如，煤气从喷嘴喷出以后，在火焰外层与空气混合，这时的燃烧速率取决于扩散速率，所进行的是扩散燃烧。 如果令煤气预先与空气混 合并达到适当比例，燃烧的速率将取决于化学反应速率，比扩散燃烧速率大得多，有可能形成爆炸。 可燃性混合物的爆炸和燃烧之间的区别就在于爆炸是在瞬间完成的化学反应。 在化工生产中，可燃气体或蒸气从工艺装置、设备管线泄漏到厂房中，而后空气渗入装有这种气体的设备中，都可以形成爆炸性混合物，遇到火种，便会造成爆炸事故。 化工生产中所发生的爆炸事故，大都是爆炸性混合物的爆炸事故。 燃烧的连锁反应理论也可用于解释爆炸。 爆炸性混合物与火源接触，便有活性原子或自由基生成而成为连锁反应的作用中心。 爆炸混合物起火后，燃烧热和链锁载体都向外传播，引发邻近一层爆炸混合物的燃烧反应。 而后，这一层又成为热和链锁载体源引发次一层爆炸混合物的燃烧反应。 火焰是以一层层同心圆球面的形式向各个方向蔓延的。 燃烧的传播速率在距离着火点 0． 5～ 1 m以内是固定的，每秒若干米或者更小一些。 但以后即逐渐加速，传播速率达每秒数百米 (爆炸 )，乃至每秒数千米 (爆轰 )。 如果燃烧传播途中有障碍物，就会造成极大的破坏作用。 爆炸性混合物，如果燃烧速率极快，在全部或部分封闭状态下，或在高压下燃烧时，可以产生一种与一般爆炸根本不同的现象，称为爆轰。 爆轰的特点是，突然 引发的极高的压力，通过超音速的冲击波传播，每秒可达 20xx～ 3000 m以上。 爆轰是在极短的时间内发生的，燃烧物质和产物以极高的速度膨胀，挤压周围的空气。 化学反应所产生的能量有一部分传给压紧的空气，形成冲击波。 冲击波传播速率极快，以至于物质的燃烧也落于其后，所以，它的传播并不需要物质完全燃烧，而是由其本身的能量支持的。 这样，冲击波便能远离爆轰源而独立存在，并能引发所到处其他化学品的爆炸，称为诱发爆炸，即所谓的“殉爆”。 2．粉尘爆炸 实际上任何可燃物质，当其成粉尘形式与空气以适当比例混合时，被热、火花、火焰点燃，都能迅速燃烧并引起严重爆炸。 许多粉尘爆炸的灾难性事故的发生，都是由于忽略了上述事实。 谷物、面粉、煤的粉尘以及金属粉末都有这方面的危险性。 化肥、木屑、奶粉、洗衣粉、纸屑、可可粉、香料、软木塞、硫磺、硬橡胶粉、皮革和其他许多物品的加工业，时有粉尘爆炸发生。 为了防止粉尘爆炸，维持清洁十分重要。 所有设备都应该无粉尘泄漏。 爆炸卸放口应该通至室外安全地区，卸放管道应该相当坚固，使其足以承受爆炸力。 真空吸尘优于清扫，禁止应用压缩空气吹扫设备上的粉尘，以免形成粉尘云。 屋顶下裸露的管线、横梁和其他突出部分 都应该避免积累粉尘。 在多尘操作设置区，如果有过顶的管线或其他设施，人们往往错误地认为在其下架设平滑的顶板，就可以达到防止粉尘积累的效果。 除非顶板是经过特殊设计精细安装的，否则只会增加危险。 粉尘会穿过顶板沉积在管线、设施和顶板本身之上。 一次震动就足以使可燃粉尘云充满整个人造空间，一个火星就可以引发粉尘爆炸。 如果管线不能移装或拆除，最好是使其裸露定期除尘。 为了防止引发燃烧，在粉尘没有清理干净的区域，严禁明火、吸烟、切割或焊接。 电线应该是适于多尘气氛的，静电也必须消除。 对于这类高危险性的物质，最好是在封闭系 统内加工，在系统内导入适宜的惰性气体，把其中的空气置换掉。 粉末冶金行业普遍采用这种方法。 3．熔盐池爆炸 熔盐池爆炸属于事后抢救往往于事无补的灾难性事件，大多是由于管理和操作人员对熔盐池的潜在危险疏于认识引起的。 机械故障、人员失误、或者两者的复合作用，都有可能导致熔盐池爆炸。 现把熔盐池危险汇总如下。 (1)工件预清洗或淬火后携带的水、盐池上方辅助管线上的冷凝水、屋顶的渗漏水、自动增湿器的操作用水、甚至操作人员在盐池边温热的液体食物，都有可能造成蒸气急剧发生，引发爆炸。 (2)有砂眼的铸件、管道和封闭管线、中空的金属部件，当其浸入熔盐池时，其中阻塞和淤积的空气会突然剧烈膨胀，引发爆炸。 (3)硝酸盐池与毗邻渗碳池的油、炭黑、石墨、氰化物等含碳物质间的剧烈的难以控制的化学反应，都有可能诱发爆炸。 (4)过热的硝酸盐池与铝合金间的剧烈的爆发性的反应也可能引起爆炸。 (5)正常加热的硝酸盐池和不慎掉入池中的镁合金间会发生爆炸反应。 (6)落人盐池中的铝合金和池底淤积的氧化铁会发生类似于铝热焊接的反应。 (7)盐池设计、制造和安装的结构失误会缩短盐池的正常寿命，盐池的 结构金属材料与硝酸盐会发生反应。 (8)温控失误会造成盐池的过热。 (9)大量硝酸钠的贮存和管理，废硝酸盐不考虑其反应活性的处理和贮存，都有一定的危险性。 (10)偶尔超过安全操作限的控温设定，也会有一定的危险性。 第五节 爆炸极限理论与计算 一、爆炸极限理论 可燃气体或蒸气与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸，而且燃烧 (或爆炸 )的速率也随组成而变。 实验发现，当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈。 若浓度减小或增加，火焰蔓延速率则降低。 当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。 可燃气体或蒸气与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。 可燃气体或蒸气与空气的混合物，若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会着火或爆炸。 爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的体积百分数表示，有时也用单位体积可燃气体的质量 (kg m— 3)表示。 混合气体浓度在爆炸下限以下时含有过量空气，由于空气的冷却作用，活化中心的消失数大于产生数，阻止了火焰的蔓延。 若浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃气体，助燃气体不足，火焰也不能蔓延。 但此时若补充空气，仍有火灾和爆炸的危险。 所以浓度在爆炸上限以上的混合气体不能认为是安全的。 燃烧和爆炸从化学反应的角度看并无本质区别。 当混合气体燃烧时，燃烧波面上的化学反应可表示为 A+B→ C+D+Q (4— 1) 式中 A、 B 为反应物； C、 D 为产物； Q 为燃烧热。 A、 B、 C、 D 不一定是稳定分子，也可以是原子或自由基。