可燃气体的燃烧爆炸

可燃气体的燃烧爆炸目录一、概述二、气体爆炸机理三、气体爆炸特性四、气体爆燃与爆轰理论一、概述1.可燃气体的定义凡是常温、常压下以气体状态存在，在受热、受压、撞击或遇火花等外界能量作用下具有燃烧或爆炸性能的气体通称为可燃性气体。如氢气、矿井瓦斯(甲烷)、乙烯、乙炔、环氧乙烷、天然气、石油液化气等。天然气香蕉的成熟过程2.可燃性气体危险特性可燃性气体危险特性主要体现在燃烧性、爆炸性、扩散性以及毒害、腐蚀和窒息性等几个方面。3.可燃气体的燃烧形式气体的燃烧与液体和固体的燃烧不同，他不需要经过蒸发、融化等过程，气体在正常条件下就具备了燃烧的条件，所以比液体和固体更容易燃烧。气体的燃烧有扩散燃烧和动力燃烧两种形式。（1）扩散燃烧。如果可燃气体与空气的混合是在燃烧过程中进行的，则发生稳定式的燃烧，称为扩散燃烧。（2）动力燃烧。如果可燃气体与空气是在燃烧之前按一定比例均匀混合的，形成预混气，遇火源则发生爆炸式燃烧，称动力燃烧。两种燃烧形式的特点如图所示的火炬燃烧，火焰的明亮区是扩散区，可燃气体和氧分别从火焰中心（燃料锥）和空气扩散到达扩散区的。这种火焰燃烧速度很低，一般小于0.5m/s。由于可燃气体与空气是逐渐混合并逐渐燃烧消耗掉，因而形成稳定的燃烧，只要控制得好就不会发生火灾。除火炬燃烧外，气焊的火焰和燃气加热等也属于这类扩散燃烧。在预混气的空间里，充满了可以燃烧的混合气，一处点火，整个空间立即燃烧起来，发生瞬间的燃烧，即爆炸现象。此外，如果可燃气体处于压力而受冲击、摩擦或其他着火源作用，则发生喷流式燃烧。像气井的井喷火灾，高压气体从燃气系统喷射出来时的燃烧等。对于这种喷流燃烧形式的火灾，较难扑救，需较多救火力量和灭火剂，应当设法断绝气源，使火灾彻底熄灭。4.可燃性气体在空气中完全燃烧的理论混合比理论混合比指的是在常温常压下，可燃性气体在空气中完全燃烧时，空气中的可燃性气体的浓度。二、气体爆炸机理气体爆炸包括可燃气体/空气混合物爆炸和单一气体分解爆炸两个方面，两者爆炸机理及过程虽有所不同，但本质上都是由于化学反应的能量快速释放，导致压力急剧升高而引起爆炸。1.热点火机理在热点火理论中，物质因自热而引起着火，从阴燃到明燃直至发生爆炸的现象，称为热爆炸或热自燃，习惯上也称自动着火或自动点燃。从化学反应动力学观点看，热爆炸是一个从缓慢氧化放热反应突然变为快速燃烧反应的过程，当化学反应系统中放热速率超过热损失速率时，由于热积累致使反应物自动加热，反应过程不断自动加速，直至爆炸发生。判断爆炸发生与否的临界点的数学描述称为临界条件，由临界条件导出的系统物理、化学和热力学参数称为热爆炸判据。（1）热爆炸临界条件及点火过程的分析为说明热爆炸临界条件及点火过程，考虑某种由A，E两种组分组成的气体混合物，并按如下形式发生双分子反应生成产物C：A+B→C根据Arrhenius反应速率定律，考虑2级反应，反应速率可表述为：式中：——反应速率，mol/(m³·S)；——频率因子，m³/(mol·s)；，——反应物A和B的浓度，mol/m³；E——活化能，kJ/mol；R——气体普适常数，kJ/(mol·K)；T——绝对温度，K。rck0cAcB（2）热爆炸判据切线求法如图2一1所示，图中曲线4代表系统放热速率，直线1，2和3分别表示不同散热条件下系统热损失速率，直线2与曲线4之切点C为热爆炸临界状态。在数学上，切点C处必须同时满足系统热产生速率与热损失速率相等及两曲线斜率相等两个条件，即：式中，——分别为系统热产生和热损失速率，kJ/sV——反映物体积，——化学反应热，h——热传导系数，A——表面积，——环境温度，KqLQvTa联立式（1）～式（4），求得系统爆炸临界温度该式表明，若均热系统升温，热爆炸就不会发生，否则，系统将由自热引起爆炸。在不同和E条件下，爆炸发生前的升温并不相同，一般为几十摄氏度。2.链式反应机理热点火理论认为，气体混合物爆炸是由加热和温度升高所引起，但实际过程却有许多例外。如某些缓慢反应在一定条件下也会自动加速，但并不是因为加热，而是可燃气体混合物中积累了具有催化作用的活化中间产物所致，即某些可燃气体在受到外界热、光等激发时，分子键被击破而发生离解形成游离基，这些游离基与原始混合气体会发生一系列链式反应生成最终产物，并释放出燃烧反应热，这种能使活化中间产物再生的反应称为链式反应。链式反应每消耗掉一个活化中间产物的同时，便会引起下一链反应的成长。氯/氢混合物链式反应机理在上述链式反应中，最初的游离基(活性中心)在某种外界能源(热、光、氧化、还原、催化等)作用下生成，由于游离基比普遍分子具有更多的活化能，活动能力极强，一般条件下非常不稳定，极易与其他分子发生反应生成新的游离基，或自行结合生成稳定分子。也就是说。如果在外界能源作用下能在反应物中产生少量游离基。这些游离基即可引发链锁反应，使燃烧反应得以持续下去：一旦活化中心(游离基)消失。链式反应就会中断，燃烧反应停止。链式反应机理的一般过程链式反应机理大致分为如下三个阶段：(1)链引发游离基生成，链式反应开始。(2)链传递游离基与原始反应物作用生成稳定化合物，并产生新游离基。(3)链终止游离基消失，链式反应终止。导致游离基消失的原因很多，如游离基相互碰撞生成分子、与非活性同类分子或惰性分子相互碰搜导致能量分散、与器壁撞击被吸附等。链式反应分为分支链式反应和不分支链式反应链式反应分为分支链式反应和不分支链式反应两种。氯和氢气发生光化学反应属不分支链式反应，即每活化一个氯分子出现两个氯游离基，每个氯游离基都进行自己的链式反应。且每次反应只引出一个新游离基。典型分支链式反应是氢/氧混合气体发生光化学反应。由于上述链式反应中间两步均生成了两个活化中心。因此，这些链式反应会发生分支。三、气体爆炸特性1.气体混合物爆炸可燃气体/空气混合物爆炸，是可燃气体在空气中迅速燃烧引起压力急骤升高的过程。气体爆炸可以发生在设备、管道、建筑物或船舱内，也可以在户外敞开场所发生。当可燃气体或液体蒸气意外泄漏到大气中后。如果遇到火源则被点燃起火，如果泄漏时没有立即遇到火源作用，而是与空气混合形成预混可燃气体混合物后再遇到点火源作用，则会发生气体混合物爆炸。一般来说，泄漏时间越长，形成可燃气体混合物的规模及爆炸范围就越大。（1）爆炸特性参数描述可燃气体/空气混合物爆炸特性的参数分为两组：气体点火特性表征参数，如闪点、引燃温度、最小点燃能量、最小点燃电流、爆炸极限、最大试验安全间隙等，这组参数其值越小，表明气体爆炸感度越高，越易发生爆炸气体爆炸效应表征参数，如燃烧速度，爆炸指数等，这组参数其值越大，表明气体爆炸越猛烈，爆炸破坏力越大。①闪燃与闪点可燃液体(或固体)表面蒸气达到一定浓度形成可燃性混合气体时，在点火源作用下就会发生燃烧。在形成可燃性混合气体的最低温度下所发生的瞬间火苗或闪光燃烧现象称为闪燃。此时所对应的液体(或固体)表面温度称为闪点。当可燃液体或固体温度高于闪点时，随时都有被外界明火点燃的危险：而当温度低于闪点时，由于蒸气压太小不足以在空气中形成可燃性气体混合物，因而不能被外加明火点燃。闪点随可燃液体(或固体)浓度变化而变化。闪点与可燃物浓度关系如右图所示。②自燃与自燃温度可燃物质在无外界明火作用下发生自发着火燃烧的现象称为自燃，一般分受热自燃与自热自燃两种情况。可燃物质在外界热源作用下温度升高到自燃温度所发生的着火燃烧现象称为受热自燃；自热自燃是指在无外界热源作用下。可燃物质因内部发生物化或生化过程而产生热积蓄使物质温度升高到自燃温度时所发生的一种着火燃烧现象。在所有浓度范围内，可燃物质发生自燃的最低温度称为自燃温度(AIT)。③最小点火能量最小点火能量是在标准实验装置及测试条件下，点燃可燃气体/空气混合物并使火焰自行传播所需的最小放电火花能量，称为单次试验的最小点火能量，在所有浓度范围内所测最小点火能量中的最小值，称为可燃气体/空气混合物的最小点火能量(MIE)。④最小点燃电流及最小点燃电流比在标准测试条件下，采用直流24V和95mH电感电路火花试验装置进行点燃试验时，在最易点燃的浓度下。点燃可燃气体/空气混合物所需的最小电流称为最小点燃电流(MIC)。可燃气体/空气混合物最小点燃电流与甲烷/空气混合物最小点燃电流之比值称为最小点燃电流比(MICR)。⑤爆炸极限爆炸极限又称燃烧极限，是对爆炸上限(UEL)和爆炸下限(EIE)的统称，当可燃气体(蒸汽)/空气混合后的浓度低于下限或高于上限时都不可能发生爆炸。可燃气体(熬气)/空气混合物的爆炸极限一般用体积分数来表示。处于爆炸上限与下限之间的浓度范围称为爆炸区，在此以外的浓度范围称为非爆炸区。⑥最大试验安全间隙在标准试验装置及测试条件下，点燃壳体内所有浓度范围的被实验气体(蒸汽)/空气混合物后，通过25mm长法兰接合面均不能点燃壳外爆炸性气体混合物的外壳空腔与壳内两部分之间的最大间隙，称为最大试验安全间隙(MESG)，MESG值是确定防场电气设备和阻火设备隔爆外壳级别的重要依据。⑦爆炸指数在标准爆炸容器及测试方法下，测得可燃气体/空气混合物每次试验的最大爆炸超压称为爆炸指数P。所测爆超压一时间曲线升段上的最大斜率称为爆炸指数，并定义。与爆炸容器容积(V)立方根之积为爆炸指数K。在可燃气体/空气混合物所有浓度范围内，所测、及K值之中最大者分别称为爆炸指数(最大爆炸压力)、(最大爆炸压力上升速率)和。关于各爆炸指数定义及相互关系如图2－3所示。（2）可燃气体爆炸极限计算可燃性气体或蒸气与空气组成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；同样能使火焰蔓延的最高浓度称爆炸上限，浓度若在下限以下及上限以上的混合物则不会着火或爆炸。但上限以上的混合物在空气中是能燃烧的。爆炸极限一般可用可燃性气体或蒸气在混合物中的体积百分数来表示，有时也用单位体积气体中可燃物的含量来表示（g/m³或mg/L）。混合爆炸物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，阻止了火焰的蔓延，此时，活化中心的销毁数大于产生数。同样，浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃性物质，空气非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。但此时若补充空气同样有火灾爆炸的危险。故对上限以上的混合气不能认为是安全的。根据完全燃烧反应所需的氧原子数计算计算公式：1176.4%100）（下NL476.4%1004NL上式中，L下——爆炸下限；L上——爆炸上限；N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数。示例试求乙烷在空气中爆炸浓度下限和上限乙烷的燃烧反应式：2C2H6+7O2→4CO2+6H2O可知N=7，代入公式，计算得：乙烷爆炸下限的体积分数为3.38％；爆炸上限的体积分数为10.7％。所以，乙烷的爆炸极限体积分数为3.38％～10.7％。石蜡烃的浓度及其爆炸极限体积分数的计算值与实验测量值的比较序号可燃气体名称分子式碳原子数化学计量浓度C0%爆炸下限L下/%爆炸上限L上/%计算值实验值计算值实验值1甲烷CH419.55.25.014.315.02乙烷C2H625.63.33.010.712.53丙烷C3H834.02.22.19.59.54丁烷C4H1043.11.71.58.58.55异丁烷C4H1043.11.71.88.58.46戊烷C5H1252.51.41.47.78.07异戊烷C5H1252.51.31.47.77.6利用理论混合比计算爆炸极限用可燃气体与空气混合完全燃烧时的浓度，即理论混合比推导出的经验公式如下：试求甲烷在空气中的爆炸浓度下限和上限燃烧反应式：CH4+2O2→CO2+2H2O求得：C0=9.48%；代入公式，求得：L下=5.2%，L上=14.7%所以，甲烷的爆炸极限为5.2％～14.7％（4％～16％）此公式用于链烷烃类，其计算值与实验值比较，误差不超过10％。055.0CL下048.0CL上根据脂肪族化合物的含碳原子数计算爆炸极限04343.01347.01nL下05151.010337.01n