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第二章 防火与防爆 1 2 1物质的燃烧定义燃烧的条件燃烧过程燃烧类型2 2燃烧机理2 3燃烧速度与热值气体的燃烧速度影响火焰传播速度的因素液体的燃烧速度固体的燃烧速度热值与燃烧温度 本章主要内容 2 4爆炸爆炸及其分类爆炸极限2 5防火与防爆防火防爆的基本原则预防性措施保护性措施灭火 炼油化工企业典型事故类型统计表 2 1物质的燃烧 燃料与氧化剂 两种组分 在空间激烈地发生放热化学反应的过程 它本质上是一种特殊的氧化还原反应 如 发光 发热 生成新物质三个特征 2 1物质的燃烧 2 1 1燃烧的定义 以下反应 哪些是燃烧反应 2H2 O2 2H2OC O2 CO22Fe 3Cl2 2FeCl32Fe 4HCl 2FeCl2 2H2 2 1物质的燃烧 2 1物质的燃烧 2 1 2燃烧的条件 白磷 红磷 同一种物质温度接近 水中的白磷空气中的白磷 不燃烧 燃烧 与氧气或空气接触 不同的物质在同一条件下 白磷 红磷 燃烧 不燃烧 有足够的点火能量 2 1物质的燃烧 是不是物质只有在氧气或空气中才能燃烧呢 思考 2 1物质的燃烧 演示实验二 点燃 2 2 演示实验三 现象 剧烈燃烧 生成白色固体和黑色固体 黑 白 现象 剧烈燃烧 产生浓厚的白烟 氯化钠固体小颗粒 发出黄色火焰 点燃 2 2 镁在二氧化碳中的燃烧 钠在氯气中的燃烧 2 1物质的燃烧 燃料液体汽油 丙酮 乙醚 戊烷固体塑料 木粉 纤维 金属粉气体乙炔 丙烷 CO 氢气 氧化剂液体硝酸 高氯酸 过氧化氢气体O2 Cl2固体金属过氧化物 硝酸铵 点火源明火 静电 电火花 摩擦与撞击 高温体 雷电 物质燃烧的三要素 2 1物质的燃烧 燃烧的三个条件同时具备燃烧就一定能发生吗 燃烧形成的充要条件 外加热 点火源 可燃物质氧或助燃剂合理配比 2 1物质的燃烧 15 2 1物质的燃烧 汽油桶实验 燃烧形成的充要条件 外加热 点火源 可燃物质氧或助燃剂合理配比 汽油筒实验 点火源要有一定的强度反应释放足够能量维持燃烧 2 1物质的燃烧 可燃气体 最易燃烧 只要达到其本身氧化分解所需的热量 便能燃烧 其燃烧速度很快 可燃液体 首先发生蒸发 在火源作用下 然后蒸汽 氧化分解 进行燃烧 2 1物质的燃烧 2 1 3燃烧过程 木材的燃烧混合了分解燃烧和表面燃烧T 110 放出水分T 130 开始分解T 150 变色T150 200 分解主要放出水和二氧化碳 不燃烧T 200 放出一氧化碳 氢 碳氢化合物 开始燃烧T 300 析出气体最多 燃烧最激烈分解气体析出完 残留木炭 表面燃烧 2 1物质的燃烧 一边混合一边燃烧蜡烛燃烧气体火炬油池火灾射流燃烧 液体和固体的燃烧多相悬浮系统的燃烧喷雾燃烧粉煤爆炸 正常火焰森林火灾 爆轰火焰气体爆炸 气相流动特性为湍流喷雾燃烧多相燃烧 燃料与氧化剂均为气体气体燃烧气体爆炸 气相流动特性为层流层流射流燃烧煤气灶 燃烧前充分混合煤气灶天然气爆炸 U VCE 气体 气体液体固体 气相多相 气相多相 气体 液体固体 气体液体固体 气体预混液体固体 2 1物质的燃烧 2 1 4燃烧类型 闪燃 在一定温度下 可燃液体表面所产生的蒸汽与空气形成混合物 遇火源产生瞬间的燃烧 闪燃是可燃液体着火的前奏或火险的警告闪燃原因 液体蒸发速度小于燃烧速度 闪点 在规定的实验条件下 液体表面发生闪燃的最低温度 物质的饱和蒸气压越大 其闪点越低 闪点越低 火灾危险性越大 易燃液体 闪点小于等于45 的液体 1 闪燃 2 1物质的燃烧 常见液体的闪点分类级别表 2 1物质的燃烧 闪点的测定 a 闭杯法 闪点 300 的石油化工产品 按GB261 83标准测定 点火源大小与点火源离液面的距离 加热速率 试样的均匀度 试样的纯度 测试的容器 大气压力的影响 常见的闪点如无说明系指闭杯式测定值 2 1物质的燃烧 闪点的测定 a 闭杯法 闪点闪点 40 的石油化工产品闪点的测定 可用低温闪点测定仪 按国标GB7634 87的规定测定 2 1物质的燃烧 着火 在氧化剂充足的条件下 可燃物与明火接触能引起燃烧 并在火源移去以后仍能保持燃烧的现象 燃点 也称为着火点 可燃物质被加热到超过闪点温度时 其蒸汽 助燃剂气体的混合气与火焰接触即着火 并能持续燃烧5秒以上时的最低温度 物质的闪点在100 以下时 二者相差不大 但对于可燃液体 特别是闪点100 以上的 两者相差30 以上 一般说来 燃点比闪点高5 10 易燃液体的燃点与闪点很接近 仅差1 5 2 着火 2 1物质的燃烧 自燃 可燃物质不需要接触火源便能着火的自发燃烧现象 自燃点 可燃物质能发生自燃的最低温度 可燃物质的自燃点越低 其火灾危险性越大 3 自燃 2 1物质的燃烧 自燃点的测定及其影响因素a 压力 压力越高 自燃点越低 b 浓度 当混合物的比例符合该物质氧化反应的化学恰当反应时 其自燃点最低 燃料 氧化剂比F O 燃料质量 氧化剂质量化学恰当反应 所有反应物都消耗掉的一种独特反应 当量比 实际的燃料 氧化剂比与化学恰当反应时的燃料 氧化剂比的比值 F O F O st0 1 贫燃料状态 1 化学恰当状态1 富燃料状态 2 1物质的燃烧 自燃点的测定及其影响因素a 压力 压力越高 自燃点越低 b 浓度 当混合物的比例符合该物质氧化反应的化学计量式时 其自燃点最低 c 容器的影响 容器的直径 材质以及表面的物理状态对自燃点都有影响 d 添加剂或杂质e 固体物质的粉碎程度f 分子结构的影响 2 1物质的燃烧 同系物 分子量增加而自燃点减小 乙醇的自燃点为422 丙醇的自燃点为405 正构与异构物 正构物自燃点 异构物自燃点 正丙醇的自燃点为540 而异丙醇的自燃点为620 饱和碳氢化合物的自燃点 相应的不饱和碳氢化合物的自燃点乙炔的自燃点为305 乙烯的自燃点425 乙烷的自燃点515 2 1物质的燃烧 苯系化合物的自燃点 相同碳原子数的脂肪族碳氢化合物的自燃点 苯 C6H6 甲苯 C7H8 的自燃点分别高于己烷 C6H14 庚烷 C7H16 的自燃点 表2 2油品的自燃点与闪点的比较 液体油品比重越大 闪点越高而自燃点越低 2 1物质的燃烧 2 1 5氧指数 氧指数 临界氧浓度 CriticalOxygenConcentration COC 是指在规定条件下 能维持固体材料进行有焰燃烧的在O2 N2系统中最低氧气浓度 v COC是固体材料可燃性进行评价和分类的一个特性指标 COC越高 材料不易着火 阻燃性能好 一般认为氧指数 22属于易燃材料 氧指数在22 27之间属可燃材料 氧指数 27属难燃材料 材料的氧指数可按GB2406 80规定的方法进行测定 2 1物质的燃烧 2 1 6最小点火能量 引起处于爆炸范围内的可燃气体混合物着火所需的最小能量 可燃混合气点火能量取决于该物质的燃烧速度 热传导系数 可燃气的浓度 混合气的温度和压力等 当可燃混合气的组成接近燃烧反应的化学恰当反应比例时 所需的最小点火能最小 2 1物质的燃烧 燃气燃烧反应是一种化学反应 符合基本的化学规律 近代用连锁反应理论来解释燃烧机理 连锁反应分为直链反应和支链反应 都由3个阶段组成 即链的引发 链的传递和链的终止 2 2燃烧机理 2 2燃烧机理 连锁反应速度表达式 F c 反应物浓度函数fs 链在器壁上的销毁因子 fc 链在气相中销毁因子 A 与反应物浓度有关的函数 链的分支 在直链中 1 在支链中 1 2 2燃烧机理 燃烧四面体学说 连锁反应不受抑制 2 3 1气体的燃烧速度气体扩散燃烧 其燃烧速度取决于气体的扩散速度 预混燃烧 燃烧速度则取决于本身的化学反应速度 通常预混燃烧速度要比扩散燃烧速度快得多 气体的燃烧速度表示方法 常以火焰传播速度来衡量 2 3燃烧速度与热值 v 火焰位移速度 m s 1 t 时间 s s 位移 m 火焰传播速度的测定 2 3燃烧速度与热值 2 3 2影响火焰传播速度的因素 可燃物性质某些气体与空气的混合物在直径为25 4mm的管道中燃烧时 火焰传播速度的试验数据列如表2 3 2 3燃烧速度与热值 管径管径 火焰传播速度 但当管径达到某个极限值时 速度就不再增加了 管径 火焰传播速度 在达到某一小的直径时 火焰就不能传播了 阻火器就是根据这一原理制作的 表2 4甲烷和空气混合气在不同管径中的火焰传播速度cm s 2 3燃烧速度与热值 混合气中可燃物的浓度存在最佳值 混合气的初始温度初始温度 火焰传播速度 混合气的压力P 火焰传播速度 2 3燃烧速度与热值 2 3 3液体的燃烧速度液体的燃烧速度取决于液体的蒸发速度 燃烧速度表示方法 a液体燃烧的重量速度以单位时间 单位面积烧掉液体的重量表示 kg m2液面 h 2 3燃烧速度与热值 2 3 3液体燃烧速度液体的燃烧速度取决于液体的蒸发速度 燃烧速度表示方法 a液体燃烧的重量速度b液体燃烧的直线速度以单位时间内烧掉液体层的高度来表示 cm液层高 h 2 3燃烧速度与热值 表2 5几种易燃液体的燃烧速度 2 3燃烧速度与热值 2 3 4固体的燃烧速度固体物质的燃烧速度一般小于可燃气体 不同的固体物质其燃烧速度有很大差别 同一固体燃料 表面积越大燃烧速度越快 2 3 5热值与燃烧温度单位重量可燃物质完全燃烧所放出的热量叫物质的热值 物质燃烧时的火焰温度叫燃烧温度 热值是决定燃烧温度的主要因素 2 3燃烧速度与热值 2 4 1爆炸及其分类 1 爆炸的定义物质由一种状态迅速地转变为另一种状态 并瞬间以机械功的形式放出大量能量的现象 爆炸的威力取决于能量的释放速率 爆炸的特点 产生爆炸声 高温和冲击波 2 4爆炸 爆炸产生的冲击波对砖墙建筑物的破坏 爆炸产生的冲击波对动物杀伤作用 2 4 1爆炸及其分类 2 爆炸的分类 2 4爆炸 按爆炸产生原因和性质 物理爆炸化学爆炸核爆炸按爆炸物质 凝聚态爆炸气体爆炸液体爆炸粉尘爆炸按爆炸地点 地面爆炸空中爆炸 爆炸分类图 爆炸 物理爆炸 化学爆炸 由物理因素如状态 温度 压力等变化而引起的爆炸 物质发生激烈的化学反应 使压力急剧上升而引起的爆炸 爆炸前后物质的性质和化学成分均不改变 压力容器 气瓶 锅炉等超压发生的爆炸 简单分解爆炸 复杂分解爆炸 爆炸性混合物爆炸 简单爆炸所需能量是由爆炸本身分解产生的 不一定发生燃烧反应 爆炸时伴有燃烧反应 燃烧所需氧是由本身分解时供给 如炸药 可燃气体 蒸汽 粉尘等与空气混合成一定比例 遇点火源引起的爆炸 PbN6 Pb 3N2 C3H5 ONO2 3 3CO2 2 5H2O 1 5N2 0 25O2 2 4爆炸 2 4 2 1基本概念可燃的气体 液体蒸气或粉尘与空气的混合物 遇火源能够发生燃烧或爆炸的浓度范围 最低浓度为爆炸下限 最高浓度为爆炸上限 爆炸极限通常用关于氧化剂的体积百分数来表示 51 2 4 2爆炸极限 不燃不爆 轻度燃爆 轻度燃爆 不燃不爆 燃爆逐渐加强 0 12 5 30 74 100 爆炸下限 爆炸上限 一氧化碳爆炸极限示意图 2 4 2爆炸极限 爆炸极限范围变化比较大 53 2 4 2爆炸极限 2 4 2 2爆炸极限的计算 单一组成的可燃气 闪点法 可燃液体蒸汽 L下 可燃液体蒸气的爆炸下限 体积百分比 V P闪 闪燃时该液体的蒸气分压 PaP总 混合气的总压力 Pa 常压时为1 013 105Pa 2 4 2爆炸极限 化学计量式估算常温和常压下 链烷烃的爆炸下限 L下 0 55C0C0 混合气中氧和可燃组分的含量恰好满足计量式时可燃组分的摩尔分数 对于碳氢化合物 2 4 2爆炸极限 例 计算丁烷在空气中的爆炸极限 2C4H10 13O2 8CO2 10H2O解 L下 1 86 L上 8 5 2 4 2爆炸极限 组成复杂的可燃气体爆炸极限的计算LeChatelier 理 查特里 法适用于反应活性和活化能相近的各种碳氢化合物混合气爆炸极限的计算 LL LH 混合气的爆炸下限和上限LLi LHi 混合气中组分i的爆炸下限和上限yi 混合气中组分i的摩尔分数 2 4 2爆炸极限 例 某混合气组成如下 如与空气混合 空气摩尔分数为96 问有无爆炸危险 2 4 2爆炸极限 混合气摩尔分率为4 爆炸范围是2 3 9 7 因此有爆炸危险 2 4 2爆炸极限 2 4 2 3爆炸极限的影响因素 2 4 2爆炸极限 初始温度初始压力氧含量惰性气体含量点火源能量火焰的传播方向通道尺寸和形状 初始温度温度升高 可导致爆炸极限范围扩大 使下限降低 上限提高 2 4 2爆炸极限 1 初始温度对甲烷爆炸极限的影响 通常情况下 初始压力增加可使爆炸范围增大 当压力下降到某一数值时 其上限和下限重合 出现一个临界值 若压力再下降 系统便成为不爆不燃 因此 在密闭容器内进行负压操作对安全生产是有利的 2 初始压力对甲烷爆炸极限的影响 2 4 2爆炸极限 爆炸的临界压力 在某温度下 使爆炸上限与爆炸下限重合的压力 甲烷在减压下的爆炸极限 2 4 2爆炸极限 可燃气存在爆炸下限 是由于可燃物浓度太低 氧过量 所以氧含量增加对爆炸下限的影响不大 可燃气存在爆炸上限是由于氧含量不足 所以增加氧含量可使爆炸上限提高 如 甲烷在空气中爆炸极限为5 3 14 在纯氧气中的为5 1 61 3 氧含量对甲烷爆炸极限的影响 2 4 2爆炸极限 可燃气在空气与在氧气中的爆炸极限 2 4 2爆炸极限 4 惰性气体含量对爆炸下限的影响可燃混合气体中加入惰性气体 可以使混合气中的氧含量降低 导致混合气爆炸上限降低 当惰性气含量增加到一定程度时 可以使爆炸范围为零 惰性气体含量增加对甲烷爆炸上限的影响比对下限的影响大 2 4 2爆炸极限 点火能 爆炸范围 点火能对甲烷与空气混合物爆炸极限的影响 容器V 7L 5 点火能量对爆炸下限的影响混合气体的浓度会影响最小点火能量 当可燃混合气的组成接近化学恰当反应的比例时 所需的最小点火能最小 2 4 2爆炸极限 火焰的传播方向 通道的尺寸和形状混合气在容器或管道中燃烧时 通道越窄 比表面越大 分子和器壁碰撞从而使链终止的几率越大 通过器壁散失的热量越多 当通道尺寸小到一定程度时 火焰就会停止蔓延 燃烧停止 2 4 2爆炸极限 2 5防火与防爆 燃料液体汽油 煤油 柴油 丙酮 乙醚 戊烷 石脑油固体聚烯烃 木粉 纤维 金属粉 硫化亚铁气体乙炔 丙烷 CO 氢气 合成气 氧化剂液体硝酸 高氯酸 过氧化氢气体O2 Cl2固体金属过氧化物 硝酸铵 点火源明火 静电 电火花 摩擦与撞击 高温体 雷电 燃烧 爆炸 形成的三要素 2 5 1防火防爆的基本原则 预防性措施控制可燃物控制助燃物控制点火源控制工艺参数保护性措施阻止火势蔓延限制爆炸波扩散 抑爆 泄爆 隔爆 灭火 控制可燃物 就是使可燃物达不到燃爆所需要的数量 浓度 或者使可燃物难燃化或用不燃材料取而代之 从而消除发生燃爆的物质基础 2 5 2预防性措施 控制可燃物 取代或控制其用量 使用惰性气体保护最小氧气浓度 空气和燃料的混合气能发生燃烧所需氧气的最小体积百分比 y O2 min LL y0 惰性化 将惰性气体加入易燃混合物系统使氧含量低于最小氧气浓度 2 5 2预防性措施 控制可燃物 例 求戊烷在空气中燃烧的最小氧气浓度 解 化学反应式 C5H12 8O2 5CO2 6H2O查得戊烷在空气中LL 1 5 计算得 y O2 min 0 015 8 0 12 12 3 加强通风排气通风类型动力分为机械通风和自然通风 按作用范围可分为局部通风和全面通风 易燃易爆物质的容许浓度 0 25LL 对有火灾爆炸危险厂房 通风气体不能循环使用 T 80 通风设备应用不燃烧和不产生火花的材料 设备的一切排气管 放气管 都应伸出屋外 高出附近屋顶 排气不应造成负压 也不应堵塞 对局部通风 应注意气体的密度 2 5 2预防性措施 控制可燃物 控制助燃物 就是使可燃性气体 液体 固体 粉体物料不与空气 氧气或其他氧化剂接触 或者将它们隔离开来 即使有点火源作用 也因为没有助燃物参混而不致发生燃烧 爆炸 密闭设备系统惰性气体保护隔绝空气隔离储存 2 5 2预防性措施 控制助燃物 2 5 2预防性措施 控制点火源 一 火焰点燃可燃物 火焰与可燃物接触或间隔 二 高温物体点燃可燃物 烟囱表面及其火星 烟头 发动机排气管 烧红的钢铁制件 高温金属焊渣 其他高温物体 三 电气火花 电火花 四 绝热压缩点燃可燃物 五 撞击与摩擦点燃可燃物 六 日光照射与聚焦点燃可燃物 七 化学反应放热点燃可燃物 八 静电点火 九 雷击起火 从工艺上控制静电产生 泄漏导走静电 采用电中和的方法 人体防静电 合理设计与选材控制流速控制杂质控制温度 空气增湿80 加抗静电剂静电接地静置存放 导电工作地面安全操作 2 5 2预防性措施 防静电措施 一 温度控制 除去反应热 防止搅拌中断 正确选用传热介质 防止传热面结疤 热不稳定物质的处理二 控制压力三 控制投料速度 加料比及加料顺序四 超量杂质和副反应的控制 2 5 2预防性措施 控制工艺参数 水的导热系数为0 58W m K冰的导热系数为2 33W m K空气导热系统为0 034W m K 江苏射阳氟源化工厂氟苯氯化过程中发生爆炸 2006年 导致死亡22人 受伤29人 其中3人重伤事故 事故发生的直接原因 在氯化反应塔冷凝器无冷却水 塔顶没有产品流出的情况下没有立即停车 而是错误地继续加热升温 使物料 2 4 二硝基氟苯 长时间处于高温状态并最终导致其分解爆炸 有关事故案例 2 5 3保护性措施 阻止火势蔓延 一 厂址的选择与总平面布置 厂址的选择 总平面布置 防火间距二 从建筑设计方面采取限制措施三 阻火设备阻火装置 安全液封 阻火器 回火防止器 防火阀 火星熄灭器 阻火设施 防火门 防火墙 防火带 防火卷帘 水封井 防火堤 防火分隔堤 事故存油罐 防火集流坑 四 报警和连锁 1 外壳2 进气管3 安全管4 验水栓5 气体出口敞开式液封 1 气体进口2 单向阀3 防爆膜4 气体出口5 验水栓封闭式液封 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之抑爆 没有启动抑爆系统 启动了抑爆系统 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之泄爆 设备正常工作时保持密闭不泄漏 设备或容器内压力达到设定压力时 能自动开启 迅速释放部分介质 避免压力过高引起爆炸 种类 阀型 安全阀 反应较慢 压力降低后可自动停止卸压 断裂型 防爆膜 片 帽 反应快 一次性 需更换 熔化型 易熔合金塞 排放口小 用于小容器 组合型 阀 膜串联 阀 熔共用 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之泄爆 管道换向泄爆 85 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之隔爆 被动式芬特克斯阀 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之隔爆 主动式芬特克斯阀 2 5 3保护性措施 限制爆炸波扩散之隔爆 爆炸阻隔闸板阀 火灾根据可燃物的类型和燃烧特性 分为A B C D E F六类 GB T4968 2008 2 5 4灭火 火灾的分类 A类火灾 指固体物质火灾 这种物质通常具有有机物质性质 一般在燃烧时能产生灼热的余烬 如木材 煤 棉 毛 麻 纸张等火灾 B类火灾 指液体或可熔化的固体物质火灾 如汽油 煤油 柴油 原油 甲醇 沥青 石蜡等火灾 C类火灾 气体火灾 F类火灾 烹饪器具内的烹饪物 如动植物油脂 火灾 D类火灾 指金属火灾 如钾 钠 镁 铝镁合金等火灾 E类火灾 带电火灾 物体带电燃烧的火灾 燃料液体汽油 丙酮 乙醚 戊烷固体塑料 木粉 纤维 金属粉气体乙炔 丙烷 CO 氢气 氧化剂液体硝酸 高氯酸 过氧化氢气体O2 Cl2固体金属过氧化物 硝酸铵 点火源明火 静电 电火花 摩擦与撞击 高温体 雷电 2 5 4灭火 基本原理 燃烧四面体学说 连锁反应不受抑制 灭火基本原理 1 降低着火系统温度 2 断绝可燃物 3 稀释空气中的氧气浓度 4 抑制着火区内的链锁反应 当氧浓度低于12 或水蒸气浓度高于35 或二氧化碳浓度高于30 35 时 绝大多数燃烧都会熄灭 2 5 4灭火 基本原理 灭火基本原理断绝可燃物降低着火系统温度稀释空气中的氧气浓度抑制着火区内的链锁反应 2 5 4灭火 基本方法 隔离法将着火区与其周围的可燃物隔离 具体方法有 把火源附近的可燃 助燃物品搬走 减少和阻止可燃物质进入燃烧区 设法阻拦流散的易燃 可燃液体 拆除与火源相毗连的易燃建筑物 形成防止火势蔓延的空间地带 2 5 4灭火 基本方法 2 冷却法用灭火剂冷却可燃物 使其温度降至燃点之下 具体做法是 将灭火剂直接喷射到燃烧的物体使其温度降至燃点之下 燃烧停止 将灭火剂喷洒在火源附近的可燃物上 使其温度降至燃点之下 防止形成新的火点 常用水和CO2作灭火剂 灭火剂在灭火过程中不参与燃烧过