消防工程---建筑火灾中的物质爆炸 PPT课件

第六节物质爆炸 一 气体爆炸火焰在预混气中正常传播时 会产生二氧化碳和水蒸气等燃烧产物 同时放出热量 并使产物受热 升温 体积膨胀 如果受热膨胀的燃烧产物不能及时排走 则会产生爆炸 例如密闭容器中预混气的燃烧 就会产生爆炸 在自由空间预混气较多时 燃烧也会产生爆炸 但由于部分热量向空间散失以及产物能有一定的膨胀 其爆炸压力一般低于密闭容器中发生的爆炸 一 可燃气体的爆炸极限可燃气与空气组成的混合气体遇火源能否发生爆炸 与混合气体中可燃气浓度有关 可燃气浓度在一定范围内 才会发生爆炸 例如氢气与空气组成的混合气体 根据实验 当氢气在混气中的浓度为4 1 74 范围内 混合气遇火源才会发生爆炸 氢气浓度低于4 1 的混合气因氢气浓度太低不会发生爆炸 氢气浓度高于74 的混气遇火源也不会发生爆炸 因为混气中氢气浓度太高 氧气浓度太低 可燃气与空气组成的混合气体遇火源能发生爆炸的可燃气最低浓度 用体积百分数表示 称爆炸下限 可燃气最高浓度称爆炸上限 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 二 爆炸极限的测定爆炸极限的测定一般采用传播法 测定装置见图3 15 其主要部件是长130cm 内径为5cm的硬质玻璃爆炸管 点火电极为1 5mm直径的钨棒 测试原理 首先将爆炸管内抽成真空 然后充以一定浓度的可燃气与空气的混合气体 用循环泵使可燃气混合均匀 再用电极点火 观察火焰传播情况 火焰传播的最低浓度或最高浓度 可燃气的体积百分含量 即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限 1 循环泵2 接水银压力计3 电极4 爆炸管5 阻火网6 接空气7 接试样8 接真空泵9 排大气图3 15爆炸极限测定装置 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 三 计算爆炸极限的经验公式可燃混气的爆炸极限可以用实验方法测定 也可以用经验公式进行近似计算 1 通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数 N 计算有机可燃气爆炸极限 体积百分数 计算公式为 3 46 式中 x下 有机可燃气的爆炸下限 x上 有机可燃气的爆炸上限 N 1摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子摩尔数 2 利用可燃气在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限 计算公式为 3 47 式中 x0 有机可燃气在空气中完全燃烧时的化学计量浓度 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 这个公式适用于以饱和烃为主的有机可燃气体 但不适用于无机可燃气体 设有机可燃气A在氧气中完全燃烧的化学计量浓度为Z 同时设1摩尔A在氧气中完全燃烧需要n摩尔氧气 根据反应式A十nO2 生成物 则有 有机可燃气A在空气中完全燃烧时 除n摩尔的氧气以外 还伴有3 76n摩尔的氮气 于是有 A nO2 3 76nN2 生成物所以 有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为3 通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限当爆炸下限用体积百分数表示时 大多数同系列可燃气 特别是烷烃类可燃气 它们的爆炸下限和燃烧热 摩尔燃烧热 的乘积近似为常数 即 3 48 式中 x1 x2 第1 2种可燃气的爆炸下限 Q1 Q2 第1 2种可燃气的燃烧热 摩尔燃烧热 Cx 常数 对于烷烃类 Cx 43kJ 对于醇类 醚类 烯烃类Cx 41 5kJ 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 烷烃类气体的爆炸下限和燃烧热的数据见表3 4 若已知两种可燃气的燃烧热和其中一种可燃气的爆炸下限则可利用公式 3 48 求出另一种可燃气的爆炸下限 表3 4烷烃类可燃气燃烧热和爆炸下限 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 4 多种可燃气组成的混合物爆炸极限的计算 3 49 式中 x 混合可燃气的爆炸极限 P1 P2 P3 Pi 混合气中各组分的体积百分数 N1 N2 N3 Ni 混合气中各组分的爆炸极限 公式 3 49 称莱 夏特尔公式 运用公式计算时 将各组分可燃气爆炸上 下 限代入公式计算出来的结果为可燃混气的爆炸上 下 限 5 含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法如果可燃混气中含有惰性气体 如N2 CO2等 计算其爆炸极限时 仍然利用菜 夏特尔公式 但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组 将该组气体看成一种可燃气体成分 该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和 而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值 再从图3 16查出 然后代入莱 夏特尔公式进行计算 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 图3 16氢 一氧化碳 甲烷与氮 二氧化碳混合气体在空气中的爆炸极限 某些混合气体的爆炸极限见表3 5 一 气体爆炸 二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 二 粉尘爆炸可燃物质呈粉状或雾状而飞散在空气中遇火源而发生的爆炸称为粉尘爆炸 通常把这种状态的粉尘叫做爆炸性粉尘 粉尘爆炸现象使粉尘比原来大块状固体的火灾危险性及危害性大得多 因此人们应重视对这一问题的研究 一 粉尘爆炸的条件和原因可燃粉尘爆炸应具备三个条件 即粉尘本身具有燃烧性 粉尘必须悬浮在空气中并与空气混合达一定浓度 有足以引起粉尘爆炸的热能源 由于粉尘悬浮在空气中 形成了一个高度分散体系 分散相的粉尘分散度较大 因而表面积极大的增大 必然具有巨大的表面能 同时分散度的增加使粉尘粒子与空气中氧之间的界面加大 氧气的供给更加充足 所以反应速度也大为加快 粉尘的分散度增加 必然引起导热性差 热容减少 因而引起体系的局部变热 以致引起危险性的爆炸 同时 分散度大 加快了反应速度 释放出很大的热量 促使爆炸蔓延 另外 可燃粉尘受热后释放出挥发分 同时反应也产生气体产物 这样大量的可燃气体与空气混合会形成爆炸性混合物 使得体系反应更加猛烈 以致爆炸 如1kg含 一 气体爆炸二 粉尘爆炸 三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 挥发分为20 26 的焦煤 在高温下可以放出250 290L的可燃气体 二 粉尘爆炸的特点与气体爆炸比较 粉尘爆炸有两个特点 1 燃烧特点 1 粉上爆炸比气体爆炸所需的点火能大 引爆时过程复杂 这是由于粉尘颗粒比气体分子大得多 而且粉尘爆炸涉及分解 蒸发等一系列的物理和化学过程 粉尘爆炸引爆时间较长 这就有可能用快速装置探测爆炸的前兆 并遏制爆炸的发展 抑爆技术 2 粉尘爆炸的最大爆炸压力略小于气体的最大爆炸压力 但前者的爆炸压力上升速度和下降速度都较慢 所以压力与时间的乘积 即爆炸释放的能量 较大 加上粉尘粒子边燃烧边飞散 爆炸的破坏性和对周围可燃物的烧损程度也较严重 2 危害特点 1 粉尘初始爆炸产生的气浪会使沉积粉尘扬起 在新的空间内形成爆炸浓度而产生二次爆炸 另外 在粉尘初始爆炸地点 空气和燃烧产物受热膨胀 密度变稀 经过极短时间后形成负压区 新鲜空气向爆炸点逆流 促成空气的二次冲击 简称 返回风 若该爆炸地点仍存在粉尘和火源 也有可能发生二次爆炸 二次爆炸往往比初次爆炸压力更大 破坏更严重 一 气体爆炸二 粉尘爆炸 三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 在连续化生产系统中 这种二次爆炸可能连续出现 形成连锁爆炸 有的可能达到爆轰的程度 以致产生非常大的灾害 2 粉尘爆炸事故不仅表现出爆炸连续性的特点 而且随着爆炸的延续 反应速度和爆炸压力持续加快和升高 并呈现出跳跃式的发展 因而表现出离起爆点越远 破坏越严重的特点 特别是在爆炸传播途中遇有障碍物或拐弯处 爆炸压力会急剧上升 有障碍物时 粉尘爆炸的传播受阻 爆炸冲击波向回反射 压力成倍增长 3 粉尘 尤其有机物的粉尘 的爆炸容易引起不完全燃烧 会产生大量的CO等不完全燃烧产物 这不但会造成人员中毒 而且在密闭场所还可能引起气体爆炸 一 气体爆炸二 粉尘爆炸 三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 三 预防粉尘爆炸的措施粉尘爆炸一旦发生 扑救是极其困难的 因此对粉尘爆炸必须贯彻以 预防为主 的方针 预防粉尘爆炸可以采取以下措施 1 首先要控制粉尘在空气中的浓度采用密闭性能良好的设备 尽量减少粉尘飞散逸出 同时要安装有效的通风除尘设备 加强清扫工作 及时清除电机 灯具 墙壁上和地沟中的粉尘 对于可燃性粉尘 不能使用电除尘设备 对于能与水反应的金属粉尘 则不能使用湿式除尘设备 凡安装有除尘设备的车间 设备启动时应先开除尘器 后开动主机 停车时先停主机 后停除尘器 以防粉尘飞扬在空中 2 控制设备表面最高温度 及时清扫设备因粉尘具有沉降性 往往堆积在发热的生产设备上妨碍正常散热 形成危险的引燃高温 所以 要严格控制设备表面最高温度 及时清扫设备沉积的粉尘 对机器设备要经常测温 防止摩擦发热 凡有粉尘沉积的容器 要有降温措施 3 控制室内湿度 一 气体爆炸二 粉尘爆炸 三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 粉尘爆炸通常发生在室内或容器内 如果设法使室内或容器中的相对湿度提高到65 以上 可减少粉尘飞扬 消除静电 避免爆炸 4 改善设备 控制火源从粉尘爆炸的原理上看 有可能用快速装置探测爆炸的苗头和遏制爆炸的发展 粉尘爆炸危险场所属于10级或11级区域 应采用符合防火等级的防爆电机 防爆电灯 防爆开关等防爆电器设备 工作人员不许进行明火作业 不许吸烟 不许穿带钉子的鞋 还要注意 防止金属物件或砂石混进机器内 每台机器都必须接地 以防静电 用于分离粉尘的过滤材料 应尽量使用不燃材料和产生静电电位高的材料 5 建筑或设备采取泄爆措施对有粉尘爆炸危险的建筑物 均应考虑泄压面积 或修筑防爆墙 对凡有粉尘爆炸危险的设备 均须安装防爆阀门 以保安全 6 控制含氧浓度必要时可以向设备内充入N2等惰性气体 以降低氧气的浓度 粉尘爆炸的惰性气体保护适用于密闭装置 对于连续性生产或粉体的输送设备 密封比较困难 但对于金属粉尘采用N 比较有效 有机粉尘可采用CO2进行惰性气体保护 在扑救粉尘火灾中 要及时用喷雾水流润湿和驱散悬浮粉尘 注意避免使用充实水柱及CO2之类带有冲击力的灭火剂冲击堆积粉尘 以防沉积粉尘飞扬起来 遇到火源发生再次爆炸 一 气体爆炸二 粉尘爆炸 三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 三 炸药爆炸炸药是为了完成可控制爆炸而特别设计制造的物质 但其爆炸一旦失去控制 将会造成巨大灾难 一 炸药的分类1 起爆药 如雷汞 叠氮化铅 斯蒂芬酸铅 二硝基重氮酚等 其主要特点是感度高 在很弱的外界能量作用下就能爆炸 主要用来制造雷管 火帽等起爆器材 2 猛炸药 如梯恩梯 黑索金 泰安 胶质炸药 塑性炸药等 它们的性质比较稳定 但具有较高的威力和猛度 其爆炸对周围介质的破坏作用极大 是工程爆破和军用弹药的主装药 有单质炸药和混合炸药之分 3 发射药 如黑火药 无烟火药等 其特征反应为爆燃 在密闭 半密闭的环境中能产生高温高压 主要用作枪 炮弹弹丸的发射剂 二 炸药的爆炸性能1 炸药的感度炸药在外界能量的作用下发生爆炸的难易程度 称为炸药的感度 容易爆炸的炸药感度大或敏感 不易爆炸的炸药感度小或钝感 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 1 热感度 它是指炸药在热的作用下引起爆炸的难易程度 通常用爆发点和火焰感度来表示 它们分别对应均匀加热和火焰点火的情况 2 机械感度 炸药在机械作用下发生爆炸的难易程度 称为炸药的机械感度 通常用撞击感度 摩擦感度和针刺感度表示 3 爆炸感度 炸药在另一种炸药的爆炸作用下发生爆炸的难易程度 称为炸药的爆炸感度 2 炸药的安定性炸药的安定性是指炸药在长期使用 保管过程中 受温度 湿度 阳光等条件的影响 保持其性质不变的能力 这种能力愈强的炸药 其安定性愈好 主要包括 1 化学安定性 它指在使用 保管过程中 炸药虽受外界条件的影响 但仍能保持其化学性质不变的能力 它主要取决于炸药的化学结构 杂质 温度 湿度对它的影响也较大 2 物理安定性 它指炸药不吸湿 不挥发 保持机械强度的能力 3 热安定性 炸药在热的作用下 保持物理 化学性质 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 不变的能力 称为炸药的热安定性 如在相同条件下 特屈儿的热安定性差于梯恩梯 而强于硝化甘油 3 炸药的热化学参数炸药的热化学参数是衡量炸药爆炸作功能力和估计炸药爆炸破坏作用的重要指标 1 爆容 或比容 它是指单位质量的炸药爆炸后 气体产物 包括水 在标准状况下所占的体积 该值越大的炸药 爆炸时对外作功能力越强 2 爆热 单位质量的炸药爆炸时所放出的热量 称为炸药的爆热 通常用定容下爆炸变化时放出的热量表示 炸药爆炸时作功能力的大小主要取决于其爆热 3 爆温 爆温是指炸药在爆炸瞬间所放出的热量将产物加热到的最高温度 该值越大的炸药爆炸时对外作功的能力越强 爆温 t 可由下式计算 3 50 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 式中 a b是由爆炸产物气体的平均等容热容所确定的系数 Qv是炸药的定容爆热 4 爆压 炸药在一定容积内爆炸后 其气体产物的热容不再变化时的压力 称为炸药的爆压 一般地 爆压越高的炸药 爆炸作功能力越强 4 炸药的威力和猛度炸药的威力是指炸药爆炸时作功的能力 威力越大的炸药 爆炸时破坏的范围和体积越大 通常用TNT当量 即某炸药的威力与梯恩梯威力的比值 表示炸药的威力 它主要取决于爆热 炸药的猛度是指炸药爆炸时粉碎与其直接接触物体或介质的能力 它主要与爆速有关 通常用炸药爆炸时铅柱被压缩的高度表示炸药的猛度 5 炸药的氧平衡绝大多数炸药是由C H O N等元素组成的有机化合物 因此炸药爆炸反应的实质是其中这些元素之间的氧化还原反应 其中C H为可燃元素 O为助燃元素 N是惰性载体 所谓炸药的氧平衡是指炸药中的氧与炸药中的碳 氢完全燃烧所需的氧之间的平衡关系 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 组成通式为CaHbOcNd的炸药 可能出现以下三种氧平衡情况 1 正氧平衡 c 2a b 2 0 即炸药中的含氧量除供全部碳 氢氧化外还有剩余 2 零氧平衡 c 2a b 2 0 即炸药中的含氧量恰好够使碳 氢完全氧化 3 负氧平衡 c 2a b 2 0 即炸药中的含氧量不足以使碳 氢完全氧化 炸药的氧平衡在数值上用氧平衡率表示 炸药CaHbOcNd的氧平衡率 B 可由下式计算 3 51 式中 M为炸药的摩尔质量 研究炸药的氧平衡具有重要的理论和实践意义 1 零氧或接近零氧平衡的炸药 爆炸时放出的热量最多 且作功能力最大 2 氧平衡率大的炸药爆炸时燃烧完全 产物中CO2较多 CO较少 但会有氧化氮存在 氧平衡率小的炸药爆炸时燃烧不完全 产物中CO2较少 CO较多 而零 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 氧或接近零氧平衡的炸药爆炸时 产生的毒气最少 三 炸药的主要化学变化形式1 炸药的缓慢分解反应在常温常压下不受其他任何外界能量的作用时 单体炸药往往以缓慢的速度进行分解反应 而混合炸药的每种组份不仅自身以缓慢的速度进行分解 而且还相互缓慢地进行化学作用 这种缓慢的分解反应是在整个炸药内部展开的 反应的速度主要取决于环境的温度 湿度及杂质等 温度低时 反应进行的比较缓慢 短时间内难以觉察 炸药长期贮存时发生变色 减量 变质等现象 这都说明这种缓慢反应的存在 这种反应是一种放热性分解反应 如散热条件不好 炸药分解所产生的热量来不及向周围环境散失 而使炸药温度不断升高 结果 又促使炸药加速分解 在一定的条件下 有可能由缓慢的分解反应转变成较快的燃烧反应或极快的爆轰反应 2 炸药的燃烧反应炸药的燃烧反应与气态可燃物在空气中的预混燃烧类似 炸药的燃烧常称爆燃 炸药燃烧时反应区释放出的能量是通过热传导和热辐射的方式传入相邻未反应区而引起下一层反应的 燃烧传播速度通常约为每秒数毫米到每秒数米 最大的燃烧速度约为每秒数百米 如黑火药的最大燃速约为500m s左右 即燃速比原始炸药中传播的声速低 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 炸药燃烧过程的传播速度 燃烧速度 会随着外界压力的增大而增大 如炸药在大气中燃烧速度很慢 而在密闭容器或半密闭容器中的燃烧速度会急剧增大 炸药在燃烧过程中 在一定的条件下会转变成爆轰反应 3 炸药的爆轰反应炸药的爆轰反应与气态可燃物在空气中的爆轰类似 炸药爆轰时爆轰波的传播是以冲击波对未反应的炸药强烈地绝热压缩作用而进行的 爆轰波的传播速度 爆速 一般高达每秒数千米 即爆速大于原始炸药中的声速 爆速受外界条件的影响很小 对一定的炸药来说 在固定装药密度下爆轰速度是一个常数 炸药爆炸反应区的压力很高 可达数万个大气压 因此 炸药爆轰时的破坏威力极大 从炸药的应用性能来看 猛炸药是应用其爆轰性 起爆药是应用其燃烧性和爆轰性 而发射药和烟火剂是应用它们的燃烧性 但是这四种炸药在长期储存过程中都有缓慢分解的现象 并且缓慢分解反应在一定条件下可以转变成燃烧 而燃烧在一定条件下又会转变成为爆轰 因此 从消防安全角度上 要研究各种炸药由缓慢分解向燃烧或爆轰转变的条件以及这三种化学变化的特性 从而制定相应的消防安全措施 以便预防炸药在生产 贮存及运输等过程 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 中发生爆炸或火灾事故 并且尽可能地减少爆炸或火灾事故对人类的危害 四 破坏作用1 爆炸产物的直接作用它主要指高温 高压 高能量密度产物的直接膨胀冲击作用 2 空气冲击波的作用由于爆炸产物只在爆炸中心的近距离内起作用 因此 炸药在空气中爆炸时起破坏作用的主要是空气冲击波 空气冲击波是一种具有巨大能量的超音速压力波 它的产生是由于炸药爆炸时 高压产物气体迅速膨胀对空气猛烈冲击 使空气受到剧烈压缩而发生局部压力突变 离爆炸中心愈近 空气冲击波的破坏作用愈强 但其作用面积较小 离爆炸中心远 破坏作用小 但作用面积大 冲击波的破坏作用主要由波阵面上的压力 波持续时间和比冲量 压力与时间之积 三个特征量来衡量 但由于炸药爆炸时约有75 的能量传给冲击波 故通常以冲击波阵面上的压力大小来衡量冲击波的破坏效应 实际上 对周围介质的大面积和总体性的破坏 也总是由冲击波阵面上的压力 又称冲击波超压 引起的 3 外壳破片的飞散杀伤作用 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 炸药爆炸后 所产生的破坏区域和空气冲击波的压力分布如图3 17所示 A 爆炸产物作用区 B 冲击波与产物共同作用区 C 冲击波与破片飞散区 D 静止未扰动大气 冲击波阵面 正压区 负压区图3 17炸药爆炸后的破坏区域及冲击波压力分布 五 炸药的殉爆一装药 主爆药 爆炸后能引起与其相隔一定距离的另一装药 从爆药 爆炸的现象 称为炸药的殉爆 殉爆的原因主要有四个 1 主爆药爆炸产物的冲击作用当两装药间的介质 如空气 密度不是很大 而且两装药间距离较近时 主爆药的爆炸产物就能直接冲击从爆药 在冲击与加热作用下 从爆药就能被引发爆炸 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 2 主爆药爆炸所抛出物体的冲击用用主爆药爆炸后的外壳破片 飞散物及爆炸形成的金属射流等冲击从爆药 可引起从爆药爆炸 3 主爆药爆炸时产生的冲击波作用主爆药爆炸时 在其周围介质中形成冲击波 它在惰性质中传播时 强度不断衰减 如果传播到从爆药时仍具有足够的强度 就能引起从爆药爆炸 4 火焰作用主爆药与从爆药之间如果存在可燃物 主爆药爆炸产生的高温和火焰就会引起这些可燃物燃烧 而使从爆药发生爆炸 在实际殉爆中 往往是两种或两种以上因素同时作用 但常以冲击波的作用为主 试验表明 主爆药的药量 爆热 爆速愈大 引起殉爆的能力也愈大 从爆药的爆炸感度愈大 愈容易被引发爆炸 惰性介质的性质和主 从爆药之间的相互位置等对殉爆有较大影响 主爆药能够引起从爆药爆炸的最大距离 称为殉爆距离 它既反映了主爆药的引爆能力 又反映了从爆药的爆炸感度 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 研究殉爆现象和殉爆距离具有重要的实际意义 可以为炸药的安全生产和贮存提供依据 主爆药爆炸之后不能引起从爆药爆炸的最小距离 称为殉爆安全距离 炸药仓库之间的殉爆安全距离 Rt 可由下式估算 3 52 式中 W为炸药质量 kg Kl为安全系数 由炸药性质和存放条件决定 见表3 6 表3 6一些常见炸药的安全系数 一 气体爆炸二 粉尘爆炸三 炸药爆炸 第六节物质爆炸 六 炸药的安全与安全炸药炸药是一类重要的化学危险物品 为了保证其生产 使用和贮运安全 必须加强炸药的管理和监督检查 掌握各种炸药的危险特性 提高其爆炸危险性的评价水平 提高炸药的安全性试验水平 准确掌握各种炸药的感度 提高炸药的质