第二章-燃烧与爆炸基础课件

2.0爆炸现象与爆炸的基本概念爆炸现象：声响、光热、破片、爆风、压力冲击等。爆炸的定义或概念：爆炸其本质上是物理或化学能的快速突然释放过程，在爆炸过程中，释放出来的能量转化为机械功、光、热等能量形式，对周围人员、设备或建筑等产生破坏作用。根据能量释放过程的不同，可以分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三大类。爆炸效应：压力效应、热作用、抛射作用、约束条件破坏等。1、物理爆炸定义：如蒸汽锅炉和高压气瓶突然破裂、火山爆发、地震、强火花放电（闪电）、高速碰撞、液体的大量汽化（钢水与水接触时）、高压电流通过细小金属丝时等引起的爆炸过程，不涉及化学反应。从防爆安全的角度分类：包括容器破裂引起的爆炸以及快速相变爆炸。前者还可以细分为容器爆炸和BLEVEs。BLEVE事故过程示意图2、化学爆炸（1）定义

由物质发生快速放热反应，产生高温高压气体而发生的爆炸。根据化学反应的不同，可以分为三类：（2）分类1）简单分解爆炸：如叠氮化铅、雷汞、乙炔银、乙炔酮、碘化氮、三氯化氮等物质在受到震荡情况下，很容易发生分解，并释放出热量，使附近空气迅速被灼热，形成高温高压气体从而发生爆炸。

注：不一定需要发生燃烧反应，其爆炸所需能量是由爆炸物分解时释放的分解热，而且这类物质极不稳定，轻微的震荡即可引起爆炸，在受压的情况下更容易发生爆炸。有些气体如乙炔、乙烯、丙烯、臭氧、环氧乙烷、四氯乙烷、NO以及NO2等也可以发生分解爆炸。高压存储时应特别注意。特点：分解时会释放分解热，一般在80KJ/mol以上；低于某临界压力时一般不会发生爆炸，压力越高越危险；引起爆炸的初始能量（如震动）随压力的升高而降低。2）复杂分解反应：如含氧炸药、烟花爆竹、TNT、硝化棉、苦味酸等大多数炸药和一些有机过氧化物，在外界强度较大的激发能的作用下，能够发生高速放热反应，同时形成高温高压气体。

特点：爆炸时伴随有强烈的燃烧反应，燃烧所需氧由爆炸物质本身分解时产生，爆炸时往往将附近的可燃物质点燃形成大面积的火灾。与简单分解爆炸物相比，这类爆炸物通常对外界的敏感性较低。（3）化学爆炸的基本特征1）反应过程的放热性：能否成为爆炸反应的最重要的基础条件，也是爆炸过程的能量来源。2）反应过程的高速度：爆炸反应释放出的热量来不及向周围传递，全部聚集在爆炸物质爆炸前所占据的体积内，因而具有很高的能量密度。3）反应过程必须有气体产物：高温高压气体向外膨胀做功，对周围人员、设备和建筑具有很大的破坏性。3、

爆炸事故类型（1）爆炸事故的类型图2.1爆炸类型之间的关系，在一次事故中可能存在几种类型的爆炸燃烧模式：当气云被点燃后，其火焰可以爆燃或爆轰两种模式在可燃介质中传播。爆燃（Deflagration）:燃烧反应区以一定速度传播，该传播速度低于未反应介质的声速。爆轰（Detonation）:燃烧反应区以高于未反应介质声速的速度传播。两者的差异：1）爆燃火焰的传播速度较低，比爆炸物质内的声速要低得多，而且形成的超压较低；而爆轰的传播速度很快，比爆炸物质内的声速快得多，对大多数碳氢空气混合物约为2～5倍声速，一般在每秒数千米。其形成的超压一般为18atm。2）传播机理不同。爆燃时，火焰阵面的导热与扩散机制；而爆轰传播时激波压缩点火。3）受外界约束条件的影响，可能发生爆燃向爆轰的转变现象（DDT）(2)物质爆炸特性的影响因素物理状态：固体、液体或气体；粉料或气雾物理性质：热容量、蒸气压力、燃烧热等物质的反应性(3)影响火灾或爆炸类型的因素所使用或存储物料的初始条件物料泄露的方式物料弥散以及与空气的混合过程物料的点火时间与点火方式2.1气体和气云爆炸（1）气体或气云发生火灾的三个基本要素燃料氧化剂点火源

图

2.2气体和蒸气燃烧的火灾三角形（2）气体、气云和粉尘燃烧特性

最大爆炸压力：Pmax最大爆炸压力上升速率：（dp/dt）max可燃极限（LFL、UFL）燃烧速度等其它特性最低点火能量MIE（MinimumIgnitionEnergy）自动点火温度AIT（AutoIgnitionTemperature）图2.3

气体与气云爆炸参数20L球形实验装置图2.5最大爆炸压力Pmax和最大压力上升速率实验条件：10%：70%：20%的甲烷/氮气/氧气混合初始温度和初始压力分别为25℃和1atm，Mashuga&Crowl,1998Bartknecht（

1984）经验公式—立方根定律：

（2.1）其中：称为爆燃指数。爆燃指数越大，爆炸越猛烈。对粉尘爆炸也定义了粉尘爆燃指数：定容绝热爆炸时的压力，可以进行简化计算如下：定容燃烧时的温度：试验测定：20L或1m3球形试验装置。ISO6184/4《爆炸防护系统：第1部分可燃粉尘空气混合物爆炸指数的测定》、GB16426-1996《粉尘云最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率测定方法》）图2.620L球形实验容器中，最大爆炸压力是空气中甲烷浓度的函数。可燃极限：包括可燃下限（LFL）和可燃上限（UFL）可燃极限（FlammableLimits）.可燃物料与气态氧化剂均匀混合后，能传播火焰的最低浓度和最大浓度值。（通常是在空气混合物条件下定义，也可以在纯氧或其它其它气态氧化剂条件下定义）燃下限

(LFL).在给定的测试条件下，能传播火焰的可燃物质与气态氧化剂的混合物的最低浓度值。可燃上限

(UFL).能传播火焰的可燃物质与气态氧化剂的混合物的最高浓度值。可燃范围（FlammableRange）.可燃下限和可燃上限之间的浓度范围。试验测定：GB/T12474—2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》燃烧速度等其它爆炸特性参数火焰速度S（flamespeed）：火焰阵面相对于固定参考点的速度。燃烧速度U（burningvelocity）：火焰相对于其前方未燃气体的传播速率。基本燃烧速度（fundamentalburningvelocity）：在给定未燃气体组成、温度和压力条件下，层流火焰的燃烧速度。层流燃烧速度（laminarburningvelocity）以及湍流燃烧速度（turbulentburningvelocity）可燃极限在辨识可燃物质的危险性时，需确定物质具有可燃性所需满足的条件（如温度、压力和组成等）。通常采用如图2.7所示的三角图来表示气体或气云的可燃性，以及组成对气体或气云可燃性的影响。图2.7初始温度和初始压力分别为25℃和1atm条件下甲烷的可燃极限图可燃极限图的理解

化学计量线：表示无惰性气体时，燃料和氧气的组成变化

空气线：表示燃料和空气各种可能的组合，以及无燃料时氧气和氮气的组成变化

极限氧浓度（LOC）：画一条平行于燃料轴且与可燃区相切的直线与氧气轴的交点即是LOC值；当混合物的氧气浓度低于该值时，不可能发生火灾或爆炸；LOC值受燃料种类、温度、压力和惰性气体等因素影响

可燃区域：可燃上限与可燃下限几条重要结论1）两种气体混合物（R和S）混合，所得到的混合物则处在R点和S点的连线上。最终混合物在该直线上的位置与两种混合物在最终混合物中的相对摩尔数有关，即如果S混合物的摩尔数较多，则最终形成的混合物则靠近S点。2）如果用S混合物不断稀释R，则混合物所处的点会沿着直线越来越靠近S点。最后，在无限稀释的情形下，混合物将位于S点处。3）对于落在通过顶点（纯组分）的某条直线上的混合物，则其他另外两种组分的摩尔分数之比在整个直线上为常数值。4）可以通过化学组成计量线与穿过LFL的水平线的交点的氧气浓度来估算LOC值，也即有方程：LOC=Z×LFL可燃极限的影响因素

1）初始温度：随温度的升高，分子运动越快，活性分子比例较大，反应快，放热速率增加，容易发生燃烧，因此燃料空气混合物的UFL会增大、LFL降低，因此可燃区范围变宽。

2）初始压力：一般地，初始压力增加对LFL几乎没有影响，而UFL一般会随压力增加而升高，随压力降低而降低。当压力增加时，可燃范围一般会增大。当压力降低到一定阀值时，上下限重合，成为燃烧爆炸的临界压力，低于此临界压力时，不会发生燃烧爆炸，因此，尽可能在负压下操作。

3）氧含量：对下限影响不大，上限影响显著。因为在下限处，氧气本身过量（此时增大氧含量无益），而上限处氧气量不足，增加氧含量提高了反应的完全程度。

4）惰性气体：增加惰性气体含量，可燃范围缩小，当惰性气体含量增加到某临界值时，不再发生燃烧。惰性气体的加入阻碍了燃料分子与氧气分子的碰撞反应，也增大了链中断的速率，还有吸热作用。由于惰性气体的加入，导致氧含量逐渐降低，当低于某临界值时，不再发生燃烧，称为极限氧含量（LOC）。

二氧化碳对油气蒸气可燃范围的影响5）点火源的影响：增大点火源能量和表面积、延长点火时间可使可燃范围增大，例如CH4/air混合物在1mJ的点火火花作用下，其可燃范围为6－15%，当点火能量增大到10mJ时，则为4.9%～15%，继续升高时则趋于稳定的点火范围。因此，在测定可燃范围时，一般采用较大的点火源能量，一般为5kJ或10kJ。6）容器尺寸：容器减小时，自由基与壁面碰撞概率增大，而且由于壁面的冷却作用，因此可燃范围减小。当容器减小到一定尺寸时，不再进行燃烧爆炸反应。图2.9

甲烷可燃极限图实验条件：初始压力14.69psia；点火头：1cm40AWGSnCu/500VA初始温度：25℃；点火能量：10J容器体积：20L；点火位置：中心点火图2.10乙烯可燃极限图实验条件：初始压力14.69psia；点火头：1cm40AWGSnCu/500VA初始温度：25℃；点火能量：10J容器体积：20L；点火位置：中心点火图2.8在用容器中气体置换过程中气体浓度的变化LOC的运用方法一：已知空气中的可燃极限、LOC、以及纯氧中的可燃极限方法二：燃料空气混合物的可燃极限，LOC可燃区域的近似估算方法三：已知燃料空气混合物的可燃极限可燃极限的近似计算

1）Jones（1938）估算法对许多碳氢物质有：

式中Cst为燃料在空气中的化学计量浓度。如果将燃烧化学反应写成当量形式：其中则有：因此有：2）可燃极限的燃料燃烧热函数拟合方法式中为燃料的燃烧热，单位103kJ/mol。注：UFL的估算方程只适用于UFL在4.9%－23%范围3）估算方法的优缺点近似估算，对甲烷和碳原子数较大的碳氢物质精度较高，但对氢气估算精度较差4）气体混合物的可燃极限LeChatelier定律(1891)式中：yi是可燃组分i的摩尔分数。注：适用于简单碳氢物质可燃极限最低点火能量：在给定的实验条件下，点火源在可燃混合物中释放能量能引起火焰向外进行无限传播时的最低能量值。（NFPA68，1998）测定方法：Hartmann装置或20L球形装置，GB/T16428－1996《粉尘云最低着火能量的测定方法》。表2.5是部分气体的最低点火能量值。最低点火能量与特定的物质种类、浓度、压力、温度和点火方式有关。对火花点火，最低点火能量也与火花隙的大小和持续时间有关。表2.5给出了部分常见可燃气体的最低点火能量值。Hartman装置结构示意图1－石英玻璃管；2－点火电极3－扩散器；4－铜套；5－底座；6－点火电极接头座；7－储气罐一般地，可以在工程实际中应用如下结论：对大多数可燃气体，其最低点火能量常采用0.25mJ，但其最低点火能量一般都不会低于0.10mJ。一些特定的物质（如氢气）的最低点火能量可能低于0.10mJ。对可燃气体空气混合物，在化学计量浓度附近得到的MIE值最低（不一定是在化学计量浓度值），且当燃料浓度增加或降低时，MIE值也会从最低的MIE值开始增加或降低。对大多数可燃粉尘，尽管随粉尘种类、粒径等的不同存在很大的变化，粉尘的MIE值通常约为10mJ。温度升高时，MIE值降低。当压力增加时，MIE值降低。惰性气体浓度增加时，MIE值增加。可燃气体或气云点火所需的能量非常低，气体或气云火灾爆炸防止过程中，不能以消除点火源作为主要方法。自动点火（着火）温度：当可燃物质的温度升高到某一值时，该物质在无需外部点火源的情况下即能发生点火（着火），也即该物质能发生自燃，此时该温度称为自动点火（着火）温度。测定：DINEN14522-2005《Determinationoftheautoignitiontemperatureofgasesandvapours》，我国对相关固体物质的自动着火温度有相应的国家标准。注：粉尘云和粉尘层的自动着火温度不同，其测定方法也不同。注：AIT与燃料种类、压力、试验条件等有关。粉尘云最低着火温度的测定：GB／T16429—1996《粉尘云最低着火温度测定方法》。用于评价与炽热表面和机械火花点火有关的危险性。方法测定：Godbert-Greenwald装置（直径36.5mm、长229mm的管子，管子用电加热）。将室温的0．1g的粉尘（通过标称孔径为75μm的金属丝网或方孔板试验筛）装入储尘器中，将加热炉温度调到预置的温度值，将粉尘喷入加热炉内。如果未出现着火，则以50℃的步长升高加热炉温度，重新装入相同质量的粉尘进行试验，直至出现着火，或直到加热炉温度达到1000℃为止。将这个粉尘质量和喷尘压力固定不变，以20℃的间隔降低加热炉的温度进行试验，直到10次试验均未出现着火。着火的判定准则：在加热炉管下端若有火焰喷出或火焰滞后喷出，则判为着火；若只有火星而没有火焰，则判为未着火。粉尘层最低点火温度的测定：GB／T16430—1996《粉尘层最低着火温度测定方法》将粉尘放在直径25.4mm深12.7mm的容器中，再放置在炉子的中段，从数控温度－时间记录中测定爆炸点火温度。受试粉尘层（一般指通过标称孔径200μm的金属网或方孔板试验筛）发生无焰燃烧或有焰燃烧，或其温度达450℃及以上，或其温升达到或超过热表面温度250℃时都视为着火。2.2可燃液体的燃烧1、可燃液体的燃烧过程可燃液体：凡遇火、受热或与氧化剂接触能着火和爆炸的液体，都称为可燃液体。可燃液体燃烧过程：可燃液体燃烧时，火焰并不是紧紧贴在液面上，而是在距离液面一定距离的空间上。这表明液体燃烧之前，液体首先发生蒸发，其后是可燃蒸气的扩散并与空气混合形成可燃蒸气－空气混合物，在距液面一定位置处着火后形成预混或扩散火焰。大部分液体的燃烧是由于受热气化形成蒸气以后，按气体的燃烧方式（扩散燃烧或动力燃烧）进行的。传热方式：液面上的蒸气点燃后产生火焰并出现热量的扩展，火焰向液面的传热主要依靠辐射；而火焰向液体里层的传热方式主要是传导和对流。2、闪燃、闪点、燃点及其测定方法

闪燃与闪点当液体温度不高时，液面上少量的可燃蒸气与空气混合后，遇火源发生一闪即灭的现象就是闪燃。一般，能发生闪燃的液体的最低温度称为该液体的闪点。闪燃是可燃液体发生着火的前奏，是衡量可燃液体着火危险性的重要依据，因为闪点越低，表明该液体越容易蒸发，其危险性越大；反之则越不容易蒸发。

开口闪点和闭口闪点GBT3536-2008《石油产品

闪点和燃点的测定克利夫兰开口杯法》（修改采用了ISO2592:20000《闪点和燃点的测定方法（克利夫兰开口杯法）》）。该测试方法适用于除燃料油以外的、开口杯闪点高于79℃的石油产品。而燃料油（煤油柴油和变压器油等）则通常按照《闪点的测定

宾斯基-马丁闭口杯法》（GBT261-2008，ISO2719:2002,MOD）。注：开口杯法的缺点是杯口气流可能使蒸气浓度降低，为避免这种杯口气流的效应，将盛装液体的容器开始被封闭，并在杯口设置有细小的透气孔，从而使蒸气可与杯口的点火源接触，因此闭口闪点通常比开闪点低。

测定方法将可燃液体置于开口杯。然后用开口杯底部的本生灯将液体和容器缓慢加热。用一端有小火焰的棒放置在液面正上方。开始时，当在杯口液面上方移动小棒时，不会发生产生火焰或闪燃现象。随着液体温度增加，蒸气压力增大。当液体温度最终达到某一值时，由于液体蒸发，在液面上方产生足量的蒸气并形成蒸气空气混合物，因而这些混合物具有可燃性，此时液体的温度即为闪点温度。一般地，在该温度下，液体所产生的蒸气不足以支持在液面上方形成持续燃烧的火焰，即通常只能观察到闪燃后火焰熄灭。当液体温度继续升高，液面的蒸气着火并至少维持燃烧5秒的最低温度即为燃点（firepoint），其形成的蒸气能形成连续火焰或燃烧。克利夫兰开口试验杯仪3、闪点的影响因素压力：在同一温度下，当压力降低时，液体的蒸发量越大，最终可能在较低的温度下达到可燃蒸气浓度，从而发生闪燃，因此降低压力会使闪点温度降低，反之当压力增大时，闪点温度也会升高。饱和蒸汽压：一般，饱和蒸气压较大的液体，其蒸发速度较快，因此闪点越低，所以火灾或爆炸危险性越大。同时，饱和蒸气压是随温度升高而升高的，特别是当液体温度超过沸点时，其蒸气压力极大，可能会导致容器的破裂，造成火灾蔓延。可燃液体溶液的闪点会随着水溶液浓度的降低而升高，因此对水溶性液体火灾，可以用大量的水扑救降低液体浓度以减弱燃烧强度。可燃液体混合物：混合物的闪点一般界于两种可燃液体闪点之间，并且低于这两种可燃物闪点的平均值。例如车用汽油的闪点为－39℃，照明用煤油的闪点为40℃，如果将两者按照1：1比例混合，则该混合物的闪点应低于两者的平均值。添加物：在易燃的溶剂中加入

四氯化碳可以使可燃液体的闪点升高，加入到一定量时后则不会发生闪燃。常常利用这种性质在安全上加以利用，例如在甲醇中加入41％的四氯化碳

就不会发生闪燃。注：一些容易升华的可燃固体如石蜡、萘等也有闪燃现象；闪点是针对纯物质而言的，对大多数石化产品都是多组分的，即使不容易蒸发的柴油、机油等，如果放置时间过长，也可能有较大的可燃物蒸发，从而也有着火燃烧的危险，许多重油或原油油轮火灾多是属于这种情况。理论上，可燃下限与饱和蒸气压力曲线的交点为闪点温度，也即在一定压力下，闪点温度对应于可燃下限（爆炸下限）。4、可燃液体各种可燃性质参数之间的关系

饱和状态与饱和蒸气压：在一定温度和压力下，单位时间内从液体蒸发出来的分子数等于回到液体里的分子数的状态，称为饱和状态。在密闭容器中液体都能形成饱和蒸气，而饱和蒸气所具有的压力即饱和蒸气压，简称蒸气压力。因此，根据分压定律可以用饱和蒸气压力计算饱和蒸气在空气中的浓度：式中：c、Pz、PH分别为混合物中的饱和蒸气浓度％VOL，混合物的压力，给定温度下的饱和蒸气压力。例1

桶装甲苯的温度为20℃，大气压力为101325Pa，试求甲苯的饱和蒸气浓度。解：可以查到甲苯在20℃时的饱和蒸气压力Pz＝2973Pa，因此有：甲苯的可燃极限为1.27~7.75％，可见甲苯的温度为20℃，大气压力为101325Pa时具有爆炸危险。由于可燃液体的蒸气压力、随温度而变化，因此可以利用饱和蒸气压确定可燃液体在存储和使用时的安全温度和安全压力。例2

一个苯罐的温度为10℃,确定其是否有爆炸危险，如有危险，请问应该选择什么样的存储温度比较安全。解：苯在10℃时的蒸气压力为5690Pa，由公式可以求出大气压力下的饱和蒸气浓度为：由于苯的爆炸极限为1.5~9.5%VOL，故苯在10℃时有爆炸危险。消除形成爆炸危险浓度的温度有两种途径：一是保持温度低于闪点，二是保持高于爆炸上限的温度。由于苯的闪点温度为－14℃，而苯的凝固点为5℃，若存储温度低于闪点，苯会凝固，因此安全存储温度采取高于爆炸极限上限的温度。由苯的上限9.5%求得此时苯的饱和蒸气压力

为：查表可以知道苯的蒸气压力为9625.8Pa时处于10－20℃，可以采用内插法得到其温度为19℃，因此在大气压条件下，苯储罐的安全温度应高于19℃。例3

某厂车间使用丙酮作溶剂，其操作压力为500Kpa，操作温度为25℃。请问丙酮在该温度压力下是否具有爆炸危险性？如果有爆炸危险，应选择何种操作压力比较安全。解：先求出丙酮的蒸气浓度，查表可知25℃时蒸气压力为30931Pa，代入得到丙酮在500KPa下的蒸发浓度为：而丙酮的爆炸极限为2－3％VOL，这表明在500KPa的操作压力下丙酮是有爆炸危险的。如果温度保持不变，要保证安全则操作压力可以选择常压或负压。如果选择常压，则此时饱和蒸气的浓度为：若选择负压，例如选择真空度为39，997pa，则饱和蒸气的浓度为：显然，在常压或负压下，丙酮的蒸气压力浓度都超过爆炸上限，无爆炸危险。值得说明的是在实际生产过程中，点火源总是随机出现的，如果有外部风流等情况仍然可能形成爆炸危险，这是理论计算和工程实际的区别，应特别注意。用饱和蒸气压力进行简单的计算可燃液体的闪点。例4

乙醇的爆炸极限为：3.3%~18％，试求乙醇的闪点。

解：乙醇在爆炸浓度下限3.3％时的饱和蒸气压为：

查表可知此饱和蒸气压对应的温度在10－20℃之间，用内插法求出闪点如下：因此，乙醇的闪点温度约为10.6℃。5、可燃液体的分类我国《建筑设计防火规范》中按闭杯闪点划分将可燃液体分成甲类液体、乙类液体、丙类液体三类。

甲类液体(闪点＜28℃)：二硫化碳、正戊烷、正已烷、正庚烷、正辛烷、环已烷、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、氯丁烷、甲醇、乙醇、正丙醇、乙醚、乙醛、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙腈、丙烯腈、汽油、石油醚等；乙类液体(28℃≤闪点＜60℃)：正壬烷、正癸烷、二乙苯、正丙苯、苯乙烯、正丁醇、福尔马林、乙酸、乙二胺、硝基甲烷、煤油、松节油、芥籽油、松香水等；丙类液体(闪点≥60℃)：正十二烷、正十四烷、二联苯、溴苯、环已醇、乙二醇、丙三醇(甘油)、苯酚、苯甲醛、正丁酸、氯乙酸、苯甲酸乙酯、硫酸二甲酯、苯胺、硝基苯、糠醇、机械油、航空润滑油、锭子油、猪油、牛油、鲸油、豆油、菜籽油、花生油、桐油、蓖麻油、棉籽油、葵花籽油、亚麻仁油等。危险货物的分类方法：GB6944-2005《危险货物分类和品名编号》，可将上述甲类和乙类液体划入易燃液体类，把丙类液体划入可燃液体类。石油化工行业：SY/T6460－2000《易燃和可燃液体基本分类》等效采用了美国全国防火协会NFPA320-1991《易燃和可燃液体基本分类》。具体分类方法：可燃液体：系指闭口杯闪点等于或高于37.8℃的液体。易燃液体：系指闭口杯闪点在37.8℃以下的液体。6、液体火灾的形式储罐内液体发生火灾时，液面上的蒸气燃烧形成火焰，火焰向液面的传热主要依靠辐射；而火焰向液体里层的传热方式主要是传导和对流，同时加热储罐壁面。沸溢火灾如果液体的沸点高于储罐壁面温度，则深层液体预热不严重，但如果液体沸点低于壁面温度时，以对流方式沿整个深度进行加热，可造成液体（尤其含有水份时）剧烈沸腾而溢出或溅落到附近地面上，使火灾蔓延。另外，多组分的可燃液体燃烧时，液相和气相的成分会发生变化。例如，重油、黑油等石油产品的燃烧，由于分馏作用，液相上层逐渐积累起沥青质、树脂质和焦炭的产物，这些产物的密度大于液体，因而会下沉并加热深处的液体。如果油中含有水份，则可能使水沸腾而使石油产品从槽中溢出，扩大火灾危险性。

另一种情况是，由于燃烧导致液面温度较高，油品粘度变小，水滴下沉的同时，受热油的作用而发生蒸发变成饱和蒸汽泡，于是呈现沸腾现象。蒸汽泡被油膜包围形成大量油泡群，体积膨胀，溢出罐外，形成沸腾，形成沸溢火灾，如图所示。液体沸溢火灾过程中，储存液体有较大的粘度、较高的沸点以及油品种含有一定的水份。喷溅火灾的形成过程喷溅火灾当储槽内有水垫时，如果液体沸点低于储槽壁面温度，或者由多种组分组成的可燃液体的分馏产物，将以对流方式使温度层1在较大的深度内加热水垫，产生大量蒸气，随着蒸气压力的逐渐增高，足以把上面的油层抛向上空，而向四周喷溅。喷流火灾处于压力下的可燃液体，燃烧时呈喷流式燃烧。例如油井井喷火灾，高压燃油系统从容器、管道喷出的火灾等。喷流式燃烧速度快，冲力大，火焰传播迅速，在火灾初期如能及时切断气源（如关断阀门），较易扑灭；燃烧时间延长，能造成融空扩大，窑门或井口装置被严重烧毁等，会迅速扩大火势，则较难扑救。7、液体的危险性及其评价危险性

易燃易爆性、流动扩散性、静电性、受热膨胀、忌氧化剂和酸和毒害性。易燃易爆性：闪点低、着火能量小、瞬间发生爆炸。流动扩散性：流动性强的液体着火时，会促使火焰蔓延，扩大燃烧面积，当然流动性与液体的黏性有关，一般黏性越低，流动性扩散性越强；同时可燃液体的黏性与液体的自燃着火温度有关，粘稠液体的自燃点较低，不粘稠液体的自燃点较高，这是因为粘稠液体的分子间隔小，蓄热条件较好的原因。带电性：醚类、酮类、酯类、芳香烃、石油及其产品、二硫化碳等大部分易燃和可燃液体电阻率较高，具有较强的荷电能力。在灌注、输送、喷流过程中能产生静电，一般醇类、醛类等电阻率较低，其静电火灾危险性也较低。受热膨胀性：易燃液体的热膨胀系数比水大得多，受热易膨胀，蒸气压力增高。当液体贮存在密闭的容器里时，有可能会造成密封容器鼓胀，甚至爆裂。预留一定空间。忌氧化剂和酸：易燃液体与氧化剂或酸类接触，容易发生剧烈反应以致引起燃烧爆炸。毒害性：易燃和可燃液体，大多有一定的毒性，有的毒性较大。可燃液体火灾爆炸危险性评价的主要技术参数闪点、饱和蒸气压和爆炸极限，此外还有液体的其他性能，如相对密度、分子量、分子结构、流动扩散性和膨胀性等。2.3气溶胶、液雾、粉尘云和杂混物燃烧爆炸特性1、定义气溶胶（Aerosols）：指粒径很小，可以长时间悬浮在空气中的液滴或颗粒。液雾（mist）：浓度很高的液体蒸气凝结成很小的液滴后形成的悬浮液滴，或者液体通过破碎、雾化后液体弥散状态。注：气溶胶和液雾的燃烧特性理解尚不够深入，气溶胶或液雾形式的液体在远低于其闪点温度的条件下，仍然可能发生燃烧或爆炸，碳原子数较小的碳氢物质所形成液雾，其可燃下限（LFL）在40－50g/m3范围。粉尘（dust）：指粒径小于420微米的固体粒子，即能够通过美国40#目标准筛的固体颗粒（NFPA68）。杂混物（Hybridmixture）：“可燃气体与可燃粉尘或可燃液雾的混合物”。2、粉尘爆炸机理供给粒子表面以热能，使其温度上升。由于热分解或干馏作用，粒子热解或解析出可燃性的气体分布粒子周围。气体与空气混合生成爆炸性混合气体，进而发火产生火焰。火焰产生热能，加速粉尘分解，循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合，进一步发火传播。注：粉尘的燃烧方式在整体性能上与气体相似。但有其特点，即：粉尘粒子本身含有的燃料量要比气体多，因而要在密闭容器内燃烧完所有的粉尘粒子，则氧气含量相对不足；大多数粉尘燃烧比气体慢。3、工业粉尘爆炸的条件粉尘粒子足够小,点火时能发生快速燃烧；悬浮粉尘云的浓度高于最低可爆浓度(MEC)；粉尘云处于密闭或半密闭空间；粉尘云中氧气浓度大于悬浮粉尘云爆炸所需的极限氧浓度(LOC)；延迟的点火源具有足够的点火能量和温度,从而可以点燃悬浮粉尘云。4、工业粉尘爆炸事故发生的过程

首先，一般情况下，工艺场所所处理或伴随产生的粉尘，多以沉积粉尘的形式存在，只在少数强粉尘源附近可能出现处于爆炸浓度范围的粉尘云（如磨面机、提升机、除尘器、输送机内部等）。但沉积在炽热的设备表面上的粉尘层可能发生温度升高、阴燃，甚至形成明火，而且设备表面的粉尘层具有隔热性，因而增加了点燃的可能性——粉尘火灾。其次，沉积粉尘可能由于空气流动的扰动形成可燃粉尘云。第三，此时一旦存在点火源，就会发生爆炸，这种爆炸称为“一次爆炸”，当一次爆炸产生的激波或爆风（爆炸导致的气流运动）卷起设备外的沉积粉尘，使环境中达到可爆浓度时，又会引起“二次爆炸”。

注：二次爆炸所形成的破坏程度往往比一次爆炸更严重，不能单纯认为空间粉尘浓度没有达到爆炸浓度范围就是安全的，还应特别重视沉积粉尘被卷起的危险性。5、工业粉尘爆炸的特点发生频率高，破坏性强。随着粉体生产、干燥、运输、储存等工艺的连续化和生产过程中收尘系统的出现，使得粉尘爆炸事故发生的频率增大。粉尘爆炸产生的能量大，爆炸威力大。爆炸温度普遍高达2000～3000℃，最大爆炸压力可达700kPa。往往会造成二次爆炸。粉尘爆炸发生时很容易扬起沉积的或堆积的粉尘，形成二次爆炸，破坏性就更严重。爆炸反应不完全，往往会产生毒害气体。与一般气体的爆炸相比。由于粉尘中可燃物的量相对多且存在灰分，粉尘爆炸时燃烧不完全。毒害气体包括一氧化碳，另一种是爆炸产物(如塑料)自身分解的有毒气体6、粉尘爆炸特性参数可爆性/可燃性：可爆性是指确定粉尘空气混合物（粉尘云）能否发生爆炸。（能否传播火焰，Hartmann装置）最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率以及粉尘爆炸指数

(Pmax&Kst)：粉尘爆炸指数用于爆炸安全设备的设计，计算爆炸泄压面积。同时，对抑爆和隔爆系统设计以及确定系统的其他参数也是必要的。（

Hartmann、20L或1m3球形爆炸试验装置）粉尘云最低爆炸下限

(LEL)：最低爆炸下限表示粉尘与空气混合时能发生爆炸的最低浓度。最低爆炸下限浓度参数用于评价加工设备中的粉尘爆炸危险性。（

Hartmann或20L球形爆炸实验装置）粉尘云的最低点火能量

(MIE)：指粉尘云相对电气火花的点火敏感性，用于评价电气火花、静电火花和机械火花的危险性。（20L或1m3球形爆炸试验装置）粉尘云的最低点火温度

(MITdc)：指引起弥散粉尘云点火的最低表面温度，粉尘云最低点火温度用于评价与炽热表面和机械火花点火有关的危险性。（

Godbert-Greenwald装置）粉尘层的最低点火温度

(MITdl)：在表面上给定粉尘层厚度时，热表面能点燃粉尘层所需的最低温度。在工程实践中，这些热表面可能是炽热设备的表面、加热器表面、干燥器的表面、蒸汽管道表面和电气设备表面等。（

GB／T16430—1996）极限氧浓度

(LOC)：极限氧浓度表示粉尘与氧含量较低空气的混合物能发生点燃所需的最低氧气含量，用于惰化法的设计与评价，表2.8在氮/氧混合物中粉尘云的极限氧浓度。（

20L球形爆炸实验装置）粉尘的自燃温度

(SIT/AIT)：粉体物料的自动点火温度用于评价粉尘/粉体存储（如筒仓存储）时发生自动点火的危险性。（

Godbert-Greenwald装置）粉尘层的体积电阻：指放置在两个绝缘电极之间的粉尘样品的导电能力，从而可以测定其体积电阻的大小。图2.18粉尘爆炸实验装置中测得的典型压力曲线粉尘爆炸立方根定律

实验研究表明，当容器体积≥0.04m3时，粉尘爆炸压力上升速率和容器体积之间也存在“三次方定律”，也即是所谓的立方定律：Kst称为粉尘的爆炸指数。因此可以根据小容器中的爆炸实验估算大型容器中可能的爆炸强度，值得注意的是，在比较压力上升速率时，还应说明实验容器的体积。典型的工业粉尘的爆炸指数见附录E。粉尘的St分级根据Kst值的大小对粉尘进行的St级分类（

1m3装置，10kJ点火源）。当粉尘的爆燃指数增大，则其St级数越高，也即这种粉尘的爆炸越猛烈。7、粉尘云点火特性与爆炸特性的影响因素粉尘的化学组成，包括粉尘种类、水分含量、挥发份等。气相的初始压力和温度。粉尘颗粒尺寸分布和粉尘颗粒形状，决定了粉尘在完全处于悬浮状态时的比表面积大小。粉尘颗粒的分散或凝聚程度，决定了粉尘云燃烧过程中与工业实际过程中粉尘云的有效比表面积。实际粉尘云在空间的浓度分布情况。实际粉尘云中初始湍流的分布。爆炸在静止的未燃粉尘云中诱导湍流的可能性（点火源位置即是一个重要的参数）。湍流以外其它因素导致的火焰阵面折皱变形辐射传热（与火焰温度密切相关，而火焰温度又取决于粉尘颗粒的化学反应情况）。总之，可以分为几大类：可爆粉尘本身的基本参数；粉尘云的实际产生过程以及爆炸发展过程；约束约束结构的几何形状；点火源的位置粉尘爆炸——具有挑战性的课题！8、杂混物及其燃烧特性Bartknecht（1981）对杂混物和相关的实验研究进行了讨论，得出如下结论：当本身不具有可燃性的粉尘空气和气体空气混合物混合时，可以形成具有可燃性的混合物。杂混物的点火能量可以低于单一组分的点火能量，因此对很容易点燃的粉尘而言，这是非常危险的。当杂混物中的可燃气体浓度升高时，其中可燃粉尘的爆炸猛度（用Pmax和（dP/dt）max表示）可能增强很多，甚至其Kst值可以使该混合物达到最高的St分级。2.4

气体动力学问题爆炸过程中快速释放能量，并以各种不同的机理消耗，包括形成压力波、抛射、热辐射、声能或者造成设备移动。爆炸产生的破坏就是由于这种能量的消耗引起的。1、炸药在空气中的爆炸当炸药在空气中爆炸时，爆轰产物产生极高的压力，迅速向四周膨胀，膨胀的爆轰产物就像活塞一样推挤周围的空气介质，形成空气冲击波或激波（shockwave）。这种压力波具有的能量对周围环境可以造成破坏。冲击波向前传播时诱导其后方的气体介质跟随运动即是爆风（blastwind）,爆风对如管道等小型物体具有拖拽作用，爆轰产物在膨胀过程中，压力迅速下降，当爆轰产物的压力下降到与周围介质的压力相等时体积，称为爆炸产物的极限体积（一般为原炸药体积的800～1600倍），因此一般球形装药时，爆轰产物的直接作用范围为（10～12）r，条形或柱形装药时，则为装药半径的30倍。总之，爆轰产物直接对目标的作用距离是很小的。图2.19某给定时刻典型的激波图2.20某给定位置典型的激波当爆轰产物压力降低到周围介质压力时，爆轰产物由于惯性作用而发生过渡膨胀（约比极限容积大30～40％），这时爆轰产物那的平均压力低于周围介质压力，因此出现负压区，如图2.20所示。此后周围空气反过来压缩爆轰产物，使其压力增加，这样由于惯性的原因，爆轰产物往往会发生多次的膨胀和压缩的脉动过程，当然只有第一次是有实际意义的。图上中表示的是：不同时刻，空气冲击波阵面以超音速D的速度向前运动，所以，随着空气冲击波的传播，其正压区不断拉宽，同时波阵面上的压力、速度等参数不断下降（随着爆炸波从爆源向外传播，其能量逐渐被消耗，因而爆炸波逐渐衰减），因此空气冲击波在传播过程中，波阵面上压力下降较快，最后衰减为音波。2、分散体系爆炸过程中的气体动力学参数气体爆炸时产生压力波的过程与炸药爆炸类似。爆炸波（blastwave）：空气中传播的压力波，包括了激波和压力变化不太陡峭的压力波。与之区别的是反应激波。激波（shockwave）：其特征是压力波阵面压力的变化非常陡峭，通常由猛炸药爆炸产生，如TNT等。压力容器爆炸也可能形成激波。峰值超压（peakoverpressure）：激波相对于环境压力的大小。超压持续时间（overpressureduration）或正相持续时间（positivephasetime）。侧向超压（side-onoverpressure）：传感器与爆炸传播方向相互垂直时测得的压力。也称为自由场超压（freefieldoverpressure）或超压（overpressure）。峰值侧向超压（peakside-onoverpressure）：最大值反射超压（reflectedoverpressure）：传感器与激波发生正碰时测得的压力，当超压较小时，约为超压的两倍，当超压较强时，约为超压的8倍。动态压力（dynamicpressure）：动态峰值压力（peakdynamicpressure）：最大值爆炸冲量（blastimpulse）：作用力与时间的乘积，即压力时间曲线所包围的面积，包括正相和负相冲量。3、燃烧的两种模式爆燃与爆轰爆燃（deflagration）：燃烧波相对于火焰阵面前方的未燃气体以亚声速传播，火焰阵面前方的未燃气体由于燃烧产物的膨胀压缩作用而处于运动状态。在爆燃模式下，火焰速度的范围从几m/s到500-1000m/s。爆炸压力的范围从几mbar到几bar，其大小与火焰速度有关。爆轰（detonation）：爆轰的定义是以超音速传播的燃烧波（即爆轰阵面以高于波前介质声速的速度传播进入未燃气体）。因此，爆轰波前方的气体在爆轰波扫描通过之前没有受到爆轰波的扰动。在大气压下的燃料空气混合物中，典型的爆轰波速度为1500-2000m/s，其峰值压力为15-20bar。图：在一端封闭的管道中爆轰传播时的压力-距离剖面

(即在管道封闭端x=0)图管道中爆燃传播时的压力-距离图4、压力叠加效应与DDT过程如果燃烧发生在相互连接的容器中，如图2.26所示，则可能产生压力叠加效应（pressurepiling）。当燃烧处于爆燃模式时，压力阵面的传播速度要比反应阵面高得多，就会形成这种压力叠加效应。图2.26

相互连接的容器中的压力叠加效应爆燃向爆轰转变（deflagrationtodetonationtransition，DDT）：相比敞开空间或容器中，DDT过程通常发生在管道和坑道中。由于管道或坑道几何性质的原因，此时爆燃所释放的能量能汇集到压力波中去。如果压力波中积聚了足够的能量，则其对气体的绝热压缩便能够引起自动点火从而触发形成爆轰。湍流火焰加速障碍物诱导湍流加速火焰图湍流导致火焰加速的正反馈机制化工生产过程中，其工艺复杂，管道、容器和储罐等相互连接。如果在一个容器中形成燃烧，开始时可能是爆燃，但这种爆燃能沿管或其他工艺设备传播，因而可能发生DDT过程。如果爆燃发生在容器外部，也可能由于发生爆燃的地方拥塞程度较高，而且空间封闭程度较高，则能发生火焰加速，这是由于燃烧产生的湍流所致。2.5气云爆炸爆炸波（或超压）的估算1、概述气云爆炸的形成大量的气云爆炸事故表明，由于燃料的存在构成了潜在爆炸危险。这些燃料泄漏后与空气混合，形成可燃气云后点火，在合适的条件下可能形成具有一定的强度的爆炸。事故后果评价与分析

当然我们希望能通过采取预防和控制措施降低气云爆炸危险性，例如将加工和存储区域与生活区分别布置在不同的区域，但上述做法对很多化工厂或精炼厂并不可行，因此需要考虑到一旦发生气云爆炸后可能产生的后果，即如何定量地评价气云爆炸的后果。气云爆炸的特点火焰湍流加速：与凝聚相炸药爆轰过程不同，火焰加速对气云爆炸具有重要作用。而火焰的加速主要是由于湍流导致火焰阵面的拉伸和褶皱，从而增大火焰阵面的面积，燃烧速率增强，导致爆炸波增强，反过来，爆炸波强烈的压缩作用使未燃气云温度压力升高，同时诱导湍流。爆炸波与火焰传播相互耦合增强，甚至可能形成向爆轰的转变。湍流的形成：在密闭或半封闭区域，燃烧产物膨胀对火焰前方的压缩，导致未燃气体流动速度增加，从而诱导湍流；在工艺设备布置密集的区域，气云流动诱导产生湍流；高压系统中燃料泄漏时、形成高压射流诱导形成的湍流。总之，气云爆炸大多数情况下为爆燃，爆燃过程的发展受约束条件、障碍物布置情况等影响，火焰的湍流加速作用十分明显。同时，大量的实验研究表明：通常只有在均匀的气云中才可能发生爆轰传播传播。爆炸波效应估算的基本思路与方法

在搞清气云爆炸即的详细机理之前，可将实际爆炸与已知的燃料爆炸特性向比较。TNT当量法与基于燃料空气装药的方法（TNO多能量法、Baker－Strehlow－Tang方法）。（1）TNT当量法—与凝聚相炸药TNT爆炸波特性相比定义比例距离（scaleddistance）z：

R是到爆心的距离，W是TNT装药质量比例峰值超压Ps（scaledpeakside-onoverpressure）：p0是峰值侧向超压，pa是环境绝对压力比例冲量is（scaledimpulse）：a0是空气声速，E是爆炸能量TNT爆炸超压曲线对猛炸药（如TNT）爆轰产生的激波，激波超压与TNT装药质量有明确的关系（自相似原理、Hopkinson比例定律），如图2.25所示是TNT装药地面爆炸时冲量和超压与距离的关系（自由空气中TNT质量减半考虑，因为考虑到地面反射作用）。图2.25地面TNT爆炸时的比例冲量和比例超压气云爆炸TNT当量的计算对气云爆炸，在尚未搞清气云爆炸的机理之前，为定量评价其爆炸危险性，因此将气云爆炸的危险性与TNT装药相联系。因此假设在当量能量的基础上，参与爆炸的燃料与TNT爆炸产生的爆炸场相似，即有：

（2.30）式中W是TNT当量质量

是爆炸效能系数（也称当量系数equivalencyfactor、场系数fieldfactor或效能系数efficiencyfactor）m是可燃气体的质量Ec是可燃气体的燃烧热

ETNT

是TNT爆炸能量TNT当量法的缺点TNT当量法是将气云作为一个整体进行考虑，但可燃物质与空气混合之间混合不完整、热能不会完全转化为机械能等都会影响该系数，因此当量系数的确定困难。而TNT当量法假设的是VCE是爆轰过程，然而大多数VCEs是爆燃过程，同时，TNT当量法没有考虑不同封闭程度和拥塞情况下火焰的加速作用。因此，采用TNT超压曲线进行估算，VCE爆源附近的超压偏高，而距离较远处的超压则偏低。最后，如果气云范围较大，难以确定爆心位置。在泄漏位置附近？还是点火源附近？还是气云的几何中心位置附近？（2）TNO多能量法—基于燃料空气装药爆炸特性（VandenBerg1985）多能量法的提出气云爆炸通常是以爆燃的方式进行的，TNT当量法的实际运用和大量实验研究表明：气云爆炸产生的爆炸波主要是由气云内部处于半封闭状态的部分的大小和流动状态、以及气云内障碍区的来决定，处于静止状态的气云对爆炸波的增强并无直接的关系，同时燃料空气混合物的反应性的影响是次要的，因而提出了多能量法（Multi-energyMethod）。基本思想

爆燃过程中，仅在障碍物布置密集的区域或半封闭的区域才可能产生爆炸波效应，因为这些区域的气云本身处于强烈的湍流状态，点燃后可形成强烈的爆燃并有爆炸波生成。另外，高速湍流射流也可以视为爆炸波的生成源。而气云的其它区域只是缓慢燃烧，不会产生较强的爆炸波效应。因此，多能量法将气云爆炸定义为多个次级爆炸，分别对应于气云中不同的爆炸波源，分别加以处理。一般气云爆炸产生的爆炸波具有方向性，因此可以假设这些爆炸波源是理想化的具有对称性的爆炸波，通过CFD计算可以得到这种理想化的爆炸波，如图2.30所示，例如可以采用BLAST程序计算恒速火焰产生的爆炸波效应。图含有两个产生爆炸波的障碍区的气云爆炸（化工厂与邻近的铁路列车编组站）图2.30TNO多能量法模拟气云爆炸（AIChE,1994）图2.30的理解表示地面上半径为R0的半球形燃料空气混合物（该混合物的燃烧能为3.5MJ/m3）爆炸时产生的爆炸波特性，图中只给出了超压和正相作用时间及其随距爆心距离的变化情况。图中所给出的爆炸波特性数据已采用燃烧能E和环境参数（P0和声速C0）进行了归一化处理，即Sachs比例，这种比例方法可以确保相关参数采用同一单位制时可从图中读出正确的值。初始爆炸波的强度可用1－10的数来表示。10表示发生爆轰，1表示初始爆炸波的强度很低。图中的初始爆炸波强度数表示装药半径处的爆炸波强度。另外，图中还粗略地给出了爆炸波的波形，与气云爆炸波的特性相对应。低强度的爆炸波表现为声波衰减特征，因而具有恒定的正相作用时间，如果初始爆炸波强度较高，在装药附近区域激波超压衰减很快，因而其正压作用时间较长，高强度激波在远场最终发展称为声波衰减。当初始爆炸波强度大于等于6时，在10倍装药半径以远的距离，燃料空气爆炸波几乎与初始爆炸波强度无关。总之，对于多能量法，气云爆炸的危险性主要由气云扩散的环境决定，而不是燃烧空气本身来决定。这种环境构成了燃烧过程的边界条件，因此，爆炸危险性评价应仅限于研究该环境形成爆炸波的能力大小。多能量法的运用步骤a）假定基于爆燃的爆炸波模拟模型估算爆炸波效应具有足够的安全性，是一种保守的估算方法（不可能发生无约束气云爆轰过程）。b）在气云范围内辨识确定出潜在的爆炸波产生源（简称爆源），包括：空间结构较大的工艺设备、集装箱堆放场以及管道架等；平行平板之间的空间，如停车场内停泊车辆底部与地面之间的区域，以及开放式建筑物如多层停车场等；高压泄漏时形成的具有较高湍流强度的燃料空气射流。而气云中的其它燃料空气混合物产生的爆炸波强度很低。c）估算当量燃料空气装药的能量：每一个爆源单独处理；对每一个爆源估算其燃料空气混合物的体积，注意可燃混合物可能并不一定充满这些区域或空间，如果设备体积所占份额较大，则应考虑除去设备体积；计算每一个爆源的燃烧能E，即用混合物体积乘以3.5MJ/m3（一般碳氢物质空气混合物燃烧热的典型取值）。d）估算每一个爆源的强度：如果取最大强度值10，则是对爆源强度最保守的估算，但一般取爆炸波强度数7能更准确地代表实际情况。注：当超压低于0.5bar