燃燒和爆炸與防火防爆安全技術-工藝技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的概念，并給出了標準燃燒熱的定義。可燃物質燃燒爆炸時所達到的最高溫度、最高壓力和爆炸力與物質的燃燒熱有關。物質的標準燃燒熱數據不難從一般的物性數據手冊中查閱到。 物質的燃燒熱數據一般是用量熱儀在常壓下測得的。因為生成的水蒸氣全部冷凝成水和不冷凝時，燃燒熱效應的差值為水的蒸發潛熱，所以燃燒熱有高熱值和低熱值之分。高熱值是指單位質量的燃料完全燃燒，生成的水蒸氣全部冷凝成水時所放出的熱量；而低熱值是指生成的水蒸氣不冷凝時所放出的熱量。表 4—6 是一些可燃氣體的燃燒熱數 據。 表 4— 6 可燃氣體燃燒熱 第四節 爆炸及其類型 一、爆炸概述 爆炸是物質發生急劇的物理、化學變化，在瞬間釋放出大量能量并伴有巨大聲響的過程。在爆炸過程中，爆炸物質所含能量的快速釋放，變為對爆炸物質本身、爆炸產物及周圍介質的壓縮能或運動能。物質爆炸時，大量能量極短的時間在有限體積內突然釋放并聚積，造成高溫高壓，對鄰近介質形成急劇的壓力突變并引起隨后的復雜運動。爆炸介質在壓力作用下，表現出不尋常的運動或機械破壞效應，以及爆炸介質受振動而產生的音響效應。 爆炸常伴隨發熱、發光 、高壓、真空、電離等現象，并且具有很大的破壞作用。爆炸的破壞作用與爆炸物質的數量和性質、爆炸時的條件以及爆炸位置等因素有關。如果爆炸發生在均勻介質的自由空間，在以爆炸點為中心的一定范圍內，爆炸力的傳播是均勻的，并使這個范圍內的物體粉碎、飛散。 爆炸的威力是巨大的。在遍及爆炸起作用的整個區域內，有一種令物體震蕩、使之松散的力量。爆炸發生時，爆炸力的沖擊波最初使氣壓上升，隨后氣壓下降使空氣振動產生局部真空，呈現出所謂的吸收作用。由于爆炸的沖擊波呈升降交替的波狀氣壓向四周擴散，從而造成附近建筑物的震蕩破壞。 化工裝置、機械設備、容器等爆炸后，變成碎片飛散出去會在相當大的范圍內造成危害。化工生產中屬于爆炸碎片造成的傷亡占很大比例。爆炸碎片的飛散距離一般可達 100～ 500 m。 爆炸氣體擴散通常在爆炸的瞬間完成，對一般可燃物質不致造成火災，而且爆炸沖擊波有時能起滅火作用。但是爆炸的余熱或余火，會點燃從破損設備中不斷流出的可燃液體蒸氣而造成火災。 二、爆炸分類 1．按爆炸性質分類 (1)物理爆炸 物理爆炸是指物質的物理狀態發生急劇變化而引起的爆炸。例如蒸汽鍋爐、壓縮氣體、液化氣體過壓等引起的爆炸，都屬于物理爆炸。物質的化學成分和化學性質在物理爆炸后均不發生變化。 (2)化學爆炸 化學爆炸是指物質發生急劇化學反應，產生高溫高壓而引起的爆炸。物質的化學成分和化學性質在化學爆炸后均發生了質的變化。化學爆炸又可以進一步分為爆炸物分解爆炸、爆炸物與空氣的混合爆炸兩種類型。 爆炸物分解爆炸是爆炸物在爆炸時分解為較小的分子或其組成元素。爆炸物的組成元素中如果沒有氧元素，爆炸時則不會有燃燒反應發生， 爆炸所需要的熱量是由爆炸物本身分解產生的。屬于這一類物質的有疊氮鉛、乙炔銀、乙炔銅、碘化氮、氯化氮等。爆炸物質中如果含有氧元素，爆炸時則往往伴有燃燒現象發生。各種氮或氯的氧化物、苦味酸即屬于這一類型。爆炸性氣體、蒸氣或粉塵與空氣的混合物爆炸，需要一定的條件，如爆炸性物質的含量或氧氣含量以及激發能源等。因此其危險性較分解爆炸為低，但這類爆炸更普遍，所造成的危害也較大。 2．按爆炸速度分類 (1)輕爆 爆炸傳播速度在每秒零點幾米至數米之間的爆炸過程； (2)爆炸 爆炸傳播速度在每秒十米至數百米之間的爆炸過程； (3)爆轟 爆炸傳播速度在每秒 1 千米至數千米以上的爆炸過程。 3．按爆炸反應物質分類 (1)純組元可燃氣體熱分解爆炸 純組元氣體由于分解反應產生大量的熱而引起的爆炸； (2)可燃氣體混合物爆炸 可燃氣體或可燃液體蒸氣與助燃氣體，如空氣按一定比例混合，在引火源的作用下引起的爆炸； (3)可燃粉塵爆炸 可燃固體的微細粉塵，以一定濃度呈懸浮狀態分散在空氣等助燃氣體中，在引火源作用下引起的爆炸； (4)可燃液體霧滴爆炸 可燃液體在空 氣中被噴成霧狀劇烈燃燒時引起的爆炸； (5)可燃蒸氣云爆炸 可燃蒸氣云產生于設備蒸氣泄漏噴出后所形成的滯留狀態。密度比空氣小的氣體浮于上方，反之則沉于地面，滯留于低洼處。氣體隨風漂移形成連續氣流，與空氣混合達到其爆炸極限時，在引火源作用下即可引起爆炸。 爆炸在化學工業中一般是以突發或偶發事件的形式出現的，而且往往伴隨火災發生。爆炸所形成的危害性嚴重，損失也較大。下面將介紹化工行業中常見的幾種爆炸類型。 三、常見爆炸類型 1．氣體爆炸 (1)純組元氣體分解爆炸 具有分解爆炸特 性的氣體分解時可以產生相當數量的熱量。摩爾分解熱達到80～ 120kJ 的氣體一旦引燃火焰就會蔓延開來。摩爾分解熱高過上述量值的氣體，能夠發生很激烈的分解爆炸。在高壓下容易引起分解爆炸的氣體，當壓力降至某個數值時，火焰便不再傳播，這個壓力稱作該氣體分解爆炸的臨界壓力。 高壓乙炔非常危險，其分解爆炸方程為 C2H2→ 2C(固 )+H2+226 kJ 如果分解反應無熱損失，火焰溫度可以高達 3100℃。乙炔分解爆炸的臨界壓力是 0． 14 MPa，在這個壓力以下貯存乙炔就不會發生分解爆炸。此外，乙炔類化合物也同樣具有分解爆炸危險，如乙烯基乙炔分解爆炸的臨界壓力為 0． 11 MPa，甲基乙炔在 20℃分解爆炸的臨界壓力為 0． 44 MPa，在 120℃則為 0． 31 MPa。從有關物質危險性質手冊中查閱到的分解爆炸臨界壓力多為 20℃的數據。 乙烯分解爆炸反應方程式為 C2H4→ C(固 )+CH4+127． 4 kJ 乙烯分解爆炸所需要的能量隨壓力的升高而降低，若有氧化鋁存在，分解爆炸則更易發生。乙烯在 0℃的分解爆炸臨界壓力是 4 MPa，故在高壓下加工或處理乙烯 ，具有與可燃氣體 — 空氣混合物同樣的危險性。 氮氧化物在一定壓力下也可以發生分解爆炸，按下述反應式進行 N2O→ N2+0． 5 O2+81． 6 kJ NO→ 0． 5N2+0． 5O2+90． 4 kJ N2O 的分解爆炸臨界壓力是 0． 25 MPa， NO 的是 0． 15 MPa，在上述條件下，90％以上可以分解為 N2和 O2。 環氧乙烷的分解反應式為 C2H4O→ CH4+CO+134． 3 kJ 2C2H4O→ CH4+2CO+33． 4 kJ 環氧乙烷的分解爆炸臨界壓力為 0． 038MPa，故環氧乙烷有較大的爆炸危險性。在 125℃時，環氧乙烷的初始壓力由 0． 25 MPa 增至 1． 2 MPa，最大爆炸壓力與初壓之比則由 2 增至 5． 6，可見爆炸的初始壓力對終壓有很大影響。 (2)混合氣體爆炸 可燃氣體或蒸汽與空氣按一定比例均勻混合，而后點燃，因為氣體擴散過程在燃燒以前已經完成，燃燒速率將只取決于化學反應速率。在這樣的條件下，氣體的燃燒就有可能達到爆炸的程度。這時的氣體或蒸汽與空氣的混合物，稱為爆炸性混合物。例如，煤氣從噴嘴噴出以后，在火焰外層與空氣混合，這時的燃燒速率取決于擴散速率，所進行的是擴散燃燒。如果令煤氣預先與空氣混 合并達到適當比例，燃燒的速率將取決于化學反應速率，比擴散燃燒速率大得多，有可能形成爆炸。可燃性混合物的爆炸和燃燒之間的區別就在于爆炸是在瞬間完成的化學反應。 在化工生產中，可燃氣體或蒸氣從工藝裝置、設備管線泄漏到廠房中，而后空氣滲入裝有這種氣體的設備中，都可以形成爆炸性混合物，遇到火種，便會造成爆炸事故。化工生產中所發生的爆炸事故，大都是爆炸性混合物的爆炸事故。 燃燒的連鎖反應理論也可用于解釋爆炸。爆炸性混合物與火源接觸，便有活性原子或自由基生成而成為連鎖反應的作用中心。爆炸混合物起火后，燃燒熱和鏈鎖載體都向外傳播，引發鄰近一層爆炸混合物的燃燒反應。而后，這一層又成為熱和鏈鎖載體源引發次一層爆炸混合物的燃燒反應。火焰是以一層層同心圓球面的形式向各個方向蔓延的。燃燒的傳播速率在距離著火點 0． 5～ 1 m以內是固定的，每秒若干米或者更小一些。但以后即逐漸加速，傳播速率達每秒數百米 (爆炸 )，乃至每秒數千米 (爆轟 )。如果燃燒傳播途中有障礙物，就會造成極大的破壞作用。 爆炸性混合物，如果燃燒速率極快，在全部或部分封閉狀態下，或在高壓下燃燒時，可以產生一種與一般爆炸根本不同的現象，稱為爆轟。爆轟的特點是，突然 引發的極高的壓力，通過超音速的沖擊波傳播，每秒可達 20xx～ 3000 m以上。爆轟是在極短的時間內發生的，燃燒物質和產物以極高的速度膨脹，擠壓周圍的空氣。化學反應所產生的能量有一部分傳給壓緊的空氣，形成沖擊波。沖擊波傳播速率極快，以至于物質的燃燒也落于其后，所以，它的傳播并不需要物質完全燃燒，而是由其本身的能量支持的。這樣，沖擊波便能遠離爆轟源而獨立存在，并能引發所到處其他化學品的爆炸，稱為誘發爆炸，即所謂的“殉爆”。 2．粉塵爆炸 實際上任何可燃物質，當其成粉塵形式與空氣以適當比例混合時，被熱、火花、火焰點燃，都能迅速燃燒并引起嚴重爆炸。許多粉塵爆炸的災難性事故的發生，都是由于忽略了上述事實。谷物、面粉、煤的粉塵以及金屬粉末都有這方面的危險性。化肥、木屑、奶粉、洗衣粉、紙屑、可可粉、香料、軟木塞、硫磺、硬橡膠粉、皮革和其他許多物品的加工業，時有粉塵爆炸發生。為了防止粉塵爆炸，維持清潔十分重要。所有設備都應該無粉塵泄漏。爆炸卸放口應該通至室外安全地區，卸放管道應該相當堅固，使其足以承受爆炸力。真空吸塵優于清掃，禁止應用壓縮空氣吹掃設備上的粉塵，以免形成粉塵云。 屋頂下裸露的管線、橫梁和其他突出部分 都應該避免積累粉塵。在多塵操作設置區，如果有過頂的管線或其他設施，人們往往錯誤地認為在其下架設平滑的頂板，就可以達到防止粉塵積累的效果。除非頂板是經過特殊設計精細安裝的，否則只會增加危險。粉塵會穿過頂板沉積在管線、設施和頂板本身之上。一次震動就足以使可燃粉塵云充滿整個人造空間，一個火星就可以引發粉塵爆炸。如果管線不能移裝或拆除，最好是使其裸露定期除塵。 為了防止引發燃燒，在粉塵沒有清理干凈的區域，嚴禁明火、吸煙、切割或焊接。電線應該是適于多塵氣氛的，靜電也必須消除。對于這類高危險性的物質，最好是在封閉系 統內加工，在系統內導入適宜的惰性氣體，把其中的空氣置換掉。粉末冶金行業普遍采用這種方法。 3．熔鹽池爆炸 熔鹽池爆炸屬于事后搶救往往于事無補的災難性事件，大多是由于管理和操作人員對熔鹽池的潛在危險疏于認識引起的。機械故障、人員失誤、或者兩者的復合作用，都有可能導致熔鹽池爆炸。現把熔鹽池危險匯總如下。 (1)工件預清洗或淬火后攜帶的水、鹽池上方輔助管線上的冷凝水、屋頂的滲漏水、自動增濕器的操作用水、甚至操作人員在鹽池邊溫熱的液體食物，都有可能造成蒸氣急劇發生，引發爆炸。 (2)有砂眼的鑄件、管道和封閉管線、中空的金屬部件，當其浸入熔鹽池時，其中阻塞和淤積的空氣會突然劇烈膨脹，引發爆炸。 (3)硝酸鹽池與毗鄰滲碳池的油、炭黑、石墨、氰化物等含碳物質間的劇烈的難以控制的化學反應，都有可能誘發爆炸。 (4)過熱的硝酸鹽池與鋁合金間的劇烈的爆發性的反應也可能引起爆炸。 (5)正常加熱的硝酸鹽池和不慎掉入池中的鎂合金間會發生爆炸反應。 (6)落人鹽池中的鋁合金和池底淤積的氧化鐵會發生類似于鋁熱焊接的反應。 (7)鹽池設計、制造和安裝的結構失誤會縮短鹽池的正常壽命，鹽池的 結構金屬材料與硝酸鹽會發生反應。 (8)溫控失誤會造成鹽池的過熱。 (9)大量硝酸鈉的貯存和管理，廢硝酸鹽不考慮其反應活性的處理和貯存，都有一定的危險性。 (10)偶爾超過安全操作限的控溫設定，也會有一定的危險性。 第五節 爆炸極限理論與計算 一、爆炸極限理論 可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物，并不是在任何組成下都可以燃燒或爆炸，而且燃燒 (或爆炸 )的速率也隨組成而變。實驗發現，當混合物中可燃氣體濃度接近化學反應式的化學計量比時，燃燒最快、最劇烈。若濃度減小或增加，火焰蔓延速率則降低 。當濃度低于或高于某個極限值，火焰便不再蔓延。可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物能使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高濃度則稱為爆炸上限。可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物，若其濃度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不會著火或爆炸。 爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合氣體中的體積百分數表示，有時也用單位體積可燃氣體的質量 (kg m— 3)表示。混合氣體濃度在爆炸下限以下時含有過量空氣，由于空氣的冷卻作用，活化中心的消失數大于產生數，阻止了火焰的蔓延。若濃度在爆炸上限以上，含有過量的可燃氣體，助燃氣體不足，火焰也不能蔓延。但此時若補充空氣，仍有火災和爆炸的危險。所以濃度在爆炸上限以上的混合氣體不能認為是安全的。 燃燒和爆炸從化學反應的角度看并無本質區別。當混合氣體燃燒時，燃燒波面上的化學反應可表示為 A+B→ C+D+Q (4— 1) 式中 A、 B 為反應物； C、 D 為產物； Q 為燃燒熱。 A、 B、 C、 D 不一定是穩定分子，也可以是原子或自由基。