可燃氣體的燃燒爆炸

1、可燃氣體的燃燒爆炸可燃氣體的燃燒爆炸 目錄目錄 一、概述 二、氣體爆炸機理 三、氣體爆炸特性 四、氣體爆燃與爆轟理論 一、概述 1.可燃氣體的定義 凡是常溫、常壓下以氣體狀態(tài)存在，在受熱、受壓、撞擊 或遇火花等外界能量作用下具有燃燒或爆炸性能的氣體通稱為 可燃性氣體。如氫氣、礦井瓦斯(甲烷)、乙烯、乙炔、環(huán)氧乙 烷、天然氣、石油液化氣等。 天然氣 香蕉的成熟過程 2.可燃性氣體危險特性 可燃性氣體危險特性主要體現(xiàn)在燃燒性、爆炸性、擴 散性以及毒害、腐蝕和窒息性等幾個方面。 3.可燃氣體的燃燒形式 n氣體的燃燒與液體和固體的燃燒不同，他不需要經(jīng)過 蒸發(fā)、融化等過程，氣體在正常條件下就具備了燃燒

2、的條件，所以比液體和固體更容易燃燒。 n氣體的燃燒有擴散燃燒和動力燃燒兩種形式。 （1）擴散燃燒。如果可燃氣體與空氣的混合是在燃燒過 程中進行的，則發(fā)生穩(wěn)定式的燃燒，稱為擴散燃燒。 （2）動力燃燒。如果可燃氣體與空氣是在燃燒之前按一 定比例均勻混合的，形成預(yù)混氣，遇火源則發(fā)生爆炸 式燃燒，稱動力燃燒。 兩種燃燒形式的特點 n如圖所示的火炬燃燒，火焰的明亮區(qū)是擴散區(qū)，可 燃氣體和氧分別從火焰中心（燃料錐）和空氣擴散到 達擴散區(qū)的。這種火焰燃燒速度很低，一般小于 0.5m/s。由于可燃氣體與空氣是逐漸混合并逐漸燃燒 消耗掉，因而形成穩(wěn)定的燃燒，只要控制得好就不會 發(fā)生火災(zāi)。除火炬燃燒外，氣焊的火焰

3、和燃氣加熱等 也屬于這類擴散燃燒。 n在預(yù)混氣的空間里，充滿了可以燃燒的混合氣，一 處點火，整個空間立即燃燒起來，發(fā)生瞬間的燃燒， 即爆炸現(xiàn)象。此外，如果可燃氣體處于壓力而受沖擊、 摩擦或其他著火源作用，則發(fā)生噴流式燃燒。像氣井 的井噴火災(zāi)，高壓氣體從燃氣系統(tǒng)噴射出來時的燃燒 等。對于這種噴流燃燒形式的火災(zāi)，較難撲救，需較 多救火力量和滅火劑，應(yīng)當(dāng)設(shè)法斷絕氣源，使火災(zāi)徹 底熄滅。 4.可燃性氣體在空氣中完全燃燒的理論混合比 理論混合比指的是在常溫常壓下，可燃性氣體在空氣中完全 燃燒時，空氣中的可燃性氣體的濃度。 二、氣體爆炸機理 氣體爆炸包括可燃氣體/空氣混合物爆 炸和單一氣體分解爆炸兩個方面

4、，兩者爆 炸機理及過程雖有所不同，但本質(zhì)上都是 由于化學(xué)反應(yīng)的能量快速釋放，導(dǎo)致壓力 急劇升高而引起爆炸。 1.熱點火機理 在熱點火理論中，物質(zhì)因自熱而引起著火，從陰燃到明燃 直至發(fā)生爆炸的現(xiàn)象，稱為熱爆炸或熱自燃，習(xí)慣上也稱自動 著火或自動點燃。從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)觀點看，熱爆炸是一個從 緩慢氧化放熱反應(yīng)突然變?yōu)榭焖偃紵磻?yīng)的過程，當(dāng)化學(xué)反應(yīng) 系統(tǒng)中放熱速率超過熱損失速率時，由于熱積累致使反應(yīng)物自 動加熱，反應(yīng)過程不斷自動加速，直至爆炸發(fā)生。判斷爆炸發(fā) 生與否的臨界點的數(shù)學(xué)描述稱為臨界條件，由臨界條件導(dǎo)出的 系統(tǒng)物理、化學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)稱為熱爆炸判據(jù)。 （1）熱爆炸臨界條件及點火過程的分析 為說明

5、熱爆炸臨界條件及點火過程，考慮某種由A，E兩種組分 組成的氣體混合物，并按如下形式發(fā)生雙分子反應(yīng)生成產(chǎn)物C： A+BC 根據(jù)Arrhenius反應(yīng)速率定律，考慮2級反應(yīng)，反應(yīng)速率可表述為： 式中：反應(yīng)速率，mol/(mS)； 頻率因子，m/(mols)； ，反應(yīng)物A和B的濃度，mol/m； E活化能，kJ/mol； R氣體普適常數(shù)，kJ/(molK)； T絕對溫度，K。 rc k0 cAcB （2）熱爆炸判據(jù)切線求法 如圖2一1所示，圖中曲線4代表系統(tǒng)放熱速率，直線1，2和3分 別表示不同散熱條件下系統(tǒng)熱損失速率，直線2與曲線4之切點C為熱 爆炸臨界狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上，切點C處必須同時滿足系統(tǒng)熱產(chǎn)

6、生速率 與熱損失速率相等及兩曲線斜率相等兩個條件，即： 式中，分別為系統(tǒng)熱產(chǎn)生和熱 損失速率，kJ/s V反映物體積， 化學(xué)反應(yīng)熱， h熱傳導(dǎo)系數(shù)， A表面積， 環(huán)境溫度，K qL Q v Ta 聯(lián)立式（1）式（4），求得系統(tǒng)爆炸臨界溫度 該式表明，若均熱系統(tǒng)升溫 ，熱爆炸就不會 發(fā)生，否則，系統(tǒng)將由自熱引起爆炸。在不同 和E條件下， 爆炸發(fā)生前的升溫 并不相同，一般為幾十?dāng)z氏度。 2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理 熱點火理論認(rèn)為，氣體混合物爆炸是由加熱和溫度升高所 引起，但實際過程卻有許多例外。如某些緩慢反應(yīng)在一定條件 下也會自動加速，但并不是因為加熱，而是可燃氣體混合物中 積累了具有催化作用的活化中間產(chǎn)物

7、所致，即某些可燃氣體在 受到外界熱、光等激發(fā)時，分子鍵被擊破而發(fā)生離解形成游離 基，這些游離基與原始混合氣體會發(fā)生一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成最 終產(chǎn)物，并釋放出燃燒反應(yīng)熱，這種能使活化中間產(chǎn)物再生的 反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)每消耗掉一個活化中間產(chǎn)物的同 時，便會引起下一鏈反應(yīng)的成長。 氯/氫混合物鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理 在上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，最初的游 離基(活性中心)在某種外界能源 (熱、光、氧化、還原、催化等)作 用下生成，由于游離基比普遍分子 具有更多的活化能，活動能力極強， 一般條件下非常不穩(wěn)定，極易與其 他分子發(fā)生反應(yīng)生成新的游離基， 或自行結(jié)合生成穩(wěn)定分子。也就是 說。如果在外界能源作用下能在反 應(yīng)物中

8、產(chǎn)生少量游離基。這些游離 基即可引發(fā)鏈鎖反應(yīng)，使燃燒反應(yīng) 得以持續(xù)下去：一旦活化中心(游 離基)消失。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會中斷， 燃燒反應(yīng)停止。 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理的一般過程 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理大致分為如下三個階段： (1)鏈引發(fā) 游離基生成，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始。 (2)鏈傳遞 游離基與原始反應(yīng)物作用生成穩(wěn)定化合物，并產(chǎn)生新游離基。 (3)鏈終止 游離基消失，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止。導(dǎo)致游離基消失的原因很多，如 游離基相互碰撞生成分子、與非活性同類分子或惰性分子相互 碰搜導(dǎo)致能量分散、與器壁撞擊被吸附等。 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分為分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分為分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)兩種。氯和氫氣 發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)屬不分支鏈?zhǔn)?/p>

9、反應(yīng)，即每活化一個氯分子出現(xiàn)兩個 氯游離基，每個氯游離基都進行自己的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。且每次反應(yīng)只引 出一個新游離基。典型分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是氫/氧混合氣體發(fā)生光化學(xué)反 應(yīng)。 由于上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中間兩步均生成了兩個活化中心。因此， 這些鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會發(fā)生分支。 三、氣體爆炸特性 1.氣體混合物爆炸氣體混合物爆炸 可燃氣體/空氣混合物爆炸，是可燃氣體在空氣中迅速燃 燒引起壓力急驟升高的過程。氣體爆炸可以發(fā)生在設(shè)備、管道、 建筑物或船艙內(nèi)，也可以在戶外敞開場所發(fā)生。當(dāng)可燃氣體或 液體蒸氣意外泄漏到大氣中后。如果遇到火源則被點燃起火， 如果泄漏時沒有立即遇到火源作用，而是與空氣混合形成預(yù)混 可燃氣體混合物后再遇到點火源

10、作用，則會發(fā)生氣體混合物爆 炸。一般來說，泄漏時間越長，形成可燃氣體混合物的規(guī)模及 爆炸范圍就越大。 （1）爆炸特性參數(shù) 描述可燃氣體/空氣混合物爆炸特性的參數(shù)分為兩組： n氣體點火特性表征參數(shù)，如閃點、引燃溫度、最小點 燃能量、最小點燃電流、爆炸極限、最大試驗安全間隙 等，這組參數(shù)其值越小，表明氣體爆炸感度越高，越易 發(fā)生爆炸 n氣體爆炸效應(yīng)表征參數(shù)，如燃燒速度，爆炸指數(shù)等， 這組參數(shù)其值越大，表明氣體爆炸越猛烈，爆炸破壞力 越大。 閃燃與閃點 可燃液體(或固體)表面蒸氣達到一定濃 度形成可燃性混合氣體時，在點火源作用下 就會發(fā)生燃燒。在形成可燃性混合氣體的最 低溫度下所發(fā)生的瞬間火苗或閃光

11、燃燒現(xiàn)象 稱為閃燃。此時所對應(yīng)的液體(或固體)表面 溫度稱為閃點。當(dāng)可燃液體或固體溫度高于 閃點時，隨時都有被外界明火點燃的危險： 而當(dāng)溫度低于閃點時，由于蒸氣壓太小不足 以在空氣中形成可燃性氣體混合物，因而不 能被外加明火點燃。閃點隨可燃液體(或固體) 濃度變化而變化。閃點與可燃物濃度關(guān)系如 右圖所示。 自燃與自燃溫度 可燃物質(zhì)在無外界明火作用下發(fā)生自發(fā)著火燃燒的現(xiàn)象稱為 自燃，一般分受熱自燃與自熱自燃兩種情況?？扇嘉镔|(zhì)在外界熱 源作用下溫度升高到自燃溫度所發(fā)生的著火燃燒現(xiàn)象稱為受熱自 燃；自熱自燃是指在無外界熱源作用下?？扇嘉镔|(zhì)因內(nèi)部發(fā)生物 化或生化過程而產(chǎn)生熱積蓄使物質(zhì)溫度升高到自燃溫度

12、時所發(fā)生 的一種著火燃燒現(xiàn)象。在所有濃度范圍內(nèi)，可燃物質(zhì)發(fā)生自燃的 最低溫度稱為自燃溫度(AIT)。 最小點火能量 最小點火能量是在標(biāo)準(zhǔn)實驗裝置及測試條件下，點燃可燃氣 體/空氣混合物并使火焰自行傳播所需的最小放電火花能量，稱為 單次試驗的最小點火能量，在所有濃度范圍內(nèi)所測最小點火能量 中的最小值，稱為可燃氣體/空氣混合物的最小點火能量(MIE)。 最小點燃電流及最小點燃電流比 在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，采用直流24 V和95 mH電感電路火花試驗 裝置進行點燃試驗時，在最易點燃的濃度下。點燃可燃氣體/空氣 混合物所需的最小電流稱為最小點燃電流(MIC)?？扇細怏w/空氣 混合物最小點燃電流與甲烷/空氣

13、混合物最小點燃電流之比值稱為 最小點燃電流比(MICR)。 爆炸極限 爆炸極限又稱燃燒極限，是對爆炸上限(UEL)和爆炸下限(EIE)的 統(tǒng)稱，當(dāng)可燃氣體(蒸汽)/空氣混合后的濃度低于下限或高于上限 時都不可能發(fā)生爆炸?？扇細怏w(熬氣)/空氣混合物的爆炸極限一 般用體積分?jǐn)?shù)來表示。處于爆炸上限與下限之間的濃度范圍稱為 爆炸區(qū)，在此以外的濃度范圍稱為非爆炸區(qū)。 最大試驗安全間隙 在標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置及測試條件下，點燃殼體內(nèi)所有濃度范圍的被實 驗氣體(蒸汽)/空氣混合物后，通過25 mm長法蘭接合面均不能點 燃殼外爆炸性氣體混合物的外殼空腔與殼內(nèi)兩部分之間的最大間 隙，稱為最大試驗安全間隙(MESG)，

14、MESG值是確定防場電氣設(shè)備 和阻火設(shè)備隔爆外殼級別的重要依據(jù)。 爆炸指數(shù) 在標(biāo)準(zhǔn)爆炸容器及測試方法下，測得可燃氣體/空氣混合物每次試 驗的最大爆炸超壓稱為爆炸指數(shù)P。所測爆超壓一時間曲線升段上 的最大斜率稱為爆炸指數(shù) ，并定義 。與爆炸容器容積(V)立方根 之積為爆炸指數(shù)K。 在可燃氣體/空氣混合物所有濃度范圍內(nèi)，所測 、 及K值之中最大者分別稱為爆炸指數(shù) (最大爆炸壓力)、 (最大爆炸壓力上升速率)和 。 關(guān)于各爆炸指數(shù)定義及相互關(guān)系如圖23所示。 （2）可燃氣體爆炸極限計算 p 可燃性氣體或蒸氣與空氣組成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；同樣能使火焰蔓延的最高

15、濃度稱爆炸上限， 濃度若在下限以下及上限以上的混合物則不會著火或爆炸。但上限以上 的混合物在空氣中是能燃燒的。 p 爆炸極限一般可用可燃性氣體或蒸氣在混合物中的體積百分?jǐn)?shù)來表示， 有時也用單位體積氣體中可燃物的含量來表示（g/m或mg/L）。 p 混合爆炸物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， 阻止了火焰的蔓延，此時，活化中心的銷毀數(shù)大于產(chǎn)生數(shù)。同樣，濃度 在爆炸上限以上，含有過量的可燃性物質(zhì)，空氣非常不足（主要是氧不 足），火焰也不能蔓延。但此時若補充空氣同樣有火災(zāi)爆炸的危險。故 對上限以上的混合氣不能認(rèn)為是安全的。 根據(jù)完全燃燒反應(yīng)所需的氧原子數(shù)計算 n計算公式： 117

16、6. 4 %100 ）（下N L 476. 4 %1004 N L 上 式中，L下爆炸下限； L上爆炸上限； N每摩爾可燃氣體完全燃燒所需的氧原子數(shù)。 示例 n試求乙烷在空氣中爆炸濃度下限和上限 乙烷的燃燒反應(yīng)式： 2C2H6+7O24CO2+6H2O 可知N=7，代入公式，計算得： 乙烷爆炸下限的體積分?jǐn)?shù)為3.38；爆炸上限的 體積分?jǐn)?shù)為10.7。 所以，乙烷的爆炸極限體積分?jǐn)?shù)為3.3810.7。 石蠟烴的濃度及其爆炸極限體積分?jǐn)?shù)的計算值與實驗測量值的比較石蠟烴的濃度及其爆炸極限體積分?jǐn)?shù)的計算值與實驗測量值的比較 序 號 可燃 氣體 名稱 分子式 碳 原 子 數(shù) 化學(xué)計量 濃度C0% 爆炸下

17、限L下/%爆炸上限L上/% 計算值實驗值計算值實驗值 1甲烷CH419.55.25.014.315.0 2乙烷C2H625.63.33.010.712.5 3丙烷C3H834.02.22.19.59.5 4丁烷C4H1043.11.71.58.58.5 5異丁烷C4H1043.11.71.88.58.4 6戊烷C5H1252.51.41.47.78.0 7異戊烷C5H1252.51.31.47.77.6 利用理論混合比計算爆炸極限 n用可燃氣體與空氣混合完全燃燒時的濃度，即理論混合比 推導(dǎo)出的經(jīng)驗公式如下： n試求甲烷在空氣中的爆炸濃度下限和上限 燃燒反應(yīng)式：CH4+2O2CO2+2H2O 求

18、得：C0=9.48%；代入公式，求得：L下=5.2%，L上=14.7% 所以，甲烷的爆炸極限為5.214.7（416） n此公式用于鏈烷烴類，其計算值與實驗值比較，誤差不超 過10。 0 55. 0CL 下 0 48. 0CL 上 根據(jù)脂肪族化合物的含碳原子數(shù)計算爆炸極限 04343. 01347. 0 1 n L下 05151. 010337. 0 1 n L上 n脂肪族碳氫化和物含碳原子數(shù) 多種可燃氣體混合物的爆炸極限計算 Lm多組分混合可燃氣體的爆炸極限，%； L1、L2、L3各組分的爆炸極限，%； V1、V2、V3各組分在混合氣體中的濃度，%； 其中V1+V2+V3+=100% % 3

19、 3 2 2 1 1 100 L V L V L V m L 氫、一氧化碳、甲烷混合氣體的爆炸極限 可燃氣的組成(體 積分?jǐn)?shù)) 爆炸極限可燃氣的組成 (體積分?jǐn)?shù)) 爆炸極限 H2COCH4實測值計算值H2COCH4實測值計算值 100 75 50 25 10 0 0 0 0 0 25 50 75 90 100 75 50 25 0 0 0 0 0 0 25 50 75 4.175 4.7一 6.0571.8 8.2一 10.8一 12.573.0 9.5一 7.722.8 6.4 一 4.9一 6.272.2 8.3一 10.4 9.6一 7.7525.06 5一 0 25 50 7S 90

20、33.3 55 48.5 0 0 0 0 0 33.3 15 0 100 75 50 25 10 33.3 30 5.615.1 4.7 6.4一 4.1一 4.1一 5.726.9 4.7 一33.6 5.1一 4.75一 4.4 4.2 6.632.4 5.0 24.6 含有惰性氣體的多種可燃氣混合物爆炸極限計算 n先求出混合物中由可燃氣體和惰性氣體分別組成的混合比， 再從相應(yīng)的比例圖中查出它們的爆炸極限。 氫氫、一氧化碳和氮、二氧化碳混合氣爆炸極限、一氧化碳和氮、二氧化碳混合氣爆炸極限 乙烷、丙烷、丁烷和氮氣、二氧化碳混合氣爆炸極限 爆炸極限的影響因素 爆炸極限不是一個固定值，它隨著各種

21、因素而變化。 但如掌握了外界條件變化對爆炸極限的影響，則在一定 條件下所測得的爆炸極限，仍有其普遍的參考價值。 影響爆炸極限的主要因素有以下幾點。 n初始溫度 爆炸性混合物的初始溫度越高，則爆炸極限范圍越大， 即爆炸下限降低而爆炸上限增高。因為系統(tǒng)溫度升高， 其分子內(nèi)能增加，使原來不燃的混合物成為可燃、可爆 系統(tǒng)，所以溫度升高使爆炸危險性增大。 溫度對甲烷和氫氣的爆炸上、下限的影響實驗結(jié)果，如下 圖所示。從圖中可以看出，甲烷和氫氣的爆炸范圍隨溫度的升 高而擴大，其變化接近直線。 n惰性介質(zhì)及雜質(zhì) 若混合物中含惰性氣體的百分?jǐn)?shù)增加，爆炸極限的范圍縮 小，惰性氣體的濃度提高到某一數(shù)值，可使混合物不

22、爆炸。 如在甲烷的混合物中加入惰性氣體（氮、二氧化碳，水蒸 氣、氬、氦、四氯化碳等），對爆炸極限的影響，隨著混合物 中惰性氣體量的增加，對上限的影響較之對下限的影響更為顯 著。因為惰性氣體濃度加大，表示氧的濃度相對減少，而在上 限中氧的濃度本來已經(jīng)很小，故惰性氣體濃度稍微增加一點， 即產(chǎn)生很大影響，而使爆炸上限劇烈下降。 n初始壓力 混合物的初始壓力對爆炸極限有很大的影響，在增壓的情況 下，其爆炸極限的變化也很復(fù)雜。 一般壓力增大，爆炸極限擴大。這是因為系統(tǒng)壓力增高，其 分子間距更為接近，碰撞幾率增高，因此使燃燒的最初反應(yīng)和反 應(yīng)的進行更為容易。 壓力降低，則爆炸極限范圍縮小。待壓力降至某值時

23、，其下 限與上限重合，將此時的最低壓力稱為爆炸的臨界壓力。若壓力 降至臨界壓力以下，系統(tǒng)便成為不爆炸。因此，于密閉容器內(nèi)進 行減壓（負壓）操作對安全生產(chǎn)有利。 不同壓力下甲烷、氫氣的爆炸極限變化見下圖 壓力對爆炸上限的影響十分顯著，而對下限影響較小。 n容器 充裝容器的材質(zhì)、尺寸等，對物質(zhì)爆炸極限均有影響。實驗 證明，容器管子直徑越小、爆炸極限范圍越小。同一可燃物質(zhì)， 管徑越小，其火焰蔓延速度亦越小。當(dāng)管徑（或火焰通道）小到 一定程度時，火焰即不能通過。這一間距稱最大滅火間距，亦稱 臨界直徑。當(dāng)管徑小于最大滅火間距，火焰因不能通過而被熄滅。 容器大小對爆炸極限的影響也可以從器壁效應(yīng)得到解釋。燃

24、 燒是由自由基產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)的結(jié)果，只有當(dāng)新生自由基大 于消失的自由基時，燃燒才能繼續(xù)。但隨著管徑（尺寸）的減小， 自由基與管道壁的碰撞幾率相應(yīng)增大。當(dāng)尺寸減少到一定程度時， 即因自由基（與器壁碰撞）銷毀大于自由基產(chǎn)生，燃燒反應(yīng)便不 能繼續(xù)進行。 關(guān)于材料的影響，例如氫和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在 液態(tài)空氣溫度下于黑暗中也會發(fā)生爆炸。而在銀制器皿中，一般 溫度下才能發(fā)生反應(yīng)。 n點火源 火花的能量、熱表面的面積、 火源與混合物的接觸時間等，對爆 炸極限均有影響。如甲烷對電壓 100伏，電流強度為1安的電火花， 無論在任何比例下都不爆炸；如電 流強度為2安時其爆炸極限為5.9 13.6；3

25、安時為5.8514.8 。因此各種爆炸混合物都有一個 最低引爆能量（一般在接近于化學(xué) 理論量時出現(xiàn)）。圖1-24是甲烷空 氣混合氣體的爆炸極限與火源能量 關(guān)系。 點火源能量對甲烷爆炸極限的影響 （常壓，26） （3）爆燃特性 氣體爆燃是一個帶化學(xué)反應(yīng)的壓縮波傳播過程。爆燃 波陣面兩側(cè)狀態(tài)參數(shù)呈突躍變化，理論上可按間斷面來 處理。在波陣面結(jié)構(gòu)方面。爆燃波以亞音速傳播，波陣 面前方有前馭沖擊波擾動，由于火焰陣面是在已受擾動 介質(zhì)中傳播，從而形成由前驅(qū)沖擊波陣面和火焰陣面構(gòu) 成的雙波三區(qū)結(jié)構(gòu)。 爆燃波傳播特性 燃燒速率與火焰加速傳播?？扇細怏w混合物在弱點火源(火花或熱 表面)點燃下，形成層流火焰?zhèn)鞑?/p>

26、的機理是分子擴散傳熱與傳質(zhì)， 熱量和質(zhì)量向未燃氣體中擴散相當(dāng)緩慢。典型碳氫化合物最大層 流燃燒速率約為0.4-0.5 m/s，氫氣、乙炔、乙烯等氣體的燃燒速 率相對大些。 火焰?zhèn)鞑ミ^程壓力變化。由于燃燒速率不斷升高，火焰?zhèn)鞑ミ^程 中溫度和壓力隨之升高。當(dāng)火焰加速傳播到向爆轟轉(zhuǎn)變時，火焰 傳播速度與激波傳播速度將產(chǎn)生糊合效應(yīng)，兩者傳播速度相等， 火焰陣面緊貼激波陣面后以超音速向未燃介質(zhì)中傳播，由于能量 守恒，壓力將急劇下降。 火焰遇障礙物加速傳播。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ミ^程中遭遇障礙物時，由于 湍流度增大，導(dǎo)致燃燒速率加快，火焰?zhèn)鞑ゼ铀佟?噴射火焰點火源對壓力的影響。噴射火焰是一種強點火源，當(dāng)管 道中爆燃火

27、焰噴入充滿可燃氣體混合物的設(shè)備時，設(shè)備中爆炸壓 力可達1 MPa以上，甚至?xí)?dǎo)致爆轟發(fā)生。 爆炸沖量 氣體爆燃超壓較低，但由于壓力持續(xù)時間長，作用沖量 很大，氣體爆炸典型壓力時間歷史曲線如圖24所示。氣 體爆炸沖量可按下式計算： 式中 ， 分別為可燃氣體爆炸正、負相沖量； p(t) p(t) t時刻的爆炸超壓； 環(huán)境壓力； 正相區(qū)持續(xù)時間； 負相區(qū)持續(xù)時間。 爆炸TNT當(dāng)量 n氣體爆炸威力效應(yīng)常用TNT當(dāng)量來估算,即： 式中, 爆炸TNT當(dāng)量，kg； 可燃氣體燃燒熱，kJ/kg； TNT爆熱，可取4187 kJ/kg； 可燃氣體總質(zhì)量，kg； 有效系數(shù)。 （4）爆轟及爆轟特性 在管內(nèi)的爆炸性氣

28、體中傳播的火焰（燃燒波）速度，是它 本身的傳播速度和已然氣體的膨脹引起的氣體流動速度之和， 因此發(fā)火后的速度逐漸增大。在某種條件下火焰進行了一定距 離之后，其速度突然急劇增大，最后可達到1000-3500m/s之間。 這是由于易燃氣體的膨脹，在火焰的前方產(chǎn)生的壓縮波終于成 長為沖擊波，以后由于這個沖擊波的進行而引起未燃氣體的物 理加熱，從而維持火焰的傳播，因此火焰本身的傳播速度（相 對于靜止氣體的傳播速度）超過未燃氣體中的音速，這種現(xiàn)象 稱為爆轟，此時的火焰稱為爆轟波。 因為爆轟波在火焰前面時常伴隨有沖擊波，因此它沖擊器 物雖然時間極短，但強大的沖擊壓力會產(chǎn)生機械的破壞作用。 氣體爆轟是火焰加

29、速傳播的一種極端狀態(tài)，不同于爆燃波 以亞音速傳播，而且火焰陣面前方有前驅(qū)沖擊波擾動，爆轟波 以超音速傳播。波陣面前沿是未受擾動的未燃混合物。 爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變 氣體爆轟是爆燃波加速傳播的一種極端狀態(tài)，爆燃向爆轟 轉(zhuǎn)變需要一定條件，如利用封閉或障礙物使火焰?zhèn)鞑ゲ粩嗉铀伲?或火焰從封閉空間向敞開空間噴射等手段，都可以實現(xiàn)爆燃向 爆轟轉(zhuǎn)變。 靜力學(xué)爆轟參數(shù) 氣體靜力學(xué)爆轟參數(shù)是表征爆轟發(fā)展限度的平衡態(tài)參數(shù)， 如爆速、爆壓、爆溫、產(chǎn)物密度及平衡態(tài)組成等。 動力學(xué)爆轟參數(shù) 動力學(xué)爆轟參數(shù)是表征爆轟建立難易程度的重要參數(shù)，如 爆轟波胞格尺寸、繞射臨界管徑、臨界起爆能量及爆轟極限等。 2.氣體分解爆炸 （1）

30、分解爆炸性氣體及臨界壓力 分解爆炸性氣體是指在加壓分解過程中因釋放大量熱量而 引發(fā)爆炸的這類氣體。分解熱大小與氣體初始溫度及所施加的 壓力高低有關(guān)，尤其是初始壓力的影響更顯著。隨著初始壓力 增加，氣體分解發(fā)熱量增加，最小點燃能量降低，爆炸超壓增 高，即氣休爆炸愈易發(fā)生，爆炸愈猛烈。高壓下易發(fā)生分解爆 炸的氣體，當(dāng)壓力降低到某一值時，火焰便不再自行傳播，該 壓力稱為分解爆炸臨界壓力。 （2）分解爆炸氣體爆炸臨界壓力舉例 乙炔及乙炔系列化合物乙炔分解反應(yīng)式為： 乙炔分解壓力與最小點燃能量之間存在如下經(jīng)驗關(guān)系： 式中 乙炔最小點燃能量，J； P乙炔分解壓力，MPa； 按上式計算，當(dāng)壓力為25 MPa

31、和3.0 MPa時，乙炔最小點燃能量E 分別為0.22mJ和0.1mJ時，與可燃性碳氫化合物/空氣化學(xué)計量混合 氣體的最小點燃能量相當(dāng)。通常，乙炔分解爆炸臨界壓力為0.14 MPa，但在強點火源作用下，即使在0.1 MPa壓力下，乙炔也會發(fā)生 分解爆炸。 （3）氣體分解爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?氣體分解爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ卜直寂c爆轟兩種狀態(tài)。當(dāng)乙炔 在管道中發(fā)生分解爆炸時，火焰?zhèn)鞑サ揭欢ň嚯x后便會成長為 爆轟，爆轟壓力為初始壓力的1050倍。乙炔由爆燃轉(zhuǎn)爆轟所 需最小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x(成長距離)與初始壓力、溫度、管徑、管 壁條件及點火源強度等有關(guān)，下表給出了以熔斷鉑金絲為點火 源時，乙炔在直徑為25 mm管道

32、中所需爆轟成長距離與初始壓 力之間實驗數(shù)據(jù)。從表中可以看出，乙炔爆轟成長距離隨初始 壓力增大而顯著縮短，當(dāng)初始壓力提高到2.0 MPa時，爆轟成 長距離僅約需1 m。 四、氣體爆燃與爆轟理論 1.爆燃波與爆轟波Hugoniot方程 當(dāng)火焰陣面從點火源向外擴展時，火焰陣面兩側(cè)狀態(tài)參數(shù)將發(fā) 生變化，并形成一個比火焰速度更快的壓縮波，該壓縮波陣面稱為 前驅(qū)沖擊波陣面。因此，爆燃波在傳播過程中將形成三個流場區(qū)域， 如圖所示。圖中e， p，T ， ，u ，c 及r 分別為比內(nèi)能、壓 力、溫度、密度、粒子速度、音速及等熵指數(shù)； 和 分別為爆 燃波及前驅(qū)沖擊波陣面速度；下標(biāo)0，1，2分別表示0區(qū)，1區(qū)和2區(qū)

33、， 其中，0區(qū)為初始狀態(tài)；1區(qū)為前驅(qū)沖擊波陣面過后流場狀態(tài)；2區(qū)為 爆燃波陣面通過后的流場狀態(tài) 。 一維平面火焰陣面兩側(cè)狀態(tài)，質(zhì)量、動量及能量守恒方程可分別表 述為： 帶化學(xué)反應(yīng)的理想氣體狀態(tài)方程可表述為： 火焰陣面未通過時，產(chǎn)物質(zhì)量 0， ；火焰陣面通過后， 產(chǎn)物質(zhì)量 ，即反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物， 。 因此，式(4-3)可改寫為： 由式(4-1)和式(4-2)，可以得到： 式中 火焰陣面相對于1區(qū)馬赫數(shù)，即： 式(4-6)稱為Rayleigh方程，即火焰速度與波陣面兩側(cè)狀態(tài)參數(shù)量綱 為1的關(guān)系式。 簡化式(4-5)并整理得： 式中 式（4-8）稱為量綱為1的 Hugoniot方程。 聯(lián)立Ray

34、leigh方程式（4-6）和 Hugoniot方程式（4-8），可求得火 焰陣面后參數(shù)，即： 在 平面內(nèi)，式(4-6)所代表的Rayleigh線與式(4-8)所代表的 Hugoniot 線之間相交各點的狀態(tài)及物理意義如下圖所示。 2. CJ爆燃與爆轟參數(shù)理論解 在管內(nèi)的爆炸性氣體中傳播的火焰（燃燒波）速度，是它 本身的傳播速度和已然氣體的膨脹引起的氣體流動速度之和， 因此發(fā)火后的速度逐漸增大。在某種條件下火焰進行了一定距 離之后，其速度突然急劇增大，最后可達到1000-3500m/s之間。 這是由于易燃氣體的膨脹，在火焰的前方產(chǎn)生的壓縮波終于成 長為沖擊波，以后由于這個沖擊波的進行而引起未燃氣體的物 理加熱，從而維持火焰的傳播，因此火焰本身的傳播速度（相 對于靜止氣體的傳播速度）超過未燃氣體中的音速，這種現(xiàn)象 稱為爆轟，此時的火焰稱為爆轟波。 因為爆轟波在火焰前面時常伴隨有沖擊波，因此它沖擊器 物雖然時間極短，但強大的沖擊壓力會產(chǎn)生