燃烧与爆炸理论及分析

目录燃烧与爆炸理论及分析 (2)1. 引言 (2)2. 可燃物的种类及热特性 (2)2.1 可燃物的种类 (2)2.2可燃物的热特性 (3)3. 燃烧理论 (6)3.1 燃烧的条件 (6)3.2 着火形式 (6)3.3 着火理论 (7)3.4灭火分析 (14)4. 爆炸理论 (18)4.1 爆炸种类及影响 (18)4.2 化学爆炸的条件 (21)4.3 防控技术 (23)5. 结论 (24)1燃烧与爆炸理论及分析摘要：本文主要叙述了当前主要的燃烧及爆炸理论。

首先介绍了燃烧条件、着火形式以及具体的燃烧理论，然后对四种燃烧理论分别进行了灭火分析。

然后阐述了爆炸的种类、爆炸条件过程及防控技术。

最后对本文的内容作了总结，并且通过分析提出自己的观点。

关键词：燃烧理论；爆炸理论；防控技术。

1. 引言火灾是一种特殊形式的燃烧现象。

爆炸（化学）是一种快速的燃烧，为了科学合理地预防控制火灾及爆炸（化学），应当对燃烧的基本理论有一定的了解。

燃烧是可燃物与氧化剂之间发生的剧烈的化学反应，要使它们发生化学反应需要提供一定的外加能量，反应的结果则会放出大量的热能。

燃烧前后的物质与能量变化可以要据物质与能量守恒定律确定。

2. 可燃物的种类及热特性2.1 可燃物的种类可燃物是多种多样的。

按照形态，可分为气态、液态和固态可燃物，氢气(H2)、一氧化碳(CO)等为常见的可燃气体，汽油、酒精等为常见的可燃液体，煤、高分子聚合物等为常见的可燃固体。

可燃物之所以能够燃烧是因为它包含有一定的可燃元素。

主要是碳(C)、氢(H)、硫(S)、磷(P)等。

碳是大多数可燃物的主要可燃成分，它的多少基本上决定了可燃物发热量的大小。

碳的发热量为 3.35×107J/kg，氢的发热量为1.42×108J/kg，是碳的4 倍多。

了解可燃元素及由其构成的各类可燃化合物的燃烧特性可定量计算燃烧过程中的物质转换和能量转换。

有些元素发生燃烧后可以生成完全燃烧产物，也可生成不完全燃烧产物，不完全2燃烧产物还可进一步燃烧生成完全燃烧产物。

例如，碳燃烧可生成一氧化碳，也可生成二氧化碳，而一氧化碳可进一步燃烧生成二氧化碳；又如硫化氢的燃烧可以生成二氧化硫(SO2)，也可以生成三氧化硫(SO3) 。

2.2可燃物的热特性(1)可燃物燃烧的一个重要特征是放出热量。

了解可燃物发热量的多少及放热的快慢对于了解燃烧后果具有重要的实际意义，可燃物燃烧燃爆炸时所能达到的最高温度、最高压力等都与物质的放热特性有关。

例如：碳（石墨）燃烧热392.88 KJ/mol ，氢气燃烧热285.77 KJ/mol。

(2)假设反应体系在等温条件下发生某种化学反应，除了膨胀功之外不做其它功，则此体系吸收或释放的热量称为该反应的热效应。

在火灾研究中经常更关心可燃物的热释放速率。

这一参数体现了火灾中放热强度随时间的变化，是决定火灾温度高低及烟气产生量的重要参数。

原则上说，如果知道火灾中可燃物的质量燃烧速率和热值，就能够按下式计算热释放速率。

(2-1)式中，为可燃物的质量燃烧速率，为该可燃物的热值，为反映不完全燃烧程度的因子。

(3)燃烧反应是在一定空间内进行的。

通常，反应空间内的温度分布不会很均匀，有火焰的区域温度高，因为该处正在发生燃烧反应，而火焰面以外区域的温度将会显着降低。

火焰温度指的是在绝热条件下，可燃物与氧化剂的量处于化学当量比，且发生完全燃烧时，火焰面所能达到的最高温度，其高低主要与可燃物的着火特性、热值有关。

氧化剂的种类不同，火焰温度也不尽相同。

同一种物质在氧气中燃烧所达到的温度比在空气中燃烧达到的温度高，同时环境温度和压3力也对火焰温度有一定影响。

表 1 列出了若干可燃物在常温常压条件下在空气中完全燃烧时的火焰温度。

表1 部分可燃物在空气中充分燃烧时的火焰温度物质名称火焰温度∕℃物质名称火焰温度∕℃甲醇1100 乙炔2127乙醇1180 氢气2130丙醇1000 煤气1600~1850乙醚2861 一氧化碳1680原油1100 碳化氢2110汽油1200 天然气2020煤油700~1030 石油气2120(4)其理论如下：(2-2) 式中，为可燃物的低位热值；和分别为可燃物及供燃烧用空气在供给温度时的热焓；为某些燃烧产物离解所吸收的热量；为燃烧过程中向周围介质散发的热量；为不完全燃烧所造成的热量损失；为烟气在燃烧温度时所具有的热焓；为系统对外界所作的功。

(2-3)式中，为烟气的体积比定容热容，其值取决于烟气的组成；为烟气的4体积。

(2-4)这样算出的温度通常称为可燃物的理论燃烧温度。

如果再不考虑燃烧产物的热解，则可进一步得到：(2-5)这样表示的温度称为量热计燃烧温度。

如果燃烧是在α=1 的完全燃烧情况下进行的，并认为可燃物和空气的初始温度都为0℃，则：(2-6)这一温度称为可燃物的理论发热温度。

此温度只与可燃物的化学组成有关，而与燃烧条件无关。

因此这一参数表示可燃物燃烧所能达到的温度上限。

(5)而实际温度是(2-7)式中，为燃烧温度的修正系数，一般为0.6～0.9。

53. 燃烧理论3.1 燃烧的条件发生燃烧必须具备可燃物、氧化剂和引燃源三个基本条件：1凡是含有一定的化学能、可与氧化剂发生剧烈氧化反应并放出大量热的物质都称为可燃物，如氢气、甲烷、木材等；凡是具有较强的氧化能力，能够与可燃物发生燃烧反应的物质都称为氧化剂，或助燃物。

氧气、空气是最常见的氧化剂，氯酸钾、过氧化钠等也都是氧化剂；凡是能引起可燃物与氧化剂之间发生燃烧的能量都称为引燃源，常见的引燃源有小火焰、电火花、电弧和炽热物体等。

2 燃烧作为一种化学反应，对反应物的组分浓度、引燃能的大小及反应的温度和压力均有一定的要求。

在一些情况下，若可燃物没有达到一定浓度，或氧化剂的量不足，或引燃能不够大，燃烧反应也不会发生。

例如，氢气在空气中的浓度低于4%时便不能点燃，当空气中氧气含量低于14%时常见可燃物质不会燃烧，而一根火柴的能量不足以点燃大煤块。

3 实际上，当可燃物和氧化剂开始发生燃烧后，为了使化学反应能够持续下去，反应区内还必须能够不断生成活性基团。

因为可燃物与氧化剂之间的反应不是直接发生的，而是经过生成活性基团和原子等中间物质，通过链反应进行。

如果除去活性基团，链反应中断，连续的燃烧也会停止。

3.2 着火形式1 可燃物的着火是发生正常燃烧的起始阶段，这是一个不稳定的燃烧阶段，可燃物着火主要有自燃和点燃两种机理。

2 自燃是物质在通常的环境条件下自行发生的燃烧现象，可分为化学自燃和热自燃两种形式。

化学自燃是可燃物质在常温下依靠自身的化学反应而发生的燃6烧，一般只有一些特殊物质可发生化学自燃，例如金属钠暴露在空气中的自发着火。

热自燃则是物质在某些因素的作用下，其周围的温度逐渐升高，当达到一定温度而发生的燃烧现象。

某些物质的缓慢氧化反应可导致其温度升高，以致发生自燃，例如长期堆积的原煤、烟叶、棉纱等发生的自燃；对某些物质迅速加压也可导致其温度升高，例如压燃式活塞发动机中发生的着火。

3 点燃则是在常温下，使用电火花、电弧、热板等高温能源作用于可燃物的某个局部，使该局部受到强烈地加热而首先着火。

随后，发生燃烧反应的区域逐渐扩大传播到可燃物的其它部分或整个反应的空间。

在大部分火灾中，可燃物是通过点燃形式而着火的。

3.3 着火理论包括：热自燃理论，链反应理论，热点燃理论，电火花点火理论。

3.3.1 热自燃理论(1)这种理论假设在某一体积为V、表面积为F 的密闭空间中存在一定的可燃混合气，开始时其氧化速率很慢但随着温度的升高，其反应速率亦逐渐加快；与引同时，可燃气会通过系统的壁面向外散热。

若系统的放热速率大于散热速率，则到一定时间就会达到该可燃物的着火温度，进而发生着火。

(2)于是系统的能量守恒方程可写为：(3-1)式中，为密闭空间内单位体积内混合气在单位时间内反应放出的热量，7通称放热速率；而是按单位体积内混合气在单位时间内向外界散发的热量，通称散热速率。

现结合下图1来讨论和随温度的变化状况。

设可燃混合气由A、B 两种组分组成，且反应形式为 2 级，根据阿累尼乌斯公式，其化学反应速率可表示为：(3-2)式中，为反应速率(mol/(m3·s))；为频率因子(m3/(mol·s))；C A 、为反应物A 和 B 的浓度(mol/m3)；E 为反应的活化能(kJ/m3)；R 为普适气体常数(kJ/(mol·k))；T 为气体的热力学温度(K)。

(3)根据上式，可认为放热速率与温度成指数曲线关系。

而系统的散热速率可认为与其内外温差呈线性关系。

随着环境温度的不同，可得到图中所示的一组平行的散热曲线。

若环境温度较高，散热速率较慢，于是与有 A 和B 两个交点。

8图 1 热自燃过程中的放热与散热曲线反应开始时，可燃混合气的温度等于环境温度，因此散热损失Q1=0。

在缓慢化学反应的影响下，混合气的温度上升。

随着混合气与环境的温差逐渐增大，散热速率也逐渐增大，逐渐接近放热速率，并最终使系统的放热速率等于散热速率，即达到 A 点。

故 A 点是个稳定工况点，就是说，即使系统发生微小的温度扰动，结果都能使混合气的温度回到Ta，反应不会自动加速而着火。

从 A 点到 B 点的过程中，散热速率一直大于放热速率。

对此，如果仅依靠自身的反应，其温度不可能继续升高。

只有由外界向系统补充能量，才可能使系统从A 点过渡到 B 点。

B 点则是不稳定工况点。

当系统到达该点时，如果某些原因致使系统温度略有增加，则由于系统的放热速率总是大于散热速率，从而使系统达到着火温度，即自动加速至着火。

相反，若对系统提供一个温度略低的扰动，则由于散热速率9总是大于放热速率，使系统的温度不断下降，直至返回 A 点。

根据公式：如果使hF/V 减小，或增加，则系统的散热曲线将会向右平移。

最终可出现放热曲线和散热曲线在 C 点相切的情况。

C 点的物理意义是系统的放热速率与散热速率达到平衡，它也是一个不稳定工况点。

若在某些因素影响下，系统的温度出现下降，则系统返回 A 点；若由于某些原因使系统的温度继续增高，则将使系统的反应自动加速直至发生着火。

因此 C 点标志着系统由低温缓慢反应到自动加速反应的过渡。

根据着火的定义，C 点便代表热自燃点，是该可燃混合气的热自燃温度。

3.3.2 链反应理论对大多数碳氢化合物与空气的反应过程来说，根据热着火理论可以进行合理地解释，但也有很多现象不能解释，例如氢与氧反应的三个爆炸极限。

而链反应理论却能给出合理的解释。

这种理论认为，在体系的反应过程中，可出现某些不稳定的活性中间物质，通常称之为载体。

只要这种链载体不消失，反应就一直进行下去，直到反应结束。

(1)链反应的基本阶段：链反应一般包括链引发、链传递、链终止三个阶段。