Transcript 消防燃烧学第四章

消
第1章
燃烧基础与特征
防
第2章
燃烧参数的计算
第3章
着火与灭火基本理论
第4章
可燃气体燃烧
燃
烧
学
第四章
可燃气体燃烧
1 预混火焰传播理论
2 可燃气体爆炸与爆轰
3 爆炸极限
4 气体爆炸的预防
5 湍流燃烧与扩散燃烧
4.1 预混火焰传播理论
火焰（燃烧波）在预混气体中有传播方式：
1.正常火焰传播
1.燃烧后气体压力减小或接近不变
2.燃烧后气体的密度减小
3.燃烧波（火焰）以亚音速传播
2.爆轰：由燃烧引起并依靠燃烧维持的超音速火焰传播形式
1.燃烧后气体压力增大
2.燃烧后气体的密度升高
3.燃烧波（火焰）以超音速传播
3.爆轰发生的条件
1.容器直径大于临界直径
2.管道要有足够的长度
3.混气浓度在爆轰极限浓度范围之内
思考：
1. 爆轰现象通常在哪些场所发生？
2.如何预防爆轰现象的发生？
正常火焰传播速度受哪些因素影响？
4.2 层流预混气中正常火焰传播速度
1.火焰是如何传播的？
2.影响火焰传播速度的因素有哪些？
3. 火焰传播速度的测定
一、火焰传播机理
1.火焰前沿：已燃区和未燃区之间的薄薄的化学反应区
2.火焰前沿的特点：
（1）包括预热区和化学反应区两部分
（2）存在强烈的导热和物质扩散
3.火焰传播机理：
（1）热理论：火焰加热未燃区域，使其温度升高
（2）扩散理论：火焰中自由基向未燃区域扩散
二、层流火焰传播速度—马兰特简化分析
1.出发点：预热区温度升到着火温度所需热量与化学反
应区传递的热量相等。
2.有用的结论：公式4-10
压力是如何影响层流火焰传播速度的？
答：压力对层流火焰传播速度的影响与反应级数n有关。
当n<2时，火焰传播速度随压力升高而减小。
当n>2时，火焰传播速度随压力升高而增大。
当n=2时，火焰传播速度与压力无关。
三、影响层流火焰传播速度的因素
1.压力： 与反应级数有关
2.初温： 初温越高，燃烧速度越快，火焰传播速度越大
3.可燃气与空气的比值：
稍高于化学计量比时，传播速度最大
4.惰性气体含量：惰性气体含量越高，速度越小
5.混气的导温系数：导温系数越高，速度越小  

CP
下列灭火剂哪一类的灭火效率最高？
A 高的热容和高的导热系数 B 低的热容和低的导热系数
C
高的热容和低的导热系数 D 低的热容和低的导热系数
四、层流火焰传播速度的测定
1.理想层流预混火焰形状： 正锥体
2.实际火焰外形： 弯曲锥体
3.火焰速度分布：距离中心越远，速度越小
r2
Sl  U i cos  U 0 (1  2 ) cos
R
4.平均速度计算：距离中心0.9R处火焰速度。
例：管径为10cm，中心气流速度为484cm/s，距离半径4.5cm处
火焰面的θ=60º，求火焰传播速度？
4.2 层流预混气中正常火焰传播速度
1.火焰前沿及其特点？
2.火焰的传播机理
（1）热理论 （2）扩散理论
3.影响火焰传播速度的因素（5）
初温、压力、浓度、惰气、导温系数
4. 火焰传播速度的计算
r2
Sl  U i cos  U 0 (1  2 ) cos
R
4.3 可燃气体爆炸参数
1.爆炸温度
2.爆炸压力
3.爆炸升压速度
4.爆炸威力指数
5.爆炸总能量
4.4 爆炸极限
1.何谓气体的爆炸极限？
2.影响气体爆炸极限的因素？
3. 气体爆炸极限的计算
4. 气体爆炸极限的实际应用
5. 气体发生分解爆炸的条件
爆炸下限：遇火源发生爆炸的可燃混气中可燃气最低浓度。
爆炸上限：遇火源发生爆炸的可燃混气中可燃气最大浓度。
思考：为何存在爆炸极限？
一、影响爆炸极限的因素
1.火源能量：能量越高，爆炸极限越宽，危险性越大
2.初
温：初温越高，极限变宽，危险性越大
3.初始压力：压力增大，极限变宽（干燥CO除外）
4.惰气含量：含量越高，极限变窄，危险性减小
二、爆炸极限的计算-----经验公式
1.根据燃烧反应所需氧原子摩尔数（N）计算
1
 100%
4.76
（N  1）
1
4

 100%
4.76 N  4
X下 
X上
例：试利用1mol乙烷燃烧所需氧原子mol数估算其爆炸极限
解：N  7
1
1
X下 
 100% 
 100%  3.38%
4.76（N  1） 1
4.76 （7  1） 1
4
4
X上 
 100% 
 100%  10.7%
4.76 N  4
4.76  7  4
二、爆炸极限的计算-----经验公式
2.根据燃烧反应燃烧的化学计量浓度（X0）计算
X 下  0.55 X O
X 上  4.8
XO
例：试利用丙烷燃烧时计量比估算其爆炸极限
解：
 C3 H 8  5O2  3CO2  4 H 2O
1
 4.03%
1  5  4.76
 0.55 X O  0.55  4.03  2.2
 XO% 
X下
X 上  4.8 X O  4.8 X O  4.8 4.03  9.6
所以：爆炸极限为2.2% ~ 9.6%
二、爆炸极限的计算-----经验公式
3.根据燃烧热估算爆炸下限
X 下  Qm  常数
例：已知乙烷爆炸下限为3%，Qm=1426kJ，丙烷Qm=2041kJ
求，丙烷爆炸下限
二、爆炸极限的计算-----经验公式
4.多组分混气爆炸极限计算----莱-夏公式
X 
1
 100%
P3
P1
P2


X1
X2
X3
注意：P为某组分体积所占总可燃气的百分含量
例：某空气中，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷含量分别为0.8%，
1.2%，1.0%，0.5%，问该混气是否有爆炸危险？
关键：P的计算！！！！
二、爆炸极限的计算-----经验公式
5.含惰气的多组分混气爆炸极限计算---分组
例：H2=12.4%，CO=27.3%，CO2=6.2%，H2=12.4%，
O2=2%，CH4=0.4%，N2=53.4%
解：
(1)组合
(2)利用莱夏公式
二、爆炸极限的计算-----经验公式
1.根据燃烧反应所需氧原子摩尔数（N）计算
2.根据燃烧的化学计量浓度（X0）计算
3.根据燃烧热估算爆炸下限
4.多组分混气爆炸极限计算
5.含惰气的多组分混气爆炸极限计算
三. 气体爆炸极限的实际应用
1. 评定气体和液体蒸气的火灾危险性
2. 评定气体生产、贮存火险类别，选择电器防爆类型
3. 确定建筑耐火等级、防火分区
4.确定安全生产措施
a：密闭、防泄露
b：防火安全措施
c；灭火措施确定
d：惰气保护
爆炸危险度
四. 分解爆炸
1. 常见易发生分解的气体
乙炔、乙烯、氧化乙烯、氮氧化物
2. 发生分解的条件
A：分解过程为放热反应
B：热源有一定的能量
C：初始压力大于临界压力
4.4 爆炸极限
1.何谓气体的爆炸极限？
2.影响气体爆炸极限的因素*
初温、初压、火源能量、惰气含量
3. 气体爆炸极限的计算*（五种类型）
1.利用氧原子摩尔数
4 混合组分爆炸极限
4. 气体爆炸极限的实际应用（四点）
5. 气体发生分解爆炸的条件（三点）
4.5
气体爆轰
1.何谓气体的爆轰？
2.爆轰发生过程
3. 爆轰的破坏特点
4. 爆轰的预防
爆轰： 实质上属于一种激波，它因预混气体的燃烧而发生，
并依靠燃烧释放的能量来维持
一. 爆轰的发生过程
1.燃烧释放能量使周围气体压力升高，形成“燃气活塞”
2. “燃气活塞”压缩未燃气体，使其温度升高，燃烧产生一
系列“压缩波”，且压缩波的传播速度大于燃烧速度。
3. 经过一定时间，后面的压缩波赶上前面的压缩波，二
者叠加形成“激波”
4. “激波”的高压高温作用，使正常火焰面前方一定距离
的处首先着火，后与正常火焰合二为一，形成“爆轰”
爆轰前期距离约为管径的2-4倍
二. 爆轰的特点
1. 速度快—超音速，约2000m/s
2. 波速与混气比例有关
3.压力很高，约15~20个大气压，拐弯处会形成反射增压现
象
三. 爆轰的破坏作用
1. 泻压装置失效
2. 易造成设备爆裂。
四. 爆轰的预防
1.安装阻火器
2.铺设管道时，经一定距离后有意增大管径
4.5
气体爆轰
1.何谓气体的爆轰
2.爆轰发生过程
燃气活塞、压缩波、激波、爆轰
3. 爆轰的破坏特点
速度快、压力高
4. 爆轰的预防
阻火器、增大管径
4.7
气体爆炸的预防
讨论：预防气体爆炸的方法有哪些？
一. 预防气体爆炸的原则
1. 严格控制火源
2. 防止形成爆炸性预混气体
3.切断爆炸传播途径
4. 设置泻压装置
4.7
气体爆炸的预防
1.何谓气体的爆轰
2.爆轰发生过程
燃气活塞、压缩波、激波、爆轰
3. 爆轰的破坏特点
速度快、压力高
4. 爆轰的预防
阻火器、增大管径
第四章 可燃气体的燃烧
一、预混气体中火焰的传播理论
二、层流预混气中正常火焰的传播速度
三、可燃气体爆炸
四、可燃气体的爆炸极限
五、爆轰
六、气体爆炸的预防
七、湍流燃烧和扩散燃烧
第六节

气体爆炸的预防
预防原则
1.严格控制火源
2.防止形成爆炸性混合气体
3.切断爆炸传播途径
4.及时泄压，防止爆炸范围扩大和爆炸压力升高
1.严格控制火源
火源类型
产生原因
典型火灾案例
明火源
电焊、气焊溶珠
洛阳东都商厦火灾
电火花
设备启动、关闭和短路
某化学实验室爆炸事故
94年杭州天工艺苑1.30特大火灾
冲击、摩擦火花
固体壁面摩擦
纺织车间粉尘爆炸
静电火花
静电累积不能及时导走
某化工企业蒸馏车间火灾
火星、烟头
机动车尾气管
未燃尽香烟
93南京金陵石化炼油厂汽10.21火灾
94辽宁阜新艺苑11.27特大火灾
热辐射
高温表面
94新疆克拉玛依友谊馆12.8特大火灾
2.防止形成爆炸性混合气体



管道、设备严格密封，设置监测装置
通风良好
惰气保护
21 O
V
O
21 O
Vx 
V
/
O O
Vx
惰气需要量
V 
O
O/
临界氧含量
惰气中的氧含量
对乙烷用氮气保护，氧含量临界值为11%，设备内原有空气
100m3，求 ：
1.纯氮气需要量？
2.若加入氮气中含有6%的氧气，则需要该种氮气量为多少？
解：
(1)
(2)
21  O
21  11
Vx 
V 
100  90.9
O
11
21  O
21  11
Vx 
V 
100  200
/
O O
11  6
3.切断爆炸传播途径
1.安全水封有几种？它们是利用什么原理阻止火焰蔓延的？
2.使用安全水封要注意那些问题？
3.阻火器的阻火原理是什么？
4.常见的金属网阻火器有何特点？使用时有何要求？
4. 泄压装置
1.常用的泄压装置有哪些？
2.安全阀的工作原理是什么？
3.爆破片是如何泄压的？
4.安全阀和爆破片有何区别？
第七节
湍流燃烧和扩散燃烧
1.气体或液体的流动状态有几种？
2.何谓层流？何谓湍流？二者有何区别？
3.湍流的本质是什么？
4.与层流燃烧相比，湍流燃烧有何特点？为什么？
5.湍流燃烧火焰的传播速度与何因素有关？
6.何谓扩散燃烧？它与预混燃烧有何区别？
7.火焰高度与那些因素有关？它们是如何影响火焰高度的？
第七节
湍流燃烧和扩散燃烧
一、湍流燃烧
（一）、层流与湍流
1.层流：流体质点流动时，各层之间互不相混，互不干扰，
各自沿直线向前流动。
2.湍流：流体质点流动时处于完全无规则的乱流状态，甚
至出现旋涡 。
3.湍流的本质
流体中各质点速度的大小和方向以及流体内部各处
压力随时间不断变化。
脉动：流体质点参数对时间的瞬息变化现象。
4.湍流燃烧：空气或可燃气的流动呈湍流状态的燃烧
（二）、湍流燃烧特点：
1. 比层流火焰短；火焰增厚；发光区模糊，有明显噪声。
2.原因：
（1）湍流使火焰面变弯曲，增大了反应面积
（2）湍流加剧了热和自由基的输送速率，因而增大了
燃烧速度
（3）湍流缩短混合时间，提高了燃烧速率。
（三）、湍流火焰传播速度（ST）
1. 影响因素；Re；P；T
2. Re对ST的影响
ST 与Re 无关
Re  2300
2300  Re  6000
ST  Re
ST  Re
Re  6000
3.
4.
ST  P
0.25
ST  T
0.25
二、扩散燃烧
（一）扩散燃烧：由扩散过程控制的燃烧
（二）扩散火焰的外形：
1.有扇形和封闭伸长形两种
2.火焰的外形只与供给的空气量有关
（三）扩散火焰横向物质浓度分布
（四）扩散火焰横向温度分布
浓度
火焰锋面
火焰锋面横向物质浓度分布
o2
距离
——产物浓度变化
——氧气浓度变化
——燃料浓度变化
思考：
1.火焰锋面处何种物质浓度为0？
A 可燃气 B 燃烧产物 C 氧气 D 氮气
2. 可燃气浓度在何处最大？
A 中心线处
B 火焰封面处 C 无穷远处
3. 氧气浓度在何处最大？
A 中心线处
B 火焰封面处 C 无穷远处




4.在扩散火焰中，可燃气与氧气的扩散速率（）
A 相等
B 等于化学计量比 C 大于化学计量比

扩散火焰面温度分布
T
Tf
T0
T
距离
——温度变化
思考：
1.扩散火焰何处温度最高？
A 中心线处
B 火焰封面处 C 无穷远处

2.何处温度最低？
A 中心线处
B 火焰封面处 C 无穷远处

三
火焰高度
1.层流扩散火焰高度受哪些因素影响？为什么？
2.湍流扩散火焰高度与哪些因素有关？
3.如果一摩尔可燃气所需要的氧气的摩尔数越多，其
扩散火焰的高度将（）
A 升高
B 不变
C 降低
4.如果环境氧含量越高，可燃气扩散火焰的高度将（）
A 升高
B 不变
C 降低


小结：
1.气体或液体的流动状态有几种？
2.何谓层流？何谓湍流？二者有何特点？
3.湍流的本质是什么？
4.与层流燃烧相比，湍流燃烧有何特点？为什么？
5.湍流燃烧火焰的传播速度与何因素有关？
6.何谓扩散燃烧？它与预混燃烧有何区别？
7.扩散火焰横向物质浓度和温度是如何分布的？
8.火焰高度与那些因素有关？它们是如何影响火焰高
度的？
第四章 可燃气体的燃烧
一、预混气体中火焰的传播理论
二、层流预混气中正常火焰的传播速度
三、可燃气体爆炸
四、可燃气体的爆炸极限
五、爆轰
六、气体爆炸的预防
七、 湍流燃烧和扩散燃烧
第四章
可燃气体的燃烧小结
1.正常火焰传播与爆轰在压力、密度和传播速度上有何区别？
2.何谓火焰前沿？它有何特点？
3.火焰传播速度是如何定义的？实际火焰传播速度如何计算？
4. 影响层流火焰传播速度的因素有哪些？它们是如何影响的？
5.可燃气爆炸的温度、压力、升压速度、爆炸总能量如何计算？
何谓爆炸威力指数？
6.何谓可燃气的爆炸极限？可燃气爆炸极限的计算方法分几类？
7.爆炸极限的影响因素有哪些？他们是如何影响的？
8.了解可燃气的爆炸极限有何意义？
9.何谓分解爆炸？它的条件是什么？
10.何谓爆轰？爆轰是在什么条件下发生的？它有何危害？如何
预防？
11.爆轰波的波速有多大？其压力一般在什么范围？
12.防止可燃气爆炸的原则是什么？
13.防止可燃气与空气形成爆炸性预混气的方法有哪些？
14.采用惰气保护是一种常用的方法，其计算公式有那几个？
15.切断爆炸传播途径的方法有哪些？
16.应用安全水封和阻火器的应注意哪些问题？
17.常用的泄压装置有哪些？各有什么什么特点？
18.何谓湍流燃烧？湍流燃烧有何特点？为什么？
19.湍流燃烧火焰传播速度受那些因素影响？
20.何谓扩散燃烧？其火焰横向物质浓度、温度是如何分布的？
21.火焰的高度与哪些因素有关？可燃气与氧的化学计量比及
环境中氧含量对火焰高度有何影响？