《生產(chǎn)技術(shù)》講義：火災(zāi)爆炸事故機(jī)理

一、燃燒與火災(zāi)

(一)燃燒和火災(zāi)的定義、條件

1.燃燒的定義

燃燒是物質(zhì)與氧化劑之間的放熱反應(yīng)，它通常同時釋放出火焰或可見光。

2.火災(zāi)定義

《消防基本術(shù)語：第一部分》(GB5907—1986)將火災(zāi)定義為：在時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。以下情況也列入火災(zāi)的統(tǒng)計范圍;

(1)民用爆炸物品引起的火災(zāi)。

(2)易燃或可燃液體、可燃?xì)怏w、蒸氣、粉塵以及其他化學(xué)易燃易爆物品爆炸翱爆炸引起的火災(zāi)(地下礦井部分發(fā)生的爆炸，不列入火災(zāi)統(tǒng)計范圍)。

(3)破壞性試驗中引起非實驗體燃燒的事故。

(4)機(jī)電設(shè)備因內(nèi)部故障導(dǎo)致外部明火燃燒需要組織撲滅的事故，火災(zāi)引起其他物件燃燒的事故。

(5)車輛、船舶;飛機(jī)以及其他交通工具發(fā)生的燃燒事故、火災(zāi)由此引起的其他物件燃燒的事故(飛機(jī)因飛行事故而導(dǎo)致本身燃燒的除外)。

3.燃燒和火災(zāi)發(fā)生的必要條件

同時具備氧化劑、可燃物、點火源，即火的三要素。這三個要素中缺少任何一個，燃燒都不能發(fā)生或持續(xù)。獲得三要素是燃燒的必要條件。在火災(zāi)防治中，阻斷三要素的任何一個要素就可以撲滅火災(zāi)。

(二)燃燒和火災(zāi)過程和形式

1.燃燒過程

可燃物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，其受熱后所發(fā)生的燃燒過程也不同。除結(jié)構(gòu)簡單的可燃?xì)怏w(如氫氣)外，大多數(shù)可燃物質(zhì)的燃燒并非是物質(zhì)本身在燃燒，而是物質(zhì)受熱分解出的氣體或液體蒸氣在氣相中的燃燒。

由可燃物質(zhì)燃燒過程可以看出，可燃?xì)怏w最容易燃燒，其燃燒所需要的熱量只用于本身的氧化分解，并使其達(dá)到自燃點而燃燒;

可燃液體首先蒸發(fā)成蒸氣，其蒸氣進(jìn)行氧化分解后達(dá)到自燃點而燃燒。

在固體燃燒中，如果是簡單物質(zhì)硫、磷等，受熱后首先熔化，蒸發(fā)成蒸氣進(jìn)行燃燒，沒有分解過程;

如果是復(fù)雜物質(zhì)，在受熱時首先分解為氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物，其氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣進(jìn)行氧化分解著火燃燒。

有的可燃固體如焦炭等，不能分解為氣態(tài)物質(zhì)，在燃燒時則呈熾熱狀態(tài)，沒有火焰產(chǎn)生。

可燃物質(zhì)的燃燒過程包括許多吸熱、放熱的化學(xué)過程和傳熱的物理過程。在燃燒發(fā)生的整個過程中，熱量通過熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流三種方式進(jìn)行傳播。在凝聚相中，主要是吸熱過程，而在氣相燃燒中則是放熱過程。大多數(shù)情況下，凝聚相中發(fā)生的過程是靠氣相燃燒放出的熱量來實現(xiàn)的，在所有反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，若放熱量大于吸熱量，燃燒則持續(xù)進(jìn)行，反之燃燒則中斷。

可燃物質(zhì)燃燒過程中，溫度變化是很復(fù)雜的。最初一段時間，加熱的大部分熱量用于對燃燒物質(zhì)的熔化、蒸發(fā)或分解，可燃物質(zhì)的溫度上升緩慢。當(dāng)溫度達(dá)到氧化開始溫度時，可燃物質(zhì)開始進(jìn)行氧化反應(yīng)。此時由于溫度尚低，氧化反應(yīng)速度不快，氧化所產(chǎn)生的熱量還不足以抵消系統(tǒng)向外界的散熱，此時停止加熱，可燃物質(zhì)溫度會降低,不會發(fā)生燃燒。繼續(xù)加熱，溫度的上升則很快，到氧化產(chǎn)生的熱量和系統(tǒng)向外界散失的熱量相等，溫度再稍升高一點，則打破了這種平衡狀態(tài)，這時即使停止加熱，可燃物質(zhì)溫度亦會自行升高，達(dá)到某個溫度，就會出現(xiàn)火焰并燃燒起來。因此，這個溫度可視為可燃物質(zhì)理論上的自燃點，是開始出現(xiàn)火焰的溫度，即通常實際測得的自燃點。

2.燃燒形式

氣態(tài)可燃物通常為擴(kuò)散燃燒，即可燃物和氧氣邊混合邊燃燒;液態(tài)可燃物.(包括受熱后先液化后燃燒的固態(tài)可燃物)通常先蒸發(fā)為可燃蒸氣，可燃蒸氣與氧化劑發(fā)生燃燒;固態(tài)可燃物先是通過熱解等過程產(chǎn)生可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w與氧化劑再發(fā)生燃燒。

根據(jù)可燃物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，燃燒可分為以下4種形式：

(1)擴(kuò)散燃燒?？扇?xì)怏w(氫、甲烷、乙炔以及苯、酒精、汽油蒸氣等)從管道、容器的裂縫流向空氣時，可燃?xì)怏w分子與空氣分子互相擴(kuò)散、混合，混合濃度達(dá)到爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w遇到火源即著火并能形成穩(wěn)定火焰的燃燒，稱為擴(kuò)散燃燒。

(2)混合燃燒?？扇?xì)怏w和助燃?xì)怏w在管道、容器和空間擴(kuò)散混合，混合氣體的濃度在爆炸范圍內(nèi)，遇到火源即發(fā)生燃燒，混合燃燒是在混合氣體分布的空間快速進(jìn)行的，稱為混合燃燒。煤氣、液化石油氣泄漏后遇到明火發(fā)生的燃燒爆炸即是混合燃燒，失去控制的混合燃燒往往能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

(3)蒸發(fā)燃燒?？扇家后w在火源和熱源的作用下，蒸發(fā)出的蒸氣發(fā)生氧化分解而進(jìn)行的燃燒，稱為蒸發(fā)燃燒。

(4)分解燃燒?？扇嘉镔|(zhì)在燃燒過程中首先遇熱分解出可燃性氣體，分解出的可燃性氣體再與氧進(jìn)行的燃燒，稱為分解燃燒。

(三)火災(zāi)的分類

《火災(zāi)分類》(GB/T4968—2008)按物質(zhì)的燃燒特性將火災(zāi)分為6類：

A類火災(zāi)：指固體物質(zhì)火災(zāi)，這種物質(zhì)通常具有有機(jī)物質(zhì)，一般在燃燒時能產(chǎn)生灼熱灰燼，如木材、棉、毛、嘛、紙張火災(zāi)等;

B類火災(zāi)：指液體火災(zāi)和可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)，如汽油、煤油、柴油、原油、甲醇、乙醇、瀝青、石蠟火災(zāi)等;

C類火災(zāi)：指氣體火災(zāi)，如煤氣、天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、氫氣火災(zāi)等;

D類火災(zāi)：指金屬火災(zāi)，如鉀、鈉、鎂、鈦、鋯、鋰、鋁鎂合金火災(zāi)等;

E類火災(zāi)：指帶電火災(zāi)，是物體帶電燃燒的火災(zāi)，如發(fā)電機(jī)、電纜、家用電器等;

F類火災(zāi)：指烹飪器具內(nèi)烹飪物火災(zāi)，如動植物油脂等。

2.按照一次火災(zāi)事故造成的人員傷亡、受災(zāi)戶數(shù)和財產(chǎn)直接損失金額，火災(zāi)劃分為3類：

(1)具有以下情況之一的為特大火災(zāi)：死亡10人以上(含本數(shù);下同);重傷20人以上;死亡、重傷20人以上;受災(zāi)戶數(shù)50戶以上;燒毀財物損失100萬元以上。

(2)具有以下情況之一的為重大火災(zāi)：死亡3人以上;重傷10人以上;死亡、重傷10人以上;受災(zāi)戶30戶以上;燒毀財產(chǎn)損失30萬元以上。

(3)不具有前兩項情形的燃燒事故，為一般火災(zāi)。

(四)火災(zāi)基本概念及參數(shù)

1.閃燃

可燃物表面或可燃液體上方在很短時間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)火焰一閃即滅的現(xiàn)象。閃燃往往是持續(xù)燃燒的先兆。

2.陰燃

沒有火焰和可見光的燃燒。

3.爆燃

伴隨爆炸的燃燒波，以亞音速傳播。

4，自燃

是指可燃物在空氣中沒有外來火源的作用下，靠自熱或外熱而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。根據(jù)熱源的不同，物質(zhì)自燃分為自熱自燃和受熱自燃兩種。

5.閃點

在規(guī)定條件下，材料或制品加熱到釋放出的氣體瞬間著火并出現(xiàn)火焰的最低溫度。閃點是衡量物質(zhì)火災(zāi)危險性的重要參數(shù)。一般情況下閃點越低，火災(zāi)危險性越大。

6.燃點

在規(guī)定的條件下，可燃物質(zhì)產(chǎn)生自燃的最低溫度。燃點對可燃固體和閃點較高的液體具有重要意義，在控制燃燒時，需將可燃物的溫度降至其燃點以下。一般情況下燃點越低，火災(zāi)危險性越大。

7.自燃點

在規(guī)定條件下，不用任何輔助引燃能源而達(dá)到引燃的最低溫度。液體和固體可燃物受熱分解并析出來的可燃?xì)怏w揮發(fā)物越多，其自燃點越低。固體可燃物粉碎得越細(xì)，其自燃點越低。一般情況下，密度越大，閃點越高而自燃點越低。比如，下列油品的密度：汽油<煤油<輕柴油<重柴油<蠟油<渣油，而其閃點依次升高，自燃點則依次降低。

8.引燃能、最小點火能

引燃能是指釋放能夠觸發(fā)初始燃燒化學(xué)反應(yīng)的能量，也叫最小點火能，影響其反應(yīng)發(fā)生的因素包括溫度、釋放的能量、熱量和加熱時間。

9.著火延滯期(誘導(dǎo)期)

對著火延滯期時間一般有下列2種描述：著火延滯期時間指可燃性物質(zhì)和助燃?xì)怏w的混合物在高溫下從開始暴露到起火的時間;混合氣著火前自動加熱的時間稱為誘導(dǎo)期，在燃燒過程中又稱為著火延滯期或著火落后期，單位用ms表示。

(五)典型火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律

通過對大量的火災(zāi)事故的研究分析得出，典型火災(zāi)事故的發(fā)展分為初起期、發(fā)展期、最盛期、減弱期和熄滅期。

初起期是火災(zāi)開始發(fā)生的階段，這一階段可燃物的熱解過程至關(guān)重要，主要特征是冒煙、陰燃;

發(fā)展期是火勢由小到大發(fā)展的階段，一般采用T平方特征火災(zāi)模型來簡化描述該階段非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱釋放速率隨時間的變化，即假定火災(zāi)熱釋放速率與時間的平方成正比，轟燃就發(fā)生在這一階段;

最盛期的火災(zāi)燃燒方式是通風(fēng)控制火災(zāi)，火勢的大小由建筑物的通風(fēng)情況決定;熄滅期是火災(zāi)由最盛期開始消減直至熄滅的階段，熄滅的原因可以是燃料不足、滅火系統(tǒng)的作用等。

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