第4章可燃气体的燃烧4.1预混气中火焰的传播理论4.2层流火焰传播速度及其传播机理4.3可燃气体爆炸4.4爆炸极限理论及计算4.5爆轰4.6气体爆炸的预防4.7湍流燃烧和扩散燃烧*可燃气体燃烧的形式扩散燃烧预混燃烧燃气+空(氧)气*4.1预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播分为两种形式缓燃（正常火焰传播）爆震（爆轰）缓燃（正常火焰传播）火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播传播速度一般不大于1～3m/s爆震（爆轰）火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。传播速度很高，常大于1000m/s，超音速*假定混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动忽略粘性力；其燃烧前后的定压比热容CP为常数；与管壁无摩擦、无热交换燃烧波的传播速度=流速u∞图4-1燃烧过程示意图---火焰驻定一维定常流动的平面波---火焰驻定*连续方程：（质量平衡）动量方程：＝常数能量方程：＝常数状态方程：或＝常数*热量（焓）方程：代入能量方程可得：*连续方程：（质量平衡）动量方程：*瑞利（Rayleigh）直线横坐标：1/ρP纵坐标：pP斜率：-m2瑞利（Rayleigh）方程瑞利方程反应了在给定的初态（p∞，ρ∞）条件下，终态（pp，ρp）应满足的关系。*能量方程：*前式结论代入可得：整理可得：*休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）休贡纽方程曲线横坐标：1/ρP纵坐标：pPp1/ρ休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）休贡纽方程反应了在给定初态p∞、ρ∞及反应热Q的条件下，终态pp、ρp的关系。*其中M为马赫数。此外，由瑞利方程还可得：结合声速公式：*(p∞,1/ρ∞)图4-2燃烧的状态图pA休贡纽曲线瑞利曲线（Ⅰ）Q1Q2Q2>Q1BDECF上C-J点下C-J点（Ⅱ）（Ⅲ）GH（Ⅳ）1/ρA′*讨论：（p∞，1/ρ∞）是初态通过（p∞，1/ρ∞）点，将平面分成四个区域。过程的终态只能发生在Ⅰ、Ⅲ区，不可能发生在Ⅱ、Ⅳ区交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域（Ⅰ）是爆震区，而区域（Ⅲ）是缓燃区。区域（Ⅰ），1/ρP<1/ρ∞,pP>p∞，即经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播（M∞>1）。区域（Ⅲ），1/ρP>1/ρ∞，pP
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中可将其看作一“几何面”（锋面）*火焰锋面的特点火焰前沿可分为两部分：预热区和化学反应区火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散*图4-3稳定的平面火焰锋面结构δ（火焰焰锋宽度）δPδCSLTCC→C0T→T0ooaaT=f1（x）C=f2（x）W=f3（x）活化中心W新鲜混合气已燃气体x火焰前锋的宽度极小，但出现极大的温度梯度dT/dx和浓度梯度dC/dx，因而火焰中有强烈的热流和扩散流热流的方向从高温火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的方向则从高浓度向低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产物分子、游离基均扩散反应区预热区*火焰位移速度及火焰法向传播速度火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。位移速度为：火焰法向传播速度是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度。火焰法向传播速度S1为当气流速度wn＝0时，S1＝u，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度wn为气流速度w在火焰锋面法向上的分量*火焰传播机理火焰传播的热理论：火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反应加速的结果。火焰传播的扩散理论扩散理论认为，凡是燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混合气体中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新鲜冷混合气体发生链式反应的结果。（本节主要讨论火焰传播的热理论）*层流火焰传播速度—马兰特简化分析物理模型马兰特简化分析的基本思想：若由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播δCTmTiT∞x图4-4火焰前沿中的温度分布（Ⅰ）预热区（Ⅱ）反应区*设反应区II中温度分布为线性分布：热平衡方程式为：因为：或者：式中：所以：（导温系数）*该式
表
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明：层流火焰传播速度Sl与导温系数a及化学反应速度Ws的平方根成正比则：代入上式可得：又：所以：设：为化学反应时间，为初始质量浓度，为初始相对浓度为反应速率*对于二级反应，火焰传播速度Sl将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了这个结论。应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度T∞就等于着火温度Ti的话，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。根据关系可得：*影响燃烧速度的因素燃料/氧化剂比值的影响燃料结构的影响压力的影响混合物初始温度的影响火焰温度的影响惰性添加剂的影响活性添加剂的影响*图4-5混合物成分对燃烧速度的影响图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响（1）燃料/氧化剂比值的影响*实验研究发现：可燃气与空气的存在一个最佳的比值，在此最佳比值的条件下，火焰传播速度最快，否则会下降。理论上这个比值为“化学当量比”，即空气过量系数α=1但实际情况时并非等于1，而是有所差别。火焰传播速度存在一个浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一定浓度范围内才能传播。*（2）燃料结构的影响图4-7饱和碳氢化合物及非饱和碳氢化合物图4-8压力对燃烧速度的影响（3）压力的影响*（4）混合物初始温度的影响*（5）火焰温度的影响*（6）惰性添加剂的影响*（7）活性添加剂的影响在CO/air火焰中增加少量的H2后由于链反应效应可使燃烧速度大为增加。图4-14H2＋CO混合剂在空气中燃烧的速度*4.3可燃气体爆炸4.3.1预混气爆炸的温度计算以乙醚为例说明预混气爆炸时的温度计算密闭容器中乙醚和空气的预混气的燃烧，由于燃烧速度快，热量来不及散发，可近似看作绝热等容燃烧，燃烧产生的热量全部用来加热燃烧产物。如果乙醚与空气的比值为化学当量比，并已知燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙醚爆炸时的最高温度。理论燃烧温度的计算爆炸温度的计算*4.3.2可燃混气爆炸压力的计算爆炸前：n1、T1、P1、V1，爆炸后：n2、T2、P2、V2（＝V1）则有：P1V1＝n1RT1，P2V1＝n2RT2两式相除得：以乙醚为例：C4H10O+6(O2+3.76N2)=4CO2+5H2O+6×3.76N2n1=29.6n2=31.6*某些物质的最大爆炸压力8.7正戊烷9.0苯8.6丙烷9.9环氧乙烷7.4氢8.9乙烯6.8氯乙烯7.5乙醇5.0硫化氢9.2乙醚7.8二硫化碳10.3乙炔8.6丙稀8.9丙酮8.6环乙烷7.3乙醛爆炸压力（×105Pa）物质爆炸压力（×105Pa）物质*爆炸时的升压速度*某些可燃气和蒸气的最大爆炸压力和升压速度1185008.614苯1194058.516丙酮1214528.613环己烷1174568.713己烷1284647.917乙烷923347.35110甲烷73027037.3135氢平均压力上升速度（×105Pa/s）最大压力上升速度（×105Pa/s）最大爆炸压力（×105Pa）初压（×105）Pa浓度％（体积）名称*爆炸威力指数爆炸威力指数＝最大爆炸压力×平均升压速度几种可燃气的爆炸威力指数（×1010Pa2/s）爆炸总能量爆炸总能量可用下式计算：*爆炸参数测定（一）实验设备图4-17可燃气体爆炸测定仪1.爆炸室；2.容器；3.半圆形喷管；4.点火源；5.压力传感器；6.可燃气/空气入口；7.吹洗空气；8.排气管*（1）爆炸压力：Pm（2）爆炸最大压力：Pmax（3）升压速度：（4）最大升压速度：（5）爆炸指数Km：（6）最大爆炸指数Kmax：（7）扰动指数tv（点燃延迟时间）：tv（8）扰动指数Tu:（二）测试参数*（1）静态可燃气爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，压力为大气压，确保气体混合均匀且处于静态，打开压力
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仪，启动点火源，测得Pm和在一个大的气体浓度范围内重复试验，可测出Pmax和（2）动态可燃爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，用空气加压5升容器至2MPa，开启容器阀门，打开压力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰动的可燃气与空气混合物（延迟时间越长，混合物扰动程度越低）。（三）实验
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*4.4爆炸极限理论及计算4.4.1爆炸极限理论爆炸下限爆炸上限混合爆炸物浓度在爆炸下限以下时含有过量空气，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，此时，活化中心的销毁数大于产生数。同样，浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃性物质，空气非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。但此时若补充空气同样有火灾爆炸的危险当混合气燃烧时，其波面上的反应如下式：A＋B→C＋D＋Q反应热：Q=W-E*设燃烧波内反应物浓度为n则单位体积放出能量为nw。燃烧波向前传递，使前方分子活化，活化概率为α（α≤1）则活化分子的浓度为αnW/E。第二批活化分子反应后再放出能量为αnW2/E。前后两批分子反应时放出的能量比为当β<1时，表示反应系统在受能源激发后，放热越来越少，也就是说，引起反应的分子数越来越少，最后反应停止，不能形成燃烧或爆炸。当β＝1时，表示反应系统在受能源激发后能均衡放热，有一定数量的分子在持续进行反应。这就是决定爆炸极限的条件（严格说稍微超过一些才能爆炸）。当β>1时，表示放热量越来越大，反应分子越来越多，形成爆炸*在爆炸极限时，β＝1设爆炸下限为L下（体积百分比）与反应概率α成正比，即：当Q与E相比较大时，上式可近似写做：各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出：爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热Q近于成反比，可燃性气体燃烧热越大，爆炸下限就越低。*（1）初始温度爆炸性混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高图4-19温度对甲烷爆炸极限的影响图4-20温度对氢气爆炸极限的影响4.4.2爆炸极限的影响因素*（2）初始压力一般压力增大，爆炸极限扩大压力降低，则爆炸极限范围缩小待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸温度对丙酮爆炸极限的影响 **（3）惰性介质即杂质若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸加入惰性气体，爆炸上限显著下降爆炸下限略有上升最终合为一点——爆炸临界点惰化能力：CCl4>CO2>H2O>N2>He>Ar*（4）容器容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓延速度亦越小。当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距，亦称临界直径(消焰径）。当管径小于最大灭火间距，火焰因不能通过而被熄灭。（5）点火能源火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响*4.4.3爆炸极限的测定爆炸极限的测定一般采用传播法测试原理：首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃气与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火，观察火焰传播情况。火焰传播的最低浓度或最高浓度（可燃气的体积百分含量），即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。4.4.4爆炸极限的经验公式1）通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数（N）计算有机可燃气爆炸极限（体积百分数）如：甲烷：N=4x下=6.5%，x上=17.3%，*（2）利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限A＋nO2＋3.76nN2→生成物有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为如：甲烷：n=2x0%=9.5%，x下=5.2%，x上=14.7%*（3）通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算莱—夏特尔公式莱—夏特尔公式的证明如下：证明时的指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其组成符合爆炸下限时的比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之和。*1）设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，……，Vi。则总的可燃气体积为V＝V1+V2+V3+……+Vi2）设各组可燃气—空气在爆炸下限时的体积为：V’1，V’2，V’3，……，V’I。则总的可燃混气—空气体积为V′＝V’1+V’2+V’3，……，V’I3）设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，…xi下。则……*4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有（5）设…*例题有燃气体含C2H640%，C4H1060%，取1m3该燃气与19m3空气混合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）解：乙烷：P1=40%丁烷：P2=60%混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%2.0%<5%<9.7%故，该混合气体遇火爆炸。*例题有混合气体含C2H61%，C4H101.5%，其余为空气。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）解：可燃气体总浓度＝1%＋1.5%＝2.5%乙烷：P1＝1/2.5=40%丁烷：P2=1.5/2.5=60%2.0%<2.5%<9.7%故，该混合气体遇火爆炸。*（5）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极限时，仍然利用莱—夏特尔公式但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。比如：H2+N2,CO+CO2,CH4该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱—夏特尔公式进行计算。***例4—1求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4％；CO一27.3％；CO2一6.2％；O2一0％；CH4一0.7％；N2一53.4％。解分组：CO2+H2；N2+CO；CH4CO2+H2：6.2％+12.4％＝18.6％；N2+CO：27.3％+53.4％＝80.7％；CH4：0.77％。从图4—25查得：H2＋CO2组的爆炸极限为：6.0％～70％；CO＋N2组的爆炸极限为：40％～73％。CH4的爆炸极限为：5％～15％问题：1m3该煤气和19m3空气混合，遇明火是否爆炸？*表4-7某些气体混合物的爆炸浓度极限*（六）、爆炸浓度极限图可燃气体—助燃气体—惰性气体（F-S-I）可燃气体1—可燃气体2—助燃气体（F1-F2-S）*（一）三角坐标表示方法AC%B%BA%C*C（二）三角坐标的性质ABMN性质1直线MN上的任一点所表示的混合物中的A组分含量相同。P性质2直线AP上的任一点所表示的混合物中B、C组分的比值（B%/C%）相同。Q推论在Q点所表示的混合物中加入A组分，则Q点沿PA直线向A点移动。*（三）F-S-I体系爆炸浓度极限图（以可燃气—氧气—氮气体系为例）FSIULCL,U--可燃气在氧气中的爆炸浓度极限C--爆炸临界点（氧）（氮）LUC--爆炸三角形20.9U’L’L’,U’--可燃气在空气中的爆炸浓度极限PQQ--失爆氧浓度PCQI--绝对安全区LUC--爆炸三角形UFPC-潜在危险区SLCQ-相对安全区***例题已知乙烯在氧气中的爆炸浓度极限为3～80%，氮气惰化时的爆炸临界点为（氧气10%，氮气87%，乙烯3％）。(1)请绘出乙烯—氧气—氮气体系的爆炸浓度极限图。(2)用图解法计算乙烯在空气中的爆炸浓度极限。(3)在1m3的混合气（乙烯20%，其余为空气）中，至少掺入多少m3的氮气后遇明火不会爆炸。*例题解答：乙烯氧氮80%3%C20.9%35%2）乙烯在空气中的L’=3%U’=35%20%75%3）若要遇明火不爆炸则氮气浓度大于75%设加入氮气xm3，有：解之，得x＝0.472m3*（三）F1-F2-S体系爆炸浓度极限图（以乙烷—乙烯—空气体系为例）乙烷乙烯空气12.5%3.0%2.7%36%例：用图解法计算25%乙烯,75%乙烷混合气体在空气中的爆炸浓度极限。**
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