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1.1 化學(xué)品的燃燒與爆炸危險性
人的生存至少需要三個基本條件:食物、氧和熱量,這些條件必須有正確的比例,太多或太少的食物、氧和熱量都可能導(dǎo)致不身體不適、生病或死亡。同樣化學(xué)品的燃燒與爆炸也需要三要素:可燃物、助燃物和點火源。燃燒三要素示意圖如圖1.1所示。它們也必須有正確的比例和在合適的狀態(tài)下才能燃燒或爆炸,過量的燃料與不充足的氧、高濃度的氧與不足量的燃料都不能燃燒,如圖1.2所示。只有具備了一定數(shù)量和濃度的燃料和氧,以及具備一定能量的點火能源,三者同時存在并且發(fā)生相互作用,才能引起燃燒或爆炸。
例如:甲烷在空氣中的濃度小于5.3%或大于14%時,由于甲烷濃度過低或氧氣濃度過低,甲烷便不能燃燒。同時,要使燃燒發(fā)生必須具備一定能量的點火源。若用熱能引燃甲烷和空氣的混合物,當(dāng)點燃溫度低于595℃時燃燒便不能發(fā)生。若用電火花點燃,則zui小點火能為0.28mJ,若點火源的能量小于該數(shù)值,該混合氣體便不著火。
1.1.1 可燃?xì)怏w、可燃蒸氣、可燃粉塵的燃爆危險性
可燃?xì)怏w、可燃蒸氣或可燃粉塵與空氣組成的混合物,當(dāng)遇點火源時極易發(fā)生燃燒爆炸,但并非在任何混合比例下都能發(fā)生,而是有固定的濃度范圍,在此濃度范圍內(nèi),濃度不同,放熱量不同,火焰蔓延速度(即燃燒速度)也不相同。在混合氣體中,所含可燃?xì)怏w為化學(xué)計量濃度時,發(fā)熱量zui大,稍高于化學(xué)計量濃度時,火焰蔓延速度zui大,燃燒zui劇烈;可燃物濃度增加或減少,發(fā)熱量都要減少,蔓延速度降低,當(dāng)濃度低于某一zui低濃度或高于某一zui高濃度時,火焰便不能蔓延,燃燒也就不能進(jìn)行,在火源作用下,可燃?xì)怏w、可燃蒸氣或粉塵在空氣中,恰足以使火焰蔓延的zui低濃度稱為該氣體、蒸氣或粉塵的爆炸下限,也稱燃燒下限。同理,恰足以使火焰蔓延的zui高濃度稱為爆炸上限,也稱燃燒上限。上限和下限統(tǒng)稱為爆炸極限或燃燒極限,上限和下限之間的濃度稱為爆炸范圍。濃度在爆炸范圍以外,可燃物不著火,更不會爆炸。但是,在容器或管道中的可燃?xì)怏w濃度在爆炸上限以上,若空氣能補充或滲漏進(jìn)去,則隨時有燃燒、爆炸的危險。因此,對濃度在上限以上的混合氣,通常仍認(rèn)為它們是危險的。
通常用可燃?xì)怏w、可燃蒸氣在空氣中的體積百分?jǐn)?shù)表示,可燃粉塵用mg/m3表示。例如:乙醇爆炸范圍為4.3% ~19.0%,4.3%稱為爆炸下限,19.0%稱為爆炸上限。爆炸極限的范圍越寬,爆炸下限越低,爆炸危險性越大。通常的爆炸極限是在常溫、常壓的標(biāo)準(zhǔn)條件下測定出來的,它隨溫度、壓力的變化而變化。
部分可燃?xì)怏w、可燃蒸氣的爆炸極限見表7-1。
表7-1 部分可燃?xì)怏w、蒸氣的爆炸極限
可燃?xì)怏w或蒸氣 | 分子式 | 爆炸極限(%) | |
下限 | 上限 | ||
氫氣 | H2 | 4.0 | 75 |
氨 | NH3 | 15.5 | 27 |
一氧化碳 | CO | 12.5 | 74.2 |
甲烷 | CH4 | 5.3 | 14 |
乙烷 | C2H6 | 3.0 | 12.5 |
乙烯 | C2H4 | 3.1 | 32 |
苯 | C6H6 | 1.4 | 1.1 |
甲苯 | C7H8 | 1.4 | 6.7 |
環(huán)氧乙烷 | C2H4O | 3.0 | 80.0 |
乙醚 | (C2H5)O | 1.9 | 48.0 |
乙醛 | CH3CHO | 4.1 | 55.0 |
丙酮 | (CH3)2CO | 3.0 | 11.0 |
乙醇 | C2H5OH | 4.3 | 19.0 |
甲醇 | CH3OH | 5.5 | 36 |
醋酸乙酯 | C4H8O2 | 2.5 | 9 |
1.1.2 液體的燃爆危險性
易(可)燃液體在火源或熱源的作用下,先蒸發(fā)成蒸氣,然后蒸氣氧化分解進(jìn)行燃燒。開始時燃燒速度較慢,火焰也不高,因為這時的液面溫度低,蒸發(fā)速度慢,蒸氣量較少。隨著燃燒時間延長,火焰向液體表面?zhèn)鳠幔贡砻鏈囟壬仙?,蒸發(fā)速度和火焰溫度則同時增加,這時液體就會達(dá)到沸騰的程度,使火焰顯著增高。如果不能隔斷空氣,易(可)燃液體就可能*燒盡。
液體的表面都有一定數(shù)量的蒸氣存在,蒸氣的濃度取決于該液體所處的溫度,溫度越高則蒸氣濃度越大。在一定的溫度下,易(可)燃液體表面上的蒸氣和空氣的混合物與火焰接觸時,能閃出火花,但隨即熄滅,這種瞬間燃燒的過程叫閃燃。液體能發(fā)生閃燃的zui低溫度叫閃點。液體在閃點溫度,蒸發(fā)速度較慢,表面上積累的蒸氣遇火瞬間即已燒盡,而新蒸發(fā)的蒸氣還來不及補充,所以不能持續(xù)燃燒。當(dāng)溫度稍高于閃點時,易(可)燃液體隨時都有遇火源而被點燃的可能。因此,閃點是液體可以引起火災(zāi)危險的zui低溫度。液體的閃點越低,它的火災(zāi)危險性越大。常見易(可)燃液體的閃點見表7-2。
表7-2常見易燃、可燃液體的閃點
液體名稱 | 閃點(℃) | 液體名稱 | 閃點(℃) |
汽油 | -58~10 | 甲苯 | 4 |
石油醚 | -50 | 甲醇 | 9 |
二硫化碳 | -45 | 乙醇 | 13 |
乙醚 | -45 | 醋酸丁酯 | 13 |
乙醛 | -38 | 石腦油 | 25 |
原油 | -35 | 丁醇 | 29 |
丙酮 | -17 | 氯苯 | 29 |
辛烷 | -16 | 煤油 | 30~70 |
苯 | -11 | 重油 | 80~130 |
醋酸乙酯 | 1 | 乙二醇 | 100 |
固體燃燒分兩種情況,對于硫、磷等低熔點簡單物質(zhì),受熱時首先熔化,繼之蒸發(fā)變?yōu)檎魵膺M(jìn)行燃燒,無分解過程,容易著火;對于復(fù)雜物質(zhì),受熱時首先分解為物質(zhì)的組成部分,生成氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物,然后氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣再發(fā)生氧化而燃燒。
某些固態(tài)化學(xué)物質(zhì)一旦點燃將迅速燃燒,例如鎂,一旦燃燒將很難熄滅;某些固體對摩擦、撞擊特別敏感,如爆炸品、有機過氧化物,當(dāng)受外來撞擊或摩擦?xí)r,很容易引起燃燒爆炸,故對該類物品進(jìn)行操作時,要輕拿輕放,切忌摔、碰、拖、拉、拋、擲等;某些固態(tài)物質(zhì)在常溫或稍高溫度下即能發(fā)生自燃,如白磷若露置空氣中可很快燃燒,因此生產(chǎn)、運輸、儲存等環(huán)節(jié)要加強對該類物品的管理,這對減少火災(zāi)事故的發(fā)生具有重要意義。
工業(yè)事故中,引發(fā)固體火災(zāi)事故較多的是化學(xué)品自熱燃燒和受熱自燃。
可燃固體因內(nèi)部所發(fā)生的化學(xué)、物理或生物化學(xué)過程而放出熱量,這些熱量在適當(dāng)條件下會逐漸積累,使可燃物溫度上升,達(dá)到自燃點而燃燒,這種現(xiàn)象稱自熱燃燒。
在常溫的空氣中能發(fā)生化學(xué)、物理、生物化學(xué)作用放出氧化熱、吸附熱、聚合熱、發(fā)酵熱等熱量的物質(zhì)均可能發(fā)生自熱燃燒。例如,硝化棉及其制品(如火藥、硝酸纖維素、電影膠片等)在常溫下會自發(fā)分解放出分解熱,而且它們的分解反應(yīng)具有自催化作用,容易導(dǎo)致燃燒或爆炸;植物和農(nóng)副產(chǎn)品(如稻草、木屑、糧食等)含有水分,會因發(fā)酵而放出發(fā)酵熱,若積熱不散,溫度逐漸升高至自燃點,則會引起自燃。
可燃物質(zhì)在外部熱源作用下,溫度逐漸升高,當(dāng)達(dá)到自燃點時,即可著火燃燒,這種現(xiàn)象稱為受熱自燃。如合成橡膠干燥工段,若橡膠長期積聚在蒸汽加熱管附近,則極易引起橡膠的自燃;合成橡膠干燥尾氣用活性炭纖維吸附時,尾氣中往往含有少量的防老劑,由于某些防老劑不易解吸,長期吸附后,活性炭纖維中防老劑含量逐漸增多,當(dāng)達(dá)到一定量時,若用水蒸汽高溫解吸后不能立即降溫,某些防老劑則極易發(fā)生自燃事故,導(dǎo)致吸附裝置燒毀。
1.2 火災(zāi)與爆炸的破壞作用
火災(zāi)與爆炸都會帶來生產(chǎn)設(shè)施的重大破壞和人員傷亡,但兩者的發(fā)展過程顯著不同。火災(zāi)是在起火后火場逐漸蔓延擴大,隨著時間的延續(xù),損失數(shù)量迅速增長,損失大約與時間的平方成比例,如火災(zāi)時間延長一倍,損失可能增加四倍。爆炸則是猝不及防??赡軆H在一秒鐘內(nèi)爆炸過程已經(jīng)結(jié)束,設(shè)備損壞、廠房倒塌、人員傷亡等巨大損失也將在瞬間發(fā)生。
爆炸通常伴隨發(fā)熱、發(fā)光、壓力上升、真空和電離等現(xiàn)象,具有很強的破壞作用。它與爆炸物的數(shù)量和性質(zhì)、爆炸時的條件、以及爆炸位置等因素有關(guān)。主要破壞形式有以下幾種:
1.直接的破壞作用
機械設(shè)備、裝置、容器等爆炸后產(chǎn)生許多碎片,飛出后會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)造成危害。一般碎片在100~500米內(nèi)飛散。如1979年浙江溫州電化廠液氯鋼瓶爆炸,鋼瓶的碎片zui遠(yuǎn)飛離爆炸中心830米,其中碎片擊穿了附近的液氯鋼瓶、液氯計量槽、貯槽等,導(dǎo)致大量氯氣泄漏,發(fā)展成為重大惡性事故,死亡59人,傷779人。
2.沖擊波的破壞作用
物質(zhì)爆炸時,產(chǎn)生的高溫高壓氣體以*的速度膨脹,象活塞一樣擠壓周圍空氣,把爆炸反應(yīng)釋放出的部分能量傳遞給壓縮的空氣層,空氣受沖擊而發(fā)生擾動,使其壓力、密度等產(chǎn)生突變,這種擾動在空氣中傳播就稱為沖擊波。沖擊波的傳播速度極快,在傳播過程中,可以對周圍環(huán)境中的機械設(shè)備和建筑物產(chǎn)生破壞作用和使人員傷亡。沖擊波還可以在它的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生震蕩作用,使物體因震蕩而松散,甚至破壞。 沖擊波的破壞作用主要是由其波陣面上的超壓引起的。在爆炸中心附近,空氣沖擊波波陣面上的超壓可達(dá)幾個甚至十幾個大氣壓,在這樣高的超壓作用下,建筑物被摧毀,機械設(shè)備、管道等也會受到嚴(yán)重破壞。 當(dāng)沖擊波大面積作用于建筑物時,波陣面超壓在20kPa~30kPa內(nèi),就足以使大部分磚木結(jié)構(gòu)建筑物受到強烈破壞。超壓在100kPa以上時,除堅固的鋼筋混凝土建筑外,其余部分將全部破壞。
3.造成火災(zāi)
爆炸發(fā)生后,爆炸氣體產(chǎn)物的擴散只發(fā)生在極其短促的瞬間內(nèi),對一般可燃物來說,不足以造成起火燃燒,而且沖擊波造成的爆炸風(fēng)還有滅火作用。但是爆炸時產(chǎn)生的高溫高壓,建筑物內(nèi)大量的熱或殘余火苗,會把從破壞的設(shè)備內(nèi)部不斷流出的可燃?xì)怏w、易燃或可燃液體的蒸氣點燃,也可能把其它易燃物點燃引起火災(zāi)。 當(dāng)盛裝易燃物的容器、管道發(fā)生爆炸時,爆炸拋出的易燃物有可能引起大面積火災(zāi),這種情況在油罐、液化氣瓶爆破后zui易發(fā)生。正在運行的燃燒設(shè)備或高溫的化工設(shè)備被破壞,其灼熱的碎片可能飛出,點燃附近儲存的燃料或其它可燃物,引起火災(zāi)。 如1979年12月,吉林液化石油氣廠2號球罐破裂時,涌出的石油氣遇明火而燃燒爆炸,大火持續(xù)了整整23個小時,造成了巨大的損失。
4.造成中毒和環(huán)境污染
在實際生產(chǎn)中,許多物質(zhì)不僅是可燃的,而且是有毒的,發(fā)生爆炸事故時,會使大量有害物質(zhì)外泄,造成人員中毒和環(huán)境污染。
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