第一篇　燃烧基本原理实验

第一章　绪论

第一节　燃烧、阻燃与化工安全

一、燃烧与阻燃的相关定义

《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）给出了很多与火、燃烧和阻燃相关的定义，部分内容如下：

火（fire）——以释放热量并伴有烟或火焰或两者兼有为特征的燃烧现象。

火灾（fire）——在时间和空间上失去控制的燃烧。

火灾试验（fire test）——为了解和探求火灾的机理、规律、特点、现象、影响和过程等开展的科学试验。

火灾危害（fire hazard）——火灾所造成的不良后果。

火灾危险（fire danger）——火灾危害和火灾风险的统称。

热解（pyrolysis）——物质由于温度升高而发生无氧化作用的不可逆化学分解。

燃烧（combustion）——可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）烟气的现象。

燃烧性能（burning behaviour）——在规定条件下，材料或物质的对火反应特性和耐火性能。

烟[气]（smoke）——物质高温分解或燃烧时产生的固体和液体微粒、气体，连同夹带和混入的部分空气形成的气流。

耐火性能（fire resistance）——建筑构件、配件或结构在一定时间内满足标准耐火试验的稳定性、完整性和（或）隔热性的能力。

阻燃处理（fire retardant treatment）——用以提高材料阻燃性的工艺过程。

阻燃性（flame retardance）——材料延迟被引燃或材料抑制、减缓或终止火焰传播的特性。

二、燃烧、阻燃与化工安全的关系

燃烧是自然界神奇的自然现象之一。科学技术的飞速进步促使人类走向生产集中化、大型化、高度自动化、高参数化和综合化的现代化工业大生产。新材料、新能源、新工艺、新装置、新产品也层出不穷，现代工业给人类社会带来巨大便利的同时，也给人类带来了生存危机。现代工业尤其是化工企业，近几年各类特大、重大火灾爆炸事故屡有发生，呈现重大事故频发、同类型燃烧事故反复发生的趋势，天津港“8·12”特别重大火灾爆炸等一次又一次地冲击着享受现代化科技生活的人类内心。燃烧爆炸事故不仅造成大量生命的逝去和家庭的悲痛，还造成了巨大的国家财产损失。石油、化工企业的燃烧爆炸事故所造成的损失约为所有事故损失的50%。现代大型石油化工生产都是集原料加工、中间产品再处理和产品再加工于一体的综合性产业。现代化工业生产过程中，各种具有燃烧、爆炸危险的原材料、产品种类繁多，状态多变，而现代合成工业的发达也使得新材料、新物质和新产品不断扩大危险物料的涵盖范围。绝大多数原材料、中间产物和产品为易燃、易爆、有毒、腐蚀性物质，其燃烧爆炸危险性很高，而不断扩大的新物质的已知和未知的燃烧爆炸危险性，加之工艺过程的综合化导致不安全因素更为繁杂和多样化，使得现代燃烧类型、形式及其理论也更为复杂。全球对环保、低碳、健康、安全等问题的高度关注，也促进了人类对现代职业健康与工艺安全的高要求化。正因为如此，预防与控制燃烧爆炸危害的任务任重而道远。

可燃物按状态可分为气体可燃物、液体可燃物和固体可燃物。其中固态可燃物是种类繁多、结构最为复杂的一类，也是当今科技发展中进展最为迅速的一类可燃物，随着新材料的不断合成和应用，也同时发现了这些材料大多为可燃、易燃物质，构成了现代燃烧爆炸事故中十分复杂的一类火灾类型。

阻燃是预防材料燃烧危害的重要手段之一。随着全世界安全观念的不断增强，人类对生命、健康和安全的要求越来越高，世界各国都在不断研究与燃烧相关的阻燃技术、防火技术和安全设施，其相关的标准也在不断制定和修订中，以引起全世界各国人民对现代燃烧事故的重视，提高各国防治火灾的能力。同时世界各国已经开始应用、推广阻燃材料，并高度重视阻燃材料的开发。预防是根本，阻燃可以从源头抓起，更加体现本质安全。因此燃烧理论、阻燃技术和安全工程在现代化工工业如此发达的今天是密不可分的有机体。

燃烧性能和阻燃性能的评价属于安全评价的范畴，鉴定材料阻燃效果好坏及评价材料燃烧性能不仅在安全工程研究领域、材料研究领域、阻燃材料与阻燃技术研究领域和火灾科学领域等具有重要的研究价值，在实际火灾预防、消防安全、公共安全等领域也具有非常重要的实际应用意义。“燃烧爆炸理论”和“阻燃技术”是安全工程专业非常重要的两门课程，在安全工程系统教学中起到承前启后的作用。燃爆实验和阻燃实验与“燃烧爆炸理论”和“阻燃技术”相辅相成，互相结合，促进教学目的的达成。燃烧学科、阻燃学科与安全工程学科是彼此相互交错的涉及材料领域、火灾科学领域和安全领域的交叉学科，如图1-1所示。

三、现代化工生产过程的特点

1.原材料及产品种类繁多

现代工业使用的原材料、生产的产品越来越呈现多样化，种类繁多，状态多变，据统计资料表明，石油化工生产过程中涉及的原料、中间产物、产品、辅料等有400万余种，其中绝大多数具有易燃、易爆、有毒有害、刺激性、腐蚀性等特点。例如原油及其产品、各种烃类等基本都是易燃易爆物质，具有较大的燃烧爆炸危险性。生产过程中这些物质作为原料、中间产物或者产品等，可能在气态、液态、固态之间相互转化，不同合成过程，不同生产用途，其状态也不同且呈现多变。加之温度、压力、流量等操控条件的诸多变化，使其生产过程具有较大的燃烧爆炸危险性。

2.新材料、新产品种类与数量日益增多

现代工业的进步离不开合成工业的发展。很多产品制造所用的传统材料诸如木材、金属等已经被综合性能优异的新型材料如导电高分子、纳米复合材料等所替代，这些新材料和新产品大多来自于化工企业的有机合成等工艺。随着新型分子科学前沿的开发，产学研不断地结合，合成工业的快速发展，燃烧爆炸事故的起因和事故类型也不断复杂化，这都使得物料在生产、储存、运输等方面的燃烧爆炸危险性和安全管理难度进一步增大。

3.生产装置规模大型化

装置规模大型化，能显著降低单位产品的建设投资和生产成本，提高企业的劳动生产率，降低能耗，提高经济效益。现代石油化工生产企业的显著特点就是物流处理量大、产品产量高、装置规模大型化。很多中小型企业也在不断扩大规模，追求更高的经济效益。但规模越大，储存和生产的危险物料就越多，潜在的燃烧爆炸危险性就越大，一旦发生事故，后果越严重。

4.生产工艺高度自动化

石油化工生产从原料输入到产品输出具有高度的连续性，前后生产单元之间环环相扣，紧密连接，相互制约，如不预先采取措施，一旦某一环节出现故障往往影响整个生产过程的正常进行。由于装置规模大型化、生产过程连续化、工艺过程复杂以及工艺控制参数要求严格，必然要求现代石油化工生产必须采用自动化程度较高的控制系统。自动化控制可大大节约劳动生产力，提高生产效率以及生产的安全系数，但是自动控制系统和检测仪器仪表维护保养是非常重要的，许多企业在这方面的安全管理不到位，维护保养疏于管理，往往因为误操作、误报警等引起事故甚至导致事故扩大。高度自动化、连续化的生产工艺使事故相互影响，事态加重。

5.生产过程高参数化，新工艺存在潜在危险

现代化工生产过程为了提高设备效率，产品收益，缩短生产周期，许多生产工艺都会采用高温、高压、高速、低温、低压、临界或超临界状态下进行，工艺参数前后变化大，要求苛刻，生产操作控制较为严格，增大了生产的燃烧爆炸危险性。同时一些新兴产业，由于新产品、新工艺的商业保护性，在设计初期，建设、投产等环节存在安全隐患，与苛刻的参数控制结合在一起，很多潜在的燃烧爆炸危险性还没有被发现，这必将增加系统的潜在危险性。

6.设备类型多样，动静态并存，电气安全

化工生产过程中运用很多泵（离心泵、旋转泵、水泵、油泵等）、压缩机、风机、真空泵、研磨机、转轴等动态设备，也运用大量的塔、反应釜、压力容器、罐、槽、炉（燃烧炉、蒸汽炉等）、管线等静态设备。不同设备结构不同、功能不同、原理不同，同种设备结构也可能千差万别，产生的燃爆危险性也不同。

7.生产过程集中化、综合化

现代化工生产企业，集原料加工、中间产物再处理和产品再加工于一体，尤其是石油化工企业，都是期望成为多种产品的大型化、集约化、综合性企业。生产一种产品可以副产多种其他产品，成系列化发展，主产品开发的同时，又需要多种其他原料和中间体配套生产副产品，生产工艺也多种多样。同一种产品的生产往往还可以采用不同原料和不同方法，为了获取更大的经济效益，在新老生产工艺的不同优缺点之间选择，产生共赢的经济效果。例如以乙炔为原料，可以得到合成橡胶、人造树脂、炭黑、丙酮等，这些物质还可以进一步加工成半成品，企业相比于做原材料的合成产品，再加工的半成品可以获得更大的经济利益。这些工艺的开发和并存，集中化和综合化的特点，必然使整个生产过程的燃烧爆炸危险性呈现多类型、多样化，更为隐蔽。

四、化工生产燃烧爆炸事故特性

现代工业尤其是石油化工企业，因其规模大型化、生产高度自动化、连续化、高参数化、综合化的特点，物料的多样性、复杂性、设备类型繁杂等原因，发生燃烧爆炸事故的基本特性包括以下几方面，如图1-2所示。

1.严重性

燃烧引起的火灾事故后果严重，往往造成大量的人员伤亡和严重的财产损失。化工企业发生燃烧爆炸的事故类型，燃烧爆炸危险性较大，因原材料、中间产品和产品的多样性及生产工艺的复杂性、综合性，一旦发生燃烧，控制不力的情况下，往往发生连续性的燃烧爆炸事故，后果特别严重。这几年特大、重大事故类型发生较多，不但造成本企业员工的大量伤亡，还造成周边居民的无辜受害。工业燃烧爆炸事故不仅导致企业正常生产秩序中断、人员大量伤亡、国家财产损失巨大，同时在国内、国际上也会产生恶劣影响。

2.复杂性

燃烧引起的火灾事故原因复杂，有直接原因，也有间接原因；有人为因素，也有自然因素。可能与火源复杂性有关，明火、反应热、热辐射、高温表面、静电放电、撞击或摩擦、电气火花、雷电和日照等，涉及机械、电气、化学、热、光等多种学科领域的专业知识；也可能与危险化学物品有关，化工原料中包含无机物、有机物、气态、液态、固态的可燃物质等，状态改变，原本不燃烧的物质也可能发生燃烧性质的改变。多种易燃易爆物质，存放在一起，其中一种被引燃，之后的燃烧过程也会随之变得复杂，例如天津港“8·12”特大火灾爆炸事故。而新技术、新材料、新工艺、新产品的不断涌现，其显现的和潜在的燃烧危险性，很多并未现在所知。这些都给事故原因调查带来不少困难。对燃烧理论的深入研究，并据此发展预防、治理技术，必然成为愈来愈突出的问题。

3.突发性

燃烧引起的事故大多都是人们意想不到的。由于火灾灾害是瞬间完成的连锁反应，虽然存在事故征兆，但目前对火灾和爆炸事故的监测和报警手段的可靠性、实用性和广泛性尚不理想，很多现场操作人员、管理人员包括消防人员等对燃烧特性、火灾事故发生规律及征兆掌握得还不够，以及很多潜在燃烧危险性可能还未被发现，事故的发生必然突然。例如1987年3月15日某亚麻厂特大事故，工作期间突然发生爆炸，原因是除尘布袋内亚麻粉尘达到爆炸极限，疑似静电放电导致，这种潜在危险性预先未知，事发突然。

4.社会性

现在全球环境的生存危机，使得人们对自身生命的关注不再仅限于自身生存安全，而是上升到关注健康安全等问题上，人们也意识到科技进步带来巨大便利的同时带来的危险和问题也越来越大、越来越多。工业发展和运用是社会性的问题。每一起事故的发生都会引起多方的关注，一起事故多人死亡，在现今社会往往会引起巨大的反响，对社会造成惊恐气氛，引起混乱不安。工业燃爆事故危害的巨大严重性已经得到全社会的关注，已然是一个复杂的社会性问题。

5.不可挽回性

有些事故灾害发生后，经过修复还可挽回，但燃烧爆炸事故发生后是不能挽回的。燃烧（火灾）是不可逆的连锁化学反应过程。例如，木材燃烧会变成木炭；钢筋结构在火灾条件下会失去强度，退火变形；混凝土在火灾条件下会变质松软，如美国“9·11”恐怖袭击事件中高层建筑的坍塌。生产过程中的各种精密仪器、仪表等设备即便不会被火焰直接烘烤，但受到高温作用和烟气的腐蚀性作用，也会无法恢复原有测量精度而报废。

6.难以扑救性

石油化工企业发生火灾，复杂多样的原料、各种烃类和合成的中间产品和最终产品，其化学性质活泼，都是易燃易爆的物质，火灾条件下，多种物质共同燃烧，其燃烧速度极快，机理则更为复杂，可能短短几分钟就迅速蔓延，无法控制，绝不仅仅靠水就能简单扑灭的。除此之外，企业生产规模的大型化，多种工艺单元紧密相连，多因素并存，火灾扑救更是极为困难。

7.逃生困难

现代工业生产集约化、综合化、规模大型化，经济利益的推动和安全设施成本的巨大增加，使得不少企业在安全设施的投入不足，对生产物料、工艺等的燃烧危险性还没有全面掌握的情况下已经投产，并以在较长时间内未发生明显事故为由，忽略对燃烧危险性的进一步评估，这可能在未来发生潜在的危险性较大的燃烧爆炸事故，且一旦发生，现场人员来不及逃生。

8.环境污染性

当今世界面临的三大难题：能源、人口和环境污染。燃烧产物中存在大量的有毒有害物质，会造成严重的环境污染。例如，1989年青岛市黄岛油库火灾爆炸事故中，原油流入大海，70%的胶州湾水域被油膜覆盖，附近海域的水产养殖损失80%，生态环境遭到破坏。

9.经济发展相关性

全世界各国的经济发展都在朝着生产集中、人口集中、建筑集中、财富集中的方向发展。经济越发展，火灾后果越严重，原因越复杂。经济的快速发展，给人们的生产生活带来了显著的变化，化工企业的易燃易爆场所增多，规模越来越大，复杂建筑增多，大量新材料、新技术、新工艺、新产品、新能源的采用，随着经济的发展还将更进一步地增加燃烧爆炸事故发生的风险。

10.阻燃技术发展缓慢和消防滞后性

尽管全世界已经认识到燃烧的巨大危害和社会影响，大力促使阻燃材料、阻燃技术的研究，期望阻燃能在本质安全上起到一定的作用，但相对于现代科技带来的燃烧新类型的复杂而言，阻燃材料和阻燃技术的发展显得较为缓慢，很多还停留在理论阶段，未能进入应用领域而产业化。消防发展也略显滞后，灭火技术和措施还需根据燃烧事故的新特点而不断改进，消防人员对燃烧规律的知识掌握还很基础，需进一步学习。阻燃和消防都正在随着经济发展的需要而从被动转为主动。