燃烧和爆炸与防火防爆安全技术（一）——燃烧要素和燃烧类别

　　一、燃烧概述 

　　燃烧是可燃物质与助燃物质(氧或其他助燃物质)发生的一种发光发热的氧化反应。在化学反应中，失掉电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。所以，氧化反应并不限于同氧的反应。例如，氢在氯中燃烧生成氯化氢。氢原子失掉一个电子被氧化，氯原子获得一个电子被还原。类似地，金属钠在氯气中燃烧，炽热的铁在氯气中燃烧，都是激烈的氧化反应，并伴有光和热的发生。金属和酸反应生成盐也是氧化反应，但没有同时发光发热，所以不能称做燃烧。灯泡中的灯丝通电后同时发光发热，但并非氧化反应，所以也不能称做燃烧。只有同时发光发热的氧化反应才被界定为燃烧。

　　可燃物质(一切可氧化的物质)、助燃物质(氧化剂)和火源(能够提供一定的温度或热量)，是可燃物质燃烧的三个基本要素。缺少三个要素中的任何一个，燃烧便不会发生。对于正在进行的燃烧，只要充分控制三个要素中的任何一个，燃烧就会终止。所以，防火防爆安全技术可以归结为这三个要素的控制问题。例如，在无惰性气体覆盖的条件下加工处理一种如丙酮之类的易燃物质，一开始便具备了燃烧三要素中的前两个要素，即可燃物质和氧化气氛。可以查出，丙酮的闪点是－10℃。这意味着在高于－10℃的任何温度，丙酮都可以释放出足够量的蒸气，与空气形成易燃混合物，一旦遭遇火花、火焰或其他火源就会引发燃烧。为了达到防火的目的，至少要实现下列四个条件中的一个条件：

　　(1)环境温度保持在－10℃以下；

　　(2)切断大气氧的供应；

　　(3)在区域内清除任何形式的火源；

　　(4)在区域内安装良好的通风设施。丙酮蒸气一旦释放出来，排气装置就迅速将其排离区域，使丙酮蒸气和空气的混合物不至于达到危险的浓度。

　　条件(1)和(2)在工业规模上很难达到，而条件(3)和(4)则不难

实现。固然，完全清除燃烧三要素中的任何一个，都可以杜绝燃烧的发生。然而，对工业操作施加如此严格的限制在经济上很少是可行的。工业物料安全加工研究的一个重要目的是，确定在兼顾杜绝燃烧和操作经济上的可行性方面还留有多大余地。为此，当人们知道如何防火时，这仅仅是开始，降低防火的消费在工业防火中有着同样重要的作用。

　　燃烧反应在温度、压力、组成和点火能等方面都存在极限值。可燃物质和助燃物质达到一定的浓度，火源具备足够的温度或热量，才会引发燃烧。如果可燃物质和助燃物质在某个浓度值以下，或者火源不能提供足够的温度或热量，即使表面上看似乎具备了燃烧的三个要素，燃烧仍不会发生。例如，氢气在空气中的浓度低于4％时便不能点燃，而一般可燃物质当空气中氧含量低于14％时便不会引发燃烧。总之，可燃物质的浓度在其上下极限浓度以外，燃烧便不会发生。

　　近代燃烧理论用连锁反应来解释可燃物质燃烧的本质，认为多数可燃物质的氧化反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物经连锁反应进行。有些学者在燃烧的三角形理论的基础上，提出了燃烧的四面体学说。这种学说认为，燃烧除具备可燃物质、助燃物质和火源三角形的三个边以外，还应该保证可燃物质和助燃物质之间的反应不受干扰，即进行“不受抑制的连锁反应”。

　　二、燃烧要素

　　在一般情况下，燃烧可以理解为燃料和氧间伴有发光发热的化学反应。除自燃现象外，都需要用点火源引发燃烧。所以，燃烧要素可以简单地表示为燃料、氧和火源这三个基本条件。这一部分我们将围绕这三个基本条件进行讨论，并提出降低与之联系的危险性的建议。

　　1．燃料

　　防火的一个重要内容是考虑燃烧的物质，即燃料本身。处于蒸气或其他微小分散状态的燃料和氧之间极易引发燃烧。固体研磨成粉状或加热蒸发极易起火。但也有少数例外，有些固体蒸发所需的温度远高于通常的环境温度。液体则显现出很大的不同。有些液体在远低于室温时就有较高的蒸气压，就能释放出危险量的易燃蒸气。另外一些液体在略高于室温时才有较高的蒸气压，还有一些液体在相当高的温度才有较高的蒸气压。很显然，液体释放出蒸气与空气形成易燃混合物的温度是其潜在危险的量度，这可以用闪点来表示。

　　液体的闪点是火险的标志。美国州际商会把闪点等于或低于27℃的液体列为高火险液体。选择27℃作为分界点，是因为这个温度代表通常或室内温度的上限，任何液体在此或较低温度闪燃都是危险的。闪点在27～177℃表示中度火险，闪点在177℃以上只有轻微火险。当液体的闪点低于93．7℃时，全美消防协会才称之为易燃液体。上述的火险等级划分只是指出了液体加工或贮存时的危险程度，实际上，所有有机物质在足够高的温度下暴露都会燃烧。

　　排除潜在火险对于防火安全是重要的。为此必须用密封的有排气管的罐盛装易燃液体。这样，当与罐隔开一段距离的物料意外起火时，液罐被引燃的可能性将会大大减小。因为燃烧的液体产生大量的热，会引发存放液罐的建筑物起火，把易燃物料置于耐火建筑中对于防火安全也是重要的。易燃液体安全的关键是防止蒸气的爆炸浓度在封闭空间中的积累。当应用或贮存中度或高度易燃液体时，通风是必要的安全措施。通风量的大小取决于物料及其所处的条件。因为有些蒸气密度较大，向下沉降，仅凭蒸气的气味作为警示是极不可靠的。用爆炸或易燃蒸气指示器连续检测才是安全的方法。

　　2．氧和热

　　虽然在某些不寻常的情况下，比如氯或磷，与物质能够产生燃烧状的化学反应，但是可以毫不夸张地说，几乎所有的燃烧都需要氧。而且，反应气氛中氧的浓度越高，燃烧得就越迅速。工业上很难调节加工区氧的浓度，特别是由于阻止发火的氧浓度远低于正常浓度，浓度太低，不适于供人员呼吸。工业上有时需要处理只是在通常温度暴露在空气中就会起火的物料，把这些物料与空气隔绝是必要的安全措施。为此，加工物料需要在真空容器或充满惰性气体，如氩、氦和氮的容器内进行。

　　热是燃烧伴生的一个重要结果。为了使工业装置免受燃烧的破坏，经常需要调节和控制释放出的热量。一个容易被忽略的事实是，只需要把很少量的燃料和氧的混合物加热到一定程度就能引发燃烧。由于小热源引发的小火向环境的供热大于引发小火本身的吸热，因而会点燃更多的燃料和氧的混合物。继续下去，可用的热量很快会超过蔓延成大火所需要的热量。热量可以由不同的点火源提供，如高的环境温度、热表面、机械摩擦、火花或明火等等。

　　3．火源

　　下面给出的是常见火源以及与之有关的安全措施。

　　(1)明火

　　在易燃液体装置附近，必须核查这一类火源，如喷枪、火柴、电灯、焊枪、探照灯、手灯、手炉等，必须考虑裂解气或油品管线成为火炬的可能性。为了防火安全，常常用隔墙的方法实现充分隔离。隔墙应该相当坚固，以在喷水器或其他救火装置灭火时能够有效地遏止火焰。一般推荐使用耐火建筑，即礴石或混凝土的隔墙。

　　易燃液体在应用时需要采取限制措施。在加工区，即使运输或贮存少量易燃液体，也要用安全罐盛装。为了防止易燃蒸气的扩散，应该尽可能采用密封系统。在火灾中，防止火焰扩散是绝对必要的。所有罐都应该设置通往安全地的溢流管道，因而必须用拦液堤容纳溢流的燃烧液体，否则火焰会大面积扩散，造成人员或财产的更大损失。除采取上述防火措施外，降低起火后的总消耗也是重要的。高位贮存易燃液体的装置应该通过采用防水地板、排液沟、溢流管等措施，防止燃烧液体流向楼梯井、管道开口、墙的裂缝等。

　　(2)电源

　　电源在这里指的是电力供应和发电装置，以及电加热和电照明设施。在危险地域安装电力设施时，以下电力规范措施是应该认真遵守的公认的准则。

　　①应用特殊的导线和导线管；

　　②应用防爆电动机，特别是在地平面或低洼地安装时，更应该如此；

　　③应用特殊设计的加热设备，警惕加热设备材质的自燃温度，推荐应用热水或蒸气加热设备；

　　④电气控制元件，如热断路器、开关、中继器、变压器、接触器等，容易发出火花或变热，这些元件不宜安装在易燃液体贮存区。在易燃液体贮存区只能用防爆按钮控制开关；

　　⑤在危险气氛中或在库房中，仅可应用不透气的球灯。在良好通风的区域才可以用普通灯。最好用固定的吊灯，手提安全灯也可以应用；

　　⑥在危险区，只有在防爆的条件下，才可以安装保险丝和电路闸开关；

　　⑦电动机座、控制盒、导线管等都应该按照普通的电力安装要求接地。

　　(3)过热

　　过热是指超出所需热量的温度点。过热过程应避免在可燃建筑物中发生，并应该受到密切监视。推荐应用温度自动控制和高温限开关，虽然密切监视仍是需要的。

　　(4)热表面

　　易燃蒸气与燃烧室、干燥器、烤炉、导线管以及蒸气管线接触，常引发易燃蒸气起火。如果运行设备有时会达到高过一些材料自燃点的温度，要把这些材料与设备隔开至安全距离。这样的设备应该仔细地监视和维护，防止偶发的过热。

　　(5)自燃

　　许多火灾是由物质的自燃引起的，并被来自毗邻的干燥器、烘箱、导线管、蒸气管线的外部热量所加速。有时，在封闭的没有通风的仓库中积累的热量足以使氧化反应加速至着火点。加工易燃液体，特别是容易自热的易燃液体，要特别注意管理和通风。在所有设备和建筑物中，都应该避免废料、烂布条等的积累或淤积。

　　(6)火花

　　机具和设备发生的火花，吸烟的热灰、无防护的灯、锅炉、焚烧炉以及汽油发动机的回火，都是起火的潜在因素。在贮存和应用易燃液体的区域应该禁止吸烟。这种区域的所有设备都应该进行一级条件的维护，应该尽可能地应用防火花或无火花的器具和材料。

　　(7)静电

　　在碾压、印刷等工业操作中，常由于摩擦而在物质表面产生电荷即所谓静电。橡胶和造纸工业中的许多火灾大都是以这种方式引发的。在湿度比较小的季节或人工加热的情形，静电起火更容易发生。在应用易燃液体的场所，保持相对湿度在40％～50％之间，会大大降低产生静电火花的可能性。为了消除静电火花，必须采用电接地、静电释放设施等。所有易燃液体罐、管线和设备，都应该互相连接并接地。对于上述设施，禁止使用传送带，尽可能采用直接的或链条的传动装置。如果不得不使用传送带，传送带的速度必须限定在45．7m·min－1以下，或者采用会降低产生静电火花可能性特殊装配的传送带。

　　(8)摩擦

　　许多起火是由机械摩擦引发的，如通风机叶片与保护罩的摩擦，润滑性能很差的轴承，研磨或其他机械过程，都有可能引发起火。对于通风机和其他设备，应该经常检查并维持在尽可能好的状态。对于摩擦产生大量热的过程，应该和贮存和应用易燃液体的场所隔开。

　　三、燃烧形式

　　可燃物质和助燃物质存在的相态、混合程度和燃烧过程不尽相同，其燃烧形式是多种多样的。

　　1．均相燃烧和非均相燃烧

　　按照可燃物质和助燃物质相态的异同，可分为均相燃烧和非均相燃烧。均相燃烧是指可燃物质和助燃物质间的燃烧反应在同一相中进行，如氢气在氧气中的燃烧，煤气在空气中的燃烧。非均相燃烧是指可燃物质和助燃物质并非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空气(气相)中的燃烧。与均相燃烧比较，非均相燃烧比较复杂，需要考虑可燃液体或固体的加热，以及由此产生的相变化。

　　2．混合燃烧和扩散燃烧

　　可燃气体与助燃气体燃烧反应有混合燃烧和扩散燃烧两种形式。可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的燃烧称为混合燃烧。可燃气体由容器或管道中喷出，与周围的空气(或氧气)互相接触扩散而产生的燃烧，称为扩散燃烧。混合燃烧速度快、温度高，一般爆炸反应属于这种形式。在扩散燃烧中，由于与可燃气体接触的氧气量偏低，通常会产生不完全燃烧的炭黑。

　　3．蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧

　　可燃固体或液体的燃烧反应有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧几种形式。

　　蒸发燃烧是指可燃液体蒸发出的可燃蒸气的燃烧。通常液体本身并不燃烧，只是由液体蒸发出的蒸气进行燃烧。很多固体或不挥发性液体经热分解产生的可燃气体的燃烧称为分解燃烧。如木材和煤大都是由热分解产生的可燃气体进行燃烧。而硫磺和萘这类可燃固体是先熔融、蒸发，而后进行燃烧，也可视为蒸发燃烧。

　　可燃固体和液体的蒸发燃烧和分解燃烧，均有火焰产生，属火焰型燃烧。当可燃固体燃烧至分解不出可燃气体时，便没有火焰，燃烧继续在所剩固体的表面进行，称为表面燃烧。金属燃烧即属表面燃烧，无气化过程，无需吸收蒸发热，燃烧温度较高。

　　此外，根据燃烧产物或燃烧进行的程度，还可分为完全燃烧和不完全燃烧。

　　四、燃烧类别、类型及其特征参数

　　1．易燃物质燃烧类别

　　依据可燃物质的性质，燃烧一般可划分为四个基本类别，而每一类别还包含着不同类型的燃烧。例如，易燃液体的溢流燃烧可以是深度、流动或薄层燃烧；而金属燃烧则可以呈粉末型、液体型、切削型或浇铸型燃烧。

　　(1)A类燃烧

　　A类燃烧定义为如木材、纤维织品、纸张等普通可燃物质的燃烧。此类燃烧都生成灼烧余烬，如木炭。容易忽略的是木炭本身也是A类物质。需要特别注意，水和基于碳氢盐的干燥化学品并不是有效的灭火剂。还有，橡胶和橡胶类的物质以及塑料，在燃烧的早期更像B类物质，而后期肯定是A类物质。

　　(2)B类燃烧

　　B类燃烧定义为易燃石油制品或其他易燃液体、油脂等的燃烧。然而，有些固体，比如萘是一个明显的例子，燃烧时熔化并显示出易燃液体燃烧的一切特征，而且无灰烬。近些年来，金属烷基化合物频繁地用于化学工业中，这些易燃液体由于其自燃温度不寻常得低，而且在许多情况下与水剧烈反应，从而提出一个特殊的问题。

　　工艺上易燃气体不属于任何燃烧类别，但实际上应当作B类物质处理。多年来，由于泄漏气体灭火后仍继续流动形成爆炸混合物，随之起火燃烧，对泄漏气体的普通做法是不采取灭火措施。但是，实际经验表明，在某些情况下，必须先灭火方能停止气体泄漏。以液体形式贮存的气体，如液化天然气、丙烷、氯乙烯等，液态泄漏比气态泄漏会发生更严重的火灾。

　　(3)C类燃烧

　　C类燃烧定义为供电设备的燃烧。对于这类燃烧，首要的是灭火介质的电绝缘性。电器设备一经切断电源，除非含有易燃液体如变压器油等，即可采用适用于A类燃烧的灭火器材。对于含有毒性易燃液体的情形，应采用适用于B类燃烧的灭火器材。如果含有A类和B类燃烧物的复合物，应该用水喷雾或多功能干燥化学品作灭火剂。

　　(4)D类燃烧

　　D类燃烧定义为可燃金属的燃烧。对于钠和钾等低熔点金属的燃烧，由于很快会成为低密度液体的燃烧，会使大多数灭火干粉沉没，而液体金属仍继续暴露在空气中，从而给灭火带来困难。这些金属会自发地与水反应，有时很剧烈，也会出现问题。

　　高熔点金属会以各种形式存在：粉末型、薄片型、切削型、浇铸型、挤压型。适用于浇铸型燃烧的灭火剂用于粉末型或切削型燃烧时会有很大危险。常用的金属镁在低熔点和高熔点金属之间，一般总是以固体形式存在，但在燃烧时很容易熔化而成为液体，因而表现得与前述两者都不同。虽然燃烧金属的烟尘都不应吸入，但是燃烧的放射性金属烟尘对救火者却有着极为严重的危险。对于金属氢化物的燃烧，因为氢和金属两者都在燃烧，应被认为与金属燃烧相当。对于此类燃烧，需要应用干粉金属灭火剂。

　　2．燃烧类型及其特征参数

　　如果按照燃烧起因，燃烧可分为闪燃、点燃和自燃三种类型。闪点、着火点和自燃点分别是上述三种燃烧类型的特征参数，这三种特征参数已在第二章易燃物质性质中做过简单介绍。

　　(1)闪燃和闪点

　　液体表面都有一定量的蒸气存在，由于蒸气压的大小取决于液体所处的温度，因此，蒸气的浓度也由液体的温度所决定。可燃液体表面的蒸气与空气形成的混合气体与火源接近时会发生瞬间燃烧，出现瞬间火苗或闪光。这种现象称为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。可燃液体的温度高于其闪点时，随时都有被火点燃的危险。

　　闪点这个概念主要适用于可燃液体。某些可燃固体，如樟脑和萘等，也能蒸发或升华为蒸气，因此也有闪点。一些可燃液体的闪点列于表4—1，一些油品的闪点列于表4—2。

 

　　(2)点燃和着火点

　　可燃物质在空气充足的条件下，达到一定温度与火源接触即行着火，移去火源后仍能持续燃烧达5 min以上，这种现象称为点燃。点燃的最低温度称为着火点。可燃液体的着火点约高于其闪点5～20℃。但闪点在100℃以下时，二者往往相同。在没有闪点数据的情况下，也可以用着火点表征物质的火险。

　　(3)自燃和自燃点

　　在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。自燃的最低温度称为自燃点。表4—1和表4—2列出了一些可燃液体的自燃点。物质自燃有受热自燃和自热燃烧两种类型。

　　①受热自燃。可燃物质在外部热源作用下温度升高，达到其自燃点而自行燃烧称之为受热自燃。可燃物质与空气一起被加热时，首先缓慢氧化，氧化反应热使物质温度升高，同时由于散热也有部分热损失。若反应热大于损失热，氧化反应加快，温度继续升高，达到物质的自燃点而自燃。在化工生产中，可燃物质由于接触高温热表面、加热或烘烤、撞击或摩擦等，均有可能导致自燃。

　　②自热燃烧。可燃物质在无外部热源的影响下，其内部发生物理、化学或生化变化而产生热量，并不断积累使物质温度上升，达到其自燃点而燃烧。这种现象称为自热燃烧。引起物质自热的原因有：氧化热(如不饱和油脂)、分解热(如赛璐珞)、聚合热(如液相氰化氢)、吸附热(如活性炭)、发酵热(如植物)等。

　　③影响自燃的因素。热量生成速率是影响自燃的重要因素。热量生成速率可以用氧化热、分解热、聚合热、吸附热、发酵热等过程热与反应速率的乘积表示。因此，物质的过程热越大，热量生成速率也越大；温度越高，反应速率增加，热量生成速率亦增加。

　　热量积累是影。向自燃的另一个重要因素。保温状况良好，导热率低；可燃物质紧密堆积，中心部分处于绝热状态，热量易于积累引发自燃。空气流通利于散热，则很少发生自燃。

　　④自燃点温度量值。压力、组成和催化剂性能对可燃物质自燃点的温度量值都有很大影响。压力越高，自燃点越低。可燃气体与空气混合，其组成为化学计量比时自燃点最低。活性催化剂能降低物质的自燃点；而钝性催化剂则能提高物质的自燃点。

　　有机化合物的自燃点呈现下述规律性：同系物中自燃点随其相对分子质量的增加而降低；直链结构的自燃点低于其异构物的自燃点；饱和链烃比相应的不饱和链烃的自燃点为高；芳香族低碳烃的自燃点高于同碳数脂肪烃的自燃点；较低级脂肪酸、酮的自燃点较高；较低级醇类和醋酸酯类的自燃点较低。

　　可燃性固体粉碎得越细、粒度越小，其自燃点越低。固体受热分解，产生的气体量越大，自燃点越低。对于有些固体物质，受热时间较长，自燃点也较低。