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化学品的火灾与爆炸危害
作者:佚名    来源:本站原创    点击数:   更新时间:2009年04月30 【字体: 】 
近几年来,我国化工系统所发生的各类事故中,由于火灾爆炸导致的人员伤亡为各类事故之首,由此导致的直接经济损失也相当可观。如1997年北京东方化工厂油品罐区发生特大火灾爆炸事故,在较短的时间内,整个罐区一片火海,死亡9人,伤37人,直接经济损失高达数亿元。1993年深圳清水河危险化学品仓库发生特大火灾爆炸事故,死亡15人,200多人受伤,其中重伤25人,直接经济损失超过2.5亿元。这些事故都是由于化学品自身的火灾爆炸危险性造成的。因此了解化学品的火灾与爆炸危害,正确进行危险性评价,及时采取防范措施,对搞好安全生产,防止事故发生具有重要意义。
 
1.1 化学品的燃烧与爆炸危险性
 
    人的生存至少需要三个基本条件:食物、氧和热量,这些条件必须有正确的比例,太多或太少的食物、氧和热量都可能导致不身体不适、生病或死亡。同样化学品的燃烧与爆炸也需要三要素:可燃物、助燃物和点火源。燃烧三要素示意图如图1.1所示。它们也必须有正确的比例和在合适的状态下才能燃烧或爆炸,过量的燃料与不充足的氧、高浓度的氧与不足量的燃料都不能燃烧,如图1.2所示。只有具备了一定数量和浓度的燃料和氧,以及具备一定能量的点火能源,三者同时存在并且发生相互作用,才能引起燃烧或爆炸。
    例如:甲烷在空气中的浓度小于5.3%或大于14%时,由于甲烷浓度过低或氧气浓度过低,甲烷便不能燃烧。同时,要使燃烧发生必须具备一定能量的点火源。若用热能引燃甲烷和空气的混合物,当点燃温度低于595℃时燃烧便不能发生。若用电火花点燃,则最小点火能为0.28mJ,若点火源的能量小于该数值,该混合气体便不着火。
1.1.1 可燃气体、可燃蒸气、可燃粉尘的燃爆危险性
    可燃气体、可燃蒸气或可燃粉尘与空气组成的混合物,当遇点火源时极易发生燃烧爆炸,但并非在任何混合比例下都能发生,而是有固定的浓度范围,在此浓度范围内,浓度不同,放热量不同,火焰蔓延速度(即燃烧速度)也不相同。在混合气体中,所含可燃气体为化学计量浓度时,发热量最大,稍高于化学计量浓度时,火焰蔓延速度最大,燃烧最剧烈;可燃物浓度增加或减少,发热量都要减少,蔓延速度降低,当浓度低于某一最低浓度或高于某一最高浓度时,火焰便不能蔓延,燃烧也就不能进行,在火源作用下,可燃气体、可燃蒸气或粉尘在空气中,恰足以使火焰蔓延的最低浓度称为该气体、蒸气或粉尘的爆炸下限,也称燃烧下限。同理,恰足以使火焰蔓延的最高浓度称为爆炸上限,也称燃烧上限。上限和下限统称为爆炸极限或燃烧极限,上限和下限之间的浓度称为爆炸范围。浓度在爆炸范围以外,可燃物不着火,更不会爆炸。但是,在容器或管道中的可燃气体浓度在爆炸上限以上,若空气能补充或渗漏进去,则随时有燃烧、爆炸的危险。因此,对浓度在上限以上的混合气,通常仍认为它们是危险的。
    通常用可燃气体、可燃蒸气在空气中的体积百分数表示,可燃粉尘用mg/m3表示。例如:乙醇爆炸范围为4.3% ~19.0%,4.3%称为爆炸下限,19.0%称为爆炸上限。爆炸极限的范围越宽,爆炸下限越低,爆炸危险性越大。通常的爆炸极限是在常温、常压的标准条件下测定出来的,它随温度、压力的变化而变化。
    部分可燃气体、可燃蒸气的爆炸极限见表7-1。
    表7-1 部分可燃气体、蒸气的爆炸极限

可燃气体或蒸气

分子式

爆炸极限(%)

下限

上限

氢气

H2

4.0

75

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

C6H6

1.4

1.1

甲苯

C7H8

1.4

6.7

环氧乙烷

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

    另外,某些气体即使没有空气或氧存在时,同样可以发生爆炸。如乙炔即使在没有氧的情况下,若被压缩到2个大气压以上,遇到火星也能引起爆炸。这种爆炸是由物质的分解引起的,称为分解爆炸。乙炔发生分解爆炸时所需的外界能量随压力的升高而降低。实验证明,若压力在1.5MPa以上,需要很少能量甚至无需能量即会发生爆炸,表明高压下的乙炔是非常危险的。针对乙炔分解爆炸的特性,目前采用多孔物质,即把乙炔压缩溶解在多孔物质上。除乙炔外,其它一些分解反应为放热反应的气体,也有同样性质,如乙烯、环氧乙烷、丙烯、联氨、一氧化氮、二氧化氮、二氧化氯等。
1.1.2 液体的燃爆危险性
    易(可)燃液体在火源或热源的作用下,先蒸发成蒸气,然后蒸气氧化分解进行燃烧。开始时燃烧速度较慢,火焰也不高,因为这时的液面温度低,蒸发速度慢,蒸气量较少。随着燃烧时间延长,火焰向液体表面传热,使表面温度上升,蒸发速度和火焰温度则同时增加,这时液体就会达到沸腾的程度,使火焰显著增高。如果不能隔断空气,易(可)燃液体就可能完全烧尽。
    液体的表面都有一定数量的蒸气存在,蒸气的浓度取决于该液体所处的温度,温度越高则蒸气浓度越大。在一定的温度下,易(可)燃液体表面上的蒸气和空气的混合物与火焰接触时,能闪出火花,但随即熄灭,这种瞬间燃烧的过程叫闪燃。液体能发生闪燃的最低温度叫闪点。液体在闪点温度,蒸发速度较慢,表面上积累的蒸气遇火瞬间即已烧尽,而新蒸发的蒸气还来不及补充,所以不能持续燃烧。当温度稍高于闪点时,易(可)燃液体随时都有遇火源而被点燃的可能。因此,闪点是液体可以引起火灾危险的最低温度。液体的闪点越低,它的火灾危险性越大。常见易(可)燃液体的闪点见表7-2。
    表7-2常见易燃、可燃液体的闪点

液体名称

闪点(

液体名称

闪点(

汽油

-5810

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

石脑油

25

原油

-35

丁醇

29

丙酮

-17

氯苯

29

辛烷

-16

煤油

3070

-11

重油

80130

醋酸乙酯

1

乙二醇

100

1.1.3 固体的燃爆危险性
    固体燃烧分两种情况,对于硫、磷等低熔点简单物质,受热时首先熔化,继之蒸发变为蒸气进行燃烧,无分解过程,容易着火;对于复杂物质,受热时首先分解为物质的组成部分,生成气态和液态产物,然后气态和液态产物的蒸气再发生氧化而燃烧。
    某些固态化学物质一旦点燃将迅速燃烧,例如镁,一旦燃烧将很难熄灭;某些固体对摩擦、撞击特别敏感,如爆炸品、有机过氧化物,当受外来撞击或摩擦时,很容易引起燃烧爆炸,故对该类物品进行操作时,要轻拿轻放,切忌摔、碰、拖、拉、抛、掷等;某些固态物质在常温或稍高温度下即能发生自燃,如白磷若露置空气中可很快燃烧,因此生产、运输、储存等环节要加强对该类物品的管理,这对减少火灾事故的发生具有重要意义。
    工业事故中,引发固体火灾事故较多的是化学品自热燃烧和受热自燃。
    可燃固体因内部所发生的化学、物理或生物化学过程而放出热量,这些热量在适当条件下会逐渐积累,使可燃物温度上升,达到自燃点而燃烧,这种现象称自热燃烧。
    在常温的空气中能发生化学、物理、生物化学作用放出氧化热、吸附热、聚合热、发酵热等热量的物质均可能发生自热燃烧。例如,硝化棉及其制品(如火药、硝酸纤维素、电影胶片等)在常温下会自发分解放出分解热,而且它们的分解反应具有自催化作用,容易导致燃烧或爆炸;植物和农副产品(如稻草、木屑、粮食等)含有水分,会因发酵而放出发酵热,若积热不散,温度逐渐升高至自燃点,则会引起自燃。
    可燃物质在外部热源作用下,温度逐渐升高,当达到自燃点时,即可着火燃烧,这种现象称为受热自燃。如合成橡胶干燥工段,若橡胶长期积聚在蒸汽加热管附近,则极易引起橡胶的自燃;合成橡胶干燥尾气用活性炭纤维吸附时,尾气中往往含有少量的防老剂,由于某些防老剂不易解吸,长期吸附后,活性炭纤维中防老剂含量逐渐增多,当达到一定量时,若用水蒸汽高温解吸后不能立即降温,某些防老剂则极易发生自燃事故,导致吸附装置烧毁。
 
1.2 火灾与爆炸的破坏作用
 
    火灾与爆炸都会带来生产设施的重大破坏和人员伤亡,但两者的发展过程显著不同。火灾是在起火后火场逐渐蔓延扩大,随着时间的延续,损失数量迅速增长,损失大约与时间的平方成比例,如火灾时间延长一倍,损失可能增加四倍。爆炸则是猝不及防。可能仅在一秒钟内爆炸过程已经结束,设备损坏、厂房倒塌、人员伤亡等巨大损失也将在瞬间发生。
    爆炸通常伴随发热、发光、压力上升、真空和电离等现象,具有很强的破坏作用。它与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件、以及爆炸位置等因素有关。主要破坏形式有以下几种:
    1.直接的破坏作用
    机械设备、装置、容器等爆炸后产生许多碎片,飞出后会在相当大的范围内造成危害。一般碎片在100~500米内飞散。如1979年浙江温州电化厂液氯钢瓶爆炸,钢瓶的碎片最远飞离爆炸中心830米,其中碎片击穿了附近的液氯钢瓶、液氯计量槽、贮槽等,导致大量氯气泄漏,发展成为重大恶性事故,死亡59人,伤779人。
    2.冲击波的破坏作用
    物质爆炸时,产生的高温高压气体以极高的速度膨胀,象活塞一样挤压周围空气,把爆炸反应释放出的部分能量传递给压缩的空气层,空气受冲击而发生扰动,使其压力、密度等产生突变,这种扰动在空气中传播就称为冲击波。冲击波的传播速度极快,在传播过程中,可以对周围环境中的机械设备和建筑物产生破坏作用和使人员伤亡。冲击波还可以在它的作用区域内产生震荡作用,使物体因震荡而松散,甚至破坏。 冲击波的破坏作用主要是由其波阵面上的超压引起的。在爆炸中心附近,空气冲击波波阵面上的超压可达几个甚至十几个大气压,在这样高的超压作用下,建筑物被摧毁,机械设备、管道等也会受到严重破坏。 当冲击波大面积作用于建筑物时,波阵面超压在20kPa~30kPa内,就足以使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏。超压在100kPa以上时,除坚固的钢筋混凝土建筑外,其余部分将全部破坏。
     3.造成火灾
     爆炸发生后,爆炸气体产物的扩散只发生在极其短促的瞬间内,对一般可燃物来说,不足以造成起火燃烧,而且冲击波造成的爆炸风还有灭火作用。但是爆炸时产生的高温高压,建筑物内遗留大量的热或残余火苗,会把从破坏的设备内部不断流出的可燃气体、易燃或可燃液体的蒸气点燃,也可能把其它易燃物点燃引起火灾。 当盛装易燃物的容器、管道发生爆炸时,爆炸抛出的易燃物有可能引起大面积火灾,这种情况在油罐、液化气瓶爆破后最易发生。正在运行的燃烧设备或高温的化工设备被破坏,其灼热的碎片可能飞出,点燃附近储存的燃料或其它可燃物,引起火灾。 如1979年12月,吉林液化石油气厂2号球罐破裂时,涌出的石油气遇明火而燃烧爆炸,大火持续了整整23个小时,造成了巨大的损失。
     4.造成中毒和环境污染
     在实际生产中,许多物质不仅是可燃的,而且是有毒的,发生爆炸事故时,会使大量有害物质外泄,造成人员中毒和环境污染。

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