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第一章 燃烧第一节 燃烧的本质与条件一、燃烧的本质火灾是指在时间和物体上失去控制的燃烧造成的灾害。燃烧是一种放热发光的化学反应。燃烧过程中的化学反应十分复杂，有化合反应，有分解反应。有的复杂物质燃烧，先是物质受热分解，然后发生氧化反应。燃烧是可燃物质与氧或其他氧化剂反应的结果，但是这种氧化反应速率不同，或成为燃烧，或成为一般氧化反应。剧烈的氧化反应，瞬时放出大量的热和光。近代链锁反应理论认为燃烧是一种游离基的链锁反应。链锁反应也称为链式反应，即在瞬间进行的循环连续反应。游离基又称自由基，是化合物或单质分子中的共价键在外界因素（如光、热）的影响下，分裂而成含有不成对电子的原子或原子团，他们的化学活性非常强，在一般条件下是不稳定的，容易自行结合成稳定的分子或其他物质的分子反应生成新的游离基。当反应物产生少量的活化中心游离基时，即可发生链锁反应。反应一经开始，就可经过许多链锁步骤自行加速发展下去，直至反应物燃尽为止。当活化中心全部消逝时，链锁反应就会终止。链锁反应机理大致可分为三段：1链引发。即生成游离基，使链式反应开始。生成的方法有热分解、光化法、放射线照射法、氧化还原法、催化法等。2链传递。游离基作用于其他参与反应的物质分子，产生新的游离基。3链的终止。即游离基的消失，使链的反应终止。终止的原因一般由于杂质的影响、抑制剂的掺入或者游离基撞击器壁等。链锁反应有分支链和不分支链两种。近代燃烧理论认为，可燃物质的多数氧化反应不是直接进行的，而是经过一系列复杂的中间阶段反应；不是氧化整个分子，而是氧化链锁反应中间产物游离基和原子。可见，燃烧是一种极复杂的化学反应，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中发生的物理现象。二、燃烧的必要条件任何物质发生燃烧，都有一个由未燃状态转向燃烧状态的过程。这一过程的发生必须具备三个条件，即可燃物、助燃物（氧化剂）、着火源。（一）可燃物凡是能与空气中的氧或其他氧化剂发生化学反应的物质称为可燃物。可燃物按其物理状态分为气体、液体和固体三类，列举如表1-1-1。1气体可燃物。凡是在空气中能燃烧的气体都称为可燃气体。可燃气体在空气中燃烧，同样要求与空气的混合比在一定范围燃烧（爆炸）范围，并需要一定的温度（着火温度）引发反应。2液体可燃物。液体可燃物大多数是有机化合物，分子中都含有碳、氢原子，有些还含有氧原子。液体可燃物中有不少是石油化工产品。3固体可燃物。凡遇明火、热源能在空气中燃烧的固体物质称为可燃固体，如木材纸张、谷物等。在固体物质中，有一些燃点较低、燃烧剧烈的称为易燃固体。（二）助燃物（氧化剂）能帮助支持可燃物质燃烧的物质，即能与可燃物发生反应的物质称为助燃物（氧化剂）1空气或氧气。2其他氧化剂（三）着火源着火源是指供给可燃物与氧或助燃物发生燃烧反应的能量，常见的是热能。其他还有化学能、电能、机械能和核能等转变成的热能。根据着火的能量来源不同。着火源可分为：1明火。2高温物体。3化学热能。4电热能。5机械热能。6生物能。7光能。8核能。三、燃烧的充分条件在某些情况下，虽然具备了燃烧的三个必要条件，但由于可燃物的数量不够，氧气不足，着火源的热量不够，温度不够，燃烧也不能发生，因此，燃烧的充分条件是：（一）一定的可燃物浓度可燃气体（蒸气）只有达到一定浓度，才会发生燃烧（爆炸）。如有可燃气体（蒸气），但浓度不够，燃烧（爆炸）也不会发生。如在20时，用明火接触煤油，煤油并不立即燃烧，这是因为煤油在20时的蒸气量，还没有达到燃烧所需的浓度，因而虽有足够的氧及着火源，也不能发生燃烧。（二）一定的氧气含量虽有氧气存在，但浓度不够，燃烧也不会发生。（三）一定的着火能量不管何种形式的点火能量必须达到一定的强度才能引起燃烧反应。否则，燃烧就不会发生。不同的可燃物所需点火能量的强度即引起燃烧的最小着火能量不同。低于这个能量就不能引起可燃物燃烧。（四）相互作用以上三个条件要相互作用，燃烧才会发生和持续。对无火焰燃烧可用经典三角形（如图1-1-1）表示三者关系。燃烧三要素（三边连接）同时存在，相互作用，燃烧才会发生。无火焰燃烧有三个特点：（1）无连锁反应。（2）氧在可燃物的界面。（3）可燃物为炙热的固体。对有火焰燃烧，因燃烧过程中存在未受抑制的游离基（自由基）作中间体，因而燃烧三角形增加了一个空间坐标，形成燃烧四面体，见图1-1-2。有火焰燃烧也有三个特点：（1）燃烧过程中未受到抑制，形成连锁反应，存在游离基（自由基）。（2）扩散并自动地连续着火，释放能量，达到有火焰燃烧的温度。（3）可燃物成蒸气或气体状态。第二节 燃烧过程一、不同状态物质的燃烧方式可燃物的聚集状态不同，供氧情况不同，受热后发生不同的变化，其燃烧的方式和速度也都不同，绝大多数可燃物质燃烧都是在蒸气或气态下进行，并出现火焰，也有些物质不呈气体燃烧，而是呈炙热状，则不出现火焰。（一）气体物质的燃烧可燃气体，例如：煤气、氢、液化石油气、甲烷、乙炔、丙烷等，燃烧不需要像固体、液体那样经熔化、蒸发过程，所需热量仅用于氧化或分解气体，或将气体加热到燃点，因此，容易燃烧、燃烧速度较快。根据燃烧前可燃气体与氧混合状况不同，燃烧分为两大类：1扩散燃烧。扩散燃烧是指可燃气体从喷口（管口或容器泄漏口）喷出，在喷口处与空气中的氧边扩散混合、边燃烧的现象。其燃烧速度取决于可燃气体的喷出速度，一般为稳定燃烧。管路、容器泄漏口发生的燃烧，天然气井口发生的井喷燃烧均属扩散燃烧。2预混燃烧。预混燃烧是指可燃气体与氧在燃烧前混合，并形成一定浓度的可燃混合气体，被火源点燃所引起的燃烧，这类燃烧往往是爆炸式的燃烧，也叫动力燃烧，即通常所说的气体爆炸。爆炸式燃烧后火焰返至漏气处，然后转变为稳定式的扩散燃烧。（二）液体物质的燃烧易燃和可燃液体在燃烧过程中，并不是液体本身在燃烧，而是液体受热时蒸发出来的气体被分解、氧化达到燃点而燃烧，称蒸发燃烧。其燃烧速度取决于液体的蒸发速度，而蒸发速度又取决于接受的热量，故接受热量愈多，气体蒸发量愈大，燃烧速度愈快。可燃、易燃液体的蒸发与可燃气体的燃烧特点相同，也分扩散燃烧和预混燃烧。（三）固体物质的燃烧固体可燃物由于其分子结构的复杂性，物理性质的不同，其燃烧方式也不同，有蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧和阴燃（或称熏烟燃烧）四种。1蒸发燃烧。蒸发燃烧是指熔点较低的可燃固体，受热后熔融，然后像可燃液体一样蒸发成蒸气而燃烧。（1）硫、磷、钾等单质固体物质先熔融后燃烧。（2）沥青、石蜡、松香等先熔融，后蒸发成蒸气，分解、氧化燃烧。（3）高分子材料的热塑性塑料，受热后变形、熔融，由固体变为液体，继而蒸发燃烧。这类固体类似于液体，会发生边流动、边燃烧的现象，易造成火灾蔓延。（4）萘和樟脑这类具有升华性质的物质，则在受热后不经熔融，而直接变为可燃性蒸气燃烧。2分解燃烧。分子结构复杂的固体可燃物，在受热分解出其组成成分及与加热温度相应的热分解产物，这些分解产物再氧化燃烧，成为分解燃烧。例如：天然高分子材料中的木材、纸张、棉、麻、毛、丝的功能以及合成高分子的热固塑料、合成橡胶、纤维等燃烧均属分解燃烧。3表面燃烧。有些固体可燃物的蒸气压非常小或者难于发生热分解，不能发生蒸气燃烧或分解燃烧，当氧气包围物质的表层时，呈炙热状态发生无火焰燃烧。它属于非均相燃烧，即表面燃烧。其特点是表面发红而无火焰。木炭、焦炭以及铁、铜、钨的燃烧均属表面燃烧。4阴燃。（1）阴燃是指某些固体可燃物在空气不流通，加热温度较低或可燃物含水分较多等条件下发生的只冒烟、无火焰的燃烧现象。如成捆堆放的棉、麻、纸张及大量堆放的煤、杂草、湿木材等，受热后易发生阴燃。（2）有焰燃烧和阴燃在一定条件下会相互转化。如在密闭或通风不良的场所发生火灾，由于燃烧消耗了氧，氧浓度降低，燃烧速度减慢，分解出的气体量减少，即由有焰燃烧转为阴燃。阴燃在一定条件下，如果改变通风条件，增加供氧量（如打开密闭场所的门窗）或可燃物中水分蒸发到一定程度，也可能转变为有焰燃烧。在气体、液体、固体物质中气体燃烧速度最快，其次是液体，再次是固体。二、完全燃烧和不完全燃烧在燃烧反应过程中，如果生成的燃烧产物不能再燃烧，则称为完全燃烧，其燃烧产物为完全燃烧产物。如果生成的燃烧产物还能继续燃烧，则这种燃烧称为不完全燃烧，其燃烧产物为不完全燃烧产物。燃烧完全与否不仅与空气供给量有关，并且还与其他可燃物扩散混合的均匀程度有关。如空气供气量足够，并与可燃物混合非常均匀，则燃烧反应近于燃烧产物。三、燃烧产物（一）燃烧产物的概念物质在燃烧时生成的气体、蒸气和固体物质称为燃烧产物。其中，散发在空气中能被人们看见的燃烧产物叫烟雾，它实际上是由燃烧产生的悬浮固体、液体粒子和气体的混合物。其粒径一般在0.0110微米之间。（二）不同物质的燃烧产物燃烧产物的数量、构成等随物质的化学组成以及温度、空气的供给等燃烧条件不同而有所不同。1单质的燃烧产物。一般单质在空气中完全燃烧，其产物为该单质元素的氧化物。例如：碳、氢、磷、硫等生成二氧化碳、水、五氧化二磷及二氧化硫等。这些产物不能再发生燃烧，称为完全燃烧产物。2一般化合物的燃烧产物。一些化合物在空气中燃烧除生成完全燃烧产物外，还会生成不完全燃烧产物，特别是一些高分子化合物，受热后会产生热裂解，生成许多不同类型的有机化合物，并能进一步燃烧，最简单的不完全燃烧产物是一氧化碳，它能进一步燃烧生成二氧化碳。3木材燃烧产物。木材是一种化合物，它是使用最广泛的结构材料，火灾中常包含有木材燃烧。木材主要由碳、氢、氧元素组成，主要以纤维素(C6H10O5)X分子形式存在,也有以糖、胶、酯、水等分子形式存在。木材在受热之后即产生热裂解反应，生成小分子产物，在200左右，主要生成二氧化碳、水蒸气、甲酸、乙酸及各种易燃气体；在200280产生少量水汽及一氧化碳；在280500，产生可燃蒸气及颗粒。在500以上则主要是碳，产生的游离基对燃烧有明显的加速作用。4合成高分子材料燃烧产物。合成高分子材料在燃烧中也伴有热裂解，有的还含有氯元素、氮元素，因此，会产生许多有毒或有刺激性的气体，如氯化氢（HCI）、光气（COCl2）、氰化氢（HCN）及氧化氮（NOX）等。（三）燃烧产物对灭火工作的影响燃烧产物与灭火工作有密切的关系。它对灭火工作既有有利的方面，也有不利的方面。1有力方面。（1）在一定条件下有阻燃作用。完全燃烧的燃烧产物都是不燃的惰性气体，如CO2水蒸气等。如果是室内火灾，随着这些惰性物质的增加，就能相应减少空气中的氧浓度，燃烧速度也会减慢，如果能关闭通风的门窗、孔洞，就会使燃烧速度减慢，直至停止燃烧。（2）为火情侦察提供依据。不同的物质燃烧，不同的燃烧温度，在不同的风向条件下，烟的气味、颜色、浓度、流动方向也是不一样的。通过烟的这些特征，消防人员可以大致判断燃烧物质的种类、火灾发展阶段、火势蔓延方向等。2不利方面。（1）引起人员中毒、窒息。燃烧产物中有不少为毒性气体，如CO、HCl、HCN、NOX等对人体有麻醉、窒息、刺激的功能作用。这些燃烧产物妨碍人们的正常呼吸、逃生，也给消防人员的灭火工作带来困难。（2）会使人员受伤。燃烧产物的烟气中载有大量的热，人在这种高温、湿热环境中极易被烫伤。（3）影响视线。燃烧产生大量烟雾，影响人的视线，使能见度大大降低，人在浓烟中往往会辨不清方向，给灭火、人员疏散工作带来困难。（4）成为火势发展、蔓延的因素。燃烧产物有很高的热能，极易造成轰然或因对流火热辐射引起新的火点。四、火焰、燃烧热值与燃烧温度（一）火焰1火焰的定义。正在燃烧的可燃气体（蒸气）锁占据的发光、放热的空间范围称为火焰，俗称火苗。它是可燃物产生有焰燃烧的基本特征。气态可燃物燃烧时直接形成火焰，有预混火焰和扩散火焰两种。液体可燃物和固体可燃物燃烧时由分解或蒸发出的气体形成火焰，一般为扩散火焰。2火焰的构造。可燃物在燃烧时，根据其状态不同和助燃物的供给方式等因素不同，火焰的结构也不完全相同。（1）气态可燃物火焰。以本生灯为例，其火焰结构如图1-1-3所示。由一次空气供养所形成的火焰锋面在内层，称内焰；由二次空气供氧所形成的火焰封面在外层，称外焰。这种火焰比较稳定，温度较高，本生灯、气焊炬等火焰属这一类。有的火焰无一次空气进入，只有一层圆锥形火焰，即只有外焰，如天然气井喷火焰，可燃气体容器或管路破裂时在泄漏处形成的喷流火焰等。（2）液态可燃物火焰。液态可燃物的火焰结构，可以以蜡烛火焰为例（见图1-1-4），它由焰心、内焰和外焰组成。焰心，是最内层亮度较暗的圆锥体部分，由可燃物受热蒸发和分解出的气态可燃物构成。由于内层氧浓度较低，所以燃烧不完全，温度较低。内焰，为包围在焰心外部较明亮的圆锥体部分。在这层火焰中气态可燃物进一步分解，因氧供应不足，所以燃烧也不甚完全，但温度较焰心高。因火焰中的微小碳离子受热发出较明亮的光，所以内焰的亮度最强。外焰，为包围在内焰外面亮度较暗的圆锥体。在这层火焰中，氧供给充足，因此，燃烧完全，燃烧温度最高。在外焰燃烧的往往是一氧化碳和氢气，炙热的碳粒很少，因此，几乎没有光亮。一切可燃固体和液体燃烧时形成的火焰，都有焰心、内焰和外焰。在火场上，固体表面的形状不同，堆放的方法不同，火焰的形状也不同；此外，还有风力等因素的影响，也使固体、液体的火焰形状有所不同。3火焰的颜色。可燃物的化学组成不同，燃烧供氧条件不同，火焰会发出不同的颜色。（1）含氧量在50%以上的可燃物质燃烧时，发出不显光的（光暗或呈浅蓝色光）火焰；含