消防燃烧学第六章

免责声明免责声明 本书是由杜文峰组织编写的本书是由杜文峰组织编写的 消防工程学消防工程学 以下电 以下电 子版内容仅作为学习交流 严禁用于商业途径 子版内容仅作为学习交流 严禁用于商业途径 本人为西安科技大学消防工程专业学生 本专业消防本人为西安科技大学消防工程专业学生 本专业消防 燃烧学科目所选教材为这版的书籍 无奈本书早已绝版 燃烧学科目所选教材为这版的书籍 无奈本书早已绝版 我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚 严重我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚 严重 影响我们专业课的学习 并且此书为消防工程研究生的专影响我们专业课的学习 并且此书为消防工程研究生的专 业课指定教材 因此本人花费一个月时间将此书整理修改业课指定教材 因此本人花费一个月时间将此书整理修改 为电子版 希望可以帮助所有消防工程的同学 为电子版 希望可以帮助所有消防工程的同学 由于本人能力有限 书上的图表均使用的是截图的 由于本人能力有限 书上的图表均使用的是截图的 可能不是很清楚 还有难免会有错误 望广大读者海涵 可能不是很清楚 还有难免会有错误 望广大读者海涵 西安科技大学西安科技大学 消防工程专业消防工程专业 20092009 级级 赵盼飞赵盼飞 20122012 5 5 2828 第六章 1 第六章第六章 可燃固体的燃烧可燃固体的燃烧 可燃固体种类繁多 分布广泛 有很多火灾爆炸事故是因为 可燃固体燃烧引起的 因此 可燃固体的燃烧是消防燃烧学研究 的重要内容之一 第一节第一节 固体燃烧概述固体燃烧概述 一 固体燃烧的形式一 固体燃烧的形式 根据各类可燃固体的燃烧方式和燃烧特性 固体燃烧的形式 大致可分为五种 一 蒸发燃烧 硫 磷 钾 钠 蜡烛 松香 沥青等可燃固体 在受到火 源加热时 先熔融蒸发 随后蒸气与氧气发生燃烧反应 这种形式 的燃烧一般称为蒸发燃烧 樟脑 萘等易升华物质 在燃烧时不 经过熔融过程 但其燃烧现象也可看作是一种蒸发燃烧 二 表面燃烧 可燃固体 如木炭 焦炭 铁 铜等 的燃烧反应是在其表面由 氧和物质直接作用而发生的 称为表面燃烧 这是一种无火焰的 燃烧 有时又称之为异相燃烧 三 分解燃烧 可燃固体 如木材 煤 合成塑料 钙塑材料等 在受到火 源加热时 先发生热分解 随后分解出的可燃挥发份与氧发生燃 烧反应 这种形式的燃烧一般称为分解燃烧 四 熏烟燃烧 阴燃 可燃固体在空气不流通 加热温度较低 分解出的可燃挥发 份较少或逸散较快 含水分较多等条件下 往往发生只冒烟而无 火焰的燃烧现象 这就是熏烟燃烧 又称阴燃 五 动力燃烧 爆炸 指可燃固体或其分解析出的可燃挥发份遇火源所发生的爆炸 式燃烧 主要包括可燃粉尘爆炸 炸药爆炸 轰燃等几种情形 其中 轰燃是指可招固体由于受热分解或不完全燃烧析出可燃气 体 当其以适当比例与空气混合后再遇火源时 发生的爆炸式预 混燃烧 例如能析出一氧化碳的赛璐路 能析出氰化氢的聚氨酯 等 在大量堆积燃烧时 常会产生轰燃现象 第六章 2 这里需要指出的是 上述各种燃烧形式的划分不是绝对的 有些可燃固体的燃烧往往包含着两种或两种以上的形式 例如 在适当的外界条件下 木材 棉 麻 纸张等的燃烧会明显地存 在分解燃烧 阴燃 表面燃烧等形式 二 评定固体火灾危险性的参数二 评定固体火灾危险性的参数 固体燃烧特性比较复杂 评定其火灾危险性的参数主要包括 一 熔点 闪点和燃点 固体熔点是固体变为液体的初始温度 某些低熔点可燃固体 发生闪燃的最低温度就是其闪点 固体燃点是指对可燃固体加热 到一定温度 遇明火发生持续燃烧时固体的最低温度 熔点 闪点和燃点是评定固体火灾危险性的重要参数 一般 地 熔点越低的可燃固体 闪点和燃点也越低 火灾危险性越大 二 热分解温度 固体热分解温度指可燃固体受热发生分解的初始温度 它是 评定受热能分解的固体火灾危险性的主要参数之一 基本规律是 可燃固体的热分解温度越低 燃点也越低 火灾危险性越大 表 6 1 列出了几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系 三 自燃点 可燃固体加热到一定程度能自动燃烧的最低温度 就是其自 燃点 自燃点越低的固体 越容易燃烧 因而火灾危险性越大 表 6 2 列出了常见高分子物质的自燃点 四 比表面积 比表面积是指单位体积固体的表面积 相同的可燃固体 比 表面积越大 火灾危险性越大 就可燃粉尘而言 比表面积大小 对爆炸下限 最小引爆能 最大爆炸压力等参数有着极其重要的 第六章 3 影响 一般情况下 随着粉尘的比表面积增大 其爆炸下限降低 最小引爆能变小 而最大爆炸压力增大 五 氧指数 所谓氧指数 是在规定条件下 刚好维持物质燃烧时的混合 气体中最低氧含量的体积百分数 氧指数是评价各种物质相对燃 烧性能的一种表示方法 也是评价可燃固体 尤其是高聚物 火灾危 险性的重要指标 氧指数越小的高聚物 燃烧时对氧气的需求量 越小 或者说燃烧时受氧气浓度的影响越小 因而火灾危险性越 大 一般认为氧指数小于 22 的属易燃材料 氧指数在 22 27 之间 的属难燃材料 而氧指数大于 27 的属高难燃材料 材料经阻燃处 理后 其氧指数会有不同程度的提高 表 6 3 列出了某些常见高 聚物的氧指数 除了上述参数外 对于可燃粉尘和炸药 还有其他重要的评 定火灾爆炸危险性的参数 如粉尘的爆炸浓度下限 炸药的感度 等 第二节固体着火燃烧理论第二节固体着火燃烧理论 在实际火灾中 最为常见的可燃固体是受热时能释放出可燃 气体的固体 本节主要讨论这类固体的着火燃烧问题 一 固体引燃条件和引燃时间一 固体引燃条件和引燃时间 受热时能释放出可燃气的固体能否被引燃 取决于其释放出 的可燃气能否保持一定浓度 这也可以用热平衡方程进行判断 即 SQQGLH lEcrVC 式中是固体在然点时的燃烧热 HC 传递到其表面的份数 LV 第六章 4 是固体释放可燃气所需的热量 Gcr是固体释放的可燃气在燃点时 的临界质量流量 和分别是单位固体表面上火源的加热速率 E Q l Q 和热损失速率 S 是单位固体表面上净获热速率 可通过计算确定 HC和 LV可在有关文献中查得 对于 E Q 一定厚度的无限大固体 可用下式估算 l Q 6 2 t TT KTQ S il 0 4 式中 是固体的辐射率 是斯蒂芬 玻尔兹曼常数 i T 和分别是固体的燃点 燃点时的表面温度和环境温度 K 和 S T 0 T 分别是固体的导热系数和热扩散系数 t 是固体受火源加热的时 间 Gcr与有如下关系 6 3 3000 1 C cr Hc h G 式中 h 是火焰与固体表面之间的对流换热系数 c 是空气的热容 如果由实验测出 Gcr 根据式 6 3 就可估算 表 6 4 列出 了一些高聚物的 Gcr和值 在式 6 1 中 如果 S 0 固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧 还有多余 部分 这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高 为固体 持续燃烧创造更好的条件 S 0 是固体能否被引燃的临界条件 例例 6 l 用一温度为 1300 的火焰紧靠表面照射的一厚度为 50mm 的有机玻璃板 如果表面温度达到燃点 约需 6s 后立即移走 第六章 5 火焰 判断该玻璃板能否被引燃 解解 据有关资料查得 sm 27 101 1 19 0 KmWK gmkJHC 2 26 gkJLV62 1 2 3 2 smgGcr 27 0 由给定条件得 t 6s 543273270KTT iS 假定 由公式 6 2 得 29327320 0 KT 8 0 6101 1 293543 19 0 543 1067 5 8 0 7 48 l Q 4 62 1024 6 224 mWkmW 由于表面温度达到燃点后立即移走火焰 所以 由公0 E Q 式 6 1 得 4 622 3 62 1 2 2627 0 S 93 44 2 mWk 因为 S 0 因此聚氨酯泡沫容易被引燃 且燃烧强烈 在火源的持续作用下 可燃固体被引燃的时间长短与可燃物 种类 形状尺寸 火源强度 加热方式等因素有关 在此利用 集总热容分析法 对 Bi数较小的窗帘 幕布之类的薄物体的引 燃时间进行估算 假设一薄物体的厚度 密度 热容和它与周围环境间的对流 换热系数分别为 c 和 h 薄物体的燃点和环境温度 或物体 初温 分别为和 当薄物体两边同时受温度为的热气流加 i T 0 T T 热时 在时间间隔 dt 内 能量平衡方程可写成 dTcAdtTThA 2 式中 A 是薄物体受热面积 T 是薄物体在时刻 t 的温度 dT 是 薄物体经 dt 后的温度变化 上式可变为 6 4 TT dT h c dt 2 把上式从到进行积分得引燃时间 为 0 T i T i t 第六章 6 6 5 ln 2 0 i i TT TT h c t 同理可得 如果物体单面受热 另一面绝热 引燃时间为 6 6 ln 0 i i TT TT h c t 如果物体单面受热 另一面不绝热 则有 6 7 2 ln 2 0 0 i i TTT TT h c t 当物体一面受热通量为的辐射加热 另一面绝热时 假设 r Q 物体吸收率为 在时间间隔 dt 内 能量平衡方程可写成a cdTAdtTTAhdtQaA r 0 或者 6 8 dT TThQa c dt r 0 对该式从到积分得引燃时间为 0 T i T 6 9 ln 0 TThQa Qa h c t ir r i 如果一面受辐射热 另一面不绝热 则有 6 10 2 ln 2 0 TThQa Qa h c t ir r i 物体两面同时受辐射加热的情况不多见 例例 6 2 一块厚度为 0 8mm 的幕布 密度 热容和它与周围 空气间的对流换热系数分别为 0 3g cm3 1 2kJ kg K 和 15W m2 初始温度为 20 燃点为 260 当幕布垂直悬挂在 300 的热空 气中后 求幕布的引燃时间 解解 已知 8 10 4m 300kg m3 1 2 103J kg K c h 15W m2 573K 293K 533K T 0 T i T 利用式 6 5 得所要求的引燃时间为 533573 293573 ln 152 102 1300108 34 i t 第六章 7 19 s 如果该幕布一面受热通量为 29kW m2的辐射加热 两边热损失 幕布的吸收率为 0 8 则由式 6 10 可得引燃时间为 533573 293573 ln 152 102 1300108 34 i t 293533 15210208 0 10208 0 ln 3 3 6 s 二 固体火焰传播理论二 固体火焰传播理论 可燃固体一旦被引燃 火焰就会在其表面或浅层传播 在火 场上 火焰传播速度和可燃物面积大小决定了火势发展的快慢 因此 固体的火焰传播特性是火灾发展的一个基本要素 在固体火焰传播的理论中 用 燃烧起始表面 的概念统一 所有类型的灭焰传播或火灾蔓延 包括预混火焰传播 阴燃传播 分散燃料床火焰传播 森林火灾蔓延等 燃烧起始表面 是指 固体火焰传播时正在燃烧的火焰和未燃物质之间的界面 穿过这 个界向的传热速率决定了火焰传播或火灾蔓延的速度 根据能量 守恒方程 火焰传播的基本方程 为 6 11 QhV 由此得 6 12 h Q V 式中 V 是火馅传播速度 是穿过界面的传热速率 是固体 Q 的密度 h 是单位质量的固体从初温 T0上升到燃点时的焓变 i T 三 固体着火和燃烧的影响因素三 固体着火和燃烧的影响因素 可燃固体从引燃到稳定燃烧 包括火焰传播 要受到诸多因素 的影响 一 外界火源或外加热源 一般地 引火源必须处于可燃挥发份的气流之内才能使固体 引燃 而且固体单位表面面积上的加热速率 越大 固体越容 E Q 易被引燃 表 6 5 与列出了一 第六章 8 些固体引燃的临界加热速率 Ecr Q 外加热源将使固体稳定燃烧速度和其表面火馅传播速度加快 这主要是因为外加热预热了火焰锋前的材料未燃部分 同时还加 快了火焰锋后的燃烧速度 结果提供了一个附加的向前传播 使 整个燃烧过程得以强化 固体燃烧速度可用表面直线燃烧速度 VS表示 也可用重量燃 烧速度 GS表示 实际使用较多的是后者 重量燃烧速度 GS可由 下式计算 6 13 V lF S L QQ G 式中 是燃烧火焰提供给固体表面的热通量 它由辐射热通量 F Q 和对流热通量组成 而且二者的份额随着燃烧面积大小而变化 除了燃烧火焰不光亮的那些固体 如聚甲醛等 外 在大面积 直径 大于 l m 的燃烧中 火焰向固体表面传热以辐射为主 在一定的外界条件下 和的大小取决于固体本身性质 F Q l Q 一些可燃固体的和 值见表 6 6 从中可见 对于有的固 F Q l Q 体 它们仅靠燃烧火焰提供的热量无法实现稳定燃烧 要 F Q l Q 使其稳定燃烧 必须由外部向其表面提供热量 假设外部提供给 固体表面的热通量仍用表示 且 则固体的重量 E Q E Q F Q l Q 燃烧速度可由下式计算 6 14 V lFE S L QQQ G 第六章 9 如果 即外部提供的热量完全用来平衡热损失 则指 E Q l Q 到的燃烧速度为理想燃烧速度 即 6 15 V F S L Q G 理想 在实际的固体火灾中 由于 所以实际上是 E Q l Q 理想S G 固体在稳定燃烧时所能达到的最大燃烧速度 表 6 7 中列出了一 些可燃固体在模拟实验火灾条件下的平均燃烧速度 二 固体材料的性质 第六章 10 熔点 热分解温度 气化热 LV 越低 而燃烧热越高的可 燃固体 越容易被引燃 且引燃后稳定燃烧速度越快 这主要是 由于此种情况下固体材料释放可燃气的速率越快 表 6 8 列出了 某些固体材料的平均燃烧速度 另外 固体材料的热惯性 对其着火燃烧性能有重要影响 ck 对于厚固体材料 这种影响可能起主要作用 热惯性低的材料容 易被引燃 而且燃烧迅速 影响可燃固体稳定燃烧的另一个重要性质是燃烧释热速率 c q 它可由下式计算 6 16 FCSc AHGq 式中 AF是燃烧固体的表面积 是放热系数 一些可燃固体的 值见表 6 9 假设可燃固体表面接受的净热通量为 则有 net Q lFEnet QQQQ 结合式 6 14 和式 6 16 得 6 17 V C Fnetc L H AQq 此式表明 固体燃烧释热速率与比值 HC LV的关系十分密 切 与 HC 或 LV比较 HC LV能更好地反映固体稳定燃烧特 性 例如烃类聚合物比相应的含氧衍生物的 HC LV大 因此前者 的稳定燃烧性能较后者好 表 6 10 列出了一些固体材料的 HC LV值 其排列顺序大体上与这些材料的实际稳定燃烧特性相对 应 第六章 12 三 固体材料的形状尺寸及表面位置 相同的材料 比表面积大的往往容易被引然 而且稳定燃烧 性能好 这是因为比表面积越大 材料与空气中氧接触的机会越 多氧化作用越容易 越普遍 由于热量从薄物体表面向内部传导 的能力较强 受热时未着火部分的预先加热效果较好 所以薄物 体比厚物体容易着火燃烧 相同的材料 在相同的外界条件下 倒着向上比顺着向下更 容易被火源引燃 竖直表面的稳定燃烧速度比水平表面的快 竖 直向上 90o 的固体表面火焰传播速度最快 相反竖直向下 90o 的最慢 这主要是因为固体表面位置不同 火焰和热产物对未燃 固体部分的预先加热作用的程度不同 图 6 1 说明了不同方位的 火焰传播及火焰和热产物与固体之间的相互作用 四 外界环境因素 图 6 2 和图 6 3 分别描述了风速及氧浓度和压力及氧浓度 对硬质纤维板水平火焰传播速度的影响 从图中看出 外界环境 中的氧浓度增大 物质着火燃烧能力显著提高 这是因为火焰温 度随着氧浓度增大而升高 而较高温度的火焰向可燃物表面传递 第六章 13 的热量也较多 由于外来的空气流动能助长火焰锋处可燃挥发份与空气的混 合 同时风所导致的火焰倾斜增加了向前传热的速率 所以有助 于物质燃烧 但风速过大能吹熄火焰 增加环境压力 将得到较快的燃烧速度 这是由于较高压力 有助于火焰稳定地附着在材料的表面上 第六章 14 另外 环境温度 即物质的初始温度 升高 燃烧速度加快 这 是因为物质的初始温度较高时 火焰锋前物质的未燃部分温度上 升到燃点所需要的热量较少 外加辐射热将引起燃烧速度的增加 如图 6 4 所示 这主要是因为辐射热预热了火焰锋前材料的未燃 部分 同时外加辐射热加快了火焰锋后物质的燃烧速度 结果提 供了一个附加的向前传热 使整个燃烧过程得以强化 第三节第三节 几类典型固体的燃烧几类典型固体的燃烧 不同类型可燃固体的燃烧特性是有差别的 本节主要讨论在 实际火灾中常见的三种类型固体 高聚物 木材和煤 金属 的燃烧 一 高聚物的燃烧一 高聚物的燃烧 塑料 橡胶和纤维是人们熟知的三大有机高分子化合物 简称 高聚物 因其应用广泛而且容易燃烧 所以研究高聚物的燃烧具 有重要意义 高聚物的燃烧过程十分复杂 其中包括一系列的物理和化学 变化 主要分为受热软化熔融 热分解 着火燃烧等阶段 容易 软化熔融的高聚物主要是热塑性物质 表 6 11 列出了常见热塑 性塑料的软化 熔融温度 热固性或交联型高聚物 如酚醛塑料 环氧树脂等 在热分解温度以下不软化熔融 但热量被蓄积起来 第六章 15 该热量一部分用于提高聚合物的温度 另一部分用于诱发产生自 由基的断链反应以及加速分解的自催化作用 这种情况会进一步 加速随后的热分解速度 高聚物的热分解是其燃烧的关键阶段 它本身是个相当复杂 的过程 不同高聚物因化学组成和结构不同 化学键断裂所需要 的能量不同 常见塑料的热分解度及主要热分解产物见表 6 12 相同高聚物分解产物的质和量随着加热温度 加热速度及环境条 件等变化也有变化 高聚物的燃烧主要是其分解产物中的可燃性气体的燃烧 不 同高聚物着火燃烧的难易程度有很大差别 如只含碳和氢的高聚 物易燃但不猛烈 含有氧的高聚物易燃而且猛烈 而含卤素的高 聚物难燃 离开火源后一般不燃 从总体上讲高聚物燃烧的普遍性特点 可以概括为三个方面 一 发热量较高 燃烧速度较快 高聚物的燃烧热普遍较高 因此它们燃烧时要产生大量的热 第六章 16 其释热速率可由式 6 16 计算确定 因为燃烧速度主要取决于固 体材料的热分解速度 而后者主要受燃烧放出的热量支配 所以 高聚物的燃烧速度普遍较快 表 6 13 列出了一些高聚物的燃烧 热和燃烧速度 高聚物在燃烧时 如果发生软化 熔融 滴落或流动 将会 促进火势的蔓延 二 发烟量较大 影响能见度 由于高聚物的分子结构中含碳量普遍较高 因此在其燃烧 包 括热分解 过程中发烟量较大 这些烟尘会阻碍光线在空气中的传 播 从而影响能见度 在一定烟浓度时的光强度可用光吸收定律 表示 即 6 18 exp 0 LCII S 式中 和 是无烟和有烟时的光强度 L 是光线透过烟雾的距离 0 II Cs是减光系数 一些高聚物燃烧时烟的最大减光系数值 CSm 见表 6 14 由式 6 18 得到反映光减弱程度的光密度计算公式为 LC I I S ln 0 6 19 第六章 17 式中 称为光密度 反映了光减弱的程度 当 CS一定时 光 ln 0 I I 密度取决于距离 L 三 燃烧 或分解 产物的危害性大 高聚物在燃烧 或分解 过程中 会产生 CO 氮氧化物 HF HCN SO2及 光气 等有害气体 加上缺氧窒HCl 2 COCl 息作用 对火场人员的生命安全构成极大的威胁 除上述普遍性特点外 不同类型高聚物的燃烧还有如下特点 1 只含碳和氢的高聚物 如聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯等 易燃但不猛烈 离开火焰后仍能持续燃烧 火焰呈兰色或黄色 燃烧时有熔滴 并产生有毒的一氧化碳气体 2 含有氧的高聚物 如有机玻璃 赛璐珞等 易燃且猛烈 火焰呈黄色 燃烧时变软 无熔滴 并产生有毒的一氧化碳气体 3 含有氮的高聚物 燃烧情况比较复杂 如脲甲醛树脂为难 燃自熄 三聚氰胺甲醛树脂为缓燃缓熄 尼龙为易燃以烬 它们 在燃烧时都有熔滴 并产生一氧化碳 氧化氮有毒气体和氰化氢 剧毒气体 4 有氯的高聚物 如聚氯乙烯等 硬的为难燃自熄 软的为 缓燃缓熄 火焰呈黄色 燃烧时无熔滴 有炭瘤 并产生氯化氢 气体 有毒且溶于水后有腐蚀性 5 含有氟的高聚物 实际上不燃 但加强热时 能放出腐蚀 毒害性的氟化氢气体 6 酚醛树脂 无填料的为难燃自熄 有木粉填料的为缓燃缓 熄 火焰呈黄色 冒黑烟 放出有毒的酚蒸气 高聚物的燃烧与热源温度 物质的理化特性和环境氧浓度等 因素密切相关 笼统地讲 温度越高 高聚物的燃烧速度越快 但这一影响与氧的扩散速度 热量的散失速度有关 如图 6 5 和 6 6 所示 第六章 18 图 6 5 看出 理论上 高聚物的速度按 ROR 曲线随温度变 化 但实际上因受氧气扩散速度影响 燃烧速度只能按 ROD 曲 线变化 实验表明 许多高聚物的转折点温度 T0约为的 600 左 右 从图 6 6 看出 当温度 T T0时 因燃烧散热大 燃烧难以 维待 而在 TA T花柏 桐 桂 白松 核桃 柚 松 枞树 榉 桦 白桦 等等 这与实验所得 出的结果基本符合 木材的燃烧比较明显地存在两个阶段 一是有焰燃烧阶段 即木材的热分解产物的燃烧 在此过程中 木材的成份逐渐发生 变化 氢和氧的含量减少 碳的含量相对增多 见表 6 17 木材表面生成的炭虽然处于灼热状态 但基本上不燃烧 这 是由于热分解产物及其燃烧阻碍了氧向木炭表面的扩散 二是无 焰燃烧阶段 即木炭的表面燃烧 其中在有焰燃烧阶段 火焰温 度高 燃烧时间短 火势扩展快 木材的燃烧行为比高聚物的燃烧行为复杂得多 它受到多种 自身因素的影响 例如 平行于纹理方向上的导热性大约是垂直 于理方向上的 2 倍 透气性相差得更大 约 103倍 另外在未炭化 表面以下产生的挥发物沿纹理方向比沿垂直纹理方向逸出容易得 多 这些都对木材的燃烧速度产生重要影响 密度较大的木材 由于内部结构致密坚实 导热性能较好 而且挥发份较难析出 所以燃烧速度较慢 含水量较多的木材 燃烧速度较慢 这不仅 因为水分蒸发在木材燃烧过程中要消耗大量的热 还因为较湿木 材的导热能力较强 燃烧时传入木材内部的热量较多 比表面积 越大的木材 单位体积的木材暴露在空气中的面积越大 且受热 时析出的挥发份越多 因此燃烧速度越快 图 6 7 说明了这一点 第六章 23 以上讨论的是单个木材的燃烧 对于木垛的燃烧 其特性主 要取决于木垛的 通风状况 堆积松散的木垛 由于通风良好 堆垛内部发生明显的有焰燃烧 而且燃烧速度主要由单个木材的 粗细度控制 堆积紧密的木垛 其燃烧速度主要取决于木垛的 孔隙率 孔隙率 可由下式计算 6 25 S V A A bN 1 15 0 式中 b 和 N 分别为木垛中单个木材的粗细度和木垛的层数 AV 和 AS分别为木垛竖直通风井的外露面积和所有木材的外表面积 为了研究方便 常用来标定木垛的燃烧速度 R 是质量 6 1 bR 百分损失速率 对的曲线如图 6 8 所示 从该图中看出 6 1 bR 0 4 时 木垛不能维持燃烧 成卷 成捆或成垛的木材 纸张等在火灾条件下 燃烧的时间 t 可 按下面经验公式估算 6 26 1 h K WH t W 式中 HW为可燃物的燃烧热 kJ kg W 为单位面积上可燃物的 重量 kg m2 K1为常数 木材类可燃物的 K1值取 837200kJ m2 h 为取决于 W 的系数 见表 6 18 第六章 24 例 6 3 有一棉花仓库 8m2的地板上堆放着 4 2 吨棉花 试 估算该仓库预计的燃烧时间 解解 由题意知 据此查表 6 18 得 525 8 4200 2 mkgW 0 25 棉花的燃烧热 HW 16744kJ kg 将巳知数据代入式 6 26 得 625 2 837200 25 0 52516744 ht 即该棉花仓库发生火灾时预计燃烧 2 6h 左右 二 煤的燃烧 煤主要由 C H O N 和 S 等元素的高聚物组成 表 6 19 列出了各类煤的元素组成 一般地 煤受热时 在 105 以前 主要析出其中的吸留气体 和水份 200 300 时开始析出气态产物如 CO CO2等 煤粒变 第六章 25 软成为塑性状态 300 500 时开始析出焦油和 CH4及其同系物 不饱和烃及 CO CO2等气体 在 500 750 时 半焦开始热解 并析出大量含氢较多的气体 760 1000 时 半焦继续热解 析 出少量以氢为主的气体 半焦变成高温焦炭 煤热分解产生挥发份的组分及其含量主要取决于煤的碳化程 度和温度 碳化程度加深 挥发份析出量减少 但其中可燃组分 含量却增多 加热温度越高 挥发份逸出量就越多 煤的燃烧动力学工况如图 6 9 所示 它也存在有焰燃烧和无 焰燃烧 但二者不象木材燃烧那样有较严格的区分 理论分析和 实验结果都表明 煤中的这两种燃烧几乎同时进行 但在燃烧的 初期阶段 焦炭只烧掉 15 20 而 80 90 的挥发份已经燃尽 煤的燃烧还有一个特点 就是灰分 尤其内在灰分 对燃烧过程 的影响 内在灰分较均匀地分布在可燃物质中 如果燃烧温庶低 于灰的软化温度 随着燃烧的进行 焦炭粒外表面会形成一层逐 渐增厚的灰壳 如果燃烧温度高于灰的熔化温度 大煤粒的灰层 就会熔融坠落 不在焦炭粒表面形成灰壳 但在大煤粒堆积成层 燃烧时 灰的熔渣会堵塞煤层间的通风孔隙 两种情况都会妨碍 煤的燃烧 煤的燃烧受碳化程度 颗粒度 岩石学组成及受风化情况等 多种因素影响 但同木材燃烧比较 水分含量对煤燃烧的影响可 能出现相反结果 这主要因为水能与以 CO 在较高温度下反应 第六章 26 放出热量 同时生成的氢及其自由基的链锁反应对燃烧有利 三 木炭和焦炭的燃烧 木炭的燃烧主要发生在木材的有焰燃烧之后 而焦炭的燃烧 与煤的有焰燃烧几乎同时进行 木材和煤的燃烧热有相当一部分 是由木炭和焦炭燃烧释放的 之所以如此 是因为炭的燃烧反应 大部分是放热反应 如初次反应为 kJCOOC 9 393 22 kJCOOC 5 110 2 1 2 二次反应 包括容积反应 为 kJCOCCO1772 2 kJCOOCO 3 283 2 1 22 虽然木炭和焦炭都属于无定形碳 但二者在结构上有些差别 木炭的显微结构是海棉状的 内部布满气孔 使碳和空气的接触 面积变得非常大 氧气能大量地扩散到炭里 很容易发生自动扩 展的氧化反应 因此燃烧速度较快 这种因为炭粒内部孔隙的存 在而加快燃烧速度的现象称为内孔效应 而焦炭内部孔隙较少 所以其内孔效应较弱 燃烧速度较慢 炭燃烧时生成的 CO2和 CO 气体从其表面解吸附而放出 但 残剩的固态灰分往往形成一层多孔的被盖层 它对里层的炭的燃 烧构成了附加的扩散阻力 如图 6 10 所示 使产物气体难以及 时释放出去 空气也难以及时扩散进来 因此炭的燃烧速度会降 低 这种现象称为覆盖效应 由于木炭中惰性矿物质含量较少 所以这种效应在木炭中比在焦炭中表现得较弱 从理论上分析 具有覆盖效应时燃烧速度与时间成反比 第六章 27 三 金属的燃烧三 金属的燃烧 金属的燃烧能力取决于金属本身及其氧化物的物理 化学性 质 其中金属及其氧化物的熔点和沸点对其燃烧能力的影响比较 显著 根据熔点和沸点不同 通常将金属分为挥发金属和不挥发 金属 挥发金属 如 Li Na K 等 在燃烧时熔融成金属液体 它 们的沸点一般低于其氧化物的熔点 K 除外 因此在其表面上能够 生成固体氧化物 表 6 20 列出了挥发金属及其氧化物的熔点和 沸点 挥发金属在空气中容易着火燃烧 它们和火源接触时被加热 发生氧化 在金属表面上形成一层氧化物薄膜 由于金属氧化物 的多孔性 金属继续被氧化和加热 经过一段时间后金属被熔化 并开始蒸发 蒸发出的蒸气通过多孔的固体氧化物扩散进入空气 中 当空气中的金属蒸气达到一定浓度时就燃烧起来 同时燃烧 反应放出的热量又传给金属 使其进一步被加热直至沸腾 进而 冲碎了覆盖在金属表面上氧化物薄层 出现了更激烈的燃烧 挥发金属的燃烧温度大于其氧化物的沸点 因此燃烧激烈时 固体氧化物也变成蒸气扩散到燃烧层 离开火焰时变冷凝聚成微 第六章 28 粒 形成白色的浓烟 这是挥发金属的燃烧特点 不挥发金属因其氧化物的熔点低于金属的沸点 则在燃烧时 熔融金属表面上形成一层氧化物 这层氧化物在很大程度上阻碍 了金属和空气中氧的接触 从而减缓了金属被氧化 但这类金属 在粉末状 气熔胶状 刨花状时在空气中燃烧进行得很激烈 且 不生成烟 不挥发金属及其氧化物的熔点和沸点列于表 6 21 中 Al Ti Fe 等金属虽然在空气中难以燃烧 但是在纯氧气中 却能然烧 在燃烧时金属并不气化而是液化 液态金属的流动方 向对燃烧有重要影响 图 6 11 是 Fe 在纯氧气中从下方着火燃烧 的情况 由于传热过程对着火燃烧过程影响很大 这里简要分析 一下传热过程 着火燃烧部分 液化部分 的温度很高 因此它要向未燃烧部分 传热 而液化的金属流动下落 减弱了传热效果 对着火燃烧不 第六章 29 利 这一点与前面提到的着火位置对含可燃挥发份固体可燃物的 着火燃烧性能的影响是不同的 从以上讨论看出 挥发金属的燃烧属于熔融蒸发式燃烧 而 不挥发金属的燃烧属于气 固两相燃烧 某些金属燃烧有如下普遍特征 1 燃烧难易程度与比表面积关系极大 有的金属在块状时难以燃烧 但在薄片时可以燃烧 而在粉 尘状时极易燃烧 在一定条件下还会发生爆炸 例如 块状 薄 带状和粉尘状镁的燃点分别为 650 510 和 420 锂 钠 钾 钙 镁 钛 铝 锌 锆 铪 钚 钍和铀 处于溥片 颗粒状 或熔融状时很容易着火 通常称它们为可燃金属 2 燃烧热值大 燃烧温度高 金属燃烧热一般为普通燃料的 5 20 倍 表 6 22 列出了某些 金属的燃烧热值 由于燃烧热大 燃烧时火焰温度很高 例如镁 燃烧时 火焰温度高达 3000 3 高温燃烧的金属性质活泼 金属处在燃烧状态时 由于温度很高 性质比较活泼 可以 与二氧化碳 卤素及其化合物 氮气 水等发生反应 使燃烧更 加强烈 例如 CMgOCOMg 22 2 燃烧温度下 22 MgClClMg 燃烧温度下 CNaClCClNa 44 4 燃烧温度下 CaNNCa C o 22 500 2 22 222HKOHOHK 第六章 30 4 某些金属嫩烧时火焰具有特征颜色 某些金属燃烧时火焰的特征颜色见表 6 23 第四节固体阴燃第四节固体阴燃 阴燃是某些固体物质无可见光的缓慢燃烧 通常产生烟和伴 有温度升高的现象 在物质的燃烧性能试验方面 阴燃的定义是 在规定的试验条件下 物质发生的持续 有烟 无焰的燃烧现象 阴燃与有焰燃烧的主要区别是无火焰 与无焰燃烧的主要区别是 能热分解出可燃气 在一定条件下 阴燃可以转变为有焰燃烧 一 阴燃的发生条件一 阴燃的发生条件 阴燃是固体材料特有的燃烧形式 但其能否发生 完全取决 于固体材料自身的理化性质及其所处的外部环境 很多固体材料 如纸张 锯末 纤维织物 纤维板 胶乳橡 胶及某些多孔热固性塑料等 都能发生阴燃 这是因为这些材料 受热分解后能产生刚性结构的多孔炭 从而具备多孔蓄热并使燃 烧持续下去的条件 相反有些材料 如 纤维素等 受热时很 少产生刚性结构的炭 所以难以发生阴燃 有些不易阴燃的固体 经过一些无机物溶液浸泡处理后 变得容易发生阴燃 这主要是 因为这些无机 物有助于炭化反应的进行 有助于纤维素类固体阴燃的无机物主 要有 LiC1 LiOH NaCl NaBr NaI NaOH Na2N NaNO3 Na2C O3 Na2SO4 FeCl2 FeSO4 FeCl3 AgNO3 Pb NO3 2 CsCl 等 有些物质以粉末状分散于能阴燃的固体中时 会中断碳上的 反应晶格 降低炭生成量 从而能抑制阴燃的发生 能抑制纤维 素类固体阴燃的物质主要有 S SbCl3 CaCl2 CuCl2 ZnCl2 OHCaCl 22 2 OHSnCl 22 2 OHAlCl 23 6 OHFeCl 23 6 等 OHMgCl 22 6 OHCrCl 23 6 OHNiCl 22 6 OHFeCl 22 4 其中 S 的抑制阴燃效果最好 第六章 31 阴燃主要发生在固体物质处于空气不流通的情况下 如固体 堆垛内部的阴燃 处干密封性较好的室内的固体阴燃 但也有暴 露于外加热流的固体粉尘层表面上发生阴燃的情况 无论哪种情 况 阴燃的发生都要求有一个供热强度适宜的热源 因为供热强 度过小 固体无法着火 供热强度过大 固体将发生有焰燃烧 在多孔材料中 常见的引起阴燃的热源包括 1 自燃热源二固体堆垛内的阴燃多半是自燃的结果 而堆积 固体自然的基本特征就是在堆垛内部以阴燃反应开始燃烧 然后 缓 慢向外传播 直到在堆垛表面转变为有焰燃烧 2 阴燃本身成为热源 一种固体正在发生着的阴燃 可能成 为引燃源导致另一种固体阴燃 如香烟的阴燃常常引起地毯 被 褥 木屑 植被等阴燃 进而发生恶性火灾 3 有焰燃烧火焰熄灭后的阴燃 例如固体堆垛有焰燃烧的外 部火焰被水扑灭后 由于水流没有完全进入堆垛内部 那里仍处 于炽热状态 因此可能发生阴燃 室内固体在有焰燃烧过程中 当空气被消耗到一定程度时 火焰就会熄灭 接着固体燃烧以阴 燃形式存在 此外 不对称加热 固体内部热点等 都有可能引起阴燃的 发生 二 阴燃的传播理论二 阴燃的传播理论 柱状纤维素材料沿水平方向的阴燃现象 能很好地说明阴燃 的传播间题 研究表明 如果材料的一端被适当加热 就开始发 生阴燃 接着它沿着未燃区向另一端传播 阴燃的结构分为三个 区域 如图 6 12 所示 第六章 32 区域 I 热解区 在该区内温度急剧上升 井且从原始材料中 挥发出烟 相同的固体材料 在阴燃中产全的烟与在有焰燃烧中 产生的烟大不相同 因阴燃通常不发生明显的氧化 其烟中含有 可燃性气体 冷凝成悬浮粒子的高沸点液体和焦油等 所以它是 可燃的 在密闭的空间内 阴燃烟的聚集能形成可燃 甚至爆炸 性 混合气体 曾生过由于乳胶垫阴燃而导致的烟雾爆炸事故 区域 II 炭化区 在该区中 炭的表面发生氧化并放热 温 度升高到最大值 在静止空气中 纤维素材料阴燃在这个区域的 典型温度为 600 750 该区产生的热量一部分通过传导进入原 始材料 使其温度上升并发生热解 热解产物 烟 挥发后就剩下炭 对于多数有机材料 完成这种分解 炭化过称要求温度大于 250 300 区域 III 残余灰 炭区 在该区中 灼热燃烧不再进行 温度 缓慢下降 因为阴燃传播是连续的 所以实际上以上各区域间并无明显 界限 其间都存在逐渐变化的过渡阶段 阴燃能否传播及传播速 度快慢主要取决于区域 II 的稳定及其向前的热传递情况 为了能从理论上说明阴燃的传播速度 将区域 I 和区域 II 之 间的界面定为燃烧起始表面 由于穿过这一界面的传热速率决定 了阴燃的传播速度 因此在静止空气中 根据式 6 12 有如下方 程 第六章 33 6 27 h q Vag 式中 是阴燃的传播速度 q 是穿过燃烧起始表面的净传热量 ag V 是固体材料 堆积 的密度 h 是单位质量的材料从环境温度上 升到着火温度时热焓的变化量 阴燃传播的简单热传递模型如图 6 13 所示 当着火温度与 区域 II 的最高温度 Tmax相差不太大时 环境温度 即材料的初始温 度 为 T0 材料的热容为 C 则有 6 28 0max TTCh 假定热传递是通过导热进行的 且为似稳态传热 则有 6 29 x TTK q 0max 式中 K 是材料的导热系数 x 是传热距离 将式 6 28 和 6 29 代入式 6 27 得 6 30 xcx K Vag 式中 是热扩散系数 试验发现 传热距离为 0 01m 左右 对于绝缘纤维板 约 为 8 6 10 8m2 s 则其阴燃的传播速度近似为 8 6 10 3mm s 尽管用式 6 30 确定的阴燃的传播速度比较粗略 但其数量 级是比较可靠的 例如 绝缘纤维板实际阴燃的传播速度的数量 级为 10 2mm s 这和上述计算结果基本相符 三 阴然的影响因素三 阴然的影响因素 第六章 34 阴燃是一种十分复杂的燃烧现象 受到多方面因素的影响 这些因素主要包括 一 固体材料的性质和尺寸 实验表明 质地松软 细微 杂质少的材料阴燃性能好 这 是由于这类材料的保温性能和隔热性能都比较好 热量不容易散 失 棉花就是这类材料的典型代表 单一材料的尺寸 主要指直径 对阴燃的影响很复杂 难以得出 统一结论 粉尘层尺寸对阴燃的影响可从厚度和粒径两个方面说 明 对于细小粒径的粉尘层 在一定范围内 随着厚度减小 阴 燃的传播速度增加 但厚度减小到一定程度后 阴燃的传播速度 反而减小 而且存在维持粉尘层阴燃的厚度下限 见表 6 24 这 种影响可解释为 厚度较大 空气较难进入阴燃区 厚度太小 热量损失太大 由表 6 24 可见 随着粒径的增大 厚度下限增加 但当粒 径增大到一定程度后 由于伴有灼热锻烧 厚度下限反而减小 对 于一定厚度的粉尘层 随着粒径的减小 阴燃的传播速度缓慢 增加 尽管粒径减小 空气进入阴燃区的难度增大 但因此改进 了绝热条件 减少了热损失 而粉尘层阴燃的行为特征表明 后 一种作用稍微占有优势 所以传播速度稍有增加 顺便指出 粉尘层堆积密度减小 阴燃的传播速度也会增加 这一结论也可仿上解释 二 外加空气流 风 速度 试验表明 受到外加空气流作用的粉尘层 阴燃的厚度下限会 明显减小 如图 6 14 所示 外加空气流速度增加 阴燃的传播 速度也明显增大 尤其当空气流动方向与阴燃传播方向一致时 这除了因为空气流促进了氧向阴燃区的传输处 还因为增加了区 域 II 向区域 I 传递的热量 对于粗大粒径的粉尘 这种影响效果 更加显著 如果空气流速度过大 阴燃就会转变为有焰燃烧 第六章 35 增加环境中的氧浓度 阴燃的传播速度也明显增大 这也是 因为氧向阴燃区的扩散速率得以加强 由于燃烧区的最高温度与 氧浓度有着直接关系 即氧浓度越高 燃烧区温度越高 所以上 述外加空气流或环境中氧浓度对阴燃的影响同时也表明了燃烧区 的最高温度对阴燃的影响 试验结果也说明 区域 II 内最高温度 增加 阴燃的传播速度也增大 如图 6 15 所示 公式 6 30 中 由于忽略了很多影响阴燃的实际因素 所以没有体现出阴燃的传 播速度与区域 II 最高温度的这种关系 三 阴燃的传播方向 实验发现 相同的固体材料在相同的环境条件下 向上传播 的阴燃速度最快 水平传播的阴燃次之 向下传播的阴燃速度最 慢 这表明向上传播的阴燃状态更加危险 一般解释如下 对于 向上传播的阴燃 燃烧或热解产物受浮力作用流向材料未燃部分 对其起到预热作用 而且这种情况下氧进人区域 II 的阻碍作用较 小 与此相反 向下传播的阴燃就不存在这种 预热 作用 而 第六章 36 且这种情况对向区域 II 扩散供氧不利 水平传播的阴燃情况居中 四 双元材料体系的阴燃 有些高聚物泡沫 例如高弹性的柔性聚氨酯泡沫 单独存在时 是难以阴燃的 但是如果它们与许多象织物类的材料组成双元材 料体系时 就可以发生阴燃 这说明某些易阴燃材料对其他一些 难阴燃材料的阴燃起决定性作用 如图 6 16 所示 如果泡沫材 料阴燃是在静止的空气中发生的 区域 II 所达到的最高温度不会 超过 400 它明显地低于纤维素阴燃的区域 II 的最高温度 600 这可能是某些泡沫材料单独存在时难以阴燃的主要原 因 即使在图 6 16 所示的情形中 泡沫阴燃传播的速率也是比 较慢的 还有人提出 这些泡沫的阴燃传播机理涉及到穿过稀疏 网眼结构的辐射传热问题 除了上述影响因素外 固体材料的阴燃特性还受到其中杂质 的影响 另外 湿度对阴燃不利 这是因为湿度使材料的未燃部 分热容增大 使热分解对热量的需求增加 限制了阴燃传播 四 阴燃向有焰燃烧的转变四 阴燃向有焰燃烧的转变 阴燃向有焰燃烧的转变是阴燃研究的重点内容之一 有利于 阴燃的上述因素也都有利于阴燃向有焰燃烧的转变 如外加空气 第六章 37 流有利于这种转变 向上传播的阴燃比向下传播的阴燃更容易向 有焰燃烧转变 棉花等松软 细微的材料的阴燃很容易转变为有 焰燃烧等等 从总体上讲 当区域 II 的温度增加时 由于热传导使得区域 I 温度上升 热解速率加快 挥发份增多 这时区域 I 附近空间的 可燃气浓度加大 当这个浓度达到某一值时 若有明火即可引燃 如果没有明火 当温度继续升高时 也可自燃着火 这就完成了 阴燃向有焰燃烧的转变 由于这一转变过程是个非稳态过程 要 准确确定转变温度是很难的 概括地讲 阴燃向有焰燃烧的转变主要有以下几种情形 一 阴燃从材料堆垛内部传播到外部时转变为有焰燃烧 在材料堆垛内部 由于缺氧 只能发生阴燃 但只要阴燃不 中断传播 它终将发展到堆垛外部 由于不再缺氧 就很可能转 变为有焰燃烧 二 加热温度提高 阴燃转变为有焰燃烧 阴燃着的固体材料受到外界热量的作用时 随着加热温度的 提高 区域 I 内挥发份的释放速率加快 当这一速率超过某个临 界值后 阴燃就会发展为有焰燃烧 这种转变也能在材料堆垛内 部发生 三 密闭空间内材料的阴燃转变为有焰燃烧 甚至轰燃 在密闭的空间内 因供氧不足 其中的固体材料发生着阴燃 生成大量的不完全燃烧产物充满整个空间 这时 如果突然打开 空间的某些部位 因新鲜空气进入 在空间内形成可燃性混合气 体 进而发生有焰燃烧 也有可能导致轰燃 这种阴燃向轰燃的 突发性转变是非常危险的 第五节第五节 粉尘爆炸粉尘爆炸 粉尘是指呈分散状态的固体物质 粉尘爆炸现象使粉尘比原 来大块状固体的火灾危险性及危害性大得多 因此人们应重视对 这一问题的研究 一 粉尘爆炸的条件一 粉尘爆炸的条件 粉生爆炸 一般应具备三个方面的条件 一 粉尘本身是可燃的 可燃粉尘包括有机粉尘和无机粉尘两大类 但在一般条件下 第六章 38 并非所有的可燃粉尘都能发生爆炸 常见具有爆炸性的粉尘见表 6 25 二 粉尘以一定浓度悬浮在空气中 沉积 气凝胶状态 的粉尘是不能爆炸的 只有悬浮 气溶胶状 态 的粉尘才可能发生爆炸 粉尘在空气中能否悬浮及悬浮时间长 短取决于粉尘的动力稳定性 而它主要与粉尘粒径 密度和环境 温度 湿度等有关 悬浮粉尘只有其浓度处于一定的范围内才能爆炸 这是因为 粉尘浓度太小 燃烧放热太少 难于形成持续燃烧而无法爆炸 浓度太大 混合物中氧气浓度太小 也不会发生爆炸 三 存在足以引起粉尘爆炸的火源 粉尘燃烧首先需要加热 或熔融蒸发 或受热裂解 放出可 燃气 因此粉尘爆炸需要较多能量 其最小点火能大致是 10 100MJ 比可燃气的最小点火能大 102 103倍 具备上述条件的粉尘之所以能爆炸 是因为悬浮于空气中的 可燃粉尘形成了一个高度分散体系 其表面积和表面能 体现为吸 附的活性 极大增加 同时粉尘粒子与空气中氧之间的界面加大 氧气供给更加充足 因此 一经能量足够的火源引燃 反应速度 大为加快而呈爆炸状态 二 粉尘爆炸的过程和特点二 粉尘爆炸的过程和特点 粉尘爆炸大致要经历如下几个过程 一是接受火源能量的粉 尘粒子表面温度迅速提高 使其迅速地分解或干馏 产生的可燃 气释放到粒子的周围气相中 二是可燃气与空气的混合物随后被 第六章 39 火源引燃而发生有焰燃烧 这种燃烧开始通常在局部产生 其燃 烧热通过辐射传递和对流传递使火焰