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第二章燃烧理论基础,内容,可燃物的类型、组成及放热特性着火与灭火理论可燃气体的燃烧与火焰传播可燃液体的燃烧可燃固体的燃烧燃烧产物的组成与性质燃烧温度与火焰温度,第一节可燃物的类型、组成及放热特性,工程燃烧与火灾燃烧,工程燃烧使燃烧过程在某个特定的空间、按某种特定的方式进行燃烧目的：充分燃烧，放出热量，获取动力，服务于人类特点燃烧尽量完全，不生成或少生成燃烧产物，不剩余未燃燃料要求对燃烧过程进行精心组织，需要设计很多的燃烧装置需要人为地补充燃烧所用空气所用燃料是经过特定选择的，分级利用燃料单一,工程燃烧与火灾燃烧,火灾燃烧在人们不希望的场所（生活场所、工作生产场所等），不希望的时间发生的燃烧现象.后果：物品被毁，人员伤亡，财产损失，危害人类特点燃烧大多不完全，生成很多不完全燃烧产物和剩余未燃燃料不经人为组织，而是想法设法防止它的发生，阻止燃烧直至灭掉它燃烧过程大多自然补气，容易缺氧燃烧燃烧过程复杂，可分解为若干个分过程燃料复杂,可燃物的主要种类及其组成,按照性态气相：氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)液相：汽油、柴油、酒精煤、木材、高分子聚合物按照组成单纯物质：由一种分子组成的物质，部分可燃气体和低分子的可燃液体为单纯物质，例如氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷（C2H6）等混合或化合物；多种单纯物质的混合物或多种元素的复杂化合物，火灾烟气按照来源天然可燃物：天然气(LNG)、石油、煤人造可燃物。液化石油气(LPG)、城市煤气、高分子聚合物,可燃物的主要种类及其组成,可燃元素:主要是碳(C)、氢(H)、硫(S)、磷(P)等碳是大多数可燃物的主要可燃成分，它的多少基本上决定了可燃物发热量的大小。碳的发热量为3.35107J/kg；氢的发热量为1.42108J/kg，硫和磷燃烧时也能放出少量热量，不过其燃烧产物（SO2、P2O5等）具有较大的危害。锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铍(Be)、铝(Al)等可燃金属,可燃物的主要种类及其组成,有些元素发生燃烧后可以生成完全燃烧产物，也可生成不完全燃烧产物，不完全燃烧产物还可进一步燃烧生成完全燃烧产物。严格地讲，可燃物与不燃物之间并没有明显的界限。如在常温、常压下，铁和铜都不能燃烧，但在纯氧中炽热的铁或铜就可发生剧烈燃烧反应。不过一般不把铁和铜作为可燃物对待。又如聚氯乙烯、酚醛塑料等高分子聚合物，在强烈的火焰中能够燃烧，一旦离开火焰便不能燃烧，这类物质一般称为难燃物。,可燃物的组成分析,可燃物的组成表示法固体可燃物工业分析将固体可燃物划分为水分(M)、灰分(A)、可燃挥发分(V)和固定碳(FC)等四种组分，它们在可燃物中的含量用各种组成的质量百分比表示元素分析将固体可燃物分为基本可燃化学元素和两种不可燃组分，基本可燃元素为碳(C)、氢(H)、氧(O)、硫(S)、氮(N)，不可燃组分为水分(M)和灰分(A)。可燃物中还含有多种其他微量元素，不过一般不将其作为元素组成对待。元素分析组成也用质量百分比表示,可燃物的组成分析,非可燃组分水分代表固体可燃物中各种水分的总含量，包括以结晶水和化学吸附形式存在的内在水分及物理吸附或浸润的外在水分；灰分代表无机矿物质的含量，主要有碳酸盐、粘土矿物质等。可燃组分挥发分代表可燃物中易挥发(因而容易着火)可燃组分的含量固定碳代表燃料中不挥发性可燃组分的含量。,可燃物的组成分析,工业分析所得到的组成并不是固体可燃物的原始组成，而是在一定条件下通过加热使固体可燃物中原有的极为复杂的组成分解转化而得到的可以用普通化学分析方法研究的组成，煤的灰分是煤加热到规定温度（GB1321277规定为815）时燃烧后的残留物挥发分是可燃物加热到规定温度（GB1321277规定为900）时在隔绝空气的条件下分解出来的气态有机物质因而工业分析组成具有很强的规范性、元素分析通过一定的化学分析方法进行，但元素分析的结果并不反映它们结合成的有机体的具体形式,可燃物的组成分析,可燃物的组成表示法液体可燃物工业分析和元素分析仅测定其水分和灰分组成成分分析小分子的可燃液体可燃物的组成表示法气体可燃物成分分析,可燃物的组成分析,可燃气体的组成用各单纯成分所占的体积百分比表示可燃气体中水分含量等于该温度下的饱和水蒸气含量。当温度发生变化时，可燃气体中的饱和水蒸气量也随之变化。为了准确反映可燃气体的燃烧性能，一般采用气体燃料的干成分组成。干成分组成写为可燃气体的干、湿成分的换算关系是,可燃物的热效应和热值,热效应与燃烧热热效应：反应体系在等温条件下发生某种化学反应，如果除了膨胀功之外不作其它功，则此体系吸收或释放的热量称为该反应的热效应。当化学反应是在1atm、298K的条件下进行的，其热效应称为标准热效应。等压热效应和等容热效应等容热效应QV等容条件下的反应热效应等压热效应Qp等压条件下的反应热效应。QV=U(无其它功，等容条件)Qp=H(无其它功，等压条件),可燃物的热效应和热值,燃烧热1摩尔的可燃物在等温、等压条件下完全燃烧所释放的热量在标准状态下的燃烧热称为标准燃烧热在火灾研究中，可燃物的燃烧热是一个经常使用的重要参数,高位热值与低位热值,热值在进行工程计算时，可燃物的多少经常使用质量(kg)或体积(Nm3)作基本计量单位表示。用这种方式表示的可燃物的燃烧热通常称为热值。可燃固体和液体燃料的热值单位一般用KJ/Kg表示，可燃气体的热值单位一般KJ/Nm3用表示。高位热值和低位热值高位热值指的是可燃物在常温（一般约为25）下完全燃烧后，将燃烧产物冷却到初始温度，并使其中的水蒸气凝结为水所放出的热量。低位热值指的是可燃物在常温下完全燃烧后，将燃烧产物冷却到初始温度，但水分仍以蒸汽形式存在时所放出的热量。(可燃物能够利用的热值),高位热值与低位热值,高、低位热值之间的关系用元素分析的结果可表示为用成分分析的结果可写为水分以质量和体积计量的汽化热燃烧产物中的水蒸气的质量分数和体积分数,高位热值与低位热值,水的汽化热随着汽化时水的初始温度的不同而略有变化我国的国家标准规定，在恒容下，水的汽化热近似取为2508KJ/Kg。若水分以体积为单位表示，则其汽化热为燃烧产物中的水分来源于两部分，一部分是可燃物中原来含有的水分，这部分水分在燃烧前后不变；另一部分是燃烧过程中由可燃物中的氢与氧反应生成的水分,高位热值与低位热值,根据某种可燃固体（或可燃液体）的元素分析数据，设其水分含量为M，氢含量为H，则该可燃物的高、低位热值可用下式计算：根据气体燃料的成分分析数据，燃料中可燃氢组分主要考虑的气体组分主要有2、2S和CnHm。气体燃料的高、低位热值可按下式计算,高位热值与低位热值,实用气体燃料是由若干单纯气体组成的，每种成分的热值都可以精确测定若已知某种气体燃料的成分组成，其热值可由各单纯气体的热值相加而得到测定热值的主要方法可燃固体和液体的热值通常使用氧弹式量热计测定可燃气体的热值通常用水流式气体量热计测定,可燃物燃烧时的热释放速率,热释放速率速率越大，燃烧越强烈体现火灾中放热强度随时间的变化，是决定火灾温度高低及烟气产生量的重要参数原则上说，如果知道火灾中可燃物的质量燃烧速率和热值，就能够按下式计算热释放速率：,热释放速率,不完全燃烧因子,质量燃烧速率,可燃物热值,可燃物燃烧时的热释放速率,热释放速率的测量仪器锥形量热计：单纯物质大型家具量热仪：实际物品,可燃物燃烧时的热释放速率,热释放速率的测量方法氧耗法试验发现，多数天然有机材料（如塑料、橡胶、木材等物品）发生燃烧时，每消耗1m3的氧气约放出17.2MJ的热量（或者说每消耗1kg的氧气约放出13.1MJ的热量），其精度在5%以内只要知道燃烧过程中氧的消耗量，就可以计算出热释放速率锥形量热计的核心部件就是主要测量氧耗量的氧分析仪,可燃物燃烧时的热释放速率,热释放速率曲线可燃物的热释放速率可用平均值表示，也可用曲线表示热释放速率曲线可以描述可燃物燃烧的进程,木质布艺沙发为什么有两个峰值？,第二节着火与灭火理论,着火的概念,着火是发生正常燃烧的起始阶段，是一个不稳定的燃烧阶段着火主要有自燃和点燃两种机理自燃是物质在通常的环境条件下自行发生的燃烧现象化学自燃：可燃物质在常温下依靠自身的化学反应而发生的燃烧热自燃则是物质在某些因素的作用下，其周围的温度逐渐升高，当达到一定温度而发生的燃烧现象。某些物质的缓慢氧化反应可导致其温度升高，以致发生自燃点燃则是在常温下，使用电火花、电弧、热板等高温能源作用于可燃物的某个局部，使该局部受到强烈地加热而首先着火，随后，发生燃烧反应的区域逐渐扩大传播到可燃物的其它部分或整个反应空间,热自燃理论,体积，表面积F,T升高，氧化速率加快,放热速度,可燃混合气,壁面散热,放热速度大于散热速度,一定时间就会达到该可燃物的着火温度，进而发生着火,热自燃理论,基本假设密闭空间中的可燃混合气的温度与浓度分布均匀。空间的壁温在反应前与环境温度T0相同，在反应过程中与混合气温度相同。开始时刻混合气之初温与环境温度相同，为T0，反应过程中混合气的瞬时温度为T，假定密闭空间内各点的温度、浓度相同。其中既无自然对流，又无强迫对流。环境与密闭空间之间有对流换热，其对流换热系数为h，它不随温度变化。着火前反应物浓度变化很小，即YiYi0常数，或0常数。,热自燃理论,系统的能量守恒方程设可燃混合气由A、B两种组分组成，且反应形式为2级，根据阿累尼乌斯公式，其化学反应速率可表示为放热速率与温度成指数关系，散热成线性关系,反应速率,频率因子,反应物A和B的浓度,活化能,热自燃点,热自燃温度,燃烧的条件,火灾三角形,可燃物,助燃剂,点火源,必须保证其间的反应即游离基的连锁反应不受干扰,燃烧的条件,可燃物凡是能与空气、氧气和其他氧化剂发生剧烈氧化反应的物质，都称为可燃物质气态、液态和固态无机可燃物质和有机可燃物质可燃物质、难燃物质和不可燃物质助燃物凡是具有较强的氧化能力，使可燃物质发生化学反应并引起燃烧的物质称为助燃物或氧化剂氧气是助燃物质，空气、氯酸钾和过氧化钠等都是助燃物质引火源凡是能引起可燃物质燃烧的热能，都叫引火源常见的引火源有火焰、电火花、电弧和炽热物质等游离基的连锁反应可燃物质的氧化反应不是直接进行的，而是经过游离基团和原子这些中间物质，通过连锁反应进行去掉游离基团，中断其连续的链反应，燃烧就会停止。,燃烧的条件,燃烧作为一种化学反应，在反应物的组成、反应温度、压力和能量方面都存在着极限值一些情况下，例如气体可燃物没达到一定浓度，或助燃物数量不足、引火源没有足够的热量或一定的温度，即使具备了燃烧的必要条件也不能燃烧氢气在空气中的浓度低于4%时便不能点燃；当空气中氧含量低于14%时一般可燃物质不会燃烧甲烷在空气中燃烧、当甲烷浓度小于1.4%，或空气中氧气含量小于12%时燃烧就不会继续燃烧现象的发生需要三个基本条件和一个附加条件，称为燃烧三角。四个条件中取出任何一个燃烧也不可能发生，这就是灭火的根本依据,链反应自燃理论,对大多数碳氢化合物与空气的反应过程来说，根据热着火理论理论可以进行合理的解释，但也有很多现象不能解释，例如氢与氧反应的三个爆炸极限。链反应理论认为，在体系的反应过程中，可出现某些不稳定的活性中间物质，通常称之为链载体。只要这种链载体不消失，反应就一直进行下去，直到反应结束。,链反应自燃理论,链反应的基本阶段链引发在反应过程中产生活性基团的过程要使反应物分子原来的较稳定的化学链断裂需要很大的能量，因此链引发是比较困难的。链传递为了使反应延续下去，在活性基团与反应物分子发生反应的同时，还需要继续生成新的活性基团，这一过程称为链传递链传递是链反应的主体阶段。链终止当活性基团与某种性质的器壁碰撞，或与其它类型的基团或分子碰撞后可以失去能量，从而成为稳定分子，其结果是反应停止根据链反应理论，反应的自动加速并不一定单纯依靠热量的积累，通过链反应逐渐积累活性基团的方式也能使反应自动加速，直至着火,链反应自燃理论,链反应的分类直链反应和支链反应直链反应中，每消耗一个活性基团同时又生成一个活性基团，直到链终止在链传递过程中，活性基团的数目保持不变。氢与氯的反应是一种直链反应链引发链传递链终止,链反应自燃理论,支链反应是指一个活性基团在链传递过程中，除了生成最终产物外，还将产生两个或两个以上的活性基团，即活性基团的数目在反应过程中是逐渐增加的。氢与氧的反应就是一种支链反应链引发链传递链终止随着反应的进行，H原子的数目不断增多，因此支链反应是不断加速的,链反应自燃理论,链反应的着火条件分析设在链引发阶段，活性基团的生成速率为W1，在链传递阶段，活性基团增长速度为W2，在链终止阶段，活性基团的销毁速度为W3。活性基团浓度n越大，发生反应的机会越多，可认为W2正比于n，并写为W2fn，f为活性基团的生成速率常数。同时，n越大，发生碰撞机会也越多，销毁速度W3增加，即W3正比于n，写为W3gn，g为链终止过程中活性基团销毁速度常数。由于分支过程是由稳定分子分解成活性基团的过程，需要吸收能量，因此温度对f影响很大，温度升高，f值增大，W2也随着增大。链传递过程中因分支链引起的活性基团增长速度W2在活性基团数目增长中起决定作用。由于链终止反应是合成反应，不需吸收能量，链终止的反应随温度的升高而降低,g下降。,链反应自燃理论,在整个链锁反应中，活性基团数目随时间的变化率为令fg，则有当系统的温度较低时，W2很小，W3很大，可能出现fgW3，即0，活性基团数目将随时间加速增加，从而使系统发生着火。0是着火的临界条件，与此对应的温度可近似取为自燃温度,热点燃理论,绝大部分可燃物的着火是通过点燃实现的，而着火首先是从气相物质着火开始的。点火源的性质对着火过程有着重要影响。若点火源提供的是热能，则通过升高可燃混合气的温度来实现着火；若点火源能够提供一些活性基团，也有利于促成着火，不过生成活性基团通常需要有足够高的温度为基础,热点燃理论,设某系统中起初存在某种温度为0可燃混合气，这种可燃混合气具有一定的临界着火温度Tc。然后将一温度为Tw的灼热质点送入混合气中。由于两者存在温差，质点的热量便以导热的形式传给邻近的气体。Tw和Tc可能有以下三种关系TwTc0,Tc,T0,热点燃理论,如果送入点火区域的热质点是个孤立质点，即它除了本身携带的能量外而无其它能量补充，它将会由于散热损失使其温度逐渐降低。同时在刚刚达到临界着火温度时，化学反应速率还不够大。因而为使点火成功，热质点的温度应当高于混合气的临界着火温度；在反应区的气体中存在可燃气组分的浓度梯度，只要发生化学反应，质点附近的反应物就会有所消耗，即可燃组分的浓度降低。这样就造成该混合气的着火临界温度有所升高，因而讨论点火温度时还应考虑反应物浓度的变化；当热质点与环境气流间存在相对速度时，其周围的边界层将变薄，层内的温度梯度将变大，热损失亦增多，从而使点燃难度增大。就是说，当两者的相对速度增大时，临界着火温度也会相应升高,灭火分析,降低系统内的可燃物或氧气浓度隔离灭火：在反应区内减少与消除可燃物可以使系统灭火，当反应区的可燃气浓度降低到一定限度，燃烧过程便无法维持。将未燃物与已燃物分隔开来是中断了可燃物向燃烧区的供应，将可燃气体和液体关闭阀门、将可燃、易燃物搬走等都是中断可燃物的方法窒息灭火：降低反应区的氧气浓度，限制氧气的供应也是灭火的基本手段。当反应区的氧浓度约低于15后，火灾燃烧一般就很难进行。用不燃或难燃的物质盖住燃烧物，就可断绝空气向反应区的供应,灭