火灾过程的基本参数及燃烧速度理论(精)

1、一、物质燃烧过程及其温度分布 所有火灾的主要和基本现象是燃烧，除组成、结构简单的可燃气体外，绝大多数可燃物质的燃烧不是其本身在燃烧，而是其受热分解释放出的气体或液体蒸气在气相中燃烧，这个过程极其复杂。为了简化问题，一般只考虑物质因受热而发生的最基本的燃烧过程。可燃物质的受热燃烧过程如图l-3所示。 图1-4 物燃烧过程温度分布图 图1-3 物质燃烧过程示意图一、物质燃烧过程及其温度分布一、物质燃烧过程及其温度分布* *二、火灾过程的基本参数二、火灾过程的基本参数 三、燃烧速度理论三、燃烧速度理论 由于可燃物质的聚集状态不同，其受热所发生的燃烧过程也不同。气体最容易燃烧，其燃烧所需的热量只用于自

2、身的氧化分解，并使其达到燃点而燃烧；固态和液态可燃物的燃烧，实际上是在固体和液体表面上的凝聚相中开始，在气相火焰中结束。液体燃烧时，在火源作用下，首先使其蒸发成蒸气，然后蒸气被氧化、分解，而后在气相中燃烧；在固体燃烧时，如果是硫、磷、萘等单质，它们首先受热熔化或升华，然后蒸发成蒸气，氧化后进行燃烧，其中没有分解过程。如果是复杂的化合物，如聚合物、木材、煤等在受热时首先分解，析出气态和液态产物，然后气态产物和液态产物的蒸气发生氧化后着火燃烧。 可燃物质的燃烧过程包括许多吸热和放热的化学过程以及传热的物理过程。物质受热燃烧，它的温度变化是很复杂的，燃烧过程的温度变化情况见图1-4。 A点的温度为T

3、A，是可燃物开始加热时的温度，在这最初阶段，外界提供加热的热量主要用于可燃物的熔化、蒸发和分解，可燃物温度上升缓慢。 B点的温度是TB，当可燃物达到TB温度时，在凝聚相开始氧化并放热，但由于温度尚低，故氧化速度较慢，氧化所产生的热量还不足以抵消体系向周围一、物质燃烧过程及其温度分布一、物质燃烧过程及其温度分布* *二、火灾过程的基本参数二、火灾过程的基本参数 三、燃烧速度理论三、燃烧速度理论环境散失的热量。此时若撤掉热源，可燃物将降低温度，燃烧不能发生；若继续在热的环境中加热，则因氧化反应速度逐步加快，使温度上升较快。 C点的温度为TC，当可燃物温度升高至TC时，可燃物氧化产生的热量和体系向环

4、境散失的热量相等，也就是说，在TC温度时体系产生的热量和向环境散失的热量达到干衡。若热源的温度稍有扰动，使体系的温度略高于TC，热平衡被打破，此时可燃物氧化产生的热量大于体系向环境散失的热量，体系产生热量积累，温度继续上升。因此TC为体系从不燃烧到燃烧的转折点，即为可燃物的燃点。 D点的温度为TD，当可燃物温度上升到TD时，可燃物已发生燃烧，同时出现火焰，且温度继续上升。 E点的温度为TE，此时是可燃物经燃烧后，其产物达到的最高温度。可燃物在TA和TB温度之间，是它的受热区域，在TB和TC温度之间是可燃物在凝聚相中的反应区域；在TC和TD温度之间是可燃物在气相中的反应区域；TD温度以后，可燃物

5、产生火焰，反应物变成了生成物，温度达到燃烧最高温度TE。一、物质燃烧过程及其温度分布一、物质燃烧过程及其温度分布* *二、火灾过程的基本参数二、火灾过程的基本参数 三、燃烧速度理论三、燃烧速度理论 物质燃烧过程的种类和状况各种各样（如动力燃烧和扩散燃烧，均相燃烧和异相燃烧，层流燃烧和湍流燃烧，爆燃和爆轰，完全燃烧和不完全燃烧等），发生燃烧的条件各异（可燃物质的状态和布置，燃烧区的传质、传热等）。因此，火灾本身各不相同，需要对一些火灾参数进行研究和探讨。(一) 闪点、燃点、自燃点、热分解温度、氧指数 (为何只是固体的) 可燃固体的燃烧方式多种多样，有蒸发式燃烧、分解式燃烧、表面燃烧、阴燃及动力爆

6、炸。因固体燃烧特性比较复杂，反应可燃材料被点燃能力的指标因此就较多，主要有：1、闪点和燃点 某些低熔点的可燃固体发生闪燃的最低温度就是闪点；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。闪点和燃点是评价固体火灾危险性的重要参数。一般情况下，闪点和燃点越低，火灾危险性越大。表1-1、1-2分别列出了部分聚合物材料的闪点和燃点。一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论表1-1 部分聚合物材料的闪点表1-2 部分固体可燃物的燃点一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其

7、温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论材料名称 闪点() 材料名称 闪点() 聚苯乙烯聚乙烯乙烯纤维聚酰胺苯乙烯丙烯酸聚树脂 370340290420366 聚氯乙烯苯乙烯、异丁烯酸甲酯共聚物聚胺基甲酸乙酯泡沫聚酯、玻璃刚纤维密胺树脂+玻璃纤维530338310298475 物质名称燃点()物质名称燃点()物质名称燃点()石蜡蜡烛樟脑烟叶纸张 15819519070222130230 有机玻璃红磷松香无烟煤松木粉 260160216280500196 腈纶聚乙烯聚丙烯红松枞木 355341270430437 2、热分解温度 固体热分解温度指可

8、燃固体受热分解的初始温度，它是评定受热能分解的固体火灾危险性的主要参数之一。可燃固体的热分解温度越低，火灾危险性越大。表1-3列出了几种常用高聚物的分解温度。表1-3 几种常用高聚物的分解温度()一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论高聚物 分解温度 高聚物 高聚物 分解温度 高聚物 聚乙烯335450聚氟乙烯372480丁基橡胶5001050聚丙烯328410聚三氟氯乙烯347418丁苯橡胶400875聚氯乙烯200300聚四氟乙烯508538氯丁橡胶400875聚醋酸乙烯脂213325天然橡

9、胶400900聚丙烯腈250280聚苯乙烯 300400 丁二烯橡胶 4001000 尼龙6 310380 3、自燃点 可燃固体加热到一定程度能自动燃烧的最低温度，是自燃点。自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。不过固体材料做装饰材料使用时，一般是达不到其自燃点的。因而在这种情况下，不用自燃点作为确定其火灾危险性的依据。表1-4列出了一些高聚物材料的闪点和自燃点。表1-4 一些高聚物材料的闪点和自燃点() 一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论高聚物 闪点 自燃点 高聚物 闪点 自燃

10、点 聚乙烯341357349聚醚砜560560聚氯乙烯391454硝酸纤维素141141聚氯乙烯乙酸脂320340435557乙酸纤维素305475聚偏二氯乙烯532532乙基纤维素291296聚苯乙烯345360488496硬质聚氨酯泡沫塑料310416聚甲基丙烯酸甲脂280300450462羊毛200429聚碳酸脂 375467477580 木材220264260416聚酰胺 421 424 棉花 230266254 4、氧指数 所谓氧指数是在规定实验条件下，刚好维持物质燃烧时的混合气体中最低氧含量的体积分数。氧指数是评价各种物质相对燃烧性能的一种办法，氧指数越小的聚合物，燃烧时对氧气的需

11、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。氧指数的测定方法简单、易于实现，但测试结果并不能反映真实火灾条件下材料的火灾行为，因而不能作为评定实际使用条件下火灾危险性的依据。但作为判断材料（塑料,橡胶等）在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度非常有效，可以用来给材料的燃烧性难易分级，实验结果也可用于消防安全设计、消防审核、技术监督等。表1-5列出了一些常见聚合物材料的氧指数。表1-5 常见高分子材料的氧指数一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论材料名称 氧指数 材料名称 氧指数

12、材料名称 氧指数 聚碳酸酯聚缩醛聚环氧乙烷蜡烛聚氨脂泡沫棉花聚甲基丙烯酸甲酯聚乙烯2714.915.016.016.5161717.317.4聚苯乙烯聚丙烯腈滤纸聚丁二烯ABS棉（松散织物）聚亚酰胺PVC纤维17.618.318.019.018.218.318.318.818.541.037.1环氧树脂尼龙纤维聚乙烯醇氯化聚醚尼龙-6氯丁橡胶聚丙烯聚酯19.820.122.523.2252626.317.441.5 (二) 燃烧速度 可燃固体一旦被引燃，火焰就会在其表面或浅层传播。为维持稳定燃烧，体系得到的热量至少要等于体系向环境散失的热量。根据能量守恒定律，可以得到如下能量守恒方程式： (1

13、-1)将上式变形，可得到如下可燃固体的燃烧速度方程式： (1-2)式中：Gs为可燃固体重量燃烧速度，g/(m2.s)； 为固体表面面积上加热速率，kJ/(m2.s)； 为固体由表面向外界散失热量，kJ/(m2.s)；Lv为固体分解热，kJ/g； 为燃烧火焰供给固体表面热通量，kJ/(m2.s)。它由辐射热通量和对流热通量组成，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固体，如聚甲醛等外，在大面积（直径大于1m）的燃烧中，火焰向固体表面传热以辐射为主。表1-6为某些可燃固体在模拟实验条件下的 、 、Lv和Gs。 一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾

14、过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论VSlFELGQQQVlFEsLQQQGEQLQFQLQFQ表1-6 某些可燃固体在模拟实验条件下的 、 、Lv和Gs 一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论LQFQ可燃物 LV（kJ/g） (kW/m2) (kW/m2) GS(g/m2s) 纤维增强酚醛泡沫塑料(硬质)聚氯化甲烯(固体) (POM)聚乙烯(固体)聚碳酸酯(固体)聚丙烯(固体)(PP)木材聚苯乙烯(固体)(PS)纤维增强聚酯(玻璃纤维增强)酚醛塑料(固体)聚甲

15、基丙烯酸甲酯(固体)(PMMA)泡沫塑料(硬质) 3.3424.32.322.072.31.21.761.751.641.621.52 25.138.532.651.928.023.061.529.321.838.550.2 98.713.826.374.118.823.850.221.316.321.358.5 1116142514133517132433 LQFQ假如在点燃后撤去外部提供给固体表面的热通量，可燃固体的燃烧速度可由下式计算： (1-3)如果，即外部提供的能量完全用于平衡热损失，则得到的燃烧速度为理想燃烧速度，即： (1-4)在实际火灾中，由于 ，所以实际上是固体在稳定燃烧时所

16、能达到的最大燃烧速度。一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数* *三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论vLFsLQQGVFsLQG、理想LFQQ 在很多情况下，人们对燃烧速度、热释放速率和影响燃烧反应的因素很感兴趣。为讨论问题方便，引入反应速率的概念。假设可燃物A和氧化剂B在一定条件下发生反应，生成产物为M和N，同时释放的热量为Q。 (1-5) 反应的快慢可以用可燃物或氧化剂的消耗速率表示，也可以用燃烧产物的生成速率来表示。 (1-6) 且各速率间存在如下关系： (1-7) 上式中的数值是唯一的，通常称为系统反应速率，用来衡量燃烧反应的

17、快慢。根据质量作用定律，如果上述反应是基元反应，即反应物分子碰撞后可以不转化为产物分子，则反应速率可用下式表示： (1-8) K为反应速度常数，与温度和反应的活化能有关；a、b称反应浓度指数，二者之和称为反应级数。 一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论* *nNmMbBaAdtdCAAdtdCBBdtdCMMdtdCNNnmbaNMBAbBaACKC 温度对反应速度的影响集中在反应速度常数K上，Arrhenius提出了反应速度常数K和温度的关系： (1-9) E活为反应活化能，R为气体常数，Ko称为

18、频率因子，其值等于碰撞频率与概率因子的乘积。 将上式代入式（1-8）得： (1-10) 燃烧反应为非基元反应，但其反应速度可用类似方程表示： (1-11) Kos称表观燃烧反应速度常数；E活为燃烧反应的表观活化能，均可通过实验得出。对于一般碳氢化合物的燃烧，xy1。因此，燃烧反应速度与可燃物和氧化剂浓度有关。增大反应物浓度或升高温度，燃烧反应都增大。这可用反应分子碰撞理论解释：浓度越大，单位体积内反应物分子数目越多，单位时间内分子间碰撞次数越多；温度升高后，处于“激发”状态的活性分子的份量增多，有效碰撞的数目增加。一、一、物质燃烧过程及其温度分布物质燃烧过程及其温度分布二、二、火灾过程的基本参数火灾过程的基本参数三、三、燃烧速度理论燃烧速度理论* *RTEoeKK活RTEbBaAoeCCK活RTEyBxAoseCCK活 Kos称表观燃烧反应速度常数；E活为燃烧反应的表观活化能，均可通过实验得出。对于一般碳氢化合物的燃烧，xy1。因此，燃烧反应速度与可燃物和氧化剂浓度有关。增大反应物浓度或升高温度，燃烧反应都增大。这可用反应分子碰撞理论解释：浓度越大，单位体积内反应物分子数目越多，单位时间内分子间碰撞次数越多；温度升高后，处于“激发”状态的活性分子的份量增多，有效碰撞的数目增加。 燃烧物理学研究的