可燃固体的燃烧

可燃固体的燃烧第1页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（一）蒸发燃烧（二）表面燃烧（三）分解燃烧（四）熏烟燃烧（阴燃）（五）轰燃（六）异相和同相燃烧第2页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（一）蒸发燃烧火源加热——熔融蒸发——着火燃烧（关键阶段）例如：硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香、沥青等火源加热——升华——着火燃烧例如：樟脑、萘等第3页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（二）表面燃烧在可燃固体表面上，由氧和物质直接作用而发生的燃烧现象。例如：木炭、焦炭、铁、铜等（三）分解燃烧火源加热——热分解——着火燃烧（关键阶段）

例如：木材、煤、合成塑料、钙塑材料等第4页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（四）熏烟燃烧（阴燃）定义：某些物质在堆积或空气不足的条件下发生的只冒烟而无火焰的燃烧现象。例如：纸张、锯末、纤维织物、纤维素板、胶乳橡胶以及某些多孔热固性塑料等第5页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（五）轰燃定义：可燃固体析出的可燃挥发份遇火源所发生的爆炸式燃烧。分类：粉尘爆炸、炸药爆炸、轰燃等例如：赛璐珞、聚氨酯等第6页/共76页一、固体燃烧的形式（六）异相和同相燃烧异相燃烧（非均相）：可燃物与氧化剂处于固、气两种不同状态时的燃烧现象。同相燃烧（均相）：可燃物与氧化剂都处于气相状态时的燃烧现象。第一节固体燃烧概述第7页/共76页第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式（一）蒸发燃烧（二）表面燃烧（三）分解燃烧（四）熏烟燃烧（阴燃）（五）轰燃（六）异相和同相燃烧第8页/共76页二、评定固体火灾危险性的参数（一）熔点、闪点和燃点（二）热分解温度（三）自燃点（四）比表面积（五）氧指数第一节固体燃烧概述第9页/共76页二、评定固体火灾危险性的参数（一）熔点、闪点和燃点（二）热分解温度可燃固体受热发生分解的初始温度。第一节固体燃烧概述几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系固体名称热分解温度(oC)燃点(oC)固体名称热分解温度(oC)燃点(oC)硝化棉40180棉花120210赛璐珞90~100150~180木材150250~295麻107150~200蚕丝235250~300第10页/共76页二、评定固体火灾危险性的参数（三）自燃点第一节固体燃烧概述常见高分子物质的自燃点物质名称自燃点(oC)物质名称自燃点(oC)物质名称自燃点(oC)棉花255聚乙烯349聚酰胺424报纸230聚氯乙烯454醋酸纤维素475白松260有机玻璃450~462硝酸纤维素141第11页/共76页二、评定固体火灾危险性的参数（四）比表面积（五）氧指数定义：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。第一节固体燃烧概述易燃难燃高难燃(不燃)氧指数范围＜2222~27＞27第12页/共76页二、评定固体火灾危险性的参数（一）熔点、闪点和燃点（二）热分解温度（三）自燃点（四）比表面积（五）氧指数第一节固体燃烧概述第13页/共76页第二节固体着火燃烧理论一、固体引燃条件和引燃时间二、固体火焰传播理论三、固体着火和燃烧的影响因素（一）外界火源或外加热源（二）固体材料的性质

（三）固体材料的形状尺寸及表面位置

（四）外加环境因素第14页/共76页第二节固体着火燃烧理论三、固体着火和燃烧的影响因素（一）外界火源或外加热源点火源必须处于可燃挥发份的气流之内才能使固体引燃。加热速率越大，固体越容易被引燃。第15页/共76页第二节固体着火燃烧理论三、固体着火和燃烧的影响因素（一）外界火源或外加热源（二）固体材料的性质熔点热分解温度气化热（LV）燃烧热热惯性（kρc）第16页/共76页第二节固体着火燃烧理论三、固体着火和燃烧的影响因素（一）外界火源或外加热源（二）固体材料的性质

（三）固体材料的形状尺寸及表面位置比表面积大，增大与氧气接触机会，容易点燃；薄物体表面导热能力强，比厚物体容易着火燃烧。相同材料、相同外界条件，位置不同引起燃烧速度的不同。第17页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（三）固体材料的形状尺寸及表面位置第18页/共76页第二节固体着火燃烧理论三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素1、风速2、压力3、氧浓度4、环境温度第19页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素1、风速00.21.010风速(m/s)104.01.00.4火焰传播速度(mm/s)第20页/共76页第21页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素2、压力0101001000压力(KPa)100101.0火焰传播速度(mm/s)第22页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素3、氧浓度火焰传播速度(mm/s)100%O262%O246%O200.21.010风速(m/s)104.01.00.4第23页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素3、氧浓度0101001000压力(KPa)100101.0火焰传播速度(mm/s)100%O262%O246%O2第24页/共76页三、固体着火和燃烧的影响因素（四）外加环境因素4、环境温度

10102103104预热时间(s)101.00.10.01火焰传播速度(mm/s)0kW/m28kW/m213kW/m219kW/m2第25页/共76页第二节固体着火燃烧理论一、固体引燃条件和引燃时间二、固体火焰传播理论三、固体着火和燃烧的影响因素（一）外界火源或外加热源（二）固体材料的性质

（三）固体材料的形状尺寸及表面位置

（四）外加环境因素第26页/共76页第三节几类典型固体的燃烧一、高聚物的燃烧二、木材的燃烧三、煤的燃烧四、金属的燃烧第27页/共76页第三节几类典型固体的燃烧一、高聚物的燃烧（一）三大常见高聚物塑料、橡胶、纤维（二）高聚物的燃烧过程热软化熔融、热分解、着火燃烧（三）高聚物燃烧的普遍特点1、发热量较高、燃烧速度较快2、发烟量较大、能见度降低3、燃烧（或分解）产物的危害性大第28页/共76页一、高聚物的燃烧（四）不同类型高聚物燃烧的特点1、只含C和H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CO气体。2、含有O的高聚物如有机玻璃、赛璐璐等

易燃且猛烈，火焰呈黄色，燃烧时变软，无熔滴，并产生有毒的CO气体。3、含有N的高聚物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CO、氧化氮有毒气体和HCN剧毒气体。第29页/共76页一、高聚物的燃烧（四）不同类型高聚物燃烧的特点4、含有Cl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，产生HCl气体，有毒且溶于水有腐蚀性。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HF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。第30页/共76页第三节几类典型固体的燃烧一、高聚物的燃烧（五）影响因素1、热源温度

扩散速度、热量的散失速度2、物质的理化特性

热容、导热系数3、环境氧浓度第31页/共76页第三节几类典型固体的燃烧二、木材燃烧（一）木材的组成木材组成成分纤维素半纤维素木质素分解温度范围200~260oC240~350oC280~500oC木材组成元素C、O、H、N第32页/共76页第三节几类典型固体的燃烧二、木材燃烧（二）木材的燃烧过程加热温度现象110oC干燥、蒸发出少量树脂130oC开始分解出水汽、CO2220~250oC变色碳化，分解出CO、H2、碳氢化合物300oC以上有形结构开始断裂，直至“龟裂”，剧烈热分解第33页/共76页二、木材燃烧（三）木材的燃烧特点1、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、氧含量减少，碳含量增加。2、无焰燃烧阶段即木炭的表面燃烧。木材表面生成的炭处于灼热状态，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扩散，其中在有焰燃烧阶段燃烧时间短、火势扩展快。第34页/共76页第35页/共76页二、木材燃烧（四）木材燃烧的影响因素1、纹理影响2、密度3、含水量4、比表面积5、木垛燃烧速度第36页/共76页二、木材燃烧（四）木材燃烧的影响因素1、纹理影响平行于纹理方向上的导热性大约是垂直于纹理方向上的2倍；平行于纹理方向上的透气性大约是垂直于纹理方向上的103倍；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。第37页/共76页二、木材燃烧（四）木材燃烧的影响因素2、密度密度较大的木材，导热性能较好，挥发份较难析出，燃烧速度较慢。3、含水量含水量较多的木材，燃烧速度较慢原因一：水蒸发消耗大量的热原因二：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。第38页/共76页（四）木材燃烧的影响因素木材密度的影响1－ρ＝350kg/m3；2－ρ＝540kg/m3；3－ρ＝620kg/m3100024681020806040132时间(min)重量损失(%)第39页/共76页（四）木材燃烧的影响因素1－枞树ρ＝550kg/m3；2－橡树ρ＝700kg/m3；3－山毛榉ρ＝720kg/m3051015202520100806040水分(%)燃烧时重量损失(%)132木材含水量的影响第40页/共76页二、木材燃烧（四）木材燃烧的影响因素4、比表面积比表面积越大的木材，单位体积的木材暴露在空比气中的面积越大，且受热时析出的挥发份越多，因此燃烧速度越快。第41页/共76页0481216时间(min)80604020实验中重量损失(%)1×1cm21.5×1.52×22.5×2.54×4第42页/共76页第三节几类典型固体的燃烧一、高聚物的燃烧二、木材的燃烧三、煤的燃烧四、金属的燃烧第43页/共76页第三节几类典型固体的燃烧三、煤的燃烧（一）煤的组成泥煤褐煤烟煤无烟煤C60~7070~8080~9090~98H5~65~64~51~3O25~3515~255~151~3N1~31.3~1.51.2~1.70.2~1.3S0.3~0.60.2~3.50.4~30.4煤种含量%元素第44页/共76页分类外观形成年代泥煤也称散煤，形成年代较短，煤质较差，开采出来之后，一经震动，便会成为散碎小块，燃烧后煤灰呈黄褐色，如同泥土一般，故称泥煤褐煤黑色、褐色之固体，易裂开成鳞片状、块状或粉状，韧度微弱至致密强韧，钝至无光泽，具平滑或贝壳状断口烟煤煤质优良，颜色墨亮，燃烧性强，具有低灰、低硫、低磷，发热量高的特点无烟煤也称镜煤，又称煨炭，颜色黑亮如镜，燃烧时间长，烟很小第45页/共76页第三节几类典型固体的燃烧三、煤的燃烧（二）煤的燃烧过程加热温度现象105oC析出吸留气体和水分200~300oC软化成塑性状态，析出CO、CO2、CO4300~550oC析出煤焦油、不饱和烃、CH4、CO、CO2500~750oC半焦分解，析出含H较多气体760~1000oC半焦变成高温焦炭，析出少量以H为主的气体第46页/共76页第三节几类典型固体的燃烧三、煤的燃烧（三）煤的燃烧特点煤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。第47页/共76页三、煤的燃烧（四）煤燃烧的影响因素1、热分解挥发份：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。2、灰分（尤其内在灰分）对燃烧过程的影响：燃烧温度＜灰的软化温度，焦炭粒外表面会形成一层逐渐增厚的灰壳；燃烧温度＞灰的熔化温度，焦炭粒表面不能形成灰壳，并且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。第48页/共76页三、煤的燃烧（四）煤燃烧的影响因素3、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因素影响。4、水分含量对煤燃烧的影响水能与CO在较高温度下反应，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。第49页/共76页第三节几类典型固体的燃烧一、高聚物的燃烧二、木材三、煤的燃烧四、金属的燃烧第50页/共76页第三节几类典型固体的燃烧四、金属的燃烧（一）金属的分类1、挥发金属例如：Li、Na、K、Mg、Ca等2、不挥发金属例如：Al、Ti、Zr等第51页/共76页挥发金属与不挥发金属燃烧性质比较挥发金属不挥发金属燃烧方式熔融蒸发式燃烧气、固两相燃烧沸点与其对应氧化物熔点关系沸点低于其氧化物的熔点沸点高于其氧化物的熔点氧化物存在形式多孔性金属氧化物层状金属氧化物燃烧难易程度空气中可燃空气中难燃纯氧中可燃四、金属的燃烧（二）金属的燃烧性质

第52页/共76页挥发金属及其氧化物的性质金属熔点(oC)沸点燃点氧化物熔点(oC)沸点Li1791370190Li2O16102500Na98883114Na2O9201277K6476069K2O5271477Mg6511107623MgO28003600Ca8511482550CaO25853527不挥发金属及其氧化物的性质金属熔点(oC)沸点燃点氧化物熔点(oC)沸点Al66025001000Al2O320503527Ti16773277300TiO218554227ZrrO226874927第53页/共76页第三节几类典型固体的燃烧四、金属的燃烧（三）金属燃烧的普遍特征1、燃烧难易程度与比表面积关系极大2、燃烧热值大，燃烧温度高3、高温燃烧的金属性质活泼4、某些金属燃烧时火焰具有特征颜色第54页/共76页第三节几类典型固体的燃烧四、金属的燃烧（三）金属燃烧的普遍特征1、燃烧难易程度与比表面积关系极大

块状、薄带状、粉尘状2、燃烧热值大，燃烧温度高金属燃烧热是普通燃料的5~20倍，镁燃烧火焰温度高达3000oC。

第55页/共76页四、金属的燃烧（三）金属燃烧的普遍特征3、高温燃烧的金属性质活泼高温金属可与CO2、卤素及其化合物、N2、H2O等发生反应，使燃烧更剧烈。2Mg+CO2Mg+Cl24Na+CCl42Ca+N22K+2H2O2MgO+CMgCl24NaCl4+C2CaN2KOH+H2燃烧温度下第56页/共76页第三节几类典型固体的燃烧四、金属的燃烧（三）金属燃烧的普遍特征

4、某些金属燃烧时火焰具有特征颜色金属名称KCaBaNaSrCuMgLiRu火焰颜色浅紫砖红绿黄红蓝白紫红紫第57页/共76页第四节固体阴燃阴燃定义：某些物质在堆积或空气不足的条件下发生的只冒烟而无火焰的燃烧现象。例如：纸张、锯末、纤维织物、纤维素板、胶乳橡胶以及某些多孔热固性塑料等第58页/共76页第四节固体的阴燃一、阴燃发生的条件（一）内在原因一些材料受热分解后能产生刚性结构的多孔炭，从而具备多孔蓄热和大面积吸附氧气。添加剂有助于阴燃发生LiCl、LiOH、NaCl、NaOH……FeCl2、FeSO4、FeCl3、AgNO3、CsCl等等抑制阴燃发生S、SbCl3、CaCl2、CuCl2、ZnCl2、CaCl2·2H2O、AlCl3·6H2O等等第59页/共76页第四节固体的阴燃一、阴燃发生的条件（二）外在原因具有一个供热强度适宜的热源供热强度过小，固体无法着火供热强度过大，固体发生有焰燃烧常见引起阴燃的热源：1、自燃固体堆垛内的阴燃多是自燃的结果，堆积固体的自燃特征是在堆垛内部以阴燃反应开始燃烧，缓慢向外传播，直到在堆垛表面转变成有焰燃烧。2、阴燃本身第60页/共76页第四节固体的阴燃常见引起阴燃的热源：

3、有焰燃烧火焰熄灭后的阴燃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，那里仍处在炽热状态，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，火焰就会熄灭，接着固体燃烧以阴燃形式存在。4、不对称加热，固体内部的热点等，也可能引起阴燃。第61页/共76页热解区炭化区残余区二、阴燃的传播理论（一）阴燃的结构传播方向烟原始纤维素纤维素变色区黑色炭灼热炭残余灰/炭纤维素棒沿水平方向阴燃示意图第62页/共76页区域I：热解区。在该区内温度急剧上升，并且从原始材料中挥发出烟。相同的固体材料，在阴燃中产生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。。第63页/共76页温度升高到最大值。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、炭化过程，要求温度大于250～300℃。区域II：炭化区。在该区中，炭的表面发生氧化并放热，传播方向烟原始纤维素纤维素变色区黑色炭灼热炭残余灰/炭第64页/共76页二、阴燃的传播理论（二）阴燃的传播机理区域Ⅲ：残余灰/炭区。在该区中燃烧不再进行，温度缓慢下降。第65页/共76页第四节固体的阴燃三、阴燃发生的影响因素（一）固体材料的性质和尺寸（二）外加空气流（风）速度（三）阴燃的传播方向（四）双元材料体系的阴燃（五）其他因素的影响第66页/共76页第四节固体的阴燃三、阴燃发生的影响因素（一）固体材料的性质和尺寸1、质地松软、细微、杂质少的材料（例如棉花）阴燃性能好原因：保温性能和隔热性能好，热量不容易散失。2、单一材料其尺寸（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、粒径和密度两个方面说明。第67页/共76页三、阴燃发生的影响因素（一）固体材料的性质和尺寸2、单一材料

厚度厚度减小，阴燃传播速度先增大后减小原因：厚度太大，空