3.2 第二节可燃气体的燃烧过程和燃烧形式

《消防燃烧学》教案序号3.2课题第三章第二节可燃气体的燃烧过程和燃烧形式课时2课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解可燃气体燃烧过程的两个阶段（与氧化剂接触混合的物理阶段、着火或爆炸的剧烈氧化还原反应阶段），理解可燃气体燃烧速率大于固体、液体及组成简单气体燃烧速率快的原因；2.掌握可燃气体燃烧的两种形式——扩散燃烧和预混燃烧的定义、主要特征及区别；3.理解扩散燃烧中层流扩散燃烧与湍流扩散燃烧的区别及相互转变（雷诺系数Re的影响），理解预混燃烧中层流与湍流状态的相互转化；4.掌握气体泄漏燃烧的特征及爆炸性混合气体的三种后果（脱火吹熄、稳定火焰、回火）及火焰捕捉器的作用。本节是《消防燃烧学》第三章"可燃气体的燃烧"中的第二节。上一节学习了气体的特性，本节进一步学习可燃气体的燃烧过程和燃烧形式。可燃气体的燃烧形式（扩散燃烧、预混燃烧）直接决定了火焰特征、燃烧速度和爆炸危险性，是理解燃气火灾、爆燃、回火等消防实际问题的基础。对于消防救援人员而言，掌握燃烧形式有助于判断火灾性质、评估爆炸危险、正确选择处置措施。【过程与方法】1.通过可燃气体燃烧过程的分析，理解气体燃烧无需相变过程、燃烧速率大的原因；2.通过扩散燃烧与预混燃烧的对比分析，掌握两种燃烧形式的定义、特征及区别；3.结合层流/湍流扩散燃烧、预混燃烧的相互转化分析，理解气体流动状态对燃烧的影响；4.通过爆炸性混合气体三种后果（脱火吹熄、稳定火焰、回火）的分析，理解燃烧器工作安全及火焰捕捉器的作用。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识可燃气体燃烧形式与火灾爆炸危险性的关系，理解液化石油气泄漏爆燃、化工装置湍流预混燃烧破坏等实际危害，树立安全用气、防范爆炸的意识，增强消防救援人员的职业责任感和应急处置能力。（二）教学要求1.识记可燃气体燃烧过程的两个阶段，理解气体燃烧速率大的原因；2.掌握扩散燃烧、预混燃烧的定义和主要特征；3.理解层流与湍流扩散燃烧、预混燃烧的区别及相互转化；4.掌握气体泄漏燃烧的特征、爆炸性混合气体的三种后果及火焰捕捉器的作用。二、教学重点1.可燃气体燃烧过程的两个阶段及燃烧速率大的原因；2.扩散燃烧与预混燃烧的定义和主要特征；3.爆炸性混合气体的三种后果（脱火吹熄、稳定火焰、回火）及火焰捕捉器的作用。三、教学难点1.层流扩散燃烧与湍流扩散燃烧的区别及相互转变（雷诺系数Re的影响）；2.预混燃烧中层流与湍流状态的相互转化；3.气体泄漏速度与燃烧速度三种关系（脱火吹熄、稳定火焰、回火）的区分。四、教学方法与手段本节教学内容以可燃气体的燃烧过程和燃烧形式为主，无表格、无插图，公式1处（雷诺系数Re）。教学应注重燃烧过程的分阶段讲解、两种燃烧形式的对比分析和实际案例的引用。授课全过程使用PPT课件，将燃烧过程示意、扩散燃烧与预混燃烧对比清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合家用燃气灶、液化石油气泄漏爆燃、化工装置爆炸等实际案例帮助学员理解燃烧形式的区别和危害。教学中注重理论联系实际：扩散燃烧对应家用燃气灶、锅炉窑炉等正常用火；预混燃烧对应液化石油气泄漏爆燃等危险情况。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么家用燃气灶火焰较长""为什么液化气泄漏遇火会爆燃""回火有何危害"），启发学员思考，将燃烧形式知识应用于消防安全实践。五、教学过程设计首先，回顾上节气体的特性，引入可燃气体的燃烧过程和燃烧形式；其次，讲解可燃气体燃烧过程的两个阶段；再次，讲解可燃气体燃烧的两种形式——扩散燃烧和预混燃烧（含层流与湍流）；第四，讲解气体泄漏燃烧及爆炸性混合气体的三种后果；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了气体的特性（流动扩散性、可压缩性液化性、受热膨胀性）。从本节课开始，我们进入第三章第二节——可燃气体的燃烧过程和燃烧形式。可燃气体的燃烧过程有哪些阶段？燃烧形式有哪几种？为什么家用燃气灶火焰较长，而液化气泄漏遇火会爆燃成火球？带着这些问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第三章可燃气体的燃烧【板书】第二节可燃气体的燃烧过程和燃烧形式【板书】一、可燃气体燃烧过程【讲解】可燃气体的燃烧，必须经过与氧化剂接触、混合的物理阶段和着火（或爆炸）的剧烈氧化还原反应阶段。【讲解】由于化学组成不同，各种可燃气体的燃烧过程和燃烧速率也不同。通常情况下，可燃气体的燃烧过程如下：【板书】由于可燃气体燃烧不需要像固体、液体那样要经过熔化、分解、蒸发等相变过程，而在常温常压下就可以按任意比例和氧化剂相互扩散混合，形成可燃的预混气体，当达到一定浓度后，遇点火源即可发生燃烧，因此可燃气体的燃烧速率通常大于固体、液体。【讲解】组成单一、结构简单的气体（如氢气）燃烧只需经过受热、氧化过程，而复杂的气体要经过受热、分解、氧化等过程才能开始燃烧，因此，组成简单的可燃气体通常比复杂的可燃气体燃烧速率快。【讲解】从理论上讲，可燃气体在达到化学计量浓度时燃烧最充分，火焰传播速率可达到最大值。【提问】请同学们思考：为什么可燃气体的燃烧速率通常大于固体、液体？【讲解】因为可燃气体燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化、分解、蒸发等相变过程，常温常压下就能按任意比例和氧化剂相互扩散混合，形成可燃预混气体，达到一定浓度遇点火源即可燃烧。而固体、液体燃烧需先熔化、分解、蒸发等相变，过程较慢，故气体燃烧速率通常大于固体、液体。【板书】二、可燃气体燃烧形式【讲解】按照燃烧反应物进入反应区燃烧前是否混合，气体的燃烧方式一般分为扩散燃烧和预混燃烧两种形式。【板书】（一）扩散燃烧【讲解】扩散燃烧是人们在实际生产和生活中所认识和应用最早的一种燃烧方式，如家用燃气灶、工业用的锅炉和各种窑炉中的燃气。【板书】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相互扩散，一边混合、一边燃烧的现象，一般为稳定燃烧。【讲解】扩散燃烧可以是单相的，也可以是多相的，但只有气体燃料的燃烧是单相的。扩散燃烧的主要特征表现为下面两点：【板书】1．混合扩散因素起着控制作用。燃料与空气中的氧进行化学反应所需要的时间与通过混合扩散形成混合可燃气体所需要的时间相比，可以忽略不计，两个过程近似于同时进行。由于这种扩散控制的燃烧比较稳定，人们在生产、生活中的正常用火常采用这种方式。【板书】2．扩散火焰较长。扩散燃烧过程中，气体扩散多少就烧掉多少，火焰稳定在相对固定的气体扩散空间，而由于扩散过程存在浓度和温度的梯度，所以火焰会比较长，且温度的不同造成火焰不同区域颜色上存在差别。在扩散燃烧中，由于氧进入反应带只是部分参加反应，所以经常产生不完全燃烧的炭黑。【板书】1．层流扩散燃烧与湍流扩散燃烧【讲解】根据气体流动状态的不同，扩散燃烧又分为层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧。扩散燃烧的气体可能是相对稳定不动的，如容器中或飘散在空气中的气体，这种燃烧主要受传热和分子扩散的控制。但扩散燃烧的气体也可能是在空间、管道、喷嘴或泄漏孔处流动的，那么气体的流动状态就会对燃烧形成严重影响。【讲解】在层流状态下，气体与氧气的混合依靠分子扩散进行，其燃烧速度完全取决于气体扩散速度。在湍流状态下，由于大量气团的无规则运动，分子扩散得到强化，使得氧气进入反应带后完全参与反应，所以燃烧所需的时间会大大缩短，燃烧更充分。【板书】扩散火焰由层流状态过渡到湍流状态主要受气体的黏度、温度和雷诺系数Re的影响。一般绝热温度越高的火焰会在相对较高的Re下进入湍流状态；相反，绝热温度相对较低的火焰会在较低的Re下转变为湍流状态。【讲解】另外，由于气体流经的空间粗糙度和流经的物体形状和大小不同，扩散燃烧的火焰状态也会发生变化。所以，为了提高气体的燃烧效率，在工业和民用炉具的使用过程中要进行炉具喷嘴的设计并合理调节燃气和风量。【讲解】有学者采用不同尺寸的同心套管做成烧嘴，研究煤气和空气的燃烧现象时发现，当煤气流速增大时，火焰长度增大；空气喷出速度增大，则火焰长度变短。当煤气流速增大至Re=4500时，空气的喷出速度对火焰长度的影响则比较小。这是因为此时已不再是层流扩散燃烧，而演变成湍流扩散燃烧。【板书】（二）预混燃烧【讲解】预混燃烧也称动力燃烧，是指可燃气体与氧在燃烧之前混合，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，即通常所说的气体爆燃。【板书】这种火焰比较短，无明显轮廓。如液化石油气泄漏到空气中，长时间得不到疏散其浓度就会达到可以燃烧的范围，一旦遇到火源就会发生爆燃，像一个火球腾空而起。【讲解】预混燃烧的燃烧速度快，温度高，火焰传播速度快，通常会伴随有压力的升高而产生爆炸效应。【板书】预混燃烧也存在层流预混燃烧和湍流预混燃烧两种状态，而且两种燃烧状态也会相互转化。在开放空间以层流状态燃烧的火焰遇到障碍物时，其湍动程度加强，更容易进入湍流燃烧。【讲解】所以，当大型化工装置中弥散有大量可燃气体时，一旦遇到火源，燃烧很可能从初期的层流预混燃烧转变为湍流预混燃烧，燃烧速度加快引起更大程度上的破坏。【提问】请同学们思考：扩散燃烧与预混燃烧有何不同？为什么液化气泄漏遇火会爆燃成火球？【讲解】扩散燃烧是可燃气从喷口喷出，与空气中的氧边混合边燃烧，火焰较长、较稳定，混合扩散因素起控制作用，如家用燃气灶；预混燃烧是可燃气与氧在燃烧前已混合成一定浓度的可燃混合气体，被火源点燃，火焰短、无明显轮廓，燃烧速度快、温度高，伴随压力升高产生爆炸效应，如液化石油气泄漏到空气中达燃烧范围遇火即爆燃。两者区别在于燃烧反应物在进入反应区前是否已经混合。【板书】气体泄漏燃烧【讲解】气体泄漏燃烧指的是可燃性气体或液体蒸气从生产、使用、储存、运输等装置、设备、管线中泄漏引起的燃烧，兼具扩散燃烧和预混燃烧的特征。若泄漏气体为单纯的可燃气，则可化归到扩散燃烧一类，否则可划归到预混燃烧。【板书】爆炸性混合气体的几种后果【讲解】如果气体在系统中已形成爆炸性混合气体，则可能产生如下的几种后果。【板书】1．气体泄漏速度大于气体燃烧速度时，产生脱火和吹熄。【板书】2．气体泄漏速度等于气体燃烧速度时，产生稳定火焰。【板书】3．气体泄漏速度小于燃烧速度时产生回火。【讲解】脱火、吹熄和回火都属于不稳定现象，是燃烧器工作过程中所不允许出现的情况。【讲解】吹熄和脱火会造成燃气在燃烧室及其周围环境中累积，会有大量燃气与空气形成预混气体空间，在二次点燃时很可能发生快速的爆燃，严重时可能出现空间爆炸事故。【讲解】回火则可能造成火焰进入燃气供应和储存设备引起爆炸。【板书】回火临界速度与燃料种类、成分、温度及烧嘴口径等有关，可燃混合气的输送管道上必须设置防回火装置即火焰捕捉器。【提问】请同学们思考：为什么回火会造成火焰进入燃气供应和储存设备引起爆炸？火焰捕捉器有何作用？【讲解】回火是指气体泄漏速度小于燃烧速度时火焰进入燃烧器内部甚至回窜到燃气供应和储存设备。由于供应和储存设备内有大量燃气（甚至与空气形成爆炸性混合气），火焰进入会引起爆炸。火焰捕捉器（防回火装置）设置在可燃混合气的输送管道上，用于阻止火焰向供应储存设备方向回窜传播，从而防止回火爆炸。【板书】【思考题】【板书】1．根据可燃气体燃烧过程的控制因素不同，可燃气体的燃烧形式有哪几种？【板书】2．简述扩散燃烧与预混燃烧的特点。【板书】3．根据气体泄漏速率与燃烧速率的不同会产生哪几种后果？【板书】4．简述气体的层流状态燃烧与湍流状态燃烧是如何相互转换的？通过本次课，学员理解了可燃气体燃烧过程的两个阶段（与氧化剂接触混合的物理阶段、着火或爆炸的剧烈氧化还原反应阶段）及气体燃烧速率大的原因，掌握了可燃气体燃烧的两种形式——扩散燃烧和预混燃烧的定义、主要特征，理解了层流与湍流扩散燃烧、预混燃烧的区别及相互转化（雷诺系数Re），掌握了气体泄漏燃烧的特征及爆炸性混合气体的三种后果（脱火吹熄、稳定火焰、回火）及火焰捕捉器的作用。重点要求掌握扩散燃烧与预混燃烧的区别、爆炸性混合气体