5.3 第三节 可燃固体的燃烧速率

《消防燃烧学》教案序号5.3课题第五章第三节可燃固体的燃烧速率课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.掌握固体燃烧速率的两种表示方法：质量燃烧速率（式5-1、式5-2、表5-2）和直线燃烧速率（式5-3、式5-4、表5-3）；2.掌握固体燃烧速率的主要影响因素（9个）：固体的理化性质与结构、氧指数、固体比表面积、水分及不燃介质含量、固体物质的密度和热容、火灾荷载密度、燃烧方向、空气流（风速）、阻燃剂；3.掌握氧指数的概念、计算（式5-5）及按氧指数对固体材料的分类（不燃、难燃、可燃、易燃）；4.能识读表5-2、表5-3、表5-4数据及图5-3固体表面不同倾角的火焰蔓延。本节是《消防燃烧学》第五章"可燃固体的燃烧"中的第三节。上一节学习了可燃固体的燃烧过程和燃烧形式。固体燃烧速率是表征固体火灾发展快慢的重要参数，掌握固体燃烧速率的表示方法和影响因素，对于扑救固体火灾、估算火势发展、选择阻燃措施具有重要意义。【过程与方法】1.通过质量燃烧速率（式5-1、式5-2）和直线燃烧速率（式5-3、式5-4）公式的讲解，掌握固体燃烧速率的表示方法；2.通过表5-2、表5-3、表5-4数据的识读，比较不同固体材料燃烧速率的差异；3.通过氧指数概念、计算（式5-5）及分类标准的讲解，掌握氧指数评价固体材料燃烧性能的方法；4.通过9个影响因素的分析，掌握各因素对固体燃烧速率的作用规律；5.通过图5-3固体表面不同倾角火焰蔓延的识读，理解燃烧方向对燃烧速率的影响；6.通过思考题的计算练习（质量燃烧速率、氧指数），巩固燃烧速率的计算。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识固体燃烧速率的影响因素及其对火灾发展的作用。理解氧指数评价材料燃烧性能、火灾荷载密度影响火势发展、阻燃剂降低燃烧速率的规律，结合比表面积增大（刨花、锯木屑粉尘爆炸）、悬挂衣物火势蔓延等实际，增强消防安全意识，培养消防救援人员科学评估火势、选择阻燃措施、扑救固体火灾的专业素养。（二）教学要求1.识记质量燃烧速率、直线燃烧速率、氧指数的概念；2.掌握式5-1、式5-2、式5-3、式5-4、式5-5的计算及各参数含义；3.掌握固体燃烧速率的9个影响因素；4.能识读表5-2、表5-3、表5-4及图5-3。二、教学重点1.固体燃烧速率的两种表示方法（质量燃烧速率、直线燃烧速率）；2.氧指数的概念、计算（式5-5）及按氧指数的材料分类；3.固体燃烧速率的主要影响因素（9个）。三、教学难点1.质量燃烧速率（式5-1、式5-2）和直线燃烧速率（式5-3、式5-4）的计算运用；2.氧指数（式5-5）的计算及按氧指数的材料分类（A/B1/B2/B3）；3.燃烧方向对燃烧速率的影响机理（图5-3，火焰同向/逆向传播）；4.空气流对燃烧速率的双重影响（增大传热但风速过大会熄灭）。四、教学方法与手段本节教学内容以可燃固体的燃烧速率为主，插图1张（图5-3固体表面不同倾角的火焰蔓延），数据表3个（表5-2一些可燃性固体物质的质量燃烧速率、表5-3部分纤维试样的直线燃烧速率、表5-4部分材料的氧指数），公式5个（式5-1、式5-2、式5-3、式5-4、式5-5）。教学应注重燃烧速率两种表示方法的讲解、9个影响因素的分组分析、氧指数的计算和图表数据的识读。授课全过程使用PPT课件，将燃烧速率公式、图5-3、表5-2~表5-4清晰展示；采用讲授法与启发式教学相结合，通过思考题计算练习帮助学员掌握燃烧速率和氧指数的计算。教学中注重理论联系实际：固体燃烧速率直接用于评估火势发展和选择阻燃措施。例如比表面积增大（大块木材变为小块、薄片、刨花、锯木屑粉尘）会使燃烧速率加快甚至发生粉尘爆炸；氧指数高的材料燃烧性能差（如聚四氟乙烯氧指数>95%为不燃材料）；阻燃剂处理使材料氧指数升高、燃烧速率降低；火灾荷载密度大的场所火势发展快。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么氧指数高的材料燃烧速率慢""为什么锯木屑粉尘有爆炸危险""为什么风速过大会使火焰熄灭""为什么竖直向上燃烧速率最快"），启发学员思考，将燃烧速率知识应用于消防实践。五、教学过程设计首先，从固体燃烧速率的表示方法引入，讲解质量燃烧速率（式5-1、式5-2、表5-2）和直线燃烧速率（式5-3、式5-4、表5-3）；其次，讲解固体燃烧速率的主要影响因素（固体的理化性质与结构、氧指数式5-5表5-4、固体比表面积、水分及不燃介质含量、固体物质的密度和热容、火灾荷载密度、燃烧方向图5-3、空气流风速、阻燃剂）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了可燃固体的燃烧过程和燃烧形式。固体燃烧速率是表征固体火灾发展快慢的重要参数。固体燃烧速率常用直线燃烧速率和质量燃烧速率来表示，它受多种因素影响。掌握固体燃烧速率的表示方法和影响因素，对于扑救固体火灾、估算火势发展、选择阻燃措施具有重要意义。（二）阐述、分析、推导【板书】第五章可燃固体的燃烧【板书】第三节可燃固体的燃烧速率【板书】一、固体燃烧速率的表示方法【讲解】固体燃烧速率是指在一定条件下固体物质燃烧的快慢。它受多种因素影响，常用直线燃烧速率和质量燃烧速率来表示。【板书】（一）质量燃烧速率【讲解】固体的质量燃烧速率，是指一定条件下可燃性固体在单位时间和单位面积上烧掉的质量。用G表示，单位是kg/m2·h，其计算公式如下：【板书】式（5-1）G=（m0－m）/（S·t）【讲解】式中：m0—燃烧前的固体质量（kg）；m—燃烧后的固体质量（kg）；t—燃烧时间（h）；S—固体的燃烧面积（m2）。【讲解】对于高聚物合成材料的质量燃烧速率，则可用下列公式估算：【板书】式（5-2）G=（0.7Q）/ΔH【讲解】式中：G—高聚物的质量燃烧速率（kg/m2·s）；Q—火焰等供给固体的热量（kJ/m2·s）；ΔH—高聚物降解气化热（kJ/kg）。【讲解】表5-2列举了一些可燃性固体的质量燃烧速率。这些数值是在一定条件下的"称量实验室"中测定的。试样分别为：2cm厚的木板和板条、10~30kg块状的天然橡胶、厚2~15mm的布质电胶木板条、仪器壳等废品上的酚醛塑料、报纸、生产废棉花。【板书】（二）直线燃烧速率【讲解】固体的直线燃烧速率，是指一定条件下可燃性固体在单位时间内烧掉的厚度。用v表示，单位是mm/min，可用以下近似公式计算。【板书】1．木材直线燃烧速率（v）【板书】式（5-3）v=A×（T/100－2.5）×√t【讲解】式中：v—直线燃烧平均速率（mm/min）；T—木材表面的加热温度（℃）；t—燃烧时间（min）；A—燃烧参数，杉木为1.0，松木为0.78。【板书】2．一般固体物质的直线燃烧速率（v）【板书】式（5-4）v=L/t【讲解】式中：v—直线燃烧平均速率（mm/min）；L—试样的燃烧厚度或长度（mm）；t—试样被点燃后的燃烧时间（min）。【讲解】部分纤维试样的直线燃烧速率见表5-3。【提问】请同学们思考：质量燃烧速率和直线燃烧速率有何区别？如何计算？【讲解】质量燃烧速率是单位时间和单位面积上烧掉的质量（G=(m0−m)/(S·t)）；直线燃烧速率是单位时间内烧掉的厚度（v=L/t）。二者从不同角度表征固体燃烧的快慢。【板书】二、固体燃烧速率的主要影响因素【板书】1．固体的理化性质与结构【讲解】固体的熔化、蒸发、分解、化合等理化特性是决定固体燃烧速率的内部原因。在相同外界条件下，固体物质的化学活性越强（易分解或易化合），那么它的燃烧速率越快，反之则慢。【讲解】如同为金属晶体，主族金属元素K、Na等在空气中发生较快速的蒸发燃烧，而副族元素Fe、Cu及其合金则在高温下也只能发生缓慢的表面燃烧；红磷与白磷晶体结构不同，白磷35℃即可自燃且燃速很快，红磷则需加热到260℃才发生自燃，燃速也小于白磷。【讲解】从表5-3中列举的部分纤维试样的直线燃烧速率也可看出，同是纤维材料，但是它们的燃速也不一样，一般是：天然植物纤维＞动物纤维；熔融人造纤维＞非熔融人造纤维。【板书】2．氧指数【讲解】固体的燃烧速率与氧指数有关。氧指数（OI）又称临界氧浓度或极限氧浓度，它是指在规定条件下，试样在氧气、氮气混合气流中，维持平稳有焰燃烧所需要的最低氧气浓度，以氧气所占的体积百分比来表示。表5-4列举了部分材料的氧指数。【讲解】氧指数是表征固体物质燃烧难易程度的重要参数，试样的值越大，说明该材料的燃烧性能越差，其燃烧速率就越慢；试样的值越小，说明该材料的燃烧性能越好，其燃烧速率就越快。【讲解】因此，氧指数是评价固体材料燃烧性能的一个重要指标，通常以之为依据将固体材料进行分类：氧指数（OI）＞50%的为不燃材料（A级）；50%≥OI＞27%的为难燃材料（B1级）；27%≥OI＞22%的为可燃材料（B2级）；OI≤22%的为易燃材料（B3级）。【讲解】氧指数（OI）可按下列公式来计算：【板书】式（5-5）OI=［V（O2）/（V（O2）＋V（N2））］×100%【讲解】式中：V（O2）—氧气流量（L/min）；V（N2）—氮气流量（L/min）。【讲解】试验证明，用水或其他阻燃剂处理过的材料，其氧指数会升高，因此燃烧速率会减慢。【板书】3．固体比表面积【讲解】比表面积是指物质的表面积与质量的比值。固体物质比表面积越大，可燃物与空气接触面越大，燃烧速率越快。如大块木材燃烧速率都很慢，而一旦成为小块、薄片、刨花，比表面积增大，氧化作用越容易，燃烧速率也就越快；如果成锯木屑粉尘状，比表面积更大，则能发生粉尘爆炸的危险；市场商铺中的大量衣物织品展开悬挂叫卖，也增大了可燃物的比表面积，一旦失火，火势即可迅速蔓延。【板书】4．水分及不燃介质含量【讲解】固体中或表面的水分、泥土等介质可看成是阻燃剂，它们的含量越多，固体的氧指数越大，其燃速越慢；反之亦然。例如干木材较湿木材易燃；含煤矸石多的煤炭比含煤矸石少的煤炭燃得慢等。【板书】5．固体物质的密度和热容【讲解】燃烧速率与固体密度的平方成反比，因此固体的密度越大，燃烧速率越小；而热容大，导热性差的物质，燃烧速率也小。例如在相同实验条件下，让密度分别为0.35t/m3、0.45t/m3、0.62t/m3的木材燃烧，3min时，测得试样的质量损失率分别是40%、30%、20%；而4min时，测得它们的质量损失率分别是60%、40%、30%。【板书】6．火灾荷载密度【讲解】火灾荷载是指某一空间内所有物质（包括装修、装饰材料）的燃烧总热值。火灾荷载密度是指单位火场面积上的火灾荷载。一般住宅楼的火灾荷载密度约35~60kg/m2。火灾荷载密度大，则火场放热速率高，从而使燃烧速率加快。以木材为例，实验测得火灾荷载密度为25kg/m2时，其平均燃烧速率为50kg/m2·h；而火灾荷载密度增加到50kg/m2·h时，其平均燃烧速率为52kg/m2·h。【板书】7．燃烧方向【讲解】固体可以在任何方向的表面上燃烧，这一点与液体不同。燃烧过程中，未燃物获得的热量主要靠火焰和烟气供给，因此，火焰的蔓延速度及方向对固体燃烧速率有直接影响。【讲解】从热解气与氧气的混合及燃烧产物的扩散角度分析，固体呈竖直燃烧时，火焰向上传播速率最快，而且火焰和产物烟气向上扩散会包裹上方的可燃物，使其未燃部分能获得更多热量，预热升温高，热解加剧，使燃烧速率加快；反之，在竖直向下方向，因火焰下方的可燃物获得的热量最少，所以，在竖直向下方向的燃烧速率最小；在水平方向上，未燃物获得的热量介于竖直向上与竖直向下情形之间，燃烧速率也介于这两者之间。【讲解】图5-3展示了厚固体表面不同倾角的火焰蔓延情况。从图中注意到：火焰传播方向相对于未燃固体而言，（a）、（b）、（c）情形，火焰呈同向传播；（d）、（e）情形，火焰呈逆向传播。此图示中固体的燃烧速率大小顺序为：Ve＞Vd＞Vc＞Vb＞Va。【板书】8．空气流（风速）【讲解】固体物质发生燃烧过程中，外界的空气流（风）会增加可燃材料表面氧气的供给。风可使火焰倾斜，增强了向前倾部分未燃材料表面的传热速率，一定风力范围内，风速越大，固体的燃烧速率就越快。随着风力的加强，固体燃烧速率将按指数关系增加，但当风速增加到某一临界值时，固体表面热损失远大于加速燃烧的放热量，致使降温至固体燃点以下，反而会使火焰熄灭，燃烧停止。【板书】9．阻燃剂【讲解】可燃性固体用阻燃剂处理后，其氧指数会升高，燃烧性能明显减弱，可使易燃材料变成难燃材料或不燃材料；有的仅炭化而不着火、不冒烟；有的虽炭化、着火或发烟，而一旦离开火源，则可自动熄灭，难以延烧，致使燃烧速率降低。【提问】请同学们思考：影响固体燃烧速率的因素主要有哪些？为什么锯木屑粉尘有爆炸危险？【讲解】影响固体燃烧速率的因素主要有：固体的理化性质与结构、氧指数、固体比表面积、水分及不燃介质含量、固体物质的密度和热容、火灾荷载密度、燃烧方向、空气流（风速）、阻燃剂。锯木屑粉尘比表面积大，可燃物与空气接触面大，氧化作用容易，燃烧速率快，甚至发生粉尘爆炸。【板书】【思考题】【板书】1．已知100kg某木材燃烧4min后，其单位面积上的质量损失率为60%，试求该木材的平均质量燃烧速率？【板书】2．影响固体燃烧速率的因素主要有哪些？【板书】3．在氧指数测定实验中，已知某试样的O2流量是5.0L/min、N2流量是15.0L/min，该