2020年消防实务教材精讲-燃烧

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2020年消防实务教材精讲-燃烧

第一节 燃烧的本质与条件

燃烧的定义:可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和(或)发烟现象。

发光的气相燃烧区就是火焰,它是燃烧过程中最明显的标志。

由于燃烧不完全等原因,燃烧产物中会产生一些小颗粒,这样就形成了烟。

多数可燃物质的燃烧是在蒸气或气体的状态下进行的,而有的固体物质则不能成为气态,其燃烧只发生氧气与固体表面的氧化还原反应。这种只发生在固体表面的燃烧称为无焰燃烧。松散多孔的固体可燃物常常伴有无焰燃烧,如焦炭、香火、香烟等。发生在蒸气或气体状态下的燃烧称为有焰燃烧。

气体、液体只会发生有焰燃烧;容易热解、升华或融化蒸发的固体主要为有焰燃烧。

一、燃烧条件

燃烧的发生和发展,必须具备三个必要条件,即可燃物、助燃物和引火源,通常称为燃烧三要素。

(一)可燃物

能与空气中的氧气或其他氧化剂起化学反应,并形成燃烧的物质,称为可燃物,如木材、氢气、汽油、煤炭、纸张、硫等。按化学组成划分,可燃物可分为无机可燃物和有机可燃物两大类;按所处的状态划分,可燃物又可分为可燃固体、可燃液体和可燃气体三大类。

(二)助燃物

与可燃物结合能导致和支持燃烧的氧化剂,称为助燃物。普通的燃烧在空气中进行,助燃物是空气中的氧气。

在一定条件下,不同可燃物在空气中发生燃烧,均有最低氧含量的要求。需要指出的是,其他如氟、氯等氧化剂也

可以作为助燃物。虽然它们在空气中几乎不以单质形式存在,但会存在于实验过程和化工生产中。

(三)引火源

使物质开始燃烧的外部热源(能源)称为引火源。常见的引火源有明火焰、电弧、电火花、炽热物体、高温加热、化学反应热、雷击等。引发可燃物燃烧的引火源有最低能量的要求,但对于不同可燃物、不同燃烧形式和在不同环境下,各类引火源导致燃烧的最低能量差异较大且难以测量。通常,最小点火能仅针对一定条件下的可燃气体、蒸气和粉尘而言。燃烧发生时,上述三个条件必须同时具备,用着火三角形来表示(如图1-1-1所示)。

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但要导致燃烧的发生,不仅需要满足三要素共存的条件,而且必须保证可燃物与助燃物混合浓度处于一定范围之内,同时,点火能量也必须超过一定值,即三者达到一着火三角形定量的要求,并且存在相互作用的过程。因此,燃烧发生的充要条件可表述为:具备足够数量或浓度的可燃物;具备足够数量或浓度的助燃物;具备足够能量的引火源;上述三者相互作用。

二、燃烧的链式反应理论

自由基的链式反应是燃烧反应的实质,光和热是燃烧过程中的物理现象,对于多数有焰燃烧而言,其燃烧过程中存在未受抑制的自由基作为中间体。因此,可以用着火四面体(如图1-1-2所示)来表示有焰燃烧的四个条件,即可燃物、助燃物、引火源和链式反应自由基,分别对应图1-1-2中四面体的四个面

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第二节 燃烧类型及其特点

一、按燃烧发生瞬间的特点分类

按照燃烧形成的条件和发生瞬间的特点,燃烧可分为着火和爆炸。

( 一)着火

可燃物在与空气共存的条件下,当达到某一温度时,与引火源接触即能引起燃烧,并在引火源离开后仍能持续燃烧,这种持续燃烧的现象叫着火。着火就是燃烧的开始,并且以岀现火焰为特征。着火是日常生活中常见的燃烧现象。可燃物的着火方式一般分为下列两类:

1.点燃(或称强迫着火)可燃混合气因受外加点火热源加热,引发局部火焰,并相继发生火焰传播至整个可燃混合物的现象称点燃或称强迫着火。点火热源通常可以是电热线圈、电火花、炽热体和点火火焰等。

2.自燃

可燃物质在没有外部火源的作用时,因受热或自身发热并蓄热所产生的燃烧,称为自燃。即物质在无外界引火源条件下,由于其本身内部所发生的生物、物理或化学变化而产生热量并积蓄,使温度不断上升而自然燃烧的现象。

自燃点是指可燃物发生自燃的最低温度。( 1 ) 化学自燃。这类着火现象通常不需要外界加热,而是在常温下依据自身的化学反应发生的,因此习惯上称为化学自燃。例如,火柴受摩擦而着火, 炸药受撞击而爆炸,金属钠在空气中自燃,煤炭因堆积过高而自燃等。

( 2 ) 热自燃。如果将可燃物和氧化剂的混合物预先均匀地加热,随着温度的升高,当混合物加热到某一温度时便会自动着火(这时着火发生在混合物的整个容积中),这种着火方式习惯上称为热自燃。

( 二)爆炸

爆炸是指物质由一种状态迅速地转变成另一种状态,并在瞬间以机械功的形式释放出巨大的能量,或是气体、蒸气在瞬间发生剧烈膨胀等现象。爆炸最重要的一个特征是爆炸点周围发生剧烈的压力突变,这种压力突变就是爆炸产生破坏作用的原因。作为燃烧类型之一的爆炸主要是指化学爆炸。

二、按燃烧物形态分类

可燃物质受热后,因其聚集状态的不同而发生不同的变化。按燃烧物形态划分,燃烧分为气体燃烧、液体燃烧和固体燃烧。可燃物质的性质、状态不同,燃烧的特点也不同。

( 一)气体燃烧

相对于固体、液体,可燃气体一般更容易燃烧且燃烧速度更快。

1.气体的扩散燃烧

气体的扩散燃烧即可燃气体与氧化剂互相扩散,边混合边燃烧,如家用煤气燃烧。在扩散燃烧中,可燃气体与空气或氧气的混合是靠气体的扩散作用来实现的,混合过程要比燃烧反应过程慢得多,燃烧过程处于扩散区域内,整个燃烧速度的快慢由物理混合速度决定。扩散燃烧的特点为:燃烧比较稳定,火焰温度相对较低,扩散火焰不运动,可燃气体与气体氧化剂的混合在可燃气体喷口进行,燃烧过程不发生回火现象(火焰缩入火孔内部的现象)。

2.气体的预混燃烧

气体的预混燃烧是指可燃气体预先同空气(或氧气)混合,遇引火源产生带有冲击力的燃烧,如氧乙炔焊。

预混燃烧的特点为:燃烧反应快,温度高,火焰传播速度快,反应混合气体不扩散。预混气体从管口喷出发生动力燃烧,若流速大于燃烧速度,则在管中形成稳定的燃烧火焰,燃烧充分,燃烧速度快,燃烧区呈高温白炽状,如汽灯的燃烧;若可燃混合气体在管口流速小于燃烧速度,则会发生“回火”,如制气系统检修前不进行置换就烧焊,燃气系统于开车前不进行吹扫就点火, 用气系统产生负压“回火”或漏气未被发现而用火时,往往形成动力燃烧,有可能造成设备损坏和人员伤亡。

( 二)液体燃烧

液体燃烧的特点主要体现在其燃烧过程及特殊的燃烧现象。

1.液体燃烧过程

液体可燃物燃烧时,火焰并不紧贴在液面上,而是在空间的某个位置。这表明在燃烧之前,液体可燃物先蒸发形成可燃蒸气,可燃蒸气发生扩散并与空气掺混形成可燃混合气,着火燃烧后在空间某处形成火焰。液体可燃物能否发生燃烧与液体的蒸气压、闪点、沸点和蒸发速率等参数密切相关,燃烧速率的快慢与液体可燃物的燃点和化学活性密切相关。

2.不同类别液体燃烧特征

可燃液态烃类(液态烃泛指在常温常压下为液态的烃类。炼油行业有时专指液化石油气。烃类化合物是碳氢化合物的统称,是由碳与氢原子所构成的化合物,主要包含烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃。烃类均不溶于水。衍生物众多)燃烧时,通常产生橘色火焰并散发浓密的黑色烟云。醇类燃烧时,通常产生透明的蓝色火焰,几乎不产生烟雾。某些醚类燃烧时,液体表面伴有明显的沸腾状,这类物质的火灾较难扑灭。

3.液体燃烧的特殊现象

(1)闪燃。闪燃是指可燃性液体挥发岀来的蒸气与空气混合达到一定的浓度或者可燃性固体加热到一定温度后,遇明火发生一闪即灭的燃烧。发生闪燃的原因是易燃或可燃液体在闪燃温度下蒸发的速度比较慢,蒸发出来的蒸气仅能维持一刹那的燃烧,来不及补充新的蒸气维持稳定的燃烧,因而一闪就灭了。闪燃是引起火灾事故的先兆之一。闪点则是指易燃或可燃液体表面产生闪燃的最低温度。

(2)沸溢。含有水分、黏度较大的重质石油产品,如原油、重油、沥青油等燃烧时,其中的水汽化不易挥发形成膨胀气体使液面沸腾,沸腾的水蒸气带着燃烧的油向空中飞溅,这种现象称为沸溢(扬沸和喷溅)。以原油为例,其黏度比较大,并且含有一定的水分,以乳化水和水垫两种形式存在。乳化水是原油在开采运输过程中,原油中的水由于强力搅拌成细小的水珠悬浮于油中而成。放置久后,油水分离,水因密度大而沉降在底部形成水垫。燃烧过程中,这些沸程较宽的重质油品产生热波,在热波向液体深层运动时,由于温度远高于水的沸点,因而热波会使油品中的乳化水汽化,大量的蒸汽就要穿过油层向液面上浮,在向上移动过程中形成油包气的气泡,即油的一部分形成了含有大量蒸汽气泡的泡沫。这必然使液体体积膨胀,向外溢出,同时部分未形成泡沫的油品也被下面的蒸汽膨胀力抛出罐外,使液面猛烈沸腾起来,这种现象就是沸溢。通常,将含水并在燃烧时可产生热波作用的油品称为沸溢性油品。上述沸溢过程说明,沸溢形成必须具备三个条件:

1 ) 原油具有形成热波的特性,即沸程宽,密度相差较大。

2 ) 原油中含有乳化水,水遇热波变成蒸汽。

3 ) 原油黏度较大,使水蒸气不容易从下向上穿过油层。

(3)喷溅。在重质油品燃烧过程中,随着热波温度的逐渐升高,热波向下传播的距离也不断加大。当热波达到水垫时,水垫的水大量蒸发,蒸汽体积迅速膨胀,以至把水垫上面的液体层抛向空中,向罐外喷射,这种现象叫喷溅。一般情况下,发生沸溢要比发生喷溅的时间早得多。

( 三 )固体燃烧

根据各类可燃固体的燃烧方式和燃烧特性,固体燃烧的形式大致可分为四种,其燃烧各有特点。

1.蒸发燃烧

硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香等可燃固体熔点较低,在受到火源加热时,先熔融蒸发,随后蒸气与氧气发生燃烧反应,这种形式的燃烧一般称为蒸发燃烧。樟脑、萘等易升华物质,在燃烧时不经过熔融过程,但其燃烧现象也可看作是一种蒸发燃烧。

2.表面燃烧

木炭、焦炭、铁、铜等可燃固体的燃烧,会在其表面由氧和物质直接作用而发生的,称为表面燃烧。这是一种无火焰的燃烧,有时又称为异相燃烧。

3.分解燃烧

可燃固体在受到火源加热时,先发生热解、气化反应,随后分解出的可燃性气体与氧气发生燃烧反应,形成气相火焰,这种形式的燃烧一般称为分解燃烧。如木材、草、棉花、煤等,以及人工合成物质,如橡胶、塑料、纺织品等,都能发生分解燃烧。

4.阴燃

可燃固体在空气不流通、加热温度较低、分解出的可燃挥发分较少或逸散较快、含水分较多等条件下,往往发生只冒烟而无火焰的燃烧现象,这就是熏烟燃烧,又称阴燃。阴燃是固体材料特有的燃烧形式,但其能否发生主要取决于固体材料自身的理化性质及其所处的外部环境。很多固体材料(如纸张、锯末、纤维织物、胶乳橡胶等)都能发生阴燃。这是因为这些材料受热分解后能产生刚性结构的多孔炭,从而具备多孔蓄热并持续燃烧的条件。

阴燃的发生需要有一个供热强度适宜的热源,通常有自燃热源、阴燃本身的热源和有焰燃烧火焰熄灭后的热源等。阴燃在一定条件下也会转化为明火,转化的过程与可燃物种类、状态、尺寸和外界条件有关。

需要指出的是,上述各种燃烧形式的划分不是绝对的,有些可燃固体的燃烧往往包含两种或两种以上的形式。例如,在适当的外界条件下木材、棉、麻、纸张等的燃烧会明显地存在分解燃烧、阴燃、表面燃烧等形式。

三、按可燃物与助燃物混合方式分类

按照可燃物与助燃物在燃烧前是否接触、充分混合,有焰燃烧可分为扩散燃烧和预混燃烧。

(一)扩散燃烧

可燃物与助燃物分子在进入燃烧反应区之前没有充分接触、混合的燃烧称为扩散燃烧。家用煤气燃烧,固体燃烧、可燃液体液面燃烧等是最常见的扩散燃烧。扩散燃烧过程主要受扩散混合过程控制。

(二)预混燃烧

可燃物与助燃物分子在进入燃烧反应区之前已经相互接触,充分混合的燃烧称为预混燃烧。密闭空间内,可燃气体泄漏与空气混合后遇点火源发生的爆炸,属于预混燃烧。预混燃烧过程主要受反应动力学控制。

四、燃烧性能参数

不同形态物质的燃烧各有特点,通常根据不同燃烧类型,用不同的燃烧性能参数分别衡量不同可燃物的燃烧特性。例如,可燃液体火灾危险性主要评价指标是闪点、自燃点,可燃固体火灾危险性主要评价指标是燃点、自燃点,可燃气体则以自燃点、爆炸极限和最小点火能(见本篇第三章)作为火灾危险性评价指标。这里主要介绍闪点、燃点和自燃点。

(一) 闪点

1.闪点的定义

闪点是指在规定的试验条件下,可燃性液体或固体表面产生的蒸气在试验火焰作用下发生闪燃的最低温度。

2.闪点的意义

闪点是可燃性液体性质的主要标志之一,是衡量液体火灾危险性大小的重要参数。闪点越低,火灾危险性越大;反之则越小。闪点与可燃性液体的饱和蒸气压有关,饱和蒸气压越高,闪点越低。在一定条件下,当液体的温度高于其闪点时,液体随时有可能被引火源引燃或发生自燃;若液体的温度低于闪点,则液体不会发生闪燃,更不会着火。几种常见易燃或可燃液体的闪点见下表。

几种常见易燃或可燃液体的闪点 (单位:℃)

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3.闪点在消防上的应用

闪点是判断液体火灾危险性大小及对可燃性液体进行分类的主要依据。可燃性液体的闪点越低,其火灾危险性也越大。例如,汽油的闪点为-50℃,煤油的闪点为38~74℃ ,显然汽油的火灾危险性就比煤油大。根据闪点的高低,可以确定生产、加工、储存可燃性液体场所的火灾危险性类别:

闪点<28℃的为甲类;

28℃≤闪点<60℃的为乙类;

闪点≥60℃的为丙类

(二 )燃点

1.燃点的定义

在规定的试验条件下,物质在外部引火源作用下表面起火并持续燃烧一定时间所需的最低温度,称为燃点。

2.常见可燃物的燃点

在一定条件下, 物质的燃点越低,越易着火。几种常见可燃物的燃点见下表

几种常见可燃物的燃点 (单位:℃)

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3.燃点与闪点的关系

易燃液体的燃点一般比其闪点高1~5℃ ,并且闪点越低,这一差值越小,特别是在敞开的容器中很难将闪点和燃点区分开来。因此,一般用闪点评定易燃液体火灾危险性大小,用燃点衡量固体的火灾危险性大小。

(三)自燃点

1.自燃点的定义

在规定的条件下,可燃物质产生自燃的最低温度称为自燃点。在这一温度时,物质与空气( 氧)接触,不需要明火的作用就能发生燃烧。

2.常见可燃物的自燃点

自燃点是衡量可燃物质受热升温导致自燃危险的依据。可燃物的自燃点越低,发生自燃的危险性就越大。几种常见可燃物在空气中的自燃点见下表。

几种常见可燃物在空气中的自燃点 (单位:℃)

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3.影响自燃点变化的规律

不同的可燃物有不同的自燃点,同一种可燃物在不同的条件下自燃点也会发生变化。可燃物的自燃点越低,发生火灾的危险性就越大。

对于液体、气体可燃物,其自燃点受压力、氧浓度、催化、容器的材质和表面积与体积比等因素的影响。而固体可燃物的自燃点,则受受热熔融、挥发物的数量、固体的颗粒度、受热时间等因素的影响。

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