燃烧理论

1 燃烧与燃烧条件

①燃烧的定义及本质 燃烧是可燃物与助燃物(空气、氧气或其他氧化性物质)发生的一种发热、发光的剧烈氧化还原反应。失控的燃烧便酿成了火灾。燃烧的三个特征表现为放热、发光和生成新的物质。

从化学本质而言,一切燃烧反应均是氧化还原反应,因此参加反应的物质必含氧化剂和还原剂,即助燃物和可燃物。如一些单质(氧气、氯气),含高化学价元素的化合物(含氧酸及其盐)可作助燃物,许多金属、非金属单质和有机化学物可作可燃物。可燃物和助燃物发生燃烧反应,其产物有气、液、固三种形式。发生燃烧反应必须具有能源,明火、摩擦或撞击火花、静电火花、射线、高温、压缩升温化学反应热等都可作为点火能源。

②燃烧的必要条件 具备一定数量和浓度的可燃物和助燃物,以及具备一定能量的点火源,同时存在并发生相互作用,是引起燃烧的三个必要条件,即燃烧三要素。缺少其中任一个条件,燃烧便不会发生。所以,所有的防火措施都在于防止这三个条件同时存在,所有的灭火措施都在于消除其中的任一或多个条件。

可燃物、助燃物和点火源是燃烧的三个必要条件,即燃烧三要素,俗称“火三角”,其关系如图2-10所示。

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图2-10 火三角

2 燃烧过程 可燃物质可以是固体、液体或气体,绝大多数可燃物质的燃烧是在气体(或蒸气)状态下进行的,燃烧过程随可燃物质聚集状态的不同而不同。

①气体燃烧 气体最易燃烧,只要提供相应气体的最小点火能,便能着火燃烧。其燃烧形式分为两类:一类是可燃气体和空气或氧气预先混合成混合可燃气体的燃烧,称为混合燃烧,混合燃烧由于燃料分子已与氧分子充分混合,所以燃烧时速度很快,温度也高,通常混合气体的爆炸反应就属于这种类型;另一类就是将可燃气体,如煤气,直接由管道中放出点燃,在空气中燃烧,这时可燃气体分子与空气中的氧分子通过互相扩散,边混合边燃烧,这种燃烧称为扩散燃烧。

②液体燃烧 许多情况下并不是液体本身燃烧,而是在热源作用下由液体蒸发所产生的蒸气与氧气发生氧化、分解以至于着火燃烧,这种燃烧称为蒸发燃烧。

③固体燃烧 如果是简单固体可燃物质,如硫,在燃烧时先受热熔化(并有升华),继而蒸发生成蒸气而燃烧;而复杂固体可燃物质,如木材,燃烧时先是受热分解,生成气态和液态产物,然后气态和液态产物的蒸气再氧化燃烧,这种燃烧称为分解燃烧。

在火灾爆炸事故现场,可燃气体、液体、固体的燃烧通常不是孤立的,而是互相蔓延。扩散燃烧、混合燃烧、表面燃烧、蒸发燃烧、分解燃烧这五种燃烧形式间也是可以互相转化或者几种同时并发,一旦发生这种情况,往往会造成灾害性的后果。可燃物的燃烧过程,包括许多吸热和放热的化学过程以及传热的物理过程。物质受热燃烧时,温度变化是很复杂的,物质燃烧过程的温度变化大致情况见图2-11。

图2-11 物质燃烧过程的温度变化

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TA为可燃物开始加热时的温度,这时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。温度升到TB时,可燃物开始氧化,由于温度低,氧化速率不快,氧化所放出的热量不足以克服系统向外界的散热。此时如果停止加热,可燃物将降低温度,故而不能引起燃烧。如果继续加热,会使氧化反应加剧,温度快速上升。可燃物温度升到TC时,氧化产生的热量与系统向外界的散热相等,如果温度再升高一点,超过这种平衡状态,即使停止加热,温度亦能自行上升,因此TC即为可燃物的自燃点。温度升到TD,则可燃物燃烧起来,同时出现火焰。此时温度还会继续上升,达到温度TE。

3 燃烧类型 根据燃烧的起因不同,燃烧可分为闪燃、自燃和着火三类。

①闪燃 由于温度的影响,各种液体的表面空间都有一定量的蒸气存在,这些蒸气与空气混合后,一旦遇到点火源,会出现瞬间闪火而不能持续燃烧的现象称为闪燃。引起闪燃时的最低温度称为闪点。在闪点时,由于温度的影响,蒸气量一般很少,所以一闪就灭。但从消防角度来看,闪燃往往是要起火的先兆。可燃液体的闪点越低,越易起火,火灾危险性越大。表2-5给出的是部分可燃液体的闪点。

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表2-5 某些可燃液体的闪点

②自燃 可燃气体在助燃气体(如空气)中,在无外界明火的直接作用下,由于受热或自行发热能引燃并持续燃烧的现象称为自燃。在一定条件下,可燃物质产生自燃的最低温度称为自燃点,也称引燃温度。

在化工生产中,可燃物质接触高温表面、加热、烘烤、冲击、摩擦或自行氧化、分解、聚合、发酵等都会导致自燃的发生。表2-6给出的是部分可燃物质的自燃点。

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表2-6 某些可燃物质的自燃点

③着火 在有空气存在的环境中,可燃物质与明火接触能引起燃烧,并且在火源移去后能保持继续燃烧的现象称为着火。能引起着火的最低温度称为着火点或燃点,如木材的着火点为295℃。

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