1、1 燃烧化学基础1.1 燃烧本质和条件1.1.1 燃烧本质所谓燃烧，就是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象。燃烧区的温度很高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。从本质上说，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放
2、的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。1.1.2 燃烧条件及其在消防中的应用1.1.2.1 燃烧条件燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。1、可燃物（还原剂）不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为
3、可燃物，如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。2、助燃物（氧化剂）凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物，如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。3、点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源，统称为点火源，如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。上述三个条件通常被称为燃烧三要素。但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作用，燃烧也不一定发生。要发生燃烧还必须满足其它条件，如可燃物和助燃物有一定的数量和浓度，点火源有一定的温度和足够的热量等。燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，
4、通常称为着火三角形，如图 1-1（a）所示。经典的着火三角形一般足以说明燃烧得以发生和持续进行的原理。但是，根据燃烧的链锁反应理论，很多燃烧的发生都有持续的游离基（自由基）作“中间体” ，因此，着火三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体，如图 1-1（b）所示。可燃物燃烧助燃物点火源可燃物 游离基助燃物燃 烧点火源（a）着火三角形 （b）着火四面体图 1-1 着火三角形和着火四面体1.1.2.2 燃烧条件在消防中的应用掌握发生燃烧的条件，就可以了解预防和控制火灾的基本原理。所谓火灾，是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。根据着火三角形，可以提出以下
5、防火方法：1、控制可燃物在可能的情况下，用难燃或不燃材料代替易燃材料；对工厂易产生可燃气体的地方，可采取通风；在森林中采用防火隔离林等。2、隔绝空气涉及易燃易爆物质的生产过程，应在密闭设备中进行；对有异常危险的，要充入惰性介质保护；隔绝空气储存某些物质等。3、消除点火源在易产生可燃性气体场所，应采用防爆电器；同时禁止一切火种等。根据着火三角形，可以提出以下灭火方法：1、隔离法将尚未燃烧的可燃物移走，使其与正在燃烧的可燃物分开；断绝可燃物来源等，燃烧区得不到足够的可燃物就会熄灭。2、窒息法用不燃或难燃物捂住燃烧物质表面；用水蒸气或惰性气体灌注着火的容器；密闭起火的建筑物的空洞等，使燃烧区得不到足
6、够的氧气而熄灭。3、冷却法用水等降低燃烧区的温度，当其低于可燃物的燃点时，燃烧就会停止。着火四面体为另一种灭火方法抑制法提供了理论依据，这种方法的原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而使燃烧反应终止。根据燃烧的条件，防火和灭火最根本的原理是防止燃烧条件的形成和破坏已形成的燃烧条件。1.2 燃烧空气量的计算我们知道，空气中含有近 21%（23.2% 重量）的氧气，一般可燃物在其中遇点火源就能燃烧。空气量或者氧气量不足时，可燃物就不能燃烧或者正在进行的燃烧将会逐渐熄灭。空气需要量作为燃烧反应的基本参数，表示一定量可燃物燃烧所需要的空气
7、质量或者体积。其计算是在可燃物完全燃烧的条件下进行的。1.2.1 理论空气量理论空气量是指单位量的燃料完全燃烧所需要的最少的空气量，通常也称为理论空气需要量。此时，燃料中的可燃物与空气中的氧完全反应，得到完全氧化的产物。1.2.1.1 固体和液体可燃物的理论空气需要量一般情况下，对于固体和液体可燃物，习惯上用质量百分数表示其组成，其成分为：（1-%10%WASNOHC1）式中，C、H、O、N、S 、A 和 W 分别表示可燃物中碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分的质量百分数，其中，C、 H 和 S 是可燃成分；N、A 和 W 是不可燃成分；O 是助燃成分。计算理论空气量，应该首先计算燃料中可燃元素（
8、碳、氢、硫等）完全燃烧所需要的氧气量。因此，要依据这些元素完全燃烧的计量方程式，例如完全燃烧的总体方程如下： 2CO（1-H142） 2S假定计算中涉及的气体是理想气体，即 1000 mol 气体在标准状态下的体积为 22.4 m3，则所需氧气的体积为（m 3） （1-2,0 104.)32412(2 OSHCVO3）因此，每 1kg 可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为（m 3） （1-21.0,OairV4）例 1-1：求 5kg 木材完全燃烧所需要的理论空气量。已知木材的质量百分数组分为：C43%，H7%，O41%，N 2% ，W 6% ，A 1%。解：依据上述有关公式，燃烧 1kg 此木
9、材所需理论氧气体积为2,0 104.)32412(2 OSCV（m 3）9172因此，燃烧 5kg 此木材所需理论空气体积为 21.67（m 3）521.0,OairV.91.2.1.2 气体可燃物的理论空气量对于气体可燃物，习惯上用体积百分数表示其组成，其成分为（1-%10%2222 OHNCOSHCHCOmn5）式中 CO、H 2、C nHm、H 2S、CO 2、O 2、N 2、H 2O 分别表示气态可燃物中各相应成分的体积百分数。C nHm 表示碳氢化合物的通式，它可能是 CH4、C 2H2 等可燃气体。根据可燃物完全燃烧的反应方程式，如下21O 221223SS OmnOmn 22)4
10、(从以上反应方程式可以得出：完全燃烧 1mol 的 CO 需要 1/2mol 的 O2，根据理想气体状态方程，则燃烧 1m3CO 需要 1/2m3O2。同理，完全燃烧 1m3H2、H 2S、C nHm 分别需要1/2m3、3/2m 3、 （n+m/4 ）m 3 的 O2，因此，每 1m3 可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为（m 3） （1-2,0 10)4(12 CnSHCVmnO6）每 1m3 可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为（m 3）22,0,0 10)4(31276.41.2 OHnSOmnOair例 1-2：求 1m3 焦炉煤气燃烧所需要的理论空气量。已知焦炉煤气的体积百分数组成为：
11、CO 6.8%，H 257%， CH422.5% ，C 2H43.7%， CO22.3% ，N 24.7%，H 2O3%。解：由碳氢化合物通式得 1.567.345.414 mn因此，完全燃烧 1m3 这种煤气所需理论空气体积为 22,0,0 0)(3276.1.2 OHCmnSHCOV nOair3218.40.5671841.2.2 实际空气量和过量空气系数在实际燃烧过程中，供应的空气量往往不等于燃烧所需要的理论空气量。实际供给的空气量称为实际空气需要量或者实际空气量。实际空气量 L 与理论空气量 L0 之比称为过量空气系数，通常用 表示：（1-0L7）因此，实际空气需要量与理论空气需要量
12、的关系为：（1-airairV,0,8） 值一般在 12 之间，各态物质完全燃烧时的 经验值为：气态可燃物 =1.021.2；液态可燃物 =1.11.3；固态可燃物 =1.31.7。常见可燃物燃烧所需空气量见下表 1-1。表 1-1 常见可燃物燃烧所需空气量空气需要量 空气需要量物质名称m3/m3 kg/m3物质名称m3/kg kg/kg乙炔氢11.92.3815.43.00丙酮苯7.3510.259.4513.20一氧化碳甲烷丙烷丁烷水煤气焦炉气乙烯丙稀丁烯硫化氢2.389.5223.830.942.203.6814.2821.4228.567.143.0021.3030.6040.002.
13、844.7618.4627.7036.939.23甲苯石油汽油煤油木材干泥煤硫磷钾萘10.3010.8011.1011.504.605.803.334.300.7010.0013.3014.0014.3514.875.847.504.305.560.9012.93当 =1 时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。从理论上讲，此时燃料中的可燃物质可以全部氧化，燃料与氧化剂的配比符合化学反应方程式的当量关系。此时的燃料与空气量之比称为化学当量比。当 1 时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。在实际的燃烧装置中，绝大多数情况下均采用这种供气方式，因为这样既可以节省燃料，也具有其它的有益作用。综上，
14、过量空气系数 是表明在由液体或者气体燃料与空气组成的可燃混合气中，燃料和空气比的参数，其数值对于燃烧过程有着很大影响， 过大或者过小都不利于燃烧的进行。1.2.3 燃料空气比与过量空气系数在实际燃烧过程中，表示燃料与空气在可燃混合气中组成比例的参数，除了 外，还有燃料空气比 f 和过量燃料系数 。1.2.3.1 燃料空气比 f燃料空气比是在燃烧过程中实际供给的燃料量与空气量之比，即：（1-afG9）它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数。这一参数常用于由液体燃料形成的可燃混合气，习惯称为“油气比” 。根据燃料空气比的定义，可得到它与过量空气系数 的的关系为（1-01LGfaf10）对于一定燃料
15、来说，L 0 是确定的值，因而 f 和 成反比。当 1 时，油气比f1/L 0。对于一般烃类液体燃料，如汽油、柴油、重油和煤油等的理论空气量 L0 约在1314kg。所以，当 1 时其相应的油气比 。143f1.2.3.2 过量燃料系数 此定义指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比。而理论燃料量指为使 1kg 空气能够完全燃烧所消耗的最大燃料量，它是理论空气量的倒数，即：（1-01Lf11）可以看出，实际空气量的倒数 1/aL0 就是实际燃料量，即燃烧消耗 1kg 空气时实际供给的燃料量。因此，过量燃料系数 为（1-1L0理 论 燃 料 量实 际 燃 料 量12）显然，过量燃料系数 与过量空气系
16、数 互成倒数。某些燃气热力性质数据是以过量燃料系数 作变量列出的。1.3 燃烧产物量的计算由于燃烧而生成的气体、液体和固体物质，称为燃烧产物。它是燃烧反应的新生成物质，其危害作用很大，比如缺氧、窒息作用，毒性、刺激性及腐蚀性作用以及高温气体的热损伤作用；它包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。燃烧产物不光是气体，还包括气体所携带的灰粒和未燃尽的固体颗粒（当使用固体燃料时） ，但后两者在烟气中所占的体积百分数很小，因而在通常的工程燃烧计算中忽略不计，仅仅在用灰分含量很高的燃料并计算烟气热焓时才予以考虑。因此，所说的燃烧产物主要是指燃料燃烧生成的气相产物烟气，它的成分主要取决于可燃物的组成和燃烧条件。
17、大部分可燃物属于有机化合物，它们主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成。在空气充足时，燃烧产物主要是完全燃烧产物，不完全燃烧产物量很少；如果空气不足或者温度较低，不完全燃烧产物量相对增多。可以看出，燃烧产物的组成和生成量不仅与燃烧的完全程度有关，而且与过量空气系数 有关。下面分别就完全燃烧和不完全燃烧两种情况进行讨论。1.3.1 完全燃烧时烟气量的计算当燃料完全燃烧时，烟气的组成及其体积可由反应方程式并根据燃料的元素组成或者成分组成求得。计算中涉及的产物主要有 CO2、H 2O、SO 2 和 N2，烟气生成量也是按单位量燃料来计算的。若燃烧完全，由上式物质组成的烟气体积为：（m 3） （1-N
18、SOCyq VV22222 13）当 1 时，烟气中不再有 O2 存在，这种烟气量称为理论烟气量，用 V0，yq 表示，因此（m 3） （1-OHNSCyq VV2222 ,0,0 14）式中， 和 分别表示供应理论空气量（干空气）时，在完全燃烧后所得烟气2,0NVOH2,中的理论氮气和理论水蒸气体积。1.3.1.1 固体和液体燃料的燃烧烟气量的计算1、二氧化碳和二氧化硫的体积计算已知可燃物的成分为 ，按照完%10%WASNC全燃烧的化学反应式，碳燃烧时的数量关系为 2CO由上式可知，1kg 碳完全燃烧时能生成 11/3kg 的 CO2，表示为标准状态下的体积为143所以 1kg 可燃物完全燃
19、烧时生成 CO2 的体积为（m 3）0.2,0CVCO同理，1kg 可燃物完全燃烧时生成 SO2 的体积为（m 3）134.2,0SS2、理论氮气的体积理论氮气包括燃料含有的氮组分所生成的氮气和由助燃空气所代入的氮气两部分，即（m 3）airNVV,0,079.1284.式中的 0.79 是氮气在干空气中所占的体积分数。3、理论水蒸气的体积（1）燃料中的氢完全燃烧所产生的水蒸气： 1024.H（2）燃料中含有的水分汽化后所产生的水蒸气： 8.W将上面两部分相加得，烟气中的理论水蒸气量为（m 3）OHV2,0104. 104.2M至此，得到理论烟气量为：+V0，H2Oyq,02,C2,0SOV2
20、,N一般情况下，燃料燃烧后所生成的烟气包括水蒸气，这种烟气称为“湿烟气” 。把水分扣除后的烟气称为“干烟气” 。于是理论烟气体积 又可写成：yq,0OHgyyqV2,0,当 1 时，燃烧过程中实际供应的空气量多于理论空气量，此时燃料的燃烧是完全的。所产生的烟气量除了理论烟气量之外，还要增加一部分过量的空气量以及随过量空气量带入的水蒸气量，即：（1-airyqyVV,0,0)1(15）同样，在实际烟气中也可以把水蒸气体积忽略，所得到的烟气量称为实际干烟气量，即：（1-162222 ONSOCgqVV）式中， 是烟气中的实际氮气体积，等于2NVairNVV,0,0179.22 是烟气中的自由氧的体
21、积，等于2OVairOVV,012.于是，当 1 时，实际干烟气量为：（1-17airNSOCgq ,01222 ）或者（1-)/(,130,0kgmairVVgy18）这就是说实际干烟气量等于理论干烟气量与多余空气量之和。1.3.1.2 气体燃料燃烧烟气量的计算已知可燃物的成分为式 %10%2222 OHNCOSHCHCOmn（1-19）根据完全燃烧的化学反应方程式，每 m3 可燃物燃烧生成的 CO2、SO 2、H 2O 和 N2 的体积分别为：（m 3）22,0 102 nCOCV（m 3/m3）, 102SHso（m 3）222,0 102 nOHS（m 3/m3）airNVV,0,07
22、9.12因此，燃烧产物的总体积为=yq,02,CO2,0soOH2,2,0N当 1 时，则与固体和液体燃料的计算一样，除了理论空气量之外，还要加上过量空气量及由这部分空气带入的水蒸气量，其计算公式同上。另外，气体燃料燃烧后的理论干烟气量和实际干烟气量的计算方法也与固体和液体燃料相同，计算公式同上。1.3.2 不完全燃烧时烟气量的计算当空气供应量不能满足燃料中可燃物质完全消耗的需要时，必有一部分可燃物质要转移到燃烧产物中去。实际上，当 1 时，也会出现由于燃料与空气混合不好等因素造成的不完全燃烧状态。因此，发生不完全燃烧后，燃烧产物中仍然会有可燃物和一些氧气。不完全燃烧烟气中的可燃物质主要有 C
23、O、H 2 和 CH4，每摩尔这几种可燃物质在空气中燃烧的反应方程式为： 222 76.35076.350. NCONOC2H2224 H通过以上反应式可以看出，在 1 时，不完全燃烧烟气量比完全燃烧烟气量的体积增（ 1-)5.0.(2HCOyqBVV20）式中， 表示不完全燃烧烟气量， 表示完全燃烧烟气量。ByqVyq因此，在有过量空气存在的情况下，若发生不完全燃烧，烟气的体积将比完全燃烧情况下大，不完全燃烧程度越严重，烟气体积增加就越大。在 ，否则 1 时，供给的空气量过多，而燃料释放的热量却基本上为确定值，因而燃烧温度也要降低。1.5.2 燃烧温度的计算根据热平衡理论，结合公式 ，可得到
24、理论燃烧温度的计算公式为：dTCnQpp21（ 1-iil29833）式中，Q l 是可燃物质的低热值；n i 是第 i 种产物的千摩尔数；C pi 是第 i 种产物的恒压热容。上述方法计算的结果比较精确，但是上式积分的结果为三次方程，因此，要想得到具体的解比较麻烦。为此，采用平均恒压热容 ，得出求解燃烧温度的公式为：piC（ 1-298TVQiil34）或者（ 1-25tCpiil35）式中，V i 为第 i 种产物的体积。因为产物的恒压平均热容 取决于温度，而理论燃烧温度 t 是未知数，所以 也pi piC是未确定量。在具体计算时，通常先假定一个理论燃烧温度 t1，从“平均恒压热容”表中查
25、出相应的 ，代入上述公式，求出相应的 Ql1；然后再假定第二个理论燃烧温度 t2，求出piC相应的 和 Ql2；最后用插值法求出理论燃烧温度 t，即i（1-1121lllltt36）通常为了计算方便，假定燃烧前可燃物和空气的初始温度为 0，则上式变为（1-tCVQpiil37）下表 1-9 给出了某些物质的燃烧温度。表 1-9 某些物质的燃烧温度物质名称燃烧温度（）物质名称燃烧温度（）物质名称燃烧温度（）甲烷 1800 丙酮 1000 木材 10001177乙烷 1895 乙醚 2861 石蜡 1427丙烷 1977 原油 1100 一氧化碳 1680丁烷 1982 汽油 1200 硫 182
26、0戊烷 1977 煤油 7001030 二硫化碳 2195己烷 1965 重油 1000 乙炔 2127苯 2032 烟煤 1647 甲醇 1100甲苯 2071 氢气 2130 乙醇 1180例 1-5：已知木材的组成为：C43%，H7%，O41%，N 2% ，W 6% ，A 1%（质量组成数） ，试求其理论燃烧温度。解：1kg 木材的燃烧产物中各种组分的生成量分别为（m 3）80.1432.2,0COV（m 3）856.172, H对 N2 的生成量，由例题 1-2 可知，1kg 木材完全燃烧需要的理论空气量为（m 3）2.456.1,0airV所以， （m 3）4.12.07982,0
27、N1kg 木材燃烧放出的低热值由公式（1-31） 、 （1-32 ）可得， QL16993（kJ）设 t11900，从表 1-4 中查得 CO2、H 2O 和 N2 的平均恒压热容分别为407.2pCO943.12pC4758.12pC将以上数据代入公式（1-37）得（KJ）6).856.0.83.(19 lQ因为 QlQl1，所以 tt1，再设 t22000 ，从表 1-4 中查得相应的平均恒压热容分别为42.2pCO9.2OpHC4825.12pNC将以上数据代入公式（1-37）中得（KJ）79).3.68.15.0.803.(2 l因为 Ql1QlQl2，所以 t1tt2，利用公式（1-36 ）求得木材理论燃烧温度为（） 194)658193(6458172900t
