1、第三章 物质的燃烧,第一节 气体的燃烧,一、预混气中火焰的传播理论 火焰（即燃烧波）在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式： 正常火焰传播 爆轰,（一）物理模型与雨果尼特方程,（一）物理模型与雨果尼特方程,雨果尼特方程,瑞利方程,（一）物理模型与雨果尼特方程,称马赫数，其物理意义是混气速度（它等于燃烧波速度，只是方向相反）与当地声速之比。,（二）正常火焰传播与爆轰,1、爆轰区 （）区是爆轰区。 燃烧后气体压力要增加。 燃烧后气体密度要增加。 燃烧波以超音速进行传播,2. 正常火焰传播,（）区是正常火焰传播区。 燃烧后气体压力要减少或接近不变； 燃烧后气体密度要减少； 燃烧波以
2、亚音速（即小于音速）进行传播。,二、层流预混气中正常火焰传播速度,（一）传播机理 1火焰前沿概念 若在一长管中充满均匀混气，当用电火花或其它火源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿。,2火焰前沿的特点,2火焰前沿的特点,（1）火焰前沿可以分成两部分：预热区和化学反应区。 （2）火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散。
3、,3火焰传播机理,（1）火焰传播的热理论 火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果。,3火焰传播机理,（2）火焰传播的扩散理论 凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发生链锁反应的结果。,（二）层流火焰传播速度马兰特简化分析,1物理模型,图 3-4 火焰前沿中的温度分布 （）预热区 （）反应区,1物理模型,反应区中温度分布为线型分布热平衡方程式为：,2火焰传播速度,因为：,所以：,或者：,其中： ，称导温系数,2火焰传播速度,又因为：,公式表明层流火焰传播速度与导温系数及
4、化学反应速度的平方根成正比。,2火焰传播速度,又因：,所以：,2火焰传播速度,另外：,于是：,公式意味着对于二级反应，火焰传播速度Sl将与压力无关。 大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了这个结论。,2火焰传播速度,应该指出这一理论还不完善，例如未燃混气初温如果等于这里的着火温度，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。,（三）物理化学参数对层流火焰传播速度的影响,1混气初温 混气初温增加，混气燃烧时火焰温度就越高，化学反应速度Ws会越快，火焰传播速度Sl就越高。 实验结果表明，通常，其中n1.52。,2压力,对二级反应，压力与火焰传播速
5、度关系不大。,3可燃气体浓度,混气中可燃气与空气比值不同，火焰传播速度不同。 实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，在此最佳比值条件下火焰传播速度最快，否则会下降。 理论上这个最佳比值应等于化学当量比，即1. 但实际燃烧时的最佳比值往往并不等于1，而是有些差别，这与实际燃烧时情况很复杂，影响因素很多有关。,3可燃气体浓度,实验还发现火焰传播也存在一个浓度极限问题。 在混气中如果可燃气太少或太多，火焰均不能传播。 可燃气含量在一定范围内才能传播，这是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依据。,图3-8 氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响 图3-9 CO浓度对火焰传播速度的影响（H2 + 空气）
6、 （CO + 空气）,4惰性气体,惰性气体加入量越多，火焰传播速度越小。,5混气性质,主要是指混气的热容CP和导热系数 。混气导热系数增加，火焰传播速度Sl增加； 热容CP增加，则Sl下降。,5混气性质,这是灭火剂要具有低的导热系数和高热容的原因。 低的导热性可以延缓热的传递，高的热容使灭火剂能够吸收大量的热量，这都不利于火焰的传播。,第二节 液体的燃烧,一、液体的蒸发 （一）蒸发过程 （二）蒸气压 在一定温度下，液体和它的蒸气处于平衡状态时，蒸气所具有的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。,（二）蒸气压,分子间的力称分子间力，又叫范德华力。 分子间力中最重要最普遍的力是色散力。 色散力是由于分子在
7、运动中，电子云和原子核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移，产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。,（二）蒸气压,分子量越大，分子就越易变形，色散力就越大。 所以在同类物质中，分子量越大，蒸发越难，蒸气压就低。 但在水分子（H2O）、氟化氢（HF）氨分子（NH3）中，以及很多有机化合物中，由于存在氢键，分子间力会大大加强，蒸发也不容易，蒸气压也低。,（二）蒸气压,图3-11 几种液体的蒸气压温度曲线,（二）蒸气压,lg（P蒸）,（二）蒸气压,此式称为克拉佩龙方程式。 利用上式，若已知蒸发热和某一温度下的蒸气压，则可计算另一温度下的蒸气压； 若已知某液体在两温度下之蒸气压，则可计算上述两温度范
8、围的蒸发热。,（三）蒸发热,在液体体系同外界环境没有热量交换的情况下，随着液体蒸发过程的进行，由于失掉了高能量分子而使余下分子的平均动能逐渐降低。 鉴于平均动能与绝对温度的正比关系，所以随着液体的蒸发，其温度随之降低，蒸发速度也随着减慢。,（三）蒸发热,欲使液体保持原温度，即维持液体分子的平均动能，必须从外界吸收热量。 这就是说，要使液体在恒温恒压下蒸发，必须从周围环境吸收热量。 这种使液体在恒温恒压下气化或蒸发所必须吸收的热量，被称为液体的气化热或蒸发热。,（三）蒸发热,该蒸发热一方面消耗于增加液体分子动能以克服分子间引力而使分子逸出液面进入蒸气状态； 另一方面，它又消耗于气化时体积膨胀所做
9、的功。,（三）蒸发热,蒸发热主要是为了克服液体分子间的引力以便气化所吸收的热量。 那么蒸发热值就必然成为液体分子间吸引力大小的一种量度。 一般来说，蒸发热越大，其液体分子间引力越大。,（四）液体的沸点,所谓液体的沸点，系指液体之饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。 在此温度时，气化在整个液体中进行，称为液体沸腾；而在低于此温度时的气化，则仅限于在液面上进行。,二、液体燃烧速度,（一）液体燃烧速度表示方法 燃烧线速度（V）重量燃烧速度,二、液体燃烧速度,液体燃烧重量速度与线速度关系,（二）影响液体燃烧速度的因素,燃烧区传给液体的热量不同，燃烧速度不同； 液体初温越高，燃烧速度越快； 液体的燃烧速度
10、随着贮罐直径不同而不同。,图3-13 液体燃烧速度随罐径的变化 1-汽油； 2-煤油； 3-轻油,（二）影响液体燃烧速度的因素,液体燃烧速度随贮罐中液面高度降低而减慢； 水对燃烧速度的影响； 风的影响。,图3-14 风对燃烧速度的影响,三、油罐火灾,（一）油罐火灾的发生及发展 火焰加热油的表面使油迅速蒸发，油蒸发比重减小因浮力而形成上升气流，上升气流则在油罐内形成局部低压，因之周围的空气被吸入油罐与油蒸气混合燃烧形成火舌，随着火势增强，火焰对油面的反馈热辐射也增强。 油面接受了更多的辐射热从而产生更多的油蒸气，进一步增强了火势和上升气流的速度。,（一）油罐火灾的发生及发展,火焰的辐射热是使油加
11、热的主要方式， 油面接受火焰的辐射热后，表面层迅速被加热到沸点温度，并形成很薄的高温层，高温层的厚度与油罐直径及容积无关； 同时产生油蒸气，油蒸气不断进入燃烧区，从而维持燃烧并得以继续进行。,图3-15 油层内温度分布,（一）油罐火灾的发生及发展,在火焰底部与油面之间存在一个中间层，它是由油蒸气、烟和燃烧产物以及穿透火焰进入该层的空气组成； 进入中间层的烟越多，中间层的“灰度”增加； 随着油面的下降，中间层厚度增大，中间层对火焰辐射热的“热屏蔽作用”越明显。,图3-16 油罐火灾不同阶段的特征,油罐火灾的初期,油表面被加热层厚度很薄； 油的蒸发速率迅速增加； 油的被加热层向深部扩展； 中间层厚
12、度较薄且接近“透明体”，中间层的的“热屏蔽”作用很小； 火势发展迅速。,油罐火灾中期,燃烧速率比初期大，但已趋于稳定； 油面蒸发速度增大，产生火焰脉动及蘑菇状烟柱； 油面被加热层以接近于恒定的速度向深部缓慢扩展； 中间层厚度增加，烟及燃烧产物进入中间层越来越多，使中间层成为灰色气体层，并对油面有相当明显的热屏蔽作用。,油罐火灾晚期,中间层的厚度及“灰度”均相当大； 对油面的热屏蔽作用很强； 油面所接受的辐射热不仅不能使油面内被加热层厚度进一步增大，而且也不足以维持一定的油蒸发速率，燃烧速度明显下降； 火焰温度及高度均下降； 辐射热反馈亦减小，是油罐火灾的衰落期。,（二）油罐内油品燃烧火焰的特征
13、,1火焰的倾斜度 油罐内油晶燃烧的火焰呈锥形，锥形底就等于燃烧油罐的面积； 当风速等于或大于4.0ms时。火焰的倾斜角约为6070； 在无风时，火焰倾斜角为015。,2火焰高度,油罐火灾的火焰高度取决于油罐直径和油罐内储存的油品种类。 油罐直径越大，储存的油品越轻，则火焰高度越高。,3火焰温度,主要取决于可燃液体种类，一般石油产品的火焰温度在9001200之间。,图3-17 火焰沿纵轴的温度分布,3火焰温度,从油面到火焰底部随高度增加温度迅速增加； 到达火焰底部后有一个稳定阶段； 高度再增加时温度逐渐下降。,四、原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅,由于液体特性不同，热量在液体中的传播具有不同
14、的特点，在一定的条件下，热量在液体中的传播会形成热波，并引起液体的沸溢和喷溅，使火灾变得更加猛烈。,（二）单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点,单组分液体（如甲醇、丙酮、苯等）和沸程较窄的混合液体（如煤油、汽油等），在自由表面的燃烧，很短时间内就形成稳定燃烧，燃烧速度基本不变。 热量只能传入很浅的液层内。,图3-18 正丁醇稳定燃烧时表面下方的温度分布,（二）单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点,在液体燃烧时，火焰传给液面的热量使液面温度升高，至到沸点液面的温度就再不能升高了。 这样，高沸点液体表面温度就比低沸点液面温度要高，液面与液层内部的温差就大，这有利于导热。 所以高沸点液体热量传入液体
15、内部要深一些。,（三）原油燃烧时热在液层传播特点热波,原油在连续燃烧的过程中，其中沸点较低的轻质部分首先被蒸发，离开液面进入燃烧区。 而沸点较高的重质部分，则携带在表面接受的热量向液体深层沉降，或者形成一个热的锋面向液体深层传播，逐渐深入并加热冷的液层。 这一现象称为液体的热波特性，热的锋面称为热波。,（三）原油燃烧时热在液层传播特点热波,热波形成条件必须是沸程较宽的原油，低沸点的轻质组分蒸发以后，留下高沸点的重质组分向下沉降才能形成热波。,（四）沸溢和喷溅,原油中的水一般以乳化水和水垫两种形式存在。 所谓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
16、后，油水分离，水因比重大而沉降在底部形成水垫。,（四）沸溢和喷溅,沸溢形成必须具备三个条件：,原油具有形成热波的特性，即沸程要宽，比重相差较大； 原油中必须含有乳化水，水遇热波变成蒸气； 原油粘度较大，使水蒸气不容易从下向上穿过油层。,（四）沸溢和喷溅,（四）沸溢和喷溅,一般情况下，发生沸溢要比喷溅的时间早得多。 发生沸溢的时间与原油种类，水分含量有关。 根据实验，含有1水分的石油，经4560分钟燃烧就会发生沸溢。,（四）沸溢和喷溅,喷溅发生时间与油层厚度，热波移动速度以及油的燃烧线速度有关,热波传播速度的影响因素,(1) 油品的组成 油品中轻组分越多，液面蒸发气化速度越快，燃烧越猛烈，油品接
17、受火焰传递的热量越多，液面向下传递的热量也越多； 轻组分含量越大，则油品的粘性越小，高温重组分沉降速度越大。 因此，油品中轻组分越多，热波传播速度越大。,(2) 油品中含水量,含水量较小时(如小于4%)，随着含水量的增大，热波传播速度加快。 但含水量大于10%时，油品燃烧不稳定。 含水量超过6%时，点燃很困难，即使着火了，燃烧也不稳定，影响热波传播速度。,(3) 油品储罐的直径,在一定的直径范围内，油品的热波传播速度随着储罐直径的增大而加快。 但当直径大于2.5m后，热波传播速度基本上与储罐直径无关。,图3-21 原油热波传播速度与油罐直径的关系,(4) 储罐内的油品液位,储罐内的油品发生燃烧
18、时，如果液位较高，空气就较容易进入火焰区，燃烧速度就快，火焰向液面传递的热量就多，所以热波传播速度就快； 反之，如果液位低，热波传播速度就慢。,热波传播速度的影响因素,实验发现，裂化汽油、煤油、二号燃料油和六号燃料油的混合物几乎不能形成热波。 这说明，油品中的杂质、游离碳等，对热波的形成起了很大的作用。而且油品中的杂质有利于形成重组分微团，从而加快了热波传播速度；,热波传播速度的影响因素,风能使火焰偏向油罐的一侧，使下风向的罐壁温度升高，罐内液体的温度分布不均匀，从而加快了液体的热对流和热波传播速度； 对较小直径的贮罐用水冷却罐壁，能够带去高温层中的热量，阻止高温层下降，从而降低热波传播速度。
19、,喷溅的判断,油罐火灾在出现喷溅前，通常会出现油面蠕动、涌涨现象； 火焰增大，发亮、变白； 出现油沫24次； 烟色由浓变淡；发生剧烈的“嘶!嘶!”声。,第三节 固体的燃烧,一、固体燃烧概述 （一）固体可燃物的燃烧分类 升华式燃烧 熔融蒸发式燃烧 热分解式的燃烧 固体表面燃烧,（二）固体的热分解,二、木材燃烧,（一）木材的组成 主要成分是碳（50）、氢（6.4）和氧（42.6）元素，还有少量的氮（0.010.2）和其它元素（0.80.9），但不含有其它燃料中常有的硫。,（二）木材的热分解,木材被加热到130时，首先是水的蒸发，接着开始微弱的分解； 加热到150时木材开始显著分解，分解产物主要是水
20、和二氧化碳； 温度升高到200以上，构成木材主要成分的纤维素被分解，生成一氧化碳、氢和碳氢化合物； 木材加热到270380时，木材发生剧烈的热分解，热分解的剩余物得到3038的碳。,（三）木材的燃烧过程,木材燃烧大体分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。 木材的有焰燃烧是木材热分解出的可燃气燃烧，它的特点是燃烧速度快；燃烧量大，约占整个木材重量的70；火焰温度高，燃烧时间短，火灾发展迅速猛裂。,（三）木材的燃烧过程,在木材的有焰燃烧阶段，木材表面上生成的碳，虽然处在灼热的状态，但不燃烧。 因为此时，分解产物的燃烧阻碍了氧气扩散到碳的表面上去。 当析出的气体产物很少时，氧扩散到碳的表面，即有焰燃烧接近
21、尾声时，碳才开始燃烧。 两种形式燃烧同时进行若干时期以后，完全不析出可燃气体时，才出现仅有碳的无火焰燃烧。,（四）木材燃烧速度,1木材密度的影响 木材的密度越大，燃烧速度越小，这是因为密度大的木材导热性能好，大量热被导入木材深处，使表面温度上升慢，热分解慢，不容易着火，燃烧速度慢。,2含水量的影响,木材含水量越大，木材不易着火，着火后燃烧速度也慢； 蒸发的水蒸气充满燃烧区使氧与可燃气浓度减少； 水分会使木材导热率增加。,3木材比表面的影响,比表面积大，燃烧时单位体积的木材承受的热量就大，与氧气接触面积也大，所以易着火且燃烧速度大。,三、固体物质阴燃,阴燃是物质无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温
22、度升高的迹象； 阴燃与有焰燃烧的区别是无火焰； 与无焰燃烧的区别是能热分解出可燃气。 在一定条件下阴燃可以转换成有焰燃烧。,（一）阴燃的发生、发展过程,（一）阴燃的发生、发展过程,区域I（灼热燃烧区）。此区内物质的大部气体已经挥发完毕，剩下的固体碳进行气固两相燃烧，温度达到最大值。 区域（热解碳化区）。从区域I和周围传来的热量，使得本区温度急剧上升，物质进行热分解，放出挥发性气体。,（一）阴燃的发生、发展过程,区域（原始材料区）。此区的温度较低，还没有达到足以使材料发生显著热分解的温度，物质还保持原来的状态。 区域（残渣区）。燃烧进行完毕，剩下非常松散的燃烧残渣，由碳和灰分组成。此区的温度慢慢
23、下降。,阴燃传播方式,自燃引起阴燃； 已经发生阴燃的物质，可以作为引燃源导致其它可燃物发生阴燃； 用明火或热源引起物质阴燃。,（二）阴燃燃烧条件,发生阴燃的内部条件 可燃物必须是受热分解后能产生刚性结构的多孔碳的固体物质 发生阴燃的外部条件 有一个合适供热强度的热源,（三）阴燃向有焰燃烧的转变,当区域I的温度增加时，由于热传导使得区域温度上升，热分解速率增快，挥发物增多，这时区域附近空间的可燃气浓度加大，当这个浓度达到某一值时，若有明火即可引燃；如果没有明火，当温度继续升高时，可以自燃着火。这就完成了从阴燃向有焰燃烧的转变。有些木器家俱的燃烧，当阴燃进行一段时间后，就可能发生向有焰燃烧的转变。
24、,（四）影响阴燃传播速度的因素,（1）粉尘颗粒大小的影响 粉尘颗粒变小，使得热传导变小，改进了绝热，从而导致传播速度稍微增加。,（2）粉尘湿度的影响,湿度变大，增加了未燃烧料的热容，从而加大了对热的需要量。,（3）粉尘厚度的影响,对粗大尘粒影响不大， 对平均直径0.065mm的细粉尘，随着厚度增加，传播速度变小， 原因是粉尘变厚使得氧进入燃烧区变得更加困难。,（4）外加空气流速度的影响,当空气流速加大时，传播速度增加， 如果空气流向和传播速度方向一致时，随着空气流速度加大时，阴燃传播速度明显增加； 对粗大粉尘影响更显著。 在高速气流下还可能引起有焰燃烧。,（5）外加剂的影响,有些无机外加剂可以促进或抑制阴燃的发生和传播。 其中有些外加剂能有助碳化反应进行，因而有助于阴燃的发生和传播。 有些无机外加剂能降低材料的碳生成量，使材料阴燃的可能性降低。,
