火災(zāi)過程的基本參數(shù)及燃燒速度理論(精)

1、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布 所有火災(zāi)的主要和基本現(xiàn)象是燃燒，除組成、結(jié)構(gòu)簡單的可燃氣體外，絕大多數(shù)可燃物質(zhì)的燃燒不是其本身在燃燒，而是其受熱分解釋放出的氣體或液體蒸氣在氣相中燃燒，這個過程極其復(fù)雜。為了簡化問題，一般只考慮物質(zhì)因受熱而發(fā)生的最基本的燃燒過程?？扇嘉镔|(zhì)的受熱燃燒過程如圖l-3所示。 圖1-4 物燃燒過程溫度分布圖 圖1-3 物質(zhì)燃燒過程示意圖一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布* *二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)二、火災(zāi)過程的基本參數(shù) 三、燃燒速度理論三、燃燒速度理論 由于可燃物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，其受熱所發(fā)生的燃燒過程也不同。氣體最容易燃燒，其燃燒所需的熱量只用于自

2、身的氧化分解，并使其達到燃點而燃燒；固態(tài)和液態(tài)可燃物的燃燒，實際上是在固體和液體表面上的凝聚相中開始，在氣相火焰中結(jié)束。液體燃燒時，在火源作用下，首先使其蒸發(fā)成蒸氣，然后蒸氣被氧化、分解，而后在氣相中燃燒；在固體燃燒時，如果是硫、磷、萘等單質(zhì)，它們首先受熱熔化或升華，然后蒸發(fā)成蒸氣，氧化后進行燃燒，其中沒有分解過程。如果是復(fù)雜的化合物，如聚合物、木材、煤等在受熱時首先分解，析出氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物，然后氣態(tài)產(chǎn)物和液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣發(fā)生氧化后著火燃燒。 可燃物質(zhì)的燃燒過程包括許多吸熱和放熱的化學(xué)過程以及傳熱的物理過程。物質(zhì)受熱燃燒，它的溫度變化是很復(fù)雜的，燃燒過程的溫度變化情況見圖1-4。 A點的溫度為T

3、A，是可燃物開始加熱時的溫度，在這最初階段，外界提供加熱的熱量主要用于可燃物的熔化、蒸發(fā)和分解，可燃物溫度上升緩慢。 B點的溫度是TB，當可燃物達到TB溫度時，在凝聚相開始氧化并放熱，但由于溫度尚低，故氧化速度較慢，氧化所產(chǎn)生的熱量還不足以抵消體系向周圍一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布* *二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)二、火災(zāi)過程的基本參數(shù) 三、燃燒速度理論三、燃燒速度理論環(huán)境散失的熱量。此時若撤掉熱源，可燃物將降低溫度，燃燒不能發(fā)生；若繼續(xù)在熱的環(huán)境中加熱，則因氧化反應(yīng)速度逐步加快，使溫度上升較快。 C點的溫度為TC，當可燃物溫度升高至TC時，可燃物氧化產(chǎn)生的熱量和體系向環(huán)

4、境散失的熱量相等，也就是說，在TC溫度時體系產(chǎn)生的熱量和向環(huán)境散失的熱量達到干衡。若熱源的溫度稍有擾動，使體系的溫度略高于TC，熱平衡被打破，此時可燃物氧化產(chǎn)生的熱量大于體系向環(huán)境散失的熱量，體系產(chǎn)生熱量積累，溫度繼續(xù)上升。因此TC為體系從不燃燒到燃燒的轉(zhuǎn)折點，即為可燃物的燃點。 D點的溫度為TD，當可燃物溫度上升到TD時，可燃物已發(fā)生燃燒，同時出現(xiàn)火焰，且溫度繼續(xù)上升。 E點的溫度為TE，此時是可燃物經(jīng)燃燒后，其產(chǎn)物達到的最高溫度?？扇嘉镌赥A和TB溫度之間，是它的受熱區(qū)域，在TB和TC溫度之間是可燃物在凝聚相中的反應(yīng)區(qū)域；在TC和TD溫度之間是可燃物在氣相中的反應(yīng)區(qū)域；TD溫度以后，可燃物

5、產(chǎn)生火焰，反應(yīng)物變成了生成物，溫度達到燃燒最高溫度TE。一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布* *二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)二、火災(zāi)過程的基本參數(shù) 三、燃燒速度理論三、燃燒速度理論 物質(zhì)燃燒過程的種類和狀況各種各樣（如動力燃燒和擴散燃燒，均相燃燒和異相燃燒，層流燃燒和湍流燃燒，爆燃和爆轟，完全燃燒和不完全燃燒等），發(fā)生燃燒的條件各異（可燃物質(zhì)的狀態(tài)和布置，燃燒區(qū)的傳質(zhì)、傳熱等）。因此，火災(zāi)本身各不相同，需要對一些火災(zāi)參數(shù)進行研究和探討。(一) 閃點、燃點、自燃點、熱分解溫度、氧指數(shù) (為何只是固體的) 可燃固體的燃燒方式多種多樣，有蒸發(fā)式燃燒、分解式燃燒、表面燃燒、陰燃及動力爆

6、炸。因固體燃燒特性比較復(fù)雜，反應(yīng)可燃材料被點燃能力的指標因此就較多，主要有：1、閃點和燃點 某些低熔點的可燃固體發(fā)生閃燃的最低溫度就是閃點；固體燃點是指對可燃固體加熱到一定溫度，遇明火發(fā)生持續(xù)燃燒時固體的最低溫度。閃點和燃點是評價固體火災(zāi)危險性的重要參數(shù)。一般情況下，閃點和燃點越低，火災(zāi)危險性越大。表1-1、1-2分別列出了部分聚合物材料的閃點和燃點。一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論表1-1 部分聚合物材料的閃點表1-2 部分固體可燃物的燃點一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其

7、溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論材料名稱 閃點() 材料名稱 閃點() 聚苯乙烯聚乙烯乙烯纖維聚酰胺苯乙烯丙烯酸聚樹脂 370340290420366 聚氯乙烯苯乙烯、異丁烯酸甲酯共聚物聚胺基甲酸乙酯泡沫聚酯、玻璃剛纖維密胺樹脂+玻璃纖維530338310298475 物質(zhì)名稱燃點()物質(zhì)名稱燃點()物質(zhì)名稱燃點()石蠟蠟燭樟腦煙葉紙張 15819519070222130230 有機玻璃紅磷松香無煙煤松木粉 260160216280500196 腈綸聚乙烯聚丙烯紅松樅木 355341270430437 2、熱分解溫度 固體熱分解溫度指可

8、燃固體受熱分解的初始溫度，它是評定受熱能分解的固體火災(zāi)危險性的主要參數(shù)之一?？扇脊腆w的熱分解溫度越低，火災(zāi)危險性越大。表1-3列出了幾種常用高聚物的分解溫度。表1-3 幾種常用高聚物的分解溫度()一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論高聚物 分解溫度 高聚物 高聚物 分解溫度 高聚物 聚乙烯335450聚氟乙烯372480丁基橡膠5001050聚丙烯328410聚三氟氯乙烯347418丁苯橡膠400875聚氯乙烯200300聚四氟乙烯508538氯丁橡膠400875聚醋酸乙烯脂213325天然橡

9、膠400900聚丙烯腈250280聚苯乙烯 300400 丁二烯橡膠 4001000 尼龍6 310380 3、自燃點 可燃固體加熱到一定程度能自動燃燒的最低溫度，是自燃點。自燃點越低的固體，越容易燃燒，因而火災(zāi)危險性越大。不過固體材料做裝飾材料使用時，一般是達不到其自燃點的。因而在這種情況下，不用自燃點作為確定其火災(zāi)危險性的依據(jù)。表1-4列出了一些高聚物材料的閃點和自燃點。表1-4 一些高聚物材料的閃點和自燃點() 一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論高聚物 閃點 自燃點 高聚物 閃點 自燃

10、點 聚乙烯341357349聚醚砜560560聚氯乙烯391454硝酸纖維素141141聚氯乙烯乙酸脂320340435557乙酸纖維素305475聚偏二氯乙烯532532乙基纖維素291296聚苯乙烯345360488496硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料310416聚甲基丙烯酸甲脂280300450462羊毛200429聚碳酸脂 375467477580 木材220264260416聚酰胺 421 424 棉花 230266254 4、氧指數(shù) 所謂氧指數(shù)是在規(guī)定實驗條件下，剛好維持物質(zhì)燃燒時的混合氣體中最低氧含量的體積分數(shù)。氧指數(shù)是評價各種物質(zhì)相對燃燒性能的一種辦法，氧指數(shù)越小的聚合物，燃燒時對氧氣的需

11、求量越小，或者說燃燒時受氧氣濃度的影響越小，因而火災(zāi)危險性越大。氧指數(shù)的測定方法簡單、易于實現(xiàn)，但測試結(jié)果并不能反映真實火災(zāi)條件下材料的火災(zāi)行為，因而不能作為評定實際使用條件下火災(zāi)危險性的依據(jù)。但作為判斷材料（塑料,橡膠等）在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度非常有效，可以用來給材料的燃燒性難易分級，實驗結(jié)果也可用于消防安全設(shè)計、消防審核、技術(shù)監(jiān)督等。表1-5列出了一些常見聚合物材料的氧指數(shù)。表1-5 常見高分子材料的氧指數(shù)一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論材料名稱 氧指數(shù) 材料名稱 氧指數(shù)

12、材料名稱 氧指數(shù) 聚碳酸酯聚縮醛聚環(huán)氧乙烷蠟燭聚氨脂泡沫棉花聚甲基丙烯酸甲酯聚乙烯2714.915.016.016.5161717.317.4聚苯乙烯聚丙烯腈濾紙聚丁二烯ABS棉（松散織物）聚亞酰胺PVC纖維17.618.318.019.018.218.318.318.818.541.037.1環(huán)氧樹脂尼龍纖維聚乙烯醇氯化聚醚尼龍-6氯丁橡膠聚丙烯聚酯19.820.122.523.2252626.317.441.5 (二) 燃燒速度 可燃固體一旦被引燃，火焰就會在其表面或淺層傳播。為維持穩(wěn)定燃燒，體系得到的熱量至少要等于體系向環(huán)境散失的熱量。根據(jù)能量守恒定律，可以得到如下能量守恒方程式： (1

13、-1)將上式變形，可得到如下可燃固體的燃燒速度方程式： (1-2)式中：Gs為可燃固體重量燃燒速度，g/(m2.s)； 為固體表面面積上加熱速率，kJ/(m2.s)； 為固體由表面向外界散失熱量，kJ/(m2.s)；Lv為固體分解熱，kJ/g； 為燃燒火焰供給固體表面熱通量，kJ/(m2.s)。它由輻射熱通量和對流熱通量組成，而且二者的份額隨著燃燒面積大小而變化。除了燃燒火焰不光亮的固體，如聚甲醛等外，在大面積（直徑大于1m）的燃燒中，火焰向固體表面?zhèn)鳠嵋暂椛錇橹?。?-6為某些可燃固體在模擬實驗條件下的 、 、Lv和Gs。 一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)

14、過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論VSlFELGQQQVlFEsLQQQGEQLQFQLQFQ表1-6 某些可燃固體在模擬實驗條件下的 、 、Lv和Gs 一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論LQFQ可燃物 LV（kJ/g） (kW/m2) (kW/m2) GS(g/m2s) 纖維增強酚醛泡沫塑料(硬質(zhì))聚氯化甲烯(固體) (POM)聚乙烯(固體)聚碳酸酯(固體)聚丙烯(固體)(PP)木材聚苯乙烯(固體)(PS)纖維增強聚酯(玻璃纖維增強)酚醛塑料(固體)聚甲

15、基丙烯酸甲酯(固體)(PMMA)泡沫塑料(硬質(zhì)) 3.3424.32.322.072.31.21.761.751.641.621.52 25.138.532.651.928.023.061.529.321.838.550.2 98.713.826.374.118.823.850.221.316.321.358.5 1116142514133517132433 LQFQ假如在點燃后撤去外部提供給固體表面的熱通量，可燃固體的燃燒速度可由下式計算： (1-3)如果，即外部提供的能量完全用于平衡熱損失，則得到的燃燒速度為理想燃燒速度，即： (1-4)在實際火災(zāi)中，由于 ，所以實際上是固體在穩(wěn)定燃燒時所

16、能達到的最大燃燒速度。一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)* *三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論vLFsLQQGVFsLQG、理想LFQQ 在很多情況下，人們對燃燒速度、熱釋放速率和影響燃燒反應(yīng)的因素很感興趣。為討論問題方便，引入反應(yīng)速率的概念。假設(shè)可燃物A和氧化劑B在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物為M和N，同時釋放的熱量為Q。 (1-5) 反應(yīng)的快慢可以用可燃物或氧化劑的消耗速率表示，也可以用燃燒產(chǎn)物的生成速率來表示。 (1-6) 且各速率間存在如下關(guān)系： (1-7) 上式中的數(shù)值是唯一的，通常稱為系統(tǒng)反應(yīng)速率，用來衡量燃燒反應(yīng)的

17、快慢。根據(jù)質(zhì)量作用定律，如果上述反應(yīng)是基元反應(yīng)，即反應(yīng)物分子碰撞后可以不轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，則反應(yīng)速率可用下式表示： (1-8) K為反應(yīng)速度常數(shù)，與溫度和反應(yīng)的活化能有關(guān)；a、b稱反應(yīng)濃度指數(shù)，二者之和稱為反應(yīng)級數(shù)。 一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論* *nNmMbBaAdtdCAAdtdCBBdtdCMMdtdCNNnmbaNMBAbBaACKC 溫度對反應(yīng)速度的影響集中在反應(yīng)速度常數(shù)K上，Arrhenius提出了反應(yīng)速度常數(shù)K和溫度的關(guān)系： (1-9) E活為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)，Ko稱為

18、頻率因子，其值等于碰撞頻率與概率因子的乘積。 將上式代入式（1-8）得： (1-10) 燃燒反應(yīng)為非基元反應(yīng)，但其反應(yīng)速度可用類似方程表示： (1-11) Kos稱表觀燃燒反應(yīng)速度常數(shù)；E活為燃燒反應(yīng)的表觀活化能，均可通過實驗得出。對于一般碳氫化合物的燃燒，xy1。因此，燃燒反應(yīng)速度與可燃物和氧化劑濃度有關(guān)。增大反應(yīng)物濃度或升高溫度，燃燒反應(yīng)都增大。這可用反應(yīng)分子碰撞理論解釋：濃度越大，單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)目越多，單位時間內(nèi)分子間碰撞次數(shù)越多；溫度升高后，處于“激發(fā)”狀態(tài)的活性分子的份量增多，有效碰撞的數(shù)目增加。一、一、物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布物質(zhì)燃燒過程及其溫度分布二、二、火災(zāi)過程的基本參數(shù)火災(zāi)過程的基本參數(shù)三、三、燃燒速度理論燃燒速度理論* *RTEoeKK活RTEbBaAoeCCK活RTEyBxAoseCCK活 Kos稱表觀燃燒反應(yīng)速度常數(shù)；E活為燃燒反應(yīng)的表觀活化能，均可通過實驗得出。對于一般碳氫化合物的燃燒，xy1。因此，燃燒反應(yīng)速度與可燃物和氧化劑濃度有關(guān)。增大反應(yīng)物濃度或升高溫度，燃燒反應(yīng)都增大。這可用反應(yīng)分子碰撞理論解釋：濃度越大，單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)目越多，單位時間內(nèi)分子間碰撞次數(shù)越多；溫度升高后，處于“激發(fā)”狀態(tài)的活性分子的份量增多，有效碰撞的數(shù)目增加。 燃燒物理學(xué)研究的