消防燃烧学第六章

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本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。

由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。

西安科技大学

消防工程专业 2009级 赵盼飞 2012、5、28

第六章

第六章 可燃固体的燃烧

可燃固体种类繁多，分布广泛，有很多火灾爆炸事故是因为可燃固体燃烧引起的。因此，可燃固体的燃烧是消防燃烧学研究的重要内容之一。

第一节 固体燃烧概述

一、固体燃烧的形式

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五种。 (一) 蒸发燃烧

硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香、沥青等可燃固体，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。 (二) 表面燃烧

可燃固体(如木炭、焦炭、铁、铜等)的燃烧反应是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，有时又称之为异相燃烧。 (三) 分解燃烧

可燃固体，如木材、煤、合成塑料、钙塑材料等，在受到火源加热时，先发生热分解，随后分解出的可燃挥发份与氧发生燃烧反应，这种形式的燃烧一般称为分解燃烧。

(四) 熏烟燃烧(阴燃)

可燃固体在空气不流通、加热温度较低、分解出的可燃挥发份较少或逸散较快、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。

(五) 动力燃烧(爆炸)

指可燃固体或其分解析出的可燃挥发份遇火源所发生的爆炸式燃烧，主要包括可燃粉尘爆炸、炸药爆炸、轰燃等几种情形。其中，轰燃是指可招固体由于受热分解或不完全燃烧析出可燃气体，当其以适当比例与空气混合后再遇火源时，发生的爆炸式预混燃烧。例如能析出一氧化碳的赛璐路、能析出氰化氢的聚氨酯等，在大量堆积燃烧时，常会产生轰燃现象。

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这里需要指出的是，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着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。

二、评定固体火灾危险性的参数

固体燃烧特性比较复杂，评定其火灾危险性的参数主要包括： (一) 熔点、闪点和燃点

固体熔点是固体变为液体的初始温度；某些低熔点可燃固体发生闪燃的最低温度就是其闪点，固体燃点是指对可燃固体加热到一定温度，遇明火发生持续燃烧时固体的最低温度。 熔点、闪点和燃点是评定固体火灾危险性的重要参数。一般地，熔点越低的可燃固体，闪点和燃点也越低，火灾危险性越大。 (二) 热分解温度

固体热分解温度指可燃固体受热发生分解的初始温度，它是评定受热能分解的固体火灾危险性的主要参数之一。基本规律是，可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大。 表6—1列出了几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系。

(三) 自燃点

可燃固体加热到一定程度能自动燃烧的最低温度，就是其自燃点。自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。 表6—2列出了常见高分子物质的自燃点。

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(四) 比表面积

比表面积是指单位体积固体的表面积。相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。就可燃粉尘而言，比表面积大小对爆炸下限、最小引爆能、最大爆炸压力等参数有着极其重要的影响。一般情况下，随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小，而最大爆炸压力增大。 (五) 氧指数

所谓氧指数，是在规定条件下，刚好维持物质燃烧时的混合气体中最低氧含量的体积百分数。氧指数是评价各种物质相对燃烧性能的一种表示方法，也是评价可燃固体(尤其是高聚物)火灾危险性的重要指标。氧指数越小的高聚物，燃烧时对氧气的需求量越小，或者说燃烧时受氧气浓度的影响越小，因而火灾危险性越大。一般认为氧指数小于22的属易燃材料；氧指数在22~27之间的属难燃材料；而氧指数大于27的属高难燃材料。材料经阻燃处理后，其氧指数会有不同程度的提高。表6—3列出了某些常见高聚物的氧指数。

除了上述参数外，对于可燃粉尘和炸药，还有其他重要的评

定火灾爆炸危险性的参数，如粉尘的爆炸浓度下限、炸药的感度等。

第二节固体着火燃烧理论

在实际火灾中，最为常见的可燃固体是受热时能释放出可燃气体的固体，本节主要讨论这类固体的着火燃烧问题。 一、固体引燃条件和引燃时间

受热时能释放出可燃气的固体能否被引燃，取决于其释放出的

可燃气能否保持一定浓度，这也可以用热平衡方程进行判断，即

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(??HC?LV)?Gcr?QE?Ql?S

式中?是固体在然点时的燃烧热(△HC)传递到其表面的份数；LV是固体释放可燃气所需的热量；Gcr是固体释放的可燃气在燃点时的临界质量流量；QE和Ql分别是单位固体表面上火源的加热速率和热损失速率；S是单位固体表面上净获热速率。

QE可通过计算确定，△HC和LV可在有关文献中查得，对于一定厚度的无限大固体，Ql可用下式估算：

??????TS?T0 (6—2) Ql???Ti?K??t?4式中，ε是固体的辐射率；σ是斯蒂芬—玻尔兹曼常数；Ti、TS和T0分别是固体的燃点、燃点时的表面温度和环境温度；K和?分别是固体的导热系数和热扩散系数；t是固体受火源加热的时间。

Gcr与?有如下关系：

h3000 Gcr??(1?) (6—3)

c???HC式中，h是火焰与固体表面之间的对流换热系数；c是空气的热容。

如果由实验测出Gcr，根据式(6—3)就可估算?。表6—4列出了一些高聚物的Gcr和?值。

在式(6—1)中，如果S < 0，固体不能被引燃或只能发生闪燃；如果S > 0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固体持续燃烧创造更好的条件；S= 0是固体能否被引燃的临界条件。 例6—l 用一温度为1300℃的火焰紧靠表面照射的一厚度为

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此种情况下固体材料释放可燃气的速率越快。表6—8列出了某些固体材料的平均燃烧速度。

另外，固体材料的热惯性(k?c)对其着火燃烧性能有重要影响，对于厚固体材料，这种影响可能起主要作用。热惯性低的材料容易被引燃，而且燃烧迅速。

影响可燃固体稳定燃烧的另一个重要性质是燃烧释热速率(qc)，它可由下式计算：

qc?GS??HC?AF?? (6—16) 式中AF是燃烧固体的表面积；?是放热系数，一些可燃固体的?值见表6—9。

假设可燃固体表面接受的净热通量为Qnet，则有 Qnet?QE?QF?Ql 结合式(6—14)和式(6—16)得

????????HC qc?Qnet?AF???() (6—17)

LV??

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此式表明，固体燃烧释热速率与比值△HC/LV的关系十分密切。与△HC 或LV比较，△HC/LV能更好地反映固体稳定燃烧特性。 例如烃类聚合物比相应的含氧衍生物的△HC/LV大，因此前者的稳定燃烧性能较后者好。表6—10列出了一些固体材料的△HC/LV值，其排列顺序大体上与这些材料的实际稳定燃烧特性相对应。

(三)固体材料的形状尺寸及表面位置

相同的材料，比表面积大的往往容易被引然，而且稳定燃烧性能好，这是因为比表面积越大，材料与空气中氧接触的机会越多氧化作用越容易、越普遍。由于热量从薄物体表面向内部传导的能力较强，受热时未着火部分的预先加热效果较好，所以薄物体比厚物体容易着火燃烧。

相同的材料，在相同的外界条件下，倒着向上比顺着向下更容易被火源引燃；竖直表面的稳定燃烧速度比水平表面的快；竖直向上(+90o)的固体表面火焰传播速度最快，相反竖直向下(—90o)的最慢。这主要是因为固体表面位置不同，火焰和热产物对未燃固体部分的预先加热作用的程度不同。图6—1说明了不同方位的火焰传播及火焰和热产物与固体之间的相互作用。

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(四)外界环境因素

图6—2和图6—3分别描述了风速及氧浓度和压力及氧浓度对硬质纤维板水平火焰传播速度的影响。从图中看出，外界环境中的氧浓度增大，物质着火燃烧能力显著提高。这是因为火焰温度随着氧浓度增大而升高，而较高温度的火焰向可燃物表面传递的热量也较多。

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由于外来的空气流动能助长火焰锋处可燃挥发份与空气的混合，同时风所导致的火焰倾斜增加了向前传热的速率，所以有助于物质燃烧，但风速过大能吹熄火焰。

增加环境压力，将得到较快的燃烧速度，这是由于较高压力有助于火焰稳定地附着在材料的表面上。

另外，环境温度(即物质的初始温度)升高，燃烧速度加快。这是因为物质的初始温度较高时，火焰锋前物质的未燃部分温度上升到燃点所需要的热量较少；外加辐射热将引起燃烧速度的增加，如图6—4所示。这主要是因为辐射热预热了火焰锋前材料的未燃部分，同时外加辐射热加快了火焰锋后物质的燃烧速度，结果提供了一个附加的向前传热，使整个燃烧过程得以强化。

第三节 几类典型固体的燃烧

不同类型可燃固体的燃烧特性是有差别的。本节主要讨论在实际火灾中常见的三种类型固体(高聚物、木材和煤、金属)的燃烧。 一、高聚物的燃烧

塑料、橡胶和纤维是人们熟知的三大有机高分子化合物(简称高聚物)，因其应用广泛而且容易燃烧，所以研究高聚物的燃烧具有重要意义。

高聚物的燃烧过程十分复杂，其中包括一系列的物理和化学变

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化，主要分为受热软化熔融、热分解、着火燃烧等阶段。容易软化熔融的高聚物主要是热塑性物质，表6—11列出了常见热塑性塑料的软化、熔融温度。热固性或交联型高聚物(如酚醛塑料、环氧树脂等)，在热分解温度以下不软化熔融，但热量被蓄积起来，该热量一部分用于提高聚合物的温度，另一部分用于诱发产生自由基的断链反应以及加速分解的自催化作用。这种情况会进一步加速随后的热分解速度。

高聚物的热分解是其燃烧的关键阶段，它本身是个相当复杂的过程，不同高聚物因化学组成和结构不同，化学键断裂所需要的能量不同。常见塑料的热分解度及主要热分解产物见表6—12。相同高聚物分解产物的质和量随着加热温度、加热速度及环境条件等变化也有变化。

高聚物的燃烧主要是其分解产物中的可燃性气体的燃烧。不同高聚物着火燃烧的难易程度有很大差别，如只含碳和氢的高聚物易燃但不猛烈；含有氧的高聚物易燃而且猛烈；而含卤素的高聚物难燃，离开火源后一般不燃。

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