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燃烧学

来源：飒榕旅游知识分享网

燃烧学――第一讲

第一讲

重点：燃烧条件、及燃烧空气量的计算。

绪论

燃烧学是研究燃烧的发生、发展和熄灭过程的学科。

一．燃烧学的研究内容

燃烧的本质；着火机理、熄火机理；气、液、固体可燃物燃烧特性；燃烧技术（工程燃烧学）；防灭火技术（消防燃烧学）。

二．燃烧学学习的目的和意义

2.1 火的作用

火被人类掌握和使用以后，为人类的进步和社会的发展作出了巨大贡献。

2.2火的危害

火一旦失去控制，造成对国民经济的损失，同时，火灾还对环境和生态系统造成不同程度的破坏。火灾还对社会带来不安定因素。

火灾指的是在时间和空间上失去控制的一种灾害性燃烧现象，包括森林、建筑、油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。

火灾发生的必要条件：可燃物、空气和火源同时存在。

按火灾损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。下面是几个典型火灾案例。

1998年1月3日，吉林省通化市东珠宾馆发生火灾。

1999年10月30日，韩国仁川市一幢4层楼的地下卡拉OK厅发生火灾，有57人被烧死，71人被烧伤。

2000年12月25日，洛阳东都商厦火灾。

2002年6月16日，位于海淀区学院路20号的“蓝极速”网吧发生火灾。

火灾烟气的组成：（1）气相燃烧产物；（2）未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物微小颗粒；（3）未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。

火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，导致火灾中很多人因烟气窒息和中毒而死亡。

2.3目的和意义

学习研究各种可燃物的着火条件――――防火

燃烧学――第一讲

学习研究物质爆炸规律―――预防爆炸

学习研究燃烧、蔓延规律、熄灭―――灭火，减少损失学习研究燃烧烟气特性――――防排烟，减少人员伤亡

三、火灾防治措施

火灾防治措施有：建立消防队伍和机构、研制各种防灭火设备、制定相关防灭火法规、研究火灾机理和规律及调动社会各界力量投入防灭火。

四、燃烧学的研究对象和方法

4．1燃烧学的研究对象

燃烧学的主要研究方面：1、燃烧理论的研究。2、燃烧技术的研究。

4．2火灾的特点

火灾的发生和发展规律具有随机性和确定性的双重特点。

随机性是指火灾在何时、何处发生等是不定的，它要受到多种因素的影响，但却遵循一定的统计规律。

确定性是指火灾的发生是按其确定的过程发展，火灾燃烧、烟气流动等都遵循确定的流体流动、传热传质、物质守恒等规律。

4．3燃烧学的研究方法

燃烧学的研究方法包括统计分析法、模拟研究法和实体实验法。

五、本课程的主要研究内容

本课程的主要研究内容为：燃烧的化学基础；燃烧的物理基础；着火和灭火理论；气体可燃物的燃烧；液体可燃物的燃烧；固体可燃物的燃烧；室内灭火简介。

第1章燃烧化学基础

本章包括：燃烧的本质和条件；燃烧所需空气量的计算；燃烧产物及其计算；燃烧热的计算和燃烧温度的计算。

1.1 燃烧的本质和条件

1.1.1 燃烧的本质

燃烧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。

燃烧学――第一讲

燃烧区的高温使其中白炽的固体粒子和某些不稳定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。

燃烧的本质是一种氧化还原反应，但又不同于一般的氧化还原反应。爆炸与燃烧没有本质差别。

很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子在瞬间进行的循环链式反应。

1.1.2 燃烧的条件及其在消防中的应用

1.1.2.1 燃烧的条件

燃烧三要素指：氧化剂、还原剂及引发燃烧的能源。

三要素是燃烧的必要条件，不是充分条件，要发生燃烧还必须满足其它条件。

可燃物可燃物燃烧燃烧点火源点火源助燃物游离基助燃物（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燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，称为着火三角形，如图1-1（a）所示。根据燃烧的链锁反应理论，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。

1.1.2.2 燃烧条件在消防中的应用

根据着火三角形，可以提出以下防火方法：控制可燃物；隔绝空气；消除点火源。根据着火三角形，可以提出以下灭火方法：隔离法；窒息法；冷却法。

着火四面体为另一种灭火方法——抑制法提供了理论依据，原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，销毁游离基，形成稳定分子或低活性游离基，使燃烧反应终止。

防火和灭火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

空气需要量表示一定量可燃物燃烧所需要的空气质量或者体积。

燃烧学――第一讲

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。

1.2.1.1固体和液体可燃物的理论空气需要量

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：

C%H%O%N%S%A%W%100% （1-1）

依据这些元素完全燃烧的计量方程式，完全燃烧的总体方程如下：

11CO2CO2 HO2H2O SO2SO2 （1-2）

42 假定计算中涉及的气体是理想气体，则所需氧气的体积为

CHSO （1-3） V0,O2()22.4102（m3/kg）

1243232因此，每1kg可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为V0,airV0,O20.21（m3/kg）（1-4）

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：C－43％，H－7％，O－41％，N－2％，W－6％，A－1％。

1.2.1.2 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： CO%H2%CHnm %H2S%CO2%O2%N2%H2O%100% （1-5）

可燃物完全燃烧的反应方程式如下：

11O2CO2 H2O2H2O 223mm H2SO2H2OSO2 CnHm(n)O2nCO2H2O

242 CO每1m3可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为

113m V0,OCOH2H2S(n)CnHmO2102（m3/m3）（1-6）

22242每1m3可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为 V0,airV0,O213m1 4.76COH2H2S(n)CnHmO2102（m3/m3）

0.212242例如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：CO－6.8％，H2－57％，CH4－22.5％，C2H4－3.7％，CO2－2.3％，N2－4.7％，H2O－3％。

解：完全燃烧1m3这种煤气所需理论空气体积为

V0,airV0,O213m14.76COH2H2S(n)CnHmO2102=4.188m3 0.2122424

燃烧学――第二讲

第二讲

重点：燃烧产物量的计算。

1.2.2 实际空气量和过量空气系数

实际供给的空气量称为实际空气量。实际空气量L与理论空气量L0之比称为过量空气系数，用α表示：

实际空气需要量与理论空气需要量的关系为：

V,airV0,air （1-8）

气态可燃物α＝1.02-1.2；液态可燃物α＝1.1－1.3；固态可燃物α＝1.3－1.7。当α＝1时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。此时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α<1 时，表示实际供给的空气量少于理论空气量。当α>1时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。

综上，α的数值对于燃烧过程有着很大影响，α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

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：

fGfGa （1-9）

它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数，它与过量空气系数α的的关系为

fGfGa11 （1-10） LL0 对于一定燃料来说，L0是确定的值，因而f和α成反比。当α＝1时，油气比f＝1/L0。

1.2.3.2过量燃料系数β

过量燃料系数指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比，是理论空气量的倒数，即：

Lf1L0 （1-11）

实际空气量的倒数1/aL0就是实际燃料量。因此，过量燃料系数β为

1 （1-12）

5

燃烧学――第二讲

1.3燃烧产物量的计算

燃烧产物主要指燃料燃烧生成的气相产物，包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。

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。产物主要有CO2、H2O、SO2和N2，烟气体积为：

VyqVCO2VSO2VN2VO2VH2O（m3/kg）（1-13）

当α＝1时，

V0,yqVCO2VSO2V0,N2V0,H2O（m/kg）（1-14）

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 CO2CO2

V0,CO2V0,SO22. 理论氮气的体积

V0,N222.4C（m3/kg） 1210022.4S（m3/kg） 3210022.4N0.79V0,air（m3/kg） 281003. 理论水蒸气的体积 V0,H2O22.4H1M（m3/kg） 22.421001810022.4N0.79V0,air)28100至此，得到理论烟气量为：

22.4C22.4S+121003210022.4H1M（）（m3/kg） 22.4210018100 V0,yq+(+

把水分扣除后的烟气称为“干烟气”。于是理论烟气体积V0,yq又可写成：

V0,yqV0,gyV0,H2O

当α>1时：

VyqV0,yq(1)V0,airm3/kg （1-15）

1.3.1.2气体燃料燃烧烟气量的计算

燃烧学――第二讲

CO%H2%CnHm%H2S%CO2%O2%N2%H2O%100%（1-19）每m3可燃物燃烧生成的CO2、SO2、H2O和N2的体积分别为：

V0,CO2COCO2nCnHm102（m3/m3）

V0,so2H2S102（m/m）

V0,H2OH2H2OH2SmCH102（m3/m3） 2nm3

V0,N2N21020.79V0,air（m/m）

V0,yq=V0,CO2V0,so2V0,H2OV0,N2

mCOCO2(n)CnHm2H2SH2H2ON2 ×10-20.79V0,air

2当α>1时，除了理论空气量之外，还要加上过量空气量。

1.3.2不完全燃烧时烟气量的计算

不完全燃烧烟气中的可燃物质主要有CO、H2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：

CO0.5O20.53.76N2CO20.53.76N2 H20.5O20.53.76N2H2O0.53.76N2 CH42O223.76N2CO22H2O23.76N2

在α≥1时，不完全燃烧烟气量比完全燃烧烟气量的体积增加了0.5VCO0.5VH2，即 VyqVyq(0.5VCO0.5VH2) （1-20）式中，Vyq表示不完全燃烧烟气量；Vyq表示完全燃烧烟气量。

在α<1时，不完全燃烧主要有两种情形:

（1）燃料与空气的混合均匀，且O2全部消耗掉，烟气中含有CO、H2和CH4等成分。每

此燃料烟气生成量体积减少

BB1.88VCO1.88VH29.52VCH4

7

燃烧学――第二讲

B即 Vyq Vyq1.88VCO1.88VH29.52VCH4 （1-22）

（2）氧气供应不足，且存在由于燃料与空气混合不好而造成的不完全燃烧，即烟气中还存在自由氧，设这部分氧气的体积为VO，折合空气量为VO24.76VO。当自由氧不为

20.212零时，生成的烟气量为

VByqVyq[1.88VCO1.88VH29.52VCH4－4.76VO2] 8

（1-24）

燃烧学――第三讲

第三讲

重点：盖斯定律、热值及燃烧温度的计算。

1.4燃烧热的计算

1.4.1热容

热容是指在没有相变化和化学变化的条件下，一定量的物质温度每升高一度所需要的热量。物质的量为1摩尔，则称为摩尔热容；物质的量为1克，则称为比热。

1.4.1.1恒压热容、恒容热容

1. 恒压热容

在恒压条件下，一定量的物质温度升高一度所需的热量称为恒压热容，用Cp表示。热容是温度的函数，最为普遍的形式是：

CpabTc'T2 式中，a、b、c、c′都是由实验测定的特性常数。 2. 恒容热容

在恒容条件下，一定量的物质温度升高一度所需的热量称为恒容热容，用Cv表示。Cp>Cv。

理想气体：Cp－Cv＝R；固体和液体，Cp＝Cv。气体的恒压热容与恒容热容之比称为热容比，用K表示，即

CpCvK，不同物质的热容比K值是不同，空气的热容比为1.4。

1.4.1.2平均热容

1．平均恒压热容

在恒压条件下，一定量的物质从温度T1升高到T2时平均每升高一度温度所需的热量称为恒压平均热容，用Cp表示。

2．恒容平均热容

在恒容条件下，一定量的物质从t1升高到t2时平均每升高一度温度所需要的热量，称为恒容平均热容，用

Cv表示，单位为kJ·kmol-1·℃。

1.4.2燃烧热

1.4.2.1燃烧热

燃烧学――第三讲

在化学反应过程中，生成物所含能量总和与反应物所含能量总和间的差异以热的形式向环境散发或者从环境吸收，这就是反应热。在定温定压过程中，反应热等于系统焓的变化。

生成热：由稳定单质反应生成某化合物时的反应热。标准生成热：在0.1013MPa和指定温度下，由稳定单质生成1mol某物质的恒压反应热，用H0f,m表示。

燃烧反应的反应热称为燃烧热。氧气在0.1013MPa和指定温度下，1mol某物质完全燃

0烧时的恒压反应热，称为该物质的标准燃烧热，用Hc,m表示。

1.4.2.2燃烧热的计算

在整个化学反应过程中保持恒压或恒容，且系统没有做任何非体积功时，化学反应热只取决于反应的开始和最终状态，与过程的具体途径无关的这一规律称作盖斯定律。

根据盖斯定律，任一反应的恒压反应热等于产物生成热之和减去反应生成热之和，即 QpHVHi0f.m.i产物VHi0f.m.i反应物（1-27）

例1-3 求乙醇在25℃下的标准燃烧热。解：乙醇燃烧反应式为

C2H5OHl3O2g2CO2g3H2Ol

查上表得H0f.298.CO2g393.51kJ/mol

0H0f,298,C2H5OH(I)277.7kJ/mol Hf,298,O2(g)0

Qp＝2393.513285.831277.701366.8(kJ/mol)

根据标准燃烧热的定义，乙醇的标准燃烧热即为1366.8kJ/mol。

气态混合物的燃烧热，可用下式粗略计算，Hc,m000 VHic,m,i （1-28）

式中，Vi是混合物中I组分的体积百分比；Hc,m,i是I组分的燃烧热。

例 1-4：求焦炉煤气的标准燃烧热。焦炉煤气的体积百分数组成为：CO－6.8％，H2－57％，CH4－22.5％，C2H4－3.7％，CO2－2.3％，N2－4.7％，H2O－3％。

解：查上表1-6得该煤气中各可燃组分的标准燃烧热分别为：

Hc0,298,CO(g)283.0kJ/mol，Hc0,298,H2(g)285.83kJ/mol，Hc0,298,CH4(g)890.31kJ/mol， Hc0,298,C2H41411.0kJ/mol

由上式得该种煤气的标准燃烧热为

Hc0,298 434.69(kJ/mol)

燃烧学――第三讲

1.4.2.3热值的计算

热值是指单位质量或者单位体积的可燃物完全燃烧所发出的热量，用Q表示。对于液体和固体可燃物，表示为质量热值Qm（kJ/kg）；对气态可燃物，表示为体积热值Qv（kJ/m3）。

燃烧热和热值间的换算关系如下：对液体和固体可燃物 Qm1000Hc (kJ/kg) （1-29）

M1000Hc对气态可燃物为 Qv(kJ/m3) （1-30）

22.4如果可燃物中含有水分和氢元素，热值有高低之分。在研究火灾燃烧中，常用低热值。分子结构很复杂的可燃物，最常用的有门捷列夫公式：

QH4.18[81C300H26(OS)](kJ/kg) （1-31） QLQH6(9HW)4.18(kJ/kg) （1-32）

式中，C、H、S和W分别为可燃物中碳、氢、硫和水的质量百分含量；O是可燃物中氧和氮的总质量百分含量。

1.5燃烧温度的计算

1.5.1燃烧温度的分类

可燃物燃烧产生的烟气所达到的温度称为可燃物的燃烧温度。燃烧温度可分为理论燃烧温度、实际燃烧温度。

如果燃烧是在绝热条件下进行完全燃烧，并且不考虑系统与外界的功交换，则这时得出的温度称为可燃物的理论燃烧温度。

而在实际火灾中测定的温度称为实际燃烧温度。

从理论上说，在α＝1且完全燃烧情况下，燃烧温度最高。

1.5.2燃烧温度的计算

采用平均恒压热容Cpi，得出求解燃烧温度的公式为： Ql式中，Vi为第i种产物的体积。

假定初始温度为0℃，则上式变为 QlVCt25 （1-35）

ipiVCipit

燃烧学――第三讲

产物的恒压平均热容Cpi取决于温度，理论燃烧温度t是未知数，所以Cpi也是未确定量。通常先假定一个理论燃烧温度t1，从表中查出相应的Cpi，求出相应的Ql1；然后再假定第二个理论燃烧温度t2，求出相应的Cpi和Ql2；最后用插值法求出理论燃烧温度t，即

tt1t2t1QlQl1 （1-36）

Ql2Ql1例 1-5：已知木材的组成为：C－43％，H－7％，O－41％，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

V0,CO222.44322.4722.460.803(m3) V0,H2O0.856(m3) 12100210018100222.479V0,N24.3123.433(m3)

281001001kg木材燃烧放出的低热值由公式（1-31）、（1-32）可得，QL＝16993（kJ）设t1＝1900℃，从表1-4中查得CO2、H2O和N2的平均恒压热容分别为 CpCO22.4074 CpH2O1.9423 CpN21.4758

Ql11900(0.8032.40740.8561.94233.4331.4758)16458(kJ) 因为Ql>Ql1，所以t>t1，再设t2＝2000℃，从表1-4中查得相应的平均恒压热容分别为 CpCO22.4221 CpH2O1.9628 CpN21.4825

Ql22000(0.8032.42210.8561.96283.4331.4825)17429(kJ) 因为Ql1一、已知木材的质量百分数组分为：C－40％，H－10％，O－41％，N－2％，W－6％，A－1％

1. 求1kg木材完全燃烧所需要的理论空气量，烟气的组成和体积（α=1）。 2. 木材的高、低热值

3. α=1.5时，完全燃烧所需要的理论空气量，烟气的组成和体积 4. α=1.5时，燃烧温度

二、某焦炉煤气的体积百分数组成为：CO－3.8％，H2－58％，CH4－24.5％，C2H4－3.7％，CO2－2.3％，N2－4.7％，H2O－2％ ,O2—1%

1. 求1m3煤气完全燃烧所需要的理论空气量，烟气的组成和体积（α=1） 2. 1m3煤气的高、低热值

燃烧学――第三讲

3. α=1.5时， 1m3煤气完全燃烧所需要的理论空气量，烟气的组成和体积 4. α=1.5时1m3煤气不完全燃烧，烟气中有CO 0.01m3， H2 0.12m3，CH4 0.06m3. 求烟气的总体积。

燃烧学――第四讲

第四讲

重点：傅立叶定律、导热微分方程及边界条件、牛顿公式。

第2章燃烧物理基础

本章包括：热传导、对流换热、热辐射及物质的传输。

2.1 热传导

热传导：如果在物体内部存在着温度梯度，则能量就会从高温区向低温区转移。

导热主要与固体相关，固体以两种形式传导热能：自由电子迁移和晶格振动。晶格振动传输的能量比自由电子传输的能量小。

2.1.1.傅立叶定律

热传导服从傅立叶定律，即：在不均匀温度场中，由于导热所形成的某地点的热流密度正比于该时刻同一地点的温度梯度，在一维温度场中其数学表达式为

dT （2-1）qx''k dx式中，qx为热通量，在单位时间经单位面积传递的热量，单位为W/m2; dT/dx为沿x方向的温度梯度，单位为℃/m;

k为导热系数，单位为W/（m•K）.不同的物质其导热系数不同。

''2.1.2．导热微分方程

非稳态导热过程指：物体中各点的温度随时间而改变；或各点的温度周期性变化。稳态导热过程：使物体中各点的温度不随时间而变化。

导热理论的任务就是要求出物体中的温度场，即T＝f （x, y, z, t）。

导热微分方程就是描述物体中任一点的温度与其空间坐标和时间的关系的。利用物体的边界条件和时间条件，对导热微分方程积分，求出该物体温度场的数学解。

当物体的微元体内有放热热源或吸热热源时，此微元体在dt时间内的放热量为

dQ'q'dxdydzdt （2-2）

式中 q为单位时间内单位体积的放热量，J/（m3·s）（放热q为正，吸热q为负）。

1）均匀且各方向同性的物体，具有内热源时三维温度场的非稳态导热微分方程为

'''14

燃烧学――第四讲

2T2T2TT 22q'/c （2-3）2tyzx式中，α＝k /ρc，称为导温系数（是一个物性参数）。

导温系数α表征着物体在被加热或冷却时其内部各点温度趋于均匀一致的能力。对非稳态导热问题，定解条件有两个方面：一个是初始条件；另一个是边界条件。但对于稳态导热问题，定解条件没有初始条件，只有边界条件。

常见的边界条件分为三类：给定边界上的温度值；给定边界上的热流密度值；给定边界上物体与周围流体间的换热系数及周围流体的温度。

通常情况下，如果没有特别指明为非稳态工况，一般所指的皆为稳态工况的传热问题。

2.1.3．非稳态导热

无限大平板和无限大固体的导热问题和一维非稳态导热问题的理论解。有些几何对称的问题可通过简单的坐标变换而转化为一维问题来求解。

如下图2-1，考虑厚度为2L、内部初始温度为T0的无限大平板，两面暴露于T=T∞的环境中，令TT，则/0 是比渥数（Bi）、傅立叶数（F0=αT/L2）和x/L三个无量纲数的函数。Bi是比渥数（hL/k）。

Bi表示物体内部的传导热阻与物体表面的对流热阻之比；F0表示在给定时间t内，温度波近似穿透深度与物体特征尺寸之比；x/L表示距中心线的距离。

如果Bi很小，与表面对流热阻相比，其内部导热热阻可以忽略不计于是就可以用集总热容法近似地分析其导热过程。由dt时间内的能量平衡关系：

qAh(TT)dtVcdT

可得：

TT2htexp() （2-12）

TT0cL式中L=2V/A，表示平板厚度，A为对流表面积、V为与其相对应的体积。

T∞ t>0

h h 2L 图2-1 无限大平板的瞬态导热 T=T0 T∞ t>0 15

燃烧学――第四讲

考虑一个半无限大固体，其初始温度为T0，固体表面温度突然升高，且保持温度T∞ ，令θ=T－T0,假如物体性质不变，于是其解为：

x1erf （2-13） 2tx2t ＝5×10-3，则得到L/2t＝2，从此可以看

若假设L0.5％，即1erf出将厚度为L的墙或“板“作为半无限大固体考虑，而所产生误差很小的前提是L>4t。在许多与瞬态加热有关的火灾工程问题中，一般都在L>2t 的条件下采用半无限大固体导热的假设，对应于L 15.7％，因此t值在某些情况下可用于估算被加热层的厚度。

2.2对流换热

2.2.1引言

对流通常分为自然对流和强迫对流。火灾时两种对流形式交替发生。对流换热是指流体在流动过程中与周围固体或流体之间发生的热量交换。

流体在外力作用下连续不断地流过固壁，这种对流称之为强迫对流；靠近热固体的热气流由浮力驱动的流动称之自然对流。

单位固体表面、单位时间和流体之间的热交换，与流体的运动状态和流体与固体壁面温度差有关，同时与流体的热物性，即k和cp有关，这是对流换热过程的三个基本因素。

2.2.2牛顿公式和对流换热系数

牛顿提出流体与壁面热交换通量与流体与壁面的温度差成正比，记作

q=hTwTf＝hΔT （ W/m2）（2-15）

h是对流放热系数。h由流场的几何形状、流动状态和流体的热物性k和cp确定。

对于自然对流， h值介于5－25W/m2•K之间，而对于强迫对流，则为10－500W/m2•K。

2.2.3.对流换热过程的边界层分析求解

如图2-3，在壁面上流体的流速为U（0）=0,垂直方向上速度分布设为U＝U（y）,离壁面无穷远处速度U（∞）＝U∞。流动边界层的厚度定义为从壁面到U（y）＝0.99U∞点的距离，对于较小的x值，边界层内的流动为层流。随着x的增大，在经过一个转变区域后，流动将

燃烧学――第四讲

充分发展为湍流。但靠近壁面处，却始终存在着一个“层流内层”，其流动性质决定于当地雷诺数Rex＝xU∞ρ/μ ，如果Rex<2×10，则属层流流动；如果Rex>3×10，则属湍流流动，在此之间，则为过渡区，可能是层流也可能是湍流流动。

流动边界层的厚度（δh）依赖于当地雷诺数Re，且对于层流可近似表达为：

8hlRel

y 1/2 （2-16）

其中l是对应于δh 的x值，Rel是x=l点的当地雷诺数Re。

过渡区 U U∞

y U•U（y） y δh（x）层流边界层 U∞ 湍流边界层 δh（x） x x 流线层流内层 U（0）＝0 （a）图2-3 平板上的绝热流动边界层系统（b） U∞ T∞ U∞ T＝T（y） δh（x） x δθ（x） Ts

图2-4 平板上的非绝热流动边界层系统（虚线表示流动边界层，实线表示热边界层） 1/3

=Pr （2-19） h17

燃烧学――第五讲

第五讲

重点：普郎克定律、克希霍夫（Kirchhoff）定律、热气体的辐射率及烟囱效应。

2.3热辐射

热辐射是物体因其自身温度而发射出的一种电磁辐射，它以光速传播。

辐射是火焰高度超过0.2m时热交换的主要方式。对于小一点的火焰对流换热更显著。水蒸气和二氧化碳在最主要的热辐射范围（1到100μm）内有很强的吸热性和放热性。

2.3.1基本概念和基本定律

2.3.1.1辐射强度和能量

辐射强度（In）指在法向方向上，单位时间、单位表面积、单位立体角上辐射的能量。通过表面向任一方向的热辐射能量可以用光谱辐射能来代替：

qv40IvnRdI04vcosd （2-28）

在等式（2-28）中，Ω表示立体角（dsindd）。Iv是辐射强度。

2.3.1.2普郎克定律

辐射力的定义为单位时间内，物体的单位表面积向周围半球空间发射的0～∞波长范围内的总辐射能，并表示为E（W/m2），对黑体，辐射力以Eb表示。1900年，普朗克根据电磁波的量子理论，揭示了真空中黑体在不同温度下的单色辐射力Eb随波长λ的分布规律，即普朗克定律，表示如下：Ebv2c2h5 （2-29） exph/kT1EbEbd002c2h5dT4 （2-30）

expch/KT1E。 Eb真实表面的辐射力小于黑体的辐射力。定义为真实表面的辐射率或黑度：是随波长而变化的。对真实表面，物体的单色辐射率与波长无关的物体称为灰体，

即在0～∞的波长范围内，为一小于1的常数。这样可以将式（2-30）改写成适用于计算实际物体表面辐射力的公式为

燃烧学――第五讲

ET4 （2-31）

2.3.1.3 克希霍夫（Kirchhoff）定律

如果一起火灾是被隔离的，则内部物质不同但具有相同温度的隔离物都能达到自己的平衡状态。有关系式如下：

vvv1 （2-32）

在物质之间的接触面上α、ρ和τ分别表示能量的吸收率、放射率和透射率。克希霍夫（Kirchhoff）定律表明为了维持平衡，

tt （2-34）

2.3.2热气体和非发光火焰的辐射

只有分子呈偶极子运动的气体，其辐射发生在光谱的整个热辐射波长范围内。

气体辐射是全体积辐射，因此，气体的辐射特性与其“厚度”有关。

考虑一束波长为λ的单色光通过一个厚度为L的气体层，当光束穿过薄层dx时，其光强的减弱与当地光强、气体薄层厚度dx以及气体层内吸收光的组分浓度成正比，即：

dIKCIxdx ILI0expKCL （2-36）

I0为x=0处的入射光强，上式称为Lambert-Beer定律，于是得到单色光的吸收率为：

I0IL1expKCL （2-37）

I0根据克希霍夫定律，它等于同样波长时的单色光辐射率ελ。当L→∞时，αλ和ελ趋于1。

在大多数的消防工程应用中，烟气辐射率为：

gHOCO （2-40）

22122.3.3发光火焰和热烟气辐射

火焰内部或热烟气中的微小颗粒温度较高，其辐射光谱是连续的，火焰（热烟气）辐射依赖于温度、颗粒的浓度和火焰的“厚度”，或射线行程平均长度。其辐射率的经验公式：

1expKL （2-41）

式中K 为发射系数，当炭颗粒直径大大小于辐射波长时：

燃烧学――第五讲

K3.72C0fvTs （2-42） C2其中C0为2~6之间的常数，C2为Plank第二常数，其值为1.4388×10-2m•K。fv为炭颗粒的体积分数，其值约为10-6量级。Ts为辐射温度。

火焰中炭颗粒越多，火焰平均温度就越低。炭颗粒的辐射大大超过气体所产生的分子辐射。如果必须考虑气体辐射，炭颗粒与热气体平均混合物的辐射率为：

1expKLgexpKL （2-43）

2.4 物质的传递

燃烧发生时，物质的传递通过物质的分子扩散、燃料相分界面上的斯蒂芬流、浮力引起的物质流动、由外力引起的强迫流动、湍流运动引起的物质混合等方式来实现。

2.4.1 物质的扩散

B为一种静止的等温流体，从它的一边渗入另一种流体A，而在另一边将流体A渗出。由于浓度差，A物质将从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。在单位时间内，单位面积上流体A扩散造成的物质流与在B中流体A的浓度梯度成正比，即

JADABA （2-44） y式中，JA代表在单位时间内、单位面积上流体A扩散造成的物质流量，DAB称为组分A在组分B中的扩散系数。

A 图2-9 扩散定律示意图 y A B JA ρ fA 在考虑多组分混合物的扩散问题时，常常把考虑的S组分看出一种组分，而把S组分之外的其它组分看出另一组分，因此扩散方程可以写为

燃烧学――第五讲

JSDSS （2-45） y方程（2-44）和（2-45）均称为费克扩散定律方程。

2.4.2 斯蒂芬流

在物理或化学过程作用下，在相分界面处会产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流。这个总物质流就是斯蒂芬流，它是由于扩散以及物理化学过程两个作用共同产生的。

如图2-10所示。A－B是水面，fH2O表示水汽的相对浓度，fair表示空气的相对浓度。

fH2Ofair1 （2-49）

这时相分界面处水汽分子扩散流是 JH2O,oD00fH2Oy0，所以JH2O,00。 0fH2O （2-50） y0因为与此同时，分界面处空气浓度梯度也将导致空气分子的扩散流，因此，有

fairJair,0D00y所以， (  （2-51）0fair)00,Jair,00。 y 因此，在相分界面处，除了扩散流之外，一定还有一个与空气扩散流相反的空气――水蒸气混合气的整体质量流，使得空气在相分界面上的总物质流为零。假设混合气的总体质量流是以流速V0流动的，质量流就可以分为两部分：一部分是扩散物质流，另一部分是由于混合气的总体质量流所携带的该组分的物质流。因此，可以写出下面的关系式：

gH2O,0JH2O,0fH2O,00V0

gair,0D00fairyfair,00V0 （2-53） 0在水面蒸发问题中，g0gH2O,0gair,0，因为gair＝0，所以g0＝gh2o，即

fH2OD00y(1fH2O,0)0V0 （2-54）

0水蒸发时，斯蒂芬流等于扩散物质流加上混合气总体运动时的所携带的水汽物质流。

燃烧学――第五讲

通过上面例子可看出斯蒂芬流产生的条件是在相分界面处既有扩散现象存在，又有物理或者化学过程存在，这两个条件是缺一不可的。

2.4.3 燃烧引起的浮力运动

火灾现场，燃烧区附近的整个气体都在流动，这个物质流称为整体物质流。

假定有一垂直管道，高度为H，管内温度为T，空气比重为γ，管外空气温度为T0，比重为γ0；管道下端平面为1－1平面，管道上端平面为2－2平面；向上作用在2－2平面上的压力为P2，向下作用在平面1－1上的压力为P1；向上作用在1－1平面上的压力为P。

PP2H0 P1P2H 0

所以 PP1；

PP1P2H0P2HH0 （2-58）

1 P 图2-11 烟囱效应 1 H T ，γ T0，γ0 2 2 P2 P1 于是冷空气从管道下端进入，热空气从管道上端流出，这种在垂直的围护物中，由于气体对流，促使烟尘和热气流向上流动的效应，称为”烟囱效应“。从公式（2-58）中可以看出：（1）管道H越高，管道下端1－1平面上的压力差（P－P1）越大，烟囱效应越显著。（2）管道内外温差越大，热空气与冷空气的比重差越大，管道下端1－1平面上的压力差就越大，烟囱效应越显著。

烟囱效应对高层建筑发生火灾时的危害特别大。火灾时烟气的垂直流动速度可达2－4m/s。

课后作业：

1、房间发生火灾，室内温度达1000℃，墙壁厚0.15m，导温系数5.2×10-7m2/s。经过

燃烧学――第五讲

多长时间，挂在隔壁房间墙壁(初始温度10℃）上的衣物有着火的危险（衣物的自燃点200℃）？

燃烧学――第六讲

第六讲

重点：着火分类、谢苗诺夫热自燃机理。

第3章着火和灭火理论

本章包括：着火分类和着火条件、谢苗诺夫热自燃理论、弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论、连锁自燃理论、强迫着火和灭火分析。 3.1 着火分类和着火条件

3.1.1 着火分类

可燃物的着火方式，一般分为以下几类：

1）化学自燃：不需要外界加热，在常温下依据自身的化学反应发生。

2）热自燃：将混合物预先均匀地加热，当混合物加热到某一温度时便会自动着火。 3）点燃：从外部能源使混气的局部范围受到强烈的加热而着火。

火灾有时也称爆炸，热自燃也称热爆炸。 “着火”、“自燃”、“爆炸”的实质相同。

3.1.2 着火条件

着火条件是：如果在一定的初始条件下，系统将不能在整个时间区段保持低温水平的缓慢反应态，而将出现一个剧烈的加速的过度过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态，即达到燃烧态，这个初始条件就是着火条件。

3.2 谢苗诺夫热自燃理论

任何反应体系中的可燃混气，一方面它会进行缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高，同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。

热自燃理论认为，着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热占优势，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，不能自燃。

为了使问题简化便于研究，假设：（1）容器壁的温度为T0，并保持不变；（2）反应系统的温度和浓度都是均匀的；

（3）由反应系统向器壁的传热系数为α1且不随温度而变化；（4）反应系统放出的热量Q为常数（J/mol）。

燃烧学――第六讲

在达到着火时间内，反应速度可用下式表示

WK0CACBeERT （3-2）

反应的放热速度为

q1K0QVCACBeERT （3-3）

在单位时间内通过容器壁而损失的热量可用下式表示：

q2aSTT0 （3-4）

式中α为通过器壁的传热系数，S为器壁的传热面积，T为反应系统温度，T0为容器壁温度。

在反应初期CA，CB与反应开始前的最初浓度CA0，CB0很相近，Q、V、K0均为常数，因此放热速度q1和混合气温度T之间的关系是指数函数关系，即q1～e

E

。

散热速度q2与混合气温度之间是直线函数关系，如图中q2直线所示。当容器壁的温度升高时，直线向右方移动。当放热速度小于散热速度时，反应物的温度会逐渐降低，不可能引起着火。反之，则混合气总有可能着火。

A B 放q热1及散q2 热速度 q1'q1C 'q2q2''q2T0'TTB

温度图3-2 混合气在容器中的放热和散热速度

着火温度的定义不仅包括此时放热系统的放热速度和散热速度相等，而且还包括了两者随温度而变化的速度应相等这一条件，即

q1q2 （3-5）

dq1dq2 （3-6） dTdT混合气体的着火温度不是一个常数，它随混合气的性质、压力（浓度）、容器壁的温度和导热系数，以及容器的尺寸变化。

3.2.1.着火温度和容器壁温度的关系

燃烧学――第六讲

根据着火时的条件q1=q2可知

K0QVCACBe根据

ERTB STBT0 （3-7）

dq1dq2的条件，将上式求导数，得出（除TB处，其余均系已知） dTdTERTK0QVCACBeS （3-8） 2RTB将式（3-8）除以式（3-7）得出

ERTB2TBT0 （3-9）

E解二次方程即可求出TB的值

TB4RT0EE1 （3-10） 2R2RERT02TTBT0 （3-12）

E在着火条件下，混合气着火温度TB与适应于着火条件的起始温度T0之间的差值是较小的。

3.2.2.着火时混合气压力与其他参数的关系

将式（3-11）中TB之值代入式（3-7）中，可得

ERT2RT00EK0QVCACBEeRT02SE （3-13） 由于

RT0T1，上式中 ET0RT02RTT0T010T0

EE因而式（3-13）可写为

K0QVCACBESRT20eERT01 （3-14）

设反应物总摩尔浓度为C， xA表示燃料的摩尔分数，xB表示空气的摩尔分数，则

CACxA

燃烧学――第六讲

CBCxB

同时，在着火条件下，根据理想气体状态方程，

CPc （3-15） RT式中Pc为混合气的临界压力（即着火时混合气压力）。

将式（3-14）中CACB换成压力和温度的函数，则得

2K0QVEPcxAxBeRT01 （3-16） 4SRT0E这就是着火条件下混合气压力与温度及其他参数的关系。它也可以写成对数形式，如

PcE1SR3 （3-17） ln2ln2RT02K0QVExAxBT0在一定的容器和混合气成分条件下，上式也可写成

lnPcAB （3-18） T02T0式中A、B均为常数。

从着火条件的基本公式可以看出着火的一些基本规律。

（1）当混合气成分和容器形状不变时，外界温度T0愈高，则着火所需的临界压力愈小。在实际实验中，各种烃类着火的临界压力与容器温度的关系如图3-3所示。在图3-3中曲线的左下方（无爆炸区）条件下，燃料不能着火；在曲线的右上方（爆炸区）则能引起着火。

温度（T0）

图3-3 着火临界压力与容器温度的关系

混合气压力（Pc 爆炸区）无爆炸区（2）混合气的成分对着火有密切的关系。当温度不变，燃料的浓度减小时，从式可知Pc会逐渐降低，但超过一定值后，由于空气浓度x0的增大，Pc又逐渐上升。

（3）燃烧室的体积和容器散热面积的比值对着火的临界压力也有影响。

燃烧学――第七讲

第七讲

重点：弗兰克－卡门涅茨基热自燃机理及其自燃临界准则参数的求解，链锁自燃机理及半岛着火现象。

3.3 弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论

当比渥数Bi较大时（Bi>10），体系内部各点温度相差较大，谢苗诺夫热自燃理论中温度均一的假设显然是不成立的。

3.3.1弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论

该理论认为，可燃物质在堆放情况下，空气中的氧将与之发生缓慢的氧化反应，反应放出的热量一方面使物体内部温度升高，另一方面通过堆积体边界向环境散失。如果体系不具备自燃条件，则从物质堆积时开始，内部温度逐渐升高，经过一段时间后，物质内部温度分布趋于稳定。如果体系具备了自燃条件，则从物质堆积开始，经过一段时间后，体系着火。

在后一种情况下，体系自燃着火之前，物质内部不可能出现不随时间而变化的稳态温度分布。因此，体系能否达到稳态温度分布就成为判断物质体系能否自燃的依据。

温度 T Ta 距离图3-6 弗兰克－卡门涅茨基理论反应体系中的温度轮廓 -r 0 +r 当体系不具备自燃条件时，得到稳态温度分布方程

2T2T2TQ''' 0 （3-19）222Kxyz'''式中Q为反应体系放热速率，

燃烧学――第七讲

nQ'''HcKnCAp(E/RT) （3-20） 0ex 为便于分析，引入无因次温度θ和无因次距离x1，y1，z1：

θ＝（T－T0）/（RT02/E）（3-21）

x1=x/x0， y1=y/y0， z1=z/z0 （3-22）

x0， y0， z0是体系的特征尺寸，分别定义为体系在x， y， z轴方向上的长度。将式（3-21）、（3-22）代入式（3-19）并整理得到

2x12n2x022x022HcKnCAOEx0E/RT （3-23） ()()e222y0y1z0z1KRT0由于（T－T0）<eE/RTe2x12E/R(TT0T0)e(E/RT0)[1(TT0)/T0]1e(E/RT0)[1(TT0)/T0]eeE/RT0

将上式代入式（3-23）得

x022x022()()exp() （3-24） 22y0z0y1z1n2HKCExcnAO0式中eE/RT0 （3-25） 2KRT0 相应的边界条件为：在边界面z1＝f1（x1，y1）上θ＝0；在最高温度处：

0,0,0。 x1y1z1 方程（3-24）的解完全受x0/y0，x0/z0和δ控制，即物体内部的稳态温度分布取决于物体的形状和δ的大小。

当δ大于某一临界值δcr时，方程（3-24）无解。

当δcr＝δ时，与体系有关的参数均为临界参数，此时的环境温度称为临界环境温度Ta,cr ，体系的尺寸x0称为自燃的临界尺寸x0c，由式（3-25）得

n2HKCExE/RTa,crcnAO0c δcr＝（3-26） e2KRTa,cr 如果物质以无限大平板，无限长圆柱体、球体和立方体等简单形状堆积，则内部导热均可归纳为一维导热形式，相应的稳态导热方程式为

d2TdTQ'''0 （3-27） xdxKdx2式中，β＝0，对厚度为2x0的平板；β＝1，对半径为x0的无限长圆柱；β＝2，对半径为x0的球体；β＝3.28，对边长为2x0的立方体。

临界自燃准则参数δcr为：对无限大平板，δcr＝0.88；对无限长圆柱体，δcr＝2；对球

燃烧学――第七讲

体，δcr＝3.32；对立方体，δcr＝2.52。

3.3.3理论应用

整理关系式（3-25），并两边取对数得

ln(crTa2,cr2xocnEHcKnCAOE （3-33） )ln()KRRTa,cr对特定的物质，右边第一项为常数，左边是1/Ta，cr的线性常数。对于给定几何形状的材料，Ta，cr和xoc之间的关系可通过试验确定。

例题3-1：经实验得到立方堆活性炭的数据如下。由外推法计算，该材料以无限大平板形式堆放时，在40℃有自燃着火危险的最小堆积厚度。

x0（立方堆半边长mm） Ta，cr（临界温度K） 25.40 408 18.60 418 16.00 426 12.50 432 9.53 441 3.4链锁自燃理论

3.4.1 链式着火概念

在实践中，有不少现象和实验结果无法用热自燃理论来解释。

链式着火理论认为，使反应自动加速并不一定仅仅依靠热量积累，也可以通过链锁反应的分枝，迅速增加活化中心来使反应不断加速直至着火爆炸。由三个步骤组成：链引发、链传递和链终止；分为两大类：直链反应与支链反应，前者不发生分支链，后者产生分支链。

3.4.2 链锁自燃着火条件（链锁分枝反应的发展条件）

链锁反应的速度能否增长导致着火爆炸，取决于活化中心浓度增加的速度。活化中心浓度增大有两种因素：一是热运动的结果；二是链锁分枝的结果。 n0为反应开始时由于热作用而生成活化中心的速率，f为链分枝反应的动力学系数，g为链终断反应的动力学系数，n为活化中心的浓度，则活化中心浓度随时间的变化为

dn n0fngn （3-34）

dt令 fg，

nn0et1 （3-36）

a表示一个活化中心参加反应后生成最终产物的分子数，生成最终产物的速率为

燃烧学――第七讲

wafnafn0et1 （3-37）

分子活化能对链的发展影响很小，链的分枝与终断速率是影响链发展的主要因素。当温度升高时，链分枝的速率不断增加，而链终断的速率并没有发生变化，因而，可以使>0。这时，反应速率将随时间按指数规律增长，但由于n0很小，在开始一段时间即在着火延迟期τ内，反应非常缓慢。其反应速率随时间的变化如图3-9所示。

W w

w’ W0 W’ >0  =0 τ t τ1 τ2 τ3 <0 t 图3-9链式自燃示意图当＝0时，而反应速率为 wfan0t

图3-10反应速率与时间关系所以，在这种情况下，反应速率随时间直线增加，直至反应物耗尽为止。然而，这种反应不同于>0的情况，它不会引起着火。

只有当>0 时，才可能发生着火。＝0的极限情况的温度为自燃温度。当增大时，着火延迟期τ减小。

3.4.3 烃类氧化的链反应

烃类的高温气相氧化除了有诱导期外，在着火前常出现冷焰现象。

3.4.3.1烃类的氧化过程

烃类氧化时是以破坏氧的一个键，而不是破坏氧的两个键进行的。首先是烃分子受光辐射、热离解或其他作用而分离出自由基，如反应

HM RHMR生成的烃自由基R与分子氧可以化合而生成过氧化物自由基

 OROO R2烃基过氧化物自由基在τ1时期继续与烃分子作用，生成单烃基过氧化物及自由基：

RHROOHR ROO31

燃烧学――第七讲

τ2时期过氧化物自由基的分解大致按下述方式进行：

HORCHOO RC222RCHOOH RCH2OO3.4.4着火半岛现象

对氢氧的混合气体，反应有三个着火极限。

设第一、二极限之间的爆炸区内有一点P，保持系统温度不变而降低系统压力，P点则向下垂直移动，当压力下降到某一数值后，自由基消毁速度有可能大于自由基增长速度，于是系统由爆炸转为不爆炸，爆炸区与非爆炸区之间就出现了第一极限。

如果保持系统温度不变而升高系统压力，P点则向上垂直移动。混气压力增加，自由基气相消毁速度增加，当混气压力增加到某一值时，自由基消毁速度可能大于自由基增长速度，于是系统由爆炸转为不爆炸，爆炸区与非爆炸区之间就出现了第二个极限。

10 0 360 400 440 480 520 560 600 温度℃ 压力1000 非爆炸区 100 爆炸区 ·P 压力再增高，又会发生新的链锁反应，导致自由基增长速度增大，于是又能发生爆炸，这就是爆炸的第三极限，此时该界限的放热大于散热，属于一种热力爆炸。“着火半岛”现象中的第三界限本质上就是热自燃界限。

链锁反应热爆炸理论认为反应的初期可能是链锁反应，但随着反应的进行放出热量，并自动加热，最后变为纯粋的热爆炸。

mmHg 图3-12 氢氧着火半岛现象 32

燃烧学――第八讲

第八讲

重点：、强迫着火与自发着火的区别，热理论中的灭火分析、基本灭火措施。

3.5 强迫着火

3.5.1 强迫着火与自发着火的比较

强迫着火指用炽热的高温物体引燃火焰，形成局部火焰核心，然后再把邻近的混合气点燃，这样逐层依次地引起火焰地传播，从而使整个混合气燃烧起来。

强迫着火与自发着火的不同点：

第一，强迫着火仅仅在混气局部中进行，而自发着火则在整个混气空间进行。第二，点火温度一般要比自燃温度高得多。第三，强迫着火过程要比自发着火过程复杂得多。强迫着火比自发着火影响因素复杂。强迫着火过程和自发着火过程的共同点：

都具有依靠热反应和（或）链锁反应推动的自身加热和自动催化的共同特征，都需要外部能量的初始激发，也有点火温度、点火延迟和点火可燃界限问题。

3.5.2 常用点火方法

常用点火方法的基本原理都是使混合气局部受到外来的热作用而使之着火燃烧。

3.5.2.3 电火花引燃

电火花点火的机理有两种理论：一是着火的热理论，它把电火花看作为一个外加的高温热源，它使靠近它的局部混合气体温度升高，达到着火临界工况而被点燃，再靠火焰传播使整个容器内混合气体着火燃烧；二是着火的电理论，它认为混合气的着火是由于靠近火花部分的气体被电离而形成活性中心，提供了进行链锁反应的条件，由于链锁反应的结果使混合气燃烧起来。实验表明，两种机理同时存在。

3.5.4 引燃最小能量

实验表明，当电极间隙内的混气比、温度、压力一定时，为形成初始火焰中心，电极放电能量必须有一最小极值。这个最小放电能量就是引燃最小能量。

3.5.5 电极熄火距离

从图3-16中可以看出：电极距离d小于dp时，无论多大的火花能量都不能使混气引燃，

燃烧学――第八讲

这个不能引燃混气的电极间最大距离dp称为电极熄火距离。

在给定条件下，电极距离有一最危险值，电极距离大于或小于最危险值时，最小引燃能增加。电极距离等于最危险值时，最小引燃能最小。

用电火花引燃混气，电极距离必须大于熄火距离dp，同时，放电能量必须大于某一最小引燃能，否则电火花不能引燃混气。

对于给定的某种混气，混气比、混气压力和混气温度不同时，其最小引燃能也不相同。 1）热容Cp越大，最小引燃能Emin越大，混气不容易引燃。 2）导热系数K越大，最小引燃能Emin越大，混气不容易引燃。 3）燃烧热c大，最小引燃能Emin小，混气容易引燃。

4）混气压力大，即密度大，最小引燃能Emin小，表明混气容易引燃。 5）混气初温T高，最小引燃能Emin小，混气容易引燃。 6）混气活化能E大，最小引燃能Emin大，混气不容易引燃。

dp d危 d Emin 图3-16 最小引燃能Emin与电极熄火距离 3.6 灭火分析

3.6.1热理论中的灭火分析――理想燃烧室的着火、熄火现象的描述

以最简单的开口系统为例，假设容器中充满了进行反应的混合气体及已燃气体。

图3-18 简单开口系统 G T∞ f∞ G T f 34

燃烧学――第八讲

假设混合气体的初温为T∞，浓度为f∞，且反应物一旦进入容器即迅速反应；反应过程中混气的温度为T，浓度为f，并假设由容器出口排出的产物浓度和温度也是f，T；容器壁为绝热壁；反应为单分子或者一级反应。

简单开口系统的放热速度近似为

gHcW q'''HcKfeE/RT （3-48）

系统散热实际上是燃烧产物带走的热量，因此，散热速度为

l qGCpVTT （3-49）

'''VKfeE/RT （3-50） gVW系统单位时间内反应的物质为 glGff 系统单位时间内反应物的减少为 g由热量平衡和质量平衡，可知在稳态情况下有

ggl gql ， gqE/RT即 HcKfe VKfe由式（3-51）和（3-52）可得

GCpTT （3-51） VE/RTGff （3-52）

CpTTHcff

对于单分子反应，由于f1， ffTTTTm （3-55）

TmTTmT将式（3-45）代入（3-55）可得发热速度与T的关系为

TmTE/RT qgHcK （3-56） TTem其中，K是常数，另外散热速率还可写为：

qLhFTT （3-57） V如果按上式来考察放热、散热速率的关系，情况就大不相同了，如下图3-19。

工作点可能有三个:：一个是缓慢的氧化工况；一个是强烈反应的燃烧工况；另一个中间的工况是不稳定的，它不是向燃烧工况发展，就是向缓慢氧化工况发展。系统一旦着火，则工作点立即移到燃烧工况，在连续供给燃料的情况下就建立了稳定的燃烧工况。相反，在燃烧工况下，由于某些条件的恶化，则燃烧工况将逐步向E点靠近，切点E就是极限的工

燃烧学――第八讲

况，若工作条件继续恶化，则反应立即过渡到缓慢工况，即反应系统发生了熄火。

q q E E

T∞（q0，T0） qL （q0，T0） hF/V增加 qL qG I T1 T∞增加 TE Tm TT1 I ∞TE （b） Tm T （a）图3-19 燃烧工况熄火的一个重要特点，即过程的“S”形特点。将T∞由小变大，则qG、qL将得到一系列的交点，即可能的工作点（q0、T0）。同样，当改变散热条件时，也可得到一系列的工作点（q0、T0）。我们将q0、T0画在同一图中就得到“S”曲线。

这条曲线有如下几个特点：

T0E 图3-21 “S”形曲线 T01 T0 q01 I q0E E q0 （1）在缓慢氧化状况下有一个拐点I，这是着火的临界状况，反应将由缓慢的氧化工况突跃到剧烈的燃烧工况。相反，当燃烧工况恶化时则过程会沿”S“曲线的上部移向另一个拐点E，反应将由剧烈的燃烧工况突跃到缓慢的氧化工况。

（2）着火与熄火过程并不可逆，或者说熄火过程带有滞后性。着火时的工况参数并不与熄火时的工况参数相同，熄火要比着火时的条件更差的条件下才能发生，这就是“滞后“。

变动初温T∞对着火的影响比较大；变动混气浓度对灭火的影响比较大。综上，在热理论中，要使已着火的系统灭火，必须采取下列措施：（1）降低系统氧或者可燃气浓度；（2）降低系统环境温度；

（3）改善系统的散热条件，使系统的热量更容易散发出去；

燃烧学――第八讲

3.6.2 链锁反应理论中的灭火分析

根据链锁反应着火理论，可采取下列灭火措施： 1.降低系统温度，以减慢自由基增长速度。 2.增加自由基在固相器壁消毁速度。 3.增加自由基在气相中的消毁速度。

3.6.3 基本灭火措施

根据火灾燃烧材料的种类和特点，火灾分为A、B、C、D四类火灾。其中，A类火灾指普通可燃物如木材、布等燃烧而形成的火灾；B类火灾指油脂以及液体；C类火灾指可燃气体如氢气等燃烧引起的火灾；D类火灾指可燃金属如钠、钾等燃烧引起的火灾。

针对以上不同类型的火灾特点，采取以下不同的灭火措施。

对A类火灾，一般可采用水冷却法，但对于忌水物质，如布、纸等应尽量减少水浸所造成的损失；对珍贵图书，档案资料等应使用二氧化碳、卤代烷以及干粉灭火剂进行灭火。

对B类火灾，应及时使用泡沫灭火剂进行扑救，同时用水冷却容器壁，以减慢液体蒸发速度；在扑救原油油罐火灾时，若出现火焰增大，发亮、变白、烟色由浓变淡，金属原油罐壁发生颤抖并伴有强烈的噪声等喷溅苗头时，应及时将人员撤离火灾现场。

对C类火灾因气体燃烧速度快，极易造成爆炸，一旦发现可燃气体着火，应立即关闭阀门，切断可燃气体来源，同时使用干粉灭火剂将气体燃烧火焰扑灭。

对D类火灾，如钠、钾等燃烧时温度很高，水及其它普通灭火剂在高温下会因发生分解而失去作用，应使用特殊灭火剂。少量金属燃烧时，可用干砂、干食盐等扑救。

课后作业：

1． If an explosive gas with a activation energy of 40 kJ/mol is held in a container at 300 K. The container is well insulated, therefore restricting the heat lost from the gas. Calculate the critical temperature at which an explosion will take place. 2. 经实验得到立方堆活性炭的数据如下。（1）计算该活性碳氧化反应的活化能

（2）由外推法计算，该材料以无限长圆柱形式堆放时，在25℃有自燃着火危险的最小圆柱直径。

x0（立方堆边长mm） Ta，cr（临界温度K）

25.40 408

18.60 418

16.00 426

12.5 432

9.53 441

3.（1）采取哪些方法可使不自燃的体系达到临界着火条件，并用示意图表示。（2）说明采

用不同方法时体系的自燃点是否相同？比较其大小。

4. 根据热自燃理论，正在稳定燃烧的体系，使之熄灭的条件是什么？用图示法表示几种灭

火的可能措施？

燃烧学――第九讲

第九讲

重点：瑞利（Rayleigh）线和休贡纽曲线，火焰焰锋结构，燃烧速度影响因素。

第4章可燃气体的燃烧

4.1预混气中火焰的传播理论

根据反应机理的不同，燃烧可划分为缓燃和爆震两种形式。

火焰正常传播是依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高。速度一般不大于1～3m/s。传播是稳定的，在一定的物理、化学条件下，其传播速度是一个不变的常数。

爆震波的传播是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的。传播速度很高，常大于1000m/s，其传播过程也是稳定的。

现考察一维定常流动的平面波；忽略粘性力及体积力；并假设混合气为完全气体；其燃烧前后的定压比热容cp为常数；其分子量也保持不变；反应区相对于管子的特征尺寸（如管径）是很小的；与管壁无摩擦、无热交换。\\把燃烧波驻定下来，可燃混合气不断向燃烧波流来，则燃烧波相对于无穷远处可燃混合气的流速u∞就是燃烧波的传播速度，如图4-1所示。

其守恒方程如下：

连续方程： PuPum常数（4-1）动量方程：pPPuPpu＝常数（4-2）

22uPuh能量方程：hP＝常数（4-3） 2222p∞,u∞ ρ∞,h∞ T∞ 燃烧区 Pp,up ρp,hp T∞ 图4-1 燃烧过程示意图

状态方程：pRT 状态的热量方程：

hPhPcpTPT （4-4）

hhcpTT其中h是在参考温度T时的焓（包括化学焓）。

由式（4-3）、（4-4）得：

燃烧学――第九讲

22uPucpTPhPcpT （4-5）

22其中hPhPh*Q，因此式（4-5）可改写为：

22uPucpTPQcpT （4-6）

22由方程（4-1）、（4-2）得：

pm2pPm2P （4-7）

或

PpPp2222m2uPuP （4-8）

11此方程在p～1/ρ图4-2上是一直线，其斜率为-m2，此直线称瑞利（Rayleigh）线，它是在给定的初态p∞、和ρ∞情况下，过程终态pP和ρP间应满足的关系。

另一方面，由式（4-4）和式（4-6）、（4-8）得：

m211 hPhcpTPcpTQ222P1m2111111 （4-9） ppP2PP2P利用状态方程及cp/R1 ，γ是比热比，消去温度得：

1pPp1112pPpQ （4-10）

PP该方程称休贡纽（Hugoniot）方程，它在p～1/ρ图4-2上的曲线为休贡纽曲线，它是在消去参量m之后，在给定初态p∞、ρ∞及反应热Q的情况下，终态pP和ρP之间的关系。

111此外，可以从式（4-8）得：u2pPp/ pP2一旦混合气的初始状态（p∞，T∞）给定，则最终状态（pP，ρP）必须同时满足式（4-8）和式（4-10），即在p～1/ρ图4-2上瑞利直线与休贡纽曲线之交点就是可能达到的终态。

将瑞利直线和休贡纽曲线同时画在p～1/ρ图上。分析可得出如下结论。

燃烧学――第九讲

（a）图4-2中（p∞，1/ρ∞）是初态，通过（p∞，1/ρ∞）点分别作pP轴、1/ρP轴的平行线（即图中互相垂直的量虚线），则将（pP，1/ρP）平面分成四个区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。过程的终态只能发生在（Ⅰ）、（Ⅲ）区，不可能发生在（Ⅱ）、（Ⅳ）区。这是因为从式（4-8）中可知，瑞利直线的斜率为负值，因此，通过（p∞，1/ρ∞）点的两条虚直线是瑞利直线的极限状况，这样，休贡纽曲线中DE段（以虚线表示）是没有物理意义的，因此整个

pP A′ A 休贡纽曲线瑞利曲线（Ⅰ） Q1 Q2 Q2>Q1 上C-J点（Ⅱ） B C D （p∞，1/ρ∞） B′ （Ⅳ）下C-J点 E F G H （Ⅲ） 1/ρ∞

图4-2 燃烧的状态图

（Ⅱ）、（Ⅳ）区是没有物理意义的，终态不可能落在此量区内。

（b）交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域（Ⅰ）是爆震区，而区域（Ⅲ）是缓燃区。

（c）瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点。B点称为上恰普曼-乔给特点，简称C-J点，具有终点B的波称为C-J爆震波。AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。EG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是EG段的弱缓燃波。

（d）当Q＝0时，休贡纽曲线过初态（p∞，1/ρ∞）点，这是普通的气体力学激波。

4.2 层流火焰传播速度及其传播机理

4.2.1 火焰传播速度的定义

4.2.1.1 火焰前沿（前锋、波前）

薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与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。

4.2.1.2火焰位移速度及火焰法向传播速度

火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。

火焰法向传播速度是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度。

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4.2.2火焰焰锋结构

设想在一圆管中有一平面形焰锋，焰锋在管内稳定不动，预混可燃混合气体以Sl的速度沿着管子向焰锋流动（见图4-3）。

从图4-3中可以看出：在前锋宽度内，温度由原来的预混气体的初始温度T0逐渐上升到燃烧温度Tf，同时反应物的浓度C由o-o截面上的接近于C0逐渐减少到a-a截面上接近于零。

火焰前锋的宽度极小，但在此宽度内温度和浓度变化很大，出现极大的温度梯度dT/dx和浓度

梯度dC/dx，因而火焰中有强烈的热流和扩散流。

T→T0 W o δ（火焰焰锋宽度） δP δC a 新鲜混合气SL 已燃气体 C→C0 在初始较大宽度δp内，化学反应速度很小，温度和浓度的变化主要由于导热和扩散，这部分焰锋宽度统称为“预热区”，新鲜混合气在此得到加热。

在焰锋宽度余下的极为狭窄的区域δc内，反应速度、温度和活化中心的浓度却达到了最大值。焰锋的化学宽度总小于其物理宽度，即δc<δp。

在火焰焰锋中，化学反应的着火延迟时（即感应期）很短，这是与自燃过程不同的。

4.2.3层流火焰传播速度—马兰特简化分析

其物理模型如图4-4所示。主要思想是，若由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播。

n2nKTTiKosfecpTiTERTm T C o a T=f1（x） C=f2（x） W=f3（x）活化中心 x

图4-3 稳定的平面火焰前锋

Sl

据P∝ρ关系可得

Sln2Pn2Pn12 （4-21）

式中n是反应级数。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，火焰传播速度Sl与压力关系不大。

燃烧学――第九讲

4.2.4 影响燃烧速度的因素

（1）燃料/氧化剂比值的影响

火焰温度最高的混合物其燃烧速度也最大。当混合物太浓或太稀的火焰均不能传播，这就形成了燃烧界限的上限及下限。（2）燃料结构的影响

随着分子量的增加燃烧界限的范围变窄。对于饱和碳氢化合物的燃烧速度几乎与碳原子数nc无关，对于非饱和烃则nc减少时uo增加。（3）压力的影响

大体上，当燃烧速度低时（如<50cm/s）随压力的降低而燃烧速度增加，在50～100cm/s范围时与压力无关；当速度很高时（即大于100cm/s）则随压力的降低而燃烧速度减慢。

在火焰传播理论中将知道，上述u0（p）的关系表明:当燃烧速度u0<50cm/s时总的燃烧反应级数小于2；对于50cm/s100cm/s，其反应级数大于2。

（4）混合物初始温度的影响

预热使燃烧速度增加。可以用图4-9定性地予以表达。Dugger为三种混合物的u0随Ts的变化作了测量，如图4-10所示。由这些数据可以推导出u0∝Ts的关系，m值为1.5～2。（5）火焰温度的影响

火焰温度越高，对u0的影响越强烈，就大多数混合物而论，燃烧速度的增加远较火焰温度的增加更快。（6）惰性添加剂的影响

在混合物中加入CO2及N2产生了相似的效应:降低燃烧速度；使燃烧界限变窄；将u0最大值移向燃料百比含量较少的一侧。（7）活性添加剂的影响

在CO/air火焰中增加少量的H2后由于链反应效应可使燃烧速度大为增加。

燃烧学――第十讲

第十讲

重点：爆炸压力和爆炸升压速度的计算，爆炸极限的影响因素及计算方法

4.3 可燃气体爆炸

火焰在预混气中正常传播时，会放出热量，并使产物受热、升温、体积膨胀。如果受热膨胀的燃烧产物不能及时排走，则会产生爆炸。在自由空间预混气较多时，燃烧也会产生爆炸，其爆炸压力一般低于密闭容器中发生的爆炸。

4.3.1预混气爆炸的温度计算

如果乙醚与空气的比值为化学当量比，并已知燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙醚爆炸时的最高温度。

4.3.2可燃混气爆炸压力的计算

设爆炸前未燃混气的千摩尔数、温度、压力和体积分别为n、T1、P1、V1，其中P1一般为1.01325×105Pa，爆炸后已燃气体的千摩尔数、温度、压力和体积分别为n2、T2、P2、V2（V2＝V1）。则有：P1V1＝n1RT1，P2V1＝n2RT2。两式相除得：

P2P1n2T2 （4-22） n1T14.3.3爆炸时的升压速度

从初始压力上升到最大爆炸压力，有一段很短的时间，在这段时间内压力是逐渐上升的。任一时刻的瞬时压力P（在PSl3t3PKdPlP1 （4-23）

V1其中

4n2T2n2T2Kd1K （4-24） 3n1T1n1T1式中： P—瞬时压力，Pa；

Sl—火焰传播速度，cm/s； Kd—系数；

K—系数，

2cpcV1.4

t—时间，s。

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爆炸最大压力P2减去初始压力P1除以到达最大压力需要的时间，即为平均升压速度：

vP2P1(Pa/s) t不同的可燃气其最大爆炸压力及火焰传播速度是不同的，到达最大压力所需的时间也不一样。因此不同的可燃气爆炸时升压速度不同。

4.3.4爆炸威力指数

爆炸威力指数＝最大爆炸压力×平均升压速度

4.3.5爆炸总能量

爆炸总能量可用下式计算：

EQvv （kJ）（4-25）

式中： E—可燃气爆炸总能量，kJ；

Qv—可燃气热值，kJ/m3；

v—可燃气体积，m3。

4.3.6 爆炸参数测定

（一）实验设备

实验设备由爆炸室、容器、喷管、点火器以及压力测量系统组成。（二）测试参数

（1）爆炸压力（Pm）：某种可燃气在某一浓度的最大爆炸压力。

（2）爆炸最大压力（Pmax）：某种可燃气在一个大浓度范围内的最大爆炸压力。（3）升压速度dP：某种可燃气在某一浓度时的升压速度。 dtmdP：某种可燃气在一个大的浓度范围内的最大升压速度。 dtmax（4）最大升压速度（5）爆炸指数Km：

dPKmV1/3 （4-26）

dtm式中： V—爆炸容器体积。但V不小于1m3，且长度与直径之比不大于2。

（6）最大爆炸指数Kmax：

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dPKmaxV1/2 （4-27）

dtmax（7）扰动指数tv（点燃延迟）：

tv为开始注入空气—可燃气和启动点火源之间的时间间隔。（8）扰动指数Tu：Tu （三）实验方法

（1）静态可燃气爆炸试验

在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，压力为大气压，确保气体混合均匀且处于静态，打开压力记录仪，启动点火源。

（2）动态可燃爆炸试验

在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，用空气加压5升容器至2MPa，开启容器阀门，打开压力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰动可燃气与空气混合物。

Kmax扰动

Kmax（静止）4.4 爆炸极限理论及计算

4.4.1 爆炸极限理论

可燃性气体与空气组成的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体的爆炸下限；同样能使火焰蔓延的最高浓度称爆炸上限，浓度在上限以上的混合物在空气中是能燃烧的。

爆炸极限一般用可燃性气体在混合物中的体积百分数来表示，有时也用单位体积气体中可燃物的含量来表示（g/m3或mg/L）。

燃烧波面上的反应如下式：

A＋B→C＋D＋Q （4-28）反应前后的能量变化为：反应物当给予活化能E时，反应结果变为生成物，此时放出能量为W，则反应热Q=W-E。

燃烧波的基本反应浓度为n，则单位体积放出能量为nw。如燃烧波连续不断，放出的能量作为新反应中的活化能，将α作为活化概率，则第二批单位体积内得到活化的基本反应数为αnW/E。第二批再放出能量为αnW2/E。

前后两批分子反应时放出的能量比为

nW2/EnWWQ1 （4-29） EE当β<1时，引起反应的分子数越来越少，不能形成燃烧或爆炸。当β＝1时，有一定数量的分子在持续进行反应。这就是决定爆炸极限的条件。当β>1时，放热量越来越大，反应分子越来越多，形成爆炸。

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在爆炸极限时，β＝1 则 1Q1 E设爆炸下限为L下（容积百分比）与反应概率α成正比，KL下

1Q＝K1＋ （4-30） L下E当Q与E相比较大时，上式可近似写做

1Q＝K L下E如各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出：

L下Q＝常数（4-31）

利用爆炸下限与燃烧热乘积成常数的关系，可以来推算同系物的爆炸下限。但不能应用于氢、乙炔、二硫化碳等可燃气体。

4.4.2爆炸极限的影响因素

爆炸极限不是一个固定值，随着各种因素而变化。影响爆炸极限的主要因素有以下几点。（1）初始温度

爆炸性混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高。（2）初始压力

压力增大，爆炸极限扩大。压力降低，爆炸极限范围缩小。待压力降至某值时，其下限与上限重合，此时的最低压力称为爆炸的临界压力。压力对爆炸上限的影响十分显著，而对下限影响较小。

（3）惰性介质即杂质

若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸。

（4）容器

充装容器的材质、尺寸等，对物质爆炸极限均有影响。容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。

（5）点火能源

火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响。

4.4.3、爆炸极限的测定

爆炸极限的测定一般采用传播法。首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃

燃烧学――第十讲

气与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火。火焰传播的最低浓度或最高浓度，即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。

4.4.4爆炸极限的经验公式

可燃混气的爆炸极限可以用经验公式进行近似计算。

（1）通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数计算有机可燃气爆炸极限

100％4.76N－1＋1 （4-34）

400x上＝％4.76N4x下＝（2）利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限计算公式为

x下＝0.55x0 （4-35）

x上＝4.8x0这个公式适用于以饱和烃为主的有机可燃气体，但不适用于无机可燃气体。（3）通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限

当爆炸下限用体积百分数表示时，大多数同系列可燃气，特别是烷烃类可燃气，它们的爆炸下限和燃烧热的乘积近似为常数，即

x1Q1x2Q2Cx （4-36）

（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算

x100% （4-37）

P3PiP1P2N1N2N3Ni公式（4-37）称莱—夏特尔公式。

在应用莱—夏特尔公式时，应注意组成混合气体的各组分之间不得发生化学反应。（5）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法

如果可燃混气中含有惰性气体，将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出，然后代入莱—夏特尔公式进行计算。

例4—1 求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4％；CO一27.3％；CO2一6.2％；O2一0％；CH4一0.7％；N2一53.4％。

燃烧学――第十一讲

第十一讲

重点：爆轰产生过程及条件，阻火装置及类型，湍流燃烧的特点，扩散燃烧火焰的类型。

4.5爆轰

4.5.3爆轰的发生

在管子封闭端点燃混气，形成一燃烧波。由正常火焰传播产生的已燃气体，由于温度升高，体积会膨胀。体积膨胀的已燃气体就相当于一个活塞——燃气活塞，压缩未燃混气，产生一系列的压缩波，并向未燃混气传播，各自使波前未燃混气的P、ρ、T发生一个微小增量，并使未燃混气获得一个微小向前运动速度，因此，后面的压缩波波速比前面的大。当管子足够长时，后面的压缩波就有可能一个赶上一个，最后重叠在一起，形成激波。一旦激波形成，由于激波后面压力非常高，使未燃混气着火。经过一段时间以后，正常火焰传播与激波引起的燃烧合二为一。于是激波传播到哪里，哪里的混气就着火，火焰传播速度与激波速度相同。爆轰波形成过程见图4-32。

图4-32 爆轰形成过程示意图

（a）正常火焰传播O—O前面形成一系列压缩波d—d，d′—d′，d″—d″…… （b）正常火焰传播O—O前方爆轰波U—U已形成，并使未燃混合气着火；

（c）正常火焰传播与爆轰波引起的燃烧合二为一

4.5.4爆轰形成条件

1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动

初始正常火焰传播能否形成压缩扰动，是能否产生爆轰波的关键。 2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大

燃烧学――第十一讲

由一系列连续压缩波重叠形成激波有一个过程，若管子不够长，或自由空间的预混气体积不够大，初始正常火焰传播不能形成激波。

正常火焰峰与爆轰形成位置之间的距离称爆轰前期间距。 3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内

爆轰和爆炸一样，也存在极限问题，但爆轰极限范围一般比爆炸极限范围要窄。 4．管子直径大于爆轰临界直径

管子直径越小，火焰中自由基碰到管壁销毁的机会越多，当管径小到一定程度以后，火焰便不能传播，也就不能形成爆轰，管子能形成爆轰的最小直径称爆轰临界直径。

4.5.5 爆轰波波速和压力

爆轰波相对于波前的气体是超声速的，比正常火焰的传播速度快得多。

4.6 气体爆炸的预防

可燃气爆炸须具备三个条件，即可燃气、空气和点火源。

因此预防可燃气爆炸的方法有：①严格控制火源；②防止预混可燃气的产生；③用惰性气体预防气体爆炸；④用阻火装置防止爆炸传播；⑤用爆轰抑制器抑制爆轰；⑥用泄压装置保护设备，防止爆炸灾害的扩大，减少损失；⑦用爆炸抑爆装置抑制爆炸。 4.6.1 严格控制火源

电火花可分为工作火花和事故火花两类，前者是电气设备正常工作时产生的火花，后者是电气设备和线路发生故障或错误作业出现的火花。

按照防爆结构和防爆性能的不同特点，防爆电气设备可分为增安型、隔爆型、充油型、充砂型、通风充气型、本质安全型、无火花型、特殊型等。

隔爆型的防爆性能比较好，一级爆炸危险场所应优先采用。增安型的防爆性能比较差，宜用于危险程度较低的场所。 4.6.2 防止预混可燃气产生

生产、储存和输送可燃气的设备和管线，应严格密封，防止可燃气泄漏到大气中，与空气形成爆炸性混合气体。在重要防爆场所应装置监测仪对可燃气泄漏情况进行监测。

在不可能保护设备绝对密封的情况下，应使厂房、车间保持良好的通风条件，使泄漏的少量可燃气能随时排走，不形成爆炸性的混合气。 4.6.3用惰性气体预防气体爆炸

当厂房内或设备内已充满爆炸性混合气体又不易排走，或某些生产工艺过程中，可燃气

燃烧学――第十一讲

难免与空气接触时，可用惰性气体进行稀释，使之形成的混合气不在爆炸极限之内。 4.6.4用阻火装置防止爆炸传播

阻火装置的工作原理是在可燃气体进出口两侧之间设置阻火介质，当任一侧着火时，火焰的传播被阻止而不会烧向另一侧。常用的阻火装置有安全水封、阻火器和单向阀。 4.6.4.1安全液封

如果安全水封某一侧着火，火焰传到安全水封时因水的作用阻止火焰蔓延到安全水封的另一侧。常用的安全水封有敞开式和封闭式两种。

（1）敞开型安全水封。主要由罐体、进气管、出气管和安全管组成，进气管插入液面较深，而安全管插入液面较浅。正常工作时，可燃气体经进气管进入罐内，再从气体出口流出。当发生火焰倒燃时，罐内气体压力升高，压迫水面，液面下降，由于安全管插入液面较浅，安全管首先离开水面，并使罐体卸压。火焰被水所阻止而不会进入另一侧。

（2）封闭式安全水封。正常工作时，可燃气体由进气管流入，经单向阀从出气口流出。发生火焰倒燃时，罐内压力增高，压迫水面，并通过水层使单向阀瞬时关闭，从而有效地防止火焰进入另一侧。若气体压力很大，则罐顶的爆破片崩裂，从而保护罐体。 4.6.4.2 阻火器

阻火器是一种利用间隙消焰防止火焰传播的干式安全装置。

间隙消焰是指通过金属网的火焰，由于与网面接触，火焰中的部分活性基团失去活性而销毁，使链式自由基反应中止。这种现象称为间隙消焰现象，也就是阻火器的工作原理。

火焰传播速度大的物质消焰比较困难，欲使其火焰熄灭，须用小的间隙、或者加大间隙的进深。但间隙的直径如果超过某一临界值，进深不管增至多大，也不会产生消焰效果。 4.6.4.3单向阀

单向阀亦称逆止阀。其作用是仅允许可燃气体或液体向一个方向流动，遇有倒流时即自行关闭，从而避免在燃气或燃油系统中发生流体倒流，或高压窜入低压造成容器管道的爆裂或发生回火时火焰的倒袭和蔓延等事故。

4.7湍流燃烧和扩散燃烧

4.7.1 湍流燃烧

4.7.1.1 湍流的物理本质

真实的粘性流体的运动存在着两种有明显区别的流动状态，即层流和湍流（紊流）。流体质点或微团的运动参数、动力参数随时间瞬息变化的现象称为脉动。湍流状态下的

燃烧学――第十一讲

速度和压力是在一个平均值的上下脉动，该平均值则具有一定的规律性。

4.7.1.2湍流燃烧的特点

湍流火焰的火焰长度短，厚度较厚，发光区模糊，有明显噪音等。其基本特点是燃烧强化，反应率增大。可能是下述三种因素之一或共同引起的：

（1）湍流可能使火焰面弯曲皱折，增大了反应面积，但是，在弯曲的火焰面的法向仍保持层流火焰速度；

（2）湍流可能增加热量和活性物质的输运速率，从而增大了垂直于火焰面的燃烧速度；

（3）湍流可以快速地混合已燃气和未燃新鲜可燃气，使火焰在本质上成为均混反应物，从而缩短混合时间，提高燃烧速度。

a a 层流火焰b 湍流火焰b 图4-36 层流火焰与湍流火焰 —'2StAvxSl （4-60）

式中

Sl—层流火焰传播速度；α+β=1

湍流火焰传播速度取决于湍流脉动速度和层流火焰传播速度。

4.7.2扩散燃烧

过程的进展主要是由燃料的氧化化学动力过程来决定，称为化学动力燃烧。

过程的进展主要是由燃料与空气的扩散混合过程来决定，称为扩散燃烧。扩散燃烧可以是单相的，亦可以是多相的。

4.7.2.1气体燃料射流的扩散燃烧

一、扩散燃烧火焰的类型按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：

（1）自由射流扩散火焰。产生于气体燃料从喷燃器向大空间的静止空气中喷出后形成的燃料射流的界面上。

（2）同轴流扩散火焰。产生于气体燃料从喷管以与空气

浓可燃混合气（c）图4-41 扩散火焰的形式 51

（a）自由射流扩散火焰（b）同轴流扩散火焰（c）逆向喷流扩散火焰（b）氧化氧化剂燃料燃料（a）火焰前锋氧化剂火焰前锋燃烧学――第十一讲

气流同一轴线喷出的燃料射流的界面上。

（3）逆向喷流扩散火焰。产生于与空气气流逆向喷出的燃料射流界面上。二、扩散燃烧与动力燃烧

燃料燃烧所需的全部时间是由两部分组成：即气体燃料与空气混合所需时间（τmix）以及燃料氧化的化学反应时间（τche）。不考虑重叠，则整个燃烧过程时间就是上述时间之和，

mixche

层流扩散火焰的外形取决于燃料与空气的混合浓度。如果喷燃器的形状是圆形，且在空气供应过量的情况下，燃烧火焰的形状是圆锥形。空气不足，则为倒喇叭形。

逐渐减少可燃混合气中的过剩空气量，火焰就将会由动力火焰逐渐转变为扩散火焰。图4-46中的工况1表示在α>l时均匀可燃混合气的动力燃烧情况。空气不足时，则动力火焰焰锋Ⅰ只能够把可燃混合物中相当于化学当量比的那部分燃料烧掉，剩余气体燃料与周围空间中空气混合后又可以燃烧，形成第二个火焰前锋Ⅱ，它是个扩散火焰，扩散火焰和动力火焰这两个焰锋把火焰空间分为三个区域：在喷燃器出口与动力火焰之间是尚未燃烧的可燃混合气体；在两个焰锋之间是动力火焰的未经燃烧的可燃气体与燃烧产物的混合物，而在扩散火焰外面则是燃烧产物与空气的混合物。

课后作业：

1. 计算丁烷在空气中的理论最大爆炸压力。（初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度

1900℃）

Ⅱ Ⅰ 1 α>1 Ⅱ Ⅲ Ⅰ 4 α1<αm Ⅱ Ⅰ Ⅲ 5 α2<α1 Ⅱ Ⅲ 6 α3=0 Ⅲ Ⅲ Ⅱ Ⅲ 2 α=1 Ⅰ 3 αm<1 图4-46 从动力燃烧转为扩散燃烧的过程 2. 某容器中含甲烷5%，乙烷2%，氧气21%，氮气67%，二氧化碳5%（体积百分比）。

初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度1200℃，计算爆炸压力。

3. 已知乙烷爆炸下限为3%，摩尔燃烧热为1426.6kJ，丙烷的摩尔燃烧热为2041.9kJ，求

丙烷的爆炸下限.

4. 某煤气的组成为：CO 10%、氢气45%、甲烷30%、氮气11%、二氧化碳2%、氧气2%。

将1m3该煤气与19m3空气混合，遇明火是否爆炸？

5. 一混合气体中含乙烷1%、丁烷C4H101.4%，其余为空气，该混合气体遇明火是否有爆炸

危险？（乙烷和丁烷在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限分别为3.0%、1.5%）

燃烧学――第十一讲

燃烧学――第十二讲

第十二讲

重点：蒸发过程，道尔顿蒸发定律，影响动蒸发的主要因素。

第5章可燃液体的燃烧

本章包括：液体燃料的燃烧特点，液体蒸发，闪燃与爆炸温度极限，液滴的蒸发和燃烧，液态可燃物的火灾蔓延，油罐火灾燃烧。 5.1液体燃料的燃烧特点

液体燃料的沸点低于其燃点，是先蒸发，然后与空气相混合，进而发生燃烧。与气体燃料不同，液体燃料在与空气混合前存在蒸发汽化过程。对于重质液体燃料，还有一个热分解过程，即燃料由于受热而裂解成轻质碳氢化合物和碳黑。轻质碳氢化合物以气态形态燃烧，而碳黑则以固相燃烧形式燃烧。

液体燃料燃烧形式分为液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧和雾化燃烧四种。液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。灾害性燃烧

灯芯燃烧是利用的吸附作用将燃油从容器中吸上来在灯芯表面生成蒸汽然后燃烧。蒸发燃烧是令液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时所放出的一部分热量加热管中的燃料，使其蒸法，然后再像气体燃料那样进行燃烧。适宜于轻质液体燃料。

雾化燃烧是利用各种形式的雾化器把液体燃料破碎成许多小液滴，悬浮在空气中边蒸发边燃烧。是液体燃烧工程燃烧的主要方式。

5.2液体蒸发

5.2.1液体蒸发的一般概念

物质由液态变为气态的过程称为气化。蒸发和沸腾都是液体的气化现象，但蒸发一般指低于沸点的条件下在液体表面进行的气化，而沸腾则指液体在沸点时的剧烈气化。蒸发只在液体的表面进行，而沸腾时液体的表面和内部同时进行，因而液体出现翻滚现象。

如果将一种液体放进密闭容器中，在开始阶段，由于从表面逸出的分子多于返回液体的分子，容器内液体的蒸气压逐渐上升。温度保持不变时，当蒸气压达到某一定值时，单位时间内从液面逸出分子的数量恰好等于返回液面分子的数量，此时液相与气相保持相对的气液平衡，称之为饱和状态。此时的蒸气称为饱和蒸气，饱和蒸气产生的压力称饱和蒸气压，有时也简称蒸气压。一种物质在一定温度下的饱和蒸气压值是不变的。

燃烧学――第十二讲

液体的蒸发实际上包括三个过程：

①气化过程——液体分子从液面逸出成为蒸气分子； ②扩散过程——逸出的蒸气分子在气相介质中分散开来； ③凝结过程——部分逸出的蒸气分子经碰撞后重新被液面吸收。 5.2.2蒸发的动力学基础

以m表示液体分子的质量，ux表示垂直于液面的x轴上分子运动的速度分量，ε为液体分子逸出表面层所作的功，则可以看出，液体分子蒸发时必须满足下列条件：

2mux或ux22 （5-1） m即分子的动能应等于或大于ε。

液体在真空条件下的蒸发称为自由蒸发。在自由蒸发条件下，根据表克斯韦尔速度分布公式，可以计算出在1s内，在表面层1cm3容积内液体分子中具有速度超过ux的分子数目。

舒列依今根据上述原理计算出每秒内自每平方厘米液面上蒸发出去的分子数n0应为

NRTn0'2

iRTe （5-2） 12l式中N—阿佛加得罗常数；

γ′—液体的比体积（单位质量的体积）； μ—液体的摩尔质量； R—气体常数；

li—每摩尔液体的蒸发潜热； T—绝对温度，K。

因此，在自由蒸发时，单位时间内自单位面积上蒸发出的液体质量w应为

1RTwn0N2式中

e12liRTRT2iRTe （5-3） 12lρ—表示该液体的密度。

假设在液体表面每立方厘米气相层中有C0个蒸气分子，则单位时间内在单位面积液面上所发生的蒸气分子撞击次数为Z。

RTZC0j2式中j为常数。

 （5-4） 12假定在每ξ次撞击中有一次被吸回液面，则在单位时间内每平方厘米表面上被吸回液面的分子数为

燃烧学――第十二讲

12'n0C0jRT2 （5-5） 饱和状态下的蒸气浓度称饱和蒸气浓度Cs，这时的蒸气压力称饱和蒸气压力Ps。在饱和状态下

'n0n0CsjRT2l （5-6） 12由上式及式（5-2），可以得出

iNeRT （5-8） 'Csj1即从饱和蒸气浓度和蒸发潜热li可以计算出撞合系数1/ζ。

单位时间内在液体表面层每平方厘米表面内蒸发出去的分子数n，此时

12nN'eliRTTR2C01C （5-10）

s12蒸气分子的浓度通常可以用相应的蒸气压表示，故式（5-10）可以写成蒸气压形式：

nN'eliRTTR212P1P （5-11）

s如计算成单位时间内单位面积上蒸发出去的液体质量即蒸发速度则为

TRw2liRTPe1P （5-12）

s从式（5-12）可见，不同液体的蒸发速度随液体温度的升高、密度的增大而增大，但随摩尔数的增大及蒸发潜热的增大而减小。显然，液体的饱和蒸气压愈大或气相中的分压（或浓度）愈低，液体的蒸发速度也愈大。

当液体表面蒸气分子的浓度为零时（即P＝0），此时的蒸气速度为最大，相当于自由蒸发。当液体表面蒸气分子浓度达到饱和状态时（P＝Ps）w＝0，液体的蒸发速度最小。

在液体温度一定的条件下，ρ、R、T、μ、及li均为常数，故式（5-12）可写为

Pw0ww01PPPsP （5-13）

ss由于在一定温度下液体的饱和蒸气压是不变的，故上式还可写成

wAPsP

式中A及前式中w0均为常数。

以上就是1803年道尔顿从实验中得出的有关液体蒸发的基本定律。从这个定律可以看到，在一定温度下，液体蒸发的速度决定于该液体的饱和蒸气压与液面上该液体蒸气压之差。

燃烧学――第十二讲

5.2.3静蒸发

液体在容器中处于静止状态，液面空气（或其他气体）不流动时液体的蒸发称为静蒸发。液体燃料蒸发损耗除经常的扩散损失外，还有容器的小呼吸。小呼吸就是贮油容器内蒸气由于昼夜温差而引起周期性的膨胀和收缩。

要减少液体燃料的蒸发损失，最有效的途径是降低液体的贮存温度，。 5.2.4动蒸发

液体在流动的气流中分散为细小颗粒的蒸发称为动蒸发。在往油罐等容器注油时会有大量燃料蒸气逸出，卸油时会有大量新鲜空气进入，这种现象叫做大呼吸，也属于动蒸发。

液体在动蒸发时的蒸发速度远远超过在静蒸发时的蒸发速度。影响动蒸发的因素很多，概括起来分为两方面：

（1）属于液体本身性质方面的因素，如液体燃料的沸点和蒸气压等。（2）属于使用条件的因素，如周围空气的温度和压力、空气流动速度等。（1）燃料的沸点和饱和蒸气压

沸点愈低蒸发性愈高。蒸气压愈大的蒸发性愈高。

克劳修斯—克拉佩龙方程，可用来计算不同温度下物质的蒸气压，该方程为：

lnP0LVC （5-17a） RT式中：P0——平衡压力，Pa；

T——温度，k； LV——蒸发热，J/mol； C、C′——常数；

R——气体常数，值为8.314，J·K-1·mol-1。（2）扩散系数

在液体蒸发的整个过程中，由于分子运动的结果，气化的分子总是不断地向周围扩散，使液面难以产生饱和蒸气层，促使液体继续蒸发。扩散系数愈大，蒸气的扩散速率也愈大。

（3）蒸发潜热

在沸点时，单位质量液体变为蒸气所需的热量称为该液体的蒸发潜热，简称蒸发热或气化热，单位以kJ/kg表示。液体的蒸发潜热愈高，蒸发的速度也愈低。

（4）粘度

粘度是表示液体流动时，两个平行液层之间发生相对运动的摩擦阻力大小的指标，也就是液体的内摩擦系数。粘度大的液体流动性小，粘度小的液体流动性大。

粘度小的燃料蒸发速度大。粘度大的燃料蒸发速度较低，这在低温时影响尤为显著。（5）表面张力

燃烧学――第十二讲

作用在液体表面单位长度上的力称为表面张力，它的常用单位是N/m。表面张力越大，蒸发速度越慢。（6）空气温度

液体燃料的蒸发速度在很多程度上取决于空气温度及周围器壁的温度。

温度升高后，分子运动的速度增加，逸出液体表面的分子数增多，因而增大了燃料的蒸气压。同时，温度升高后，燃料的扩散速度也迅速增大，燃料的表面张力和粘度则降低。

（7）蒸发表面

液体的蒸发表面愈大，单位时间内的蒸发量也愈大。

燃烧学――第十三讲

第十三讲

重点：爆炸温度极限的计算及影响因素

5.3闪燃与爆炸温度极限

5.3.1闪燃与闪点

在可燃液体的上方，蒸气与空气的混合气体遇火源发生的一闪即灭的瞬间燃烧现象称为闪燃。在规定的实验条件下，液体表面能够产生闪燃的最低温度称为闪点。

液体发生闪燃，是因为蒸气来不及补充被烧掉的蒸气，而仅能维持一瞬间的燃烧。液体的闪点一般要用专门的开杯式或闭杯式闪点测定仪测得。采用开杯式闪点测定仪时，所以测得的闪点要大于采用后者测得的闪点。 5.3.2同类液体闪点变化规律

同类有机物在结构上相似，在组成上相差一个或多个系差。这种在组成上相差一个或多个系差且结构上相似的一系列化合物称为同系列。同系列中各化合物互称同系物。

同系物虽然结构相似，但分子量却不相同。分子量大的分子结构变形大，分子间力大，蒸发困难，蒸气浓度低，闪点高；否则闪点低。因此，同系物的闪点具有以下规律：（1）同系物闪点随分子量增加而升高。（2）同系物闪点随沸点的升高而升高。（3）同系物闪点随比重的增大而升高，（4）同系物闪点随蒸气压的降低而升高，（5）同系物中正构体比异构体闪点高，

碳原子数相同的异构体中，支链数增多，造成空间障碍增大使分子间距离变远，从而使分子间力变小，闪点下降。 5.3.3混合液体闪点

5.3.3.1两种完全互溶的可燃液体的混合液体的闪点

这类混合液体的闪点一般低于各组分的闪点的算术平均值，并且接近于含量大的组分的闪点。

5.3.3.2可燃液体与不可燃液体混合液体的闪点

在可燃液体中掺入互溶的不燃液体，其闪点随着不燃液体含量增加而升高，当不燃组分含量达一定值时，混合液体不再发生闪燃。

燃烧学――第十三讲

5.3.4闪点计算

闪点温度时液体的蒸气浓度就是该液体蒸气的爆炸下限。液体的饱和蒸气浓度和蒸气压的关系为

PfLP100

式中：L——蒸气爆炸下限（体积百分浓度）；

P——蒸气和空气混合气体总压，一般为1.01325×lOPa。

例5—1 已知癸烷的爆炸下限为0.75％，环境压力为1.01325×10Pa，试求其闪点。解闪点对应的蒸气压为

Pf＝0.75%×1.01325 ×l0＝760（Pa）

查表5—5，癸烷的Lv＝45612 J/mol，C′=10.3730。将已知值代入式（5-17b），得闪点为

TfLv2.303RC'lgPf5

45612318 （K）

2.3038.31410.3730lg760则tf＝318—273＝45（℃） 5.3.5爆炸温度极限 5.3.5.1爆炸温度极限

根据蒸气压的理论，对特定的可燃液体，饱和蒸气压与温度成一一对应关系。蒸气爆炸浓度上、下限所对应的液体温度称为可燃液体的爆炸温度上、下限，分别用t上、t下表示。

设液体温度与室温相等；则液体温度与爆炸温度极限有如下例子中的几种关系：（1）苯：爆炸温度下限t下＝－14℃，爆炸温度上限t上＝＋19℃，与室温关系为：苯蒸气在0～19℃范围内是能爆炸的。

（2）酒精： t下＝＋11℃， t上＝＋40℃，与室温关系为：在11～28℃之间的温度范围内，酒精蒸气是能爆炸的。（3）煤油： t下＝＋40℃， t上＝＋86℃，与室温关系为：

煤油在室温范围内，其蒸气浓度没有达到爆炸下限，煤油蒸气是不会爆炸的。（4）汽油： t下＝－38℃， t上＝－8℃，与室温关系为：

汽油在室温范围内，其饱和蒸气浓度已经超过爆炸上限，它与空气的混和气体遇火源不会发生爆炸。但在实际仓库的储存条件下，由于库房的通风，汽油蒸气往往达不到饱和状态，其蒸气与空气混合气遇火源是会发生爆炸的。

通过以上分析可以得出以下结论：

（1）凡爆炸温度下限（t下）小于最高室温的可燃液体，其蒸气与空气混合物遇火源均能发生爆炸；

（2）凡爆炸温度下限（t下）大于最高室温的可燃液体，其蒸气与空气混合物遇火源均

燃烧学――第十三讲

不能发生爆炸；

（3）凡爆炸温度上限（t上）小于最低室温的可燃液体，其咆和蒸气与空气的混合物遇火源不发生爆炸，其非饱和蒸气与空气的混合物遇火源有可能发生爆炸。 5.3.5.2爆炸温度极限的计算

爆炸温度下限为液体的闪点，其计算与闪点计算相同。爆炸温度上限的计算，可根据已知的爆炸浓度上限值计算相应的饱和蒸气压，然后用克劳修斯一克拉佩龙方程等方法计算出饱和蒸气压所对应的温度，即为爆炸温度上限。

例5—2 已知甲苯的爆炸浓度极限范围为1.27%～6.75% ，求其在1.01325×lOPa大气压下的爆炸温度极限。

解（1）求爆炸浓度极限所对应的饱和蒸气压： P饱下＝101325 × 1.27%＝1287 （Pa） P饱上＝101325 × 6.75%＝6839 （Pa）

（2）用克劳修斯一克拉佩龙方程计算爆炸温度极限

饱和蒸气压为1287Pa和6839Pa时，甲苯所处的温度范围分别为0～10℃和30～40℃。

下限：t下Lv2.303RC'lgPfLv2.303RC'lgPf5

35866278.1K＝5.0℃

2.3038.3149.8443lg128735866311.7K＝38.6℃

2.3038.3149.8443lg6839上限：t上5.3.5.3爆炸温度极限的影响因素

1．可燃液体的性质。液体的蒸气爆炸浓度极限低，则相应爆炸温度极限越低。 2．压力。压力升高使爆炸温度上、下限升高，反之则下降。

3．水分或其他物质含量。在可燃液体中加入水会使其爆炸温度极限升高。如果在闪点高的可燃液体中加入闪点低的可燃液体，则混合液体的爆炸温度极限比前者低，但比后者高。即使低闪点液体的加入量很少，也会使混合液体的闪点比高闪点液体的闪点低得多。

4．火源强度与点火时间。液面上的火源强度越高，或者点火时间越长，液体的爆炸温度下限越低。

5.4液滴的蒸发和燃烧

5.4.1液滴的低温蒸发

液滴的低温蒸发实质上是扩散过程。

设液滴为球形，悬浮在稳定不变的介质环境中液滴表面蒸气为饱和状态且为理想气体。可以用球坐标表示出蒸气扩散方程

燃烧学――第十三讲

2rD （5-27） 2tr在稳态条件下：

2rr20 其边界条件是

r＝∞，ρ＝ρ∞ r＝r0，ρ＝ρs

式中ρ∞—环境中液体燃料组分密度；

ρr—饱和蒸气密度； r0—液滴半径。

积分后，可得液滴表面处单位面积的蒸发率

wD(s)/r0 若用分压代替（5-28）式中的密度，就得到了兰穆尔公式

w4rw0DMRT(psp) 式中p∞—环境的液体蒸气分压； ps—饱和蒸气分压； M—摩尔质量；

T—环境温度。

5-28）

5-29）

（（燃烧学――第十四讲

第十四讲

重点：油池火和含油固面火的蔓延特性，油罐火灾的燃烧速度影响因素，沸溢和喷溅。

5.5液态可燃物的火灾蔓延

5.5.1油池火

在油池火中，一般常用油面的下降速度表示油池火的燃烧速度。在油池直径较小时，形成的是层流扩散火焰。火焰长度随着油池直径的增大而变短。因此液面的下降速度随着油池直径的增加而减小。当油池直径增大到某一范围之后，火焰就从层流扩散火焰向湍流扩散火焰过渡。在过

渡区域中，液面的下降速度随油池直径的变化较慢，有时甚至无关。以后液面的下降速度又随油池直径的增加而增加，并最终趋于某个固定值。整个过程体现了层流扩散火焰向湍流扩散火焰转变的特点。

油池内液面下降的速度，应当等于火焰向液体传入的热量引起的液体蒸发而导致的液面下降速度。从火焰向液体传入的热量包括：①从容器的器壁向液体的传热，②液面上方的高温气体向液体的对流传热，③火焰及高温气体向液体的辐射传热等几部分。

从器壁向液体的热流量可用下式表示

20 10 5 2 1 0.5 0 层流区域 1 5

过渡区域 10 20 50 100 200

容器直径d（cm）

湍流区域 500 10002000 汽油煤油甲醇重油图5-21 油池火液面下降速度与油池直径的关系

qcdkdTFTl （5-56）

液面上方的高温气体向液体传入的热流量可用下式表示

qcvhd24TFTl

火焰与高温气体向液体的辐射热流量可用下式表示

qrad24FFTF4lTl4 （5-57）

显然这些热流量的总和应当等于液体蒸发所需要的热量与液体本身升温所需热量之和，

燃烧学――第十四讲

d2qcdqcvqravllLVCplMvlllTlT （5-58） 44vlqcdqcvqracplMl(TlT) （5-59）

d2d412lLVcplTlT将上三式代入式（5-59）得

vllLVcplTlT4k44(TT)h(TT)TTcM(TT)FlFlFFFllpllld  （5-60）

当d很小的时候，式（5-60）右端的第1项相对较大，所以有vl与d近似成正比的关系。当d很大时，式（5-60）右端的第1项相对较小，所以有vl与d近似无关系。

火焰向燃油传热的同时，也向水传热，所以沉积在油池底部的水温会不断升高。当水温上升到水的沸点温度时，水就要沸腾，沸点的水蒸气将带着蒸发、燃烧的油一起沸腾，这样就可能发生极其危险的扬沸现象。

飞溅高度和散落面积直径与油层厚度、油池直径有关，一般5.5.2液面火

在静止环境中液体的初温对火的蔓延速度影响显著。开始时甲醇液面火的蔓延速度随着甲醇初温的增高而加快，当温度超过某个值之后，液面火的蔓延速度趋于某个常数。火焰传播速度不同，火焰形状也不同，火焰传播速度越快，火焰面的倾角就越大。

当甲醇初温低于闪点（11℃）温度时，形成的是扩散火焰。要维持液面火的蔓延，火焰前面的甲醇必须升温，以保证一定的蒸气速度。这样必须向火焰前面的液相甲醇传热，火焰前面的液相甲醇与火焰正下方的液相甲醇之间就产生了温差，这个温差就引起了表面张力差。在表面张力差的作用下产生了液相甲醇的表面流，使得温度高的液相甲醇流向火焰的前方。

在逆风条件下，甲醇的初温影响显著。在顺风条件下，初温几乎没有什么影响。如果逆向以大于液面火蔓延速度数倍的风速吹来，就可将液面火扑灭。在扑救液面火灾时，不能顺着火焰方向吹风，否则火会越烧越旺。 5.5.3含油的固面火

固面火的燃烧特性与下列因素有关：①可燃性液体的闪点；②地面及可燃性液体的温度；③地面的形状及倾斜角度；④地面土质的粒径分布；⑤火焰引起的对流情况；⑥相对气流的大小和方向；⑦地面土质材料的热物理性能；⑧火焰的蔓延方向等。

当粒径很小时，砂面火的蔓延速度近于一个常数，随着粒径的增大，蔓延速度减小。

D10。 d64

燃烧学――第十四讲

初温越高，砂面火的蔓延速度越大。当相对风速增加时，砂面火的蔓延速度变小，当相对风速达到某一个值之后，就出现了蔓延速度急剧下降的现象（灭火）。

火焰前方的砂层温度越高，而且相对风速大时，温度更高一些。火焰后方砂层的温度基本不变。

当砂层的倾角发生变化时，火焰的蔓延速度也有显著变化，且与火焰的蔓延方向有关。砂层的导热系数增加，砂面火的蔓延速度下降，其他参数对火蔓延速度的影响。 5.5.4液雾中的火蔓延

液雾火焰大体分为四种：①预蒸发型气体燃烧。②滴群扩散燃烧。③预蒸发与滴群扩散燃烧的复合型。④预蒸发燃烧与滴群扩散蒸发的复合型。

5.6 油罐火灾燃烧

5.6.1 液体的稳定燃烧 5.6.1.2 液体的燃烧速度

（一）液体燃烧速度表示方法

液体燃烧速度有两种表示方式，即重量速度和线速度。 1．燃烧线速度（V）：单位时间内燃烧掉的液层厚度。

2．重量燃烧速度；单位时间内单位面积（m2）燃烧的液体的重量（kg）。（三）影响液体燃烧速度的因素 1．液体的初温影响

液体燃烧的质量速度G可表示为

QG＝（5－68）

LvCp(t2t1)初温t1升高，燃烧速度加快。 2．容器直径大小的影响

液池直径小于0.03rn时，火焰为层流状态，燃烧速度随直径增加而减小；直径大于1m时，火焰呈充分发展的湍流状态，燃烧速度为常数：直径介于0.03～1.0m的范围内时，随着直径的增加，燃烧状态逐渐从层流状态过渡到湍流状态，燃烧速度在0.1m处到达最小值，之

图5－39 液体燃烧速度随罐径的变化

1.汽油；2.煤油；3轻油

燃烧学――第十四讲

后燃烧速度随直径增加逐渐上升到湍流状态的恒定值。

F可表示为导热，对流和辐射三项热通量之和，即整个液面接受火焰的热通量Q＝qcond＋qconv＋qrad （5－69）Q F

cond表示的是通过容器壁传递的热量，可表示导热项qcond＝K1πD（TF－Tt）（5－70） q对流传热项可表示为

conv =K2qD24(TF－Tt) (5-71)

辐射传热项中包含了液面的再辐射，因此可表示为

rad =K3q的具体表达式为 QF

＝QFD244(TF－Tl)(1－esp(－K4D)) (5－72

44qD2＝

4K1(TFTt)44＋K2（TF－Tt）＋K3（TFTl）[1－exp(－K4D)]

D（5－73）

越大，因此，燃烧速度越大；当D很大当直径D很小时，导热项占主导地位，D越小，QF趋于一个常数；时，导热项趋近于0，而辐射项占主导地位；且QF在过渡阶段，导热、对流和辐射共同起作用，又因为燃烧从层流向湍流过渡，加强了火焰向液面的传热，因此，燃烧速度随直径增加迅速减小到最小值，随后随直径增加而上升，直至达到最大值。

辐射占主导作用时液体的极限直线燃烧速度V∞，并用下式表示直线燃烧速度Vt，即 Vt＝V∞（1－e

3．容器中液体高度的影响

容器中的液体高度是指液面距离容器上口边缘的高度。随着容器中液位的下降，直线燃烧速度相应降低．

4．液体中的含水量的影响

液体中含水时，液体的燃烧速度下降。 5．风的影响

风有利于空气和液体蒸气的混合，可使燃烧速度加快。当风速增大时，随着燃烧速度的加强，火焰的辐射强度增加；但同时火焰的倾斜度也增大，这使从火焰到液面的辐射角系数

－KD

）

燃烧学――第十四讲

减小。综合两个因素对辐射热通量的影响，液体的表面所得到的热通量趋于常数。 5.6.1.2油罐燃烧的火焰特征

（一）火焰的燃烧状态

当液池直径D<0.03时，火焰呈层流状态，燃烧的主要方式是扩散燃烧；当直径0.031.0m时，火焰发展为湍流状态，火焰的形状由层流状态的圆锥形变为形状不规则的湍流火焰。

油面蒸发速度较大，火焰燃烧剧烈。由于火焰的浮力运动，在火焰底部与液面之间形成负压区，结果大量的空气被吸入形成激烈翻卷的上下气流团，并使火焰产生脉动，烟柱产生蘑菇状的卷吸运动，使大量的空气被卷入。

（二）火焰的倾斜度

锥形火焰受到风的作用而产生一定的倾斜角度，这个角度的大小与风速有直接的关系。在无风的条件下，火焰会在不定的方向倾斜0～5°。

（三）火焰的高度

火焰高度通常是指由可见发光的碳微粒所组成的柱状体的顶部高度，它取决于液池直径和液体种类。

Hesdestad对广泛的实验数据进行数学处理，得到了下面的火焰高度公式：

图5－41 湍流型浮力扩散火焰

－1.02D （5－76） H＝0.23QC2/5（四）火焰的温度特征

从油面到火焰底部存在一个蒸气带，从火焰辐射到液面的热量有一部分被蒸气带吸收，温度从液面到火焰底部迅速增加；到达火焰底部后有一个稳定阶段；高度再增加时，则由于向外损失热量和卷入空气，火焰温度逐渐下降。

（五）火焰的辐射

火焰对物体的辐射热通量取决于火焰温度与厚度，火焰内辐射粒子的浓度和火焰与被辐射物体之间的几何关系等因素。下面介绍两种近似计算方法。

1．点源法

火焰高度近似地由下式计算：

－1.02D （5－76） H＝0.23Q C2/5为液池的热释放速率QC67

燃烧学――第十四讲

=G·△HC·Af （5—77）Q C假定总热量的30％以辐射能的方式向外传递，则辐射热速率为

＝0.3G·△HC·Af Qr是从火焰中心轴上离液面高度为H／2处的点源发射出。因此，所谓点源法即是假定Qr离点源R距离处的辐射热通量为

＝0.3G·△HC·Af/4πR2 （5—78）r q

在图5-44中，存在如下关系：

R2 ＝(H/2)2＋d2 （5－79）式中d是火焰中心轴到被辐射体的水平距离。

假定被辐射体与视线PT的夹角为θ，则投射到辐射接受体表面的辐射热通量为

＝(0.3G·△HC·Afsinθ)/4πR2 (5－80) r q2．长方形辐射面法

在该方法中，火焰被假定为高H、宽D的长方形平板，热量由甲板两面向外辐射。 5.6.2原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅

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。 5.6.2.1 基本概念

1．初沸点：原油中最轻的烃类沸腾时的温度，也是原油中最低的沸点。 2．终沸点：原油中最重的烃类沸腾时的温度，也是原油中最高的沸点。

3．沸程：不同比重不同沸点的所有馏分转变为蒸气的最低和最高沸点的温度范围，各种单组分液体只有沸点而无沸程。

5.6.2.2 单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点

单组分液体和沸程较窄的混合液体燃烧具有以下几种特点：（一）液面温度接近但稍低于液体的沸点

液体燃烧时，火焰传给液面的热量使液面温度升高。达到沸点时，液面的温度则不再升高。

（二）液面加热层很薄

单组分油品和沸程很窄的混合油品，在池状稳定燃烧时，热量只传播到较浅的油层中，即液面加热层很薄。

液体稳定燃烧时，火焰传递给液面的热量也是一定的。如果加热厚度越来越厚，则根据傅里叶导热定律，通过液面传向液体的热量越来越少，而用于蒸发液体的热量越来越多，从

燃烧学――第十四讲

而使火焰燃烧加剧。

5.6.2.3 原油燃烧时热量在液层中的传播特点

沸程较宽的混合液体，由于没有固定的沸点，在燃烧过程中，火焰向液面传递的热量首先使低沸点组分蒸发并进入燃烧区燃烧，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，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。

热波的初始温度等于液面的温度，等于该时刻原油中最轻组分的沸点。随着原油的连续燃烧，液面蒸发组分的沸点越来越高，比水的沸点高得多。

热波在液层中向下移动的速度称为热波传播速度，它比液体的直线燃烧速度（即液面下降速度）快。热波传播速度是扑救重质油品灾时要用到的重要参数。 5.6.2.4 重质油品的沸溢和喷溅

含有水分、粘度较大的重质石油产品发生燃烧时，有可能产生沸溢现象和喷溅现象。原油中的水一般以乳化水和水垫两种形式存在。

在热波向液体深层运动时，由于热波温度远高于水的沸点，因而热波会使油品中的乳化水气化，大量的蒸气就要穿过油层向液面上浮，在向上移动过程中形成油包气的气泡。这样，必然使液体体积膨胀，向外溢出，同时部分未形成泡沫的油品也被下面的蒸气膨胀力抛出罐外，使液面猛烈沸腾起来。这种现象叫沸溢。

从沸溢过程说明，沸溢形成必须具备三个条件：

（1）原油具有形成热波的特性，即沸程宽，比重相差较大；（2）原油中含有乳化水，水遇热波变成蒸气；

（3）原油粘度较大，使水蒸气不容易从下向上穿过油层。

随着燃烧的进行，热波的温度逐渐升高，热波向下传递的距离也加大，当热波达到水垫时，水垫的水大量蒸发，蒸气体积迅速膨胀，以至把水垫上面的液体层抛向空中，向罐外喷射。这种现象叫喷溅。

一般情况下，发生沸溢要比发生喷溅的时间早得多。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。可近似用下式计算：

τ＝

HhKH

V0Vt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2～4次；烟色由浓变淡，发生剧烈的“嘶！嘶！”声等。金属油罐会发生罐壁颤抖，伴有强烈的噪声，烟雾减少，火焰更加发亮，火舌尺寸更大，火舌形似火箭。

燃烧学――第十五讲

第十五讲

燃烧学实验

一、实验名称：石油产品闭口闪点测定。

二、实验目的：让学生了解闪燃现象，了解闪点的测定原理及所需实验设备，掌握闪点的测定步骤及数据处理。三、主要仪器设备

表1 主要仪器设备

设备名称型号个（台）数石油产品闭口闪点试验器（SYP1002－Ⅲ） 1 石油液化气 1 减压阀 1 点火装置 2 四、实验原理

原理：随着液体温度升高，液体上方蒸气分子浓度逐渐增大，当蒸气分子浓度增大到爆炸下限时，如果遇上火源，就会发生一闪即灭的瞬间燃烧现象，此时液体的温度即为该液体的闪点。

实验设备连接图如下： 7 13 11 1 12 8 2 3 9 4 10 5 电压调节电源

1、搅拌软轴 2、搅拌开关 10 3、燃气调节阀 4、电压表 5、电压调节 6、油杯 7、温度计 8、点头旋手 9、油杯架

燃烧学――第十五讲

10、电源开关 11、液化气瓶开关 12、减压阀

13、点火气调节螺丝五、实验步骤

1、将油料注入油杯内，装满至环状标记处。

2、盖上油杯，连接搅拌软轴，插上温度计，打开电源，调节电压（约40～50伏），打开搅拌开关。

3、温度约至40oC时，将电压降至10～20伏，以减缓加热速度。

4、打开液化气开关，再打开减压阀，同时手持点火装置将点火器点燃。 5、调节点火器调节螺丝，将火焰调节成球形，直径约3～4mm。

6、温度约至55oC时，关闭搅拌开关，旋转点头旋手，进行点火试验。

7、如果出现蓝色火焰，则记录温度计读数t1，同时记下大气压力P1，关闭石油液化气开关和减压阀，关闭电源，打开杯盖，取出油杯冷却，然后，再重新加热测第二组数据。

8、如果没有出现蓝色火焰，则继续加热，以后，温度每升高1～2oC，转动点头旋手，进行点火试验，直至出现闪燃现象为止。六、实验结果分析

1、根据公式Δt＝0.25(101.3-P)求出闪点修正系数。式中，P为实际大气压力，单位：KPa。

2、根据所测得的闪点及其修正系数，分别计算出标准大气压下的闪点t1和t2。 3、比较t1和t2，如果两者之差在2oC之内，则平均值即为所测柴油的闪点；否则，精确度较低，需重新测定。

七、安全注意事项

1、实验开始前，应准备灭火器一台。

2、引燃点火器时，应先打开液化气开关，然后再打开减压阀，注意：减压阀由松到紧为打开。

3、在引燃点火器的过程中，如果闻到煤气味，点火器仍然未被点燃，则，迅速关闭液化气开关和减压阀，打开门窗通风，然后，再关门窗，更换点火装置重新引燃点火器。

4、闭点火器时，也应先关闭液化气开关，然后再关闭减压阀。

5、在实验过程中，不得站在液化气气流的正前方，也不得与实验桌和液化气瓶有身体

接触。

''''71

燃烧学――第十七讲

第十六讲讨论

1、闪点测定实验过程中，是否会产生回火？ 2、除了闪点测定实验以外，还需做那些实验？ 3、对安全工程专业来说，燃烧学这门课是否有必要？ 4、燃烧学这门课内容非常丰富，你认为本课程应该扩大覆盖面，降低深度，还是选取重点内容，深入学习。 5、本课程有很多公式，你认为是否有必要对此进行推导？

6、本课程是否需要采用多媒体教学？ 7、本课程在日常生活中有那些应用？ 8、你是否喜爱本课程？并解释原因。

燃烧学――第十七讲

第十七讲

重点：固体火灾危险性的参数，高聚物燃烧的普遍性特点，木材和煤的燃烧。

第6章可燃固体的燃烧

6.1固体燃烧概述

6.1.1固体燃烧的形式

根据燃烧方式和燃烧特性，固体燃烧的形式大致可分为五种。（1）蒸发燃烧：先熔融蒸发，随后蒸汽与氧气发生燃烧反应。（2）表面燃烧：燃烧反应是在其表面由氧和物质直接作用而发生。

（3）分解燃烧：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。（4）熏烟燃烧（阴燃）：只冒烟而无火焰的燃烧现象。

（5）动力燃烧（爆炸）：可燃固体或其分解析出的可燃挥发份遇火源所发生爆炸式燃烧。 6.1.2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：（1）熔点、闪点和燃点

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。（2）热分解温度

可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大。（3）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。（4）比表面积

相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。（5）氧指数

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。氧指数越小的高聚物，燃烧时受氧气浓度的影响越小，因而火灾危险性越大。 6.1.3固体着火燃烧理论 6.1.3.1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。

燃烧学――第十七讲

QHCLVGcrQElS（）

式中，是固体在燃点时的燃烧热（Hc）传递到其表面的份数；LV是固体释放可燃气

和Q分别是单位固所需要的热量；Gcr是固体释放的可燃气在燃点时的临界物质流量；QEl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率。

可通过计算确定，H和LV可在有关文献中查得。对于一定厚度无限大固体，QQlEcT4KTST0 （6-2）可用下式估算： Qiltε是固体的辐射率；σ是斯蒂芬—玻尔兹曼常数；Ti、Ts、T0分别是固体的燃点、燃点时的表面温度和环境温度；K和α分别是导热系数和热扩散系数；t是固体受火源加热的时间；

h3000Gcr与有如下关系： Gcr1cHC （6-3） 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；S=0固体能否被引燃的临界条件。

假设一薄物体的厚度、密度、热容和它与周围环境间的对流换热系数分别为τ、ρ、c、和h；薄物体的燃点和环境温度（或物体初温）分别为 Ti和T0。当薄物体两边同时受温度为T∞的热气流加热时，在时间间隔dt 内，能量平衡方程可写成：

2Ah(TT)dt(A)cdT

A是薄物体受热面积；T是薄物体在时刻t的温度；dT是薄物体经dt后的温度变化。

ticTT0lnTT2hi （6-5） 同理可得，如果物体单面受热，另一面绝热，引燃时间为

ticTT0ln （6-6） hTTi如果物体单面受热，另一面不绝热，则有

ticTT0lnTT2Th0i'' （6-7） 的辐射加热，另一面绝热时，假设物体吸收率为α，则当物体一面受热通量为Qr74

燃烧学――第十七讲

''Qrtiln'' （6-9） hQrhTiT0c如果一面受辐射热，另一面不绝热，则有

''Qrtiln'' （6-10） 2hQr2hTiT0c6.1.3.2固体火焰传播理论

在火场上，火焰传播速度和可燃物面积大小决定了火势发展的快慢。

“燃烧起始表面”是指固体火焰传播时正在燃烧的火焰和未燃物质之间的界面，穿过这个界面的传热速率决定了火焰传播或火灾蔓延的速度。

6.2几类典型固体的燃烧

6.2.1高聚物的燃烧

高聚物的燃烧过程主要分为受热软化熔融、热分解、着火燃烧等阶段。热分解是燃烧的关键阶段。高聚物的燃烧主要是其分解产物中的可燃性气体的燃烧。

高聚物燃烧的普遍性特点，可以概括为三个方面。（1）发热量较高、燃烧速度较快（2）发烟量较大，影响能见度（3）燃烧（或分解）产物的危害性大

除上述普遍性特点外，不同类型高聚物的燃烧还有如下特点：

（1）只含碳和氢的高聚物，易燃但不猛烈，火焰呈兰色或黄色，燃烧时有溶滴，并产生有毒的一氧化碳气体。

（2）含有氧的高聚物，易燃且猛烈，火焰呈黄色，无溶滴，并产生有毒的一氧化碳。（3）含有氮的高聚物，燃烧情况比较复杂，如脲甲醛树脂为难燃自熄；三聚氰胺树脂为缓燃缓熄；尼龙为易燃以烬。燃烧时都有溶滴，并产生一氧化碳、一氧化氮有毒气体和氰化氢剧毒气体。

（4）含有氯的高聚物，硬的为难燃自熄，软的为缓燃缓熄，火焰呈黄色，燃烧时无熔滴，有炭瘤，并产生氯化氢气体，有毒且溶于水后有腐蚀性。

（5）含有氟的高聚物，实际上不燃，但加强热时，能放出腐蚀毒害性的氟化氢气体。（6）酚醛树脂，无填料的为难燃自熄，有木粉填料的为缓燃缓熄，火焰呈黄色，冒黑烟，放出有毒的酚蒸气。

不含卤素高聚物的氧指数可用如下公式估算：

OI17.50.4CR （6-15）

燃烧学――第十七讲

对C/O比不小于6的高聚物，则有 OI对含卤素的高聚物，氧指数可由下式估算：

1.84M （6-16）

(O2)17.5(CP1) （6-17） OI6042.5CP(CP1)6.2.2木材的燃烧 6.2.2.1木材的组成

木材的主要成分是碳、氢和氧元素，还有少量的氮和其它元素,但不含硫。纤维素是木材的主要组成，大体每kg木材的热值在2万千焦左右。 6.2.2.2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℃时分解产物主要是水和二氧化碳；温度升高到200℃以上，纤维素被分解，生成一氧化碳、氢和碳氢化合物；木材加热到270～380℃时，热分解的剩余物得到30％～38％的碳。 6.2.2.3木材的燃烧过程

在木材被加热过程中，若遇火源，会出现闪燃、引燃。若无火源，只要加热温度足够高，也会发生自燃现象。

木材的燃烧过程中，反应既在气相中进行；又在异相中进行。木材燃烧大体分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。 6.2.2.4木材燃烧速度

木材的燃烧速度可以用重量速度和线速度表示。主要决定于木材的密度、木材的水分含量、比表面积和温度等。

杉木、松木的燃烧速度可以用如下的经验公式进行近似计算：松木，杉木：X1.0T2.5t （6-19） 100对于木垛的燃烧，其特性主要取决于木垛的“通风状况”。 6.2.3煤的燃烧

6.2.3.1固体燃料煤的燃烧过程

煤颗粒的燃烧历程。首先煤颗粒被加热干燥，而后可燃性气体开始析出。在足够高的温度和供氧条件下，可燃性气体在颗粒周围着火燃烧，形成光亮的火焰。可燃性气体一方面阻碍了颗粒本身的燃烧；另一方面可燃性气体在颗粒周围的燃烧对颗粒有强烈的加热作用，

燃烧学――第十七讲

所以当可燃性气体燃尽后，颗粒本身能迅速燃烧。

可燃性气体着火后，经过不长时间，火焰逐渐缩短，直至消失。从煤颗粒干燥开始到析出气体直至可燃性气体基本燃尽所需的时间是极短的，仅占煤全部燃烧时间的10％。然后煤颗粒表面开始燃烧、发亮，其温度逐渐升高，达到最高值。这时颗粒周围只有极短的蓝色火焰，它主要是CO燃烧所形成的。 6.2.3.2.固体碳粒的燃烧过程

碳在空气中燃烧是多相燃烧过程，对于任何多相反应过程都将依次经历下面五个阶段：（1）氧气扩散到固体燃料表面

（2）扩散到固体表面的气体（或氧气）须被固体表面所吸附。（3）吸附的气体和固体表面进行化学反应，形成吸附后的生成物。（4）吸附后的生成物从固体表面上解吸。（5）解吸后的气体生成物扩散离开固体表面。关于碳和氧的反应机理，目前有三种说法：（1）二氧化碳模型。（2）一氧化碳模型。（3）中间碳氧络化物模型。

目前比较普遍认为氧不是直接和碳化合生成CO2和CO，而是由于氧被吸附而停留在碳表面上，形成一种结构不确定的中间碳氧复合物CxOy。实际上碳和氧相遇后首先发生的化学反应是，在900～1200℃的范围内，燃烧过程符合下列反应式：

4C+3O2→2CO2+2CO；（6-25）

从1450℃起，燃烧过程则符合另一反应式，

3C+2O2→CO2+2CO。（6-26）

在这两种情况下，所得到的CO2和CO的比例分别为1:1和1:2，其所以会具有这种不

同的比例是因为在这两个温度范围内所形成的复合物CxOy有着不同组成的缘故。碳粒燃烧过程可看作是由下列几个阶段组成的：氧向碳表面上扩散→氧在碳表面上物理吸附→化学吸附→复合物的分解→反应生产物的解吸→反应生产物扩散到周围气体介质中去。

燃烧学――第十八讲

第十八讲

重点：火焰蔓延类型，木材火焰蔓延特性，阴燃发生条件及向有焰燃烧转变条件。

6.3固态可燃物的火灾蔓延

可燃性固体

火焰可燃性气体

qe qr qre 环境气体流动

g （a）向下蔓延

g （b）向上蔓延

qcd 热分解区域起点可燃性固体

qre qe qr 可燃性气体火焰

热分解区域起点

环境气体流动

qe：从气体向固体的对流热流； qcd：固体内部的导热热流； qr：从火焰向固体的辐射热流；qre：从外部热源向固体的辐射热流

图6-13 塑料棒燃烧示意图

6.3.1塑料等可燃性固体

如果以塑料棒或板为例，分为上端着火、火向下蔓延；下端着火，火向上蔓延；中间着火，火向两端蔓延的三种情况。而中间着火向两端蔓延，实际上就是前两种情况的综合。

向上蔓延时，高温燃气流经未燃固体表面，可燃性固体可以从火焰得到更多的热量，火的蔓延速度快。向下蔓延时，高温燃气不留经未燃固体表面，传热量少，火的蔓延速度慢。

向下的火蔓延速度随着板厚的增加而减小，并逐渐趋于某个常数，这个常数值略小于相同厚度的水平蔓延时的速度。

当板的厚度小时，

qsuqc比大，向未燃烧部分的传热主要靠气相向预热区传热。当板qtqt的厚度大时，主要靠固体内部向未燃烧部分传热。qt为向固体的全部热流量，qsu为从气相向预热区的热流量，qc为固体内部的热传导热流量，qst为从气相向热解区的热流量。

当固体的表面温度Ts升高时，火的蔓延速度VF增大。板的厚度δ小的时候，火的蔓延速度与固体的气化温度同表面温度的差成反比；当板的厚度δ大时，火蔓延速度VF与（TV

燃烧学――第十八讲

－TS）2成反比。这说明当火灾规模较大时，再有较大尺寸的可燃物，其危险程度就更大了。很明显热辐射强度不同，表面温度不同，杆的内部温度也不同，而且固体的表面形状也不同，因此可依据表面形状判断表面温度的高低。 6.3.2.木材等天然可燃性固体的蔓延

同一种木材，横截面尺寸相同，竖直下端点火，火焰向上蔓延时，横纹木条的火焰蔓延速度均大于顺纹木条火焰蔓延速度。而且大体存在下述关系

U横1.3U纵（6-34）森林火灾和城市建筑火灾中，木材沿径向烧损严重的实质，也为火灾防治提供了依据。木条的横截面尺寸对木材火蔓延速度有显著影响，

厚度（δ）增加时，火蔓延速度下降；而高度（h）增加时，火蔓延速度增加，造成上述结果的原因：厚度（δ）增加时，受热面积并不增加，相对散热量增加了，所以火蔓延速度下降。高度（h）增加时，增加了与已燃高温燃气的接触面积，传热量增加而使火焰蔓延速度增加。增加高度相当于增加了横纹木条的长度，有利于从下向上的火蔓延。一般建筑结构中的横梁，由于力学性能要求，多是厚度（δ）小，高度（h）大。

当环境温度接近270℃时，木材的热解、气化速度迅速上升，火蔓延速度迅速增加。 6.3.3.灌木及茅草天然可燃性固体

顺风的蔓延方向称火头，逆风的蔓延方向称火尾，两侧称火侧，中间为已烧过的区域，阴影部分为正在向外蔓延的火，一般称为火线。此外一般在山脊背上的蔓延速度较快，在谷底的蔓延较慢。 6.3.4.薄片可燃性固体

单页纸和单层布之类的可燃性固体，由于很薄，本身的热容很小，所以着火后火的蔓延规律与一般的可燃性固体着火后的火蔓延情况不同。

薄片可燃性固体的质量燃烧速度等于固体的热解、气化速度。而可燃性固体的热解、气化速度强烈地依靠外部向固体的传热量。当温度在1000℃以下时，只有碳的表面反应。当温度在1000℃以上时，除表面反应之外，还将发生空间的气相反应，

纸火焰的蔓延速度随气流速度变化明显分成三个区域：

Ⅰ区（气流速度u∞≤85cm/s）属于自然对流范围。气流速度增加，火蔓延速度下降。而且在每一种速度下，火蔓延速度都有个加速现象。

Ⅱ区（气流速度85 cm/s Ⅲ区（u∞≥125cm/s）时火焰蔓延速度下降范围，火焰从边上到中间趋于平整，总的火

79

燃烧学――第十八讲

蔓延速度均匀地下降。但也有局部的加速现象，此时的u∞＝130cm/s，再增大气流速度则灭火。

温度实验结果表明：

在Ⅰ区未燃侧受火焰前锋高温气体的预热作用明显，气相温度变化不规则，但总的趋势是温度在增高。

在Ⅱ区这种预热作用呈周期性变化，这是由于高温气体与环境气体交互流过该处所致，温度也有所增高。

在Ⅲ区的这种预热作用只限于紧靠火焰前锋的一小部分，其他部分几乎没有预热作用。

6.4 固体可燃物的阴燃

阴燃的定义是，在规定的试验条件下，物质发生的持续、有烟、无焰的燃烧现象。阴燃与有焰燃烧的主要区别是无火焰，与无焰燃烧的主要区别是能热分解出可燃气。在一定条件下，阴燃可以转变为有焰燃烧。 6.4.1阴燃的发生条件

阴燃能否发生，完全取决于固体材料自身的理化性质及其所处的外部环境。

阴燃是因材料受热分解后能产生刚性结构的多孔炭，从而具备多孔蓄热并使燃烧持续下去的条件。有些不易阴燃的固体经过一些无机物溶液浸泡处理后，变得容易发生阴燃，这主要是因为这些无机物有助于炭化反应的进行。

有些物质以粉末状分散于能阴燃的固体中时，会中断碳上的反应晶格，降低炭生成量，从而能抑制阴燃的发生。

阴燃主要发生在固体物质处于不流通的情况下，但也有暴露于外加热流的固体粉尘层表面上发生阴燃的情况。在多孔材料中，常见的引起阴燃的热源包括：

1.自燃热源。

2. 阴燃本身成为热源。 3. 有焰燃烧火焰熄灭后的阴燃。 6.4.2阴燃的传播

如果材料的一端被适当加热，就开始发生阴燃，接着它沿着未燃区向另一端传播。阴燃的结构分为三个区域，如图6-40所示。

区域Ⅰ：热解区。在该区内温度急剧上升，并且从原始材料

原始纤维素（Ⅰ区）

纤维素变色区黑色炭（Ⅱ区）

残余区/炭（Ⅲ区）

传播方向烟灼热炭图6-40 纤维素棒沿水平方向阴燃示意图

燃烧学――第十八讲

中挥发出烟。在密闭的空间内，阴燃烟的聚集能形成可燃（甚至爆炸）性混合气体。

区域Ⅱ：炭化区。在该区中，炭在表面发生氧化并放热，温度升高到最大值。该区产生的热量一部分通过传导进入原始材料，使其温度上升并发生热解，热解产物（烟）挥发后就剩下炭。

区域Ⅲ：残余区/炭区。在该区中，灼热燃烧不再进行，温度缓慢下降。

阴燃传播是连续的，所以实际上以上各区域间并无明显界限。阴燃能否传播及传播速度快慢主要取决于区域Ⅱ的稳定及其向前的热传递情况。

某些易阴燃材料对其它一些难阴燃材料的阴燃起决定性作用。 6.4.3阴燃向有焰燃烧的转变

有利于阴燃的因素也都有利于阴燃向有焰燃烧的转变。

从总体上讲，当区域Ⅱ的温度增加时，由于热传导使得区域Ⅰ温度上升，热解速率加快，挥发份增多，区域Ⅰ附近空间的可燃气浓度加大。当达到某一值时，若有明火即可引燃；否则，当温度继续升高时，也可自燃着火。

概括地讲，阴燃向有焰燃烧的转变主要有以下几种情形：（—）阴燃从材料堆垛内部传播到外部时转变为有焰燃烧（二）加热温度提高，阴燃转变为有焰燃烧（三）密闭空间内材料的阴燃转变为有焰燃烧

燃烧学――第二十讲

第十九讲

重点：炸药的爆破机理，粉尘爆炸影响因素。

6.5炸药爆炸

6.5.1炸药的爆炸特点及其分类 6.5.1.1特点

炸药爆炸属于凝聚体系爆炸，主要有下面三个特点：

（1）化学反应速度极快。炸药可在万分之一秒甚至更短的时间内完成爆炸。（2）能放出大量的热。炸药爆炸时的反应热达到数千到上万千焦。（3）能产生大量的气体产物。 6.5.1.2分类

根据实际用途，炸药可分为三大类：起爆药、猛炸药、发射药。 6.5.2炸药的爆炸性能 6.5.2.1炸药的感度

炸药在外界能量作用下发生爆炸的难易程度，称为炸药的感度。（1）热感度。它是指炸药在热作用下引起爆炸的难易程度。（2）机械感度。炸药在机械作用下发生爆炸的难易程度。

（3）爆炸感度。炸药在另一种炸药的爆炸作用下发生爆炸的难易程度。 6.5.2.2炸药的安定性

炸药的安定性是指炸药在长期使用、保管过程中，受温度、湿度、阳光等条件的影响，保持其性质不变的能力。主要包括：

（1）化学安定性。它指在使用、保管过程中，保持其化学性质不变的能力。（2）物理安定性。它指炸药不吸湿、不挥发，保持机械强度的能力。（3）热安定性。炸药在热的作用下，保持物理、化学性质不变的能力。 6.5.2.3炸药的热化学参数

炸药的热化学参数是衡量炸药爆炸作功能力和估计炸药爆炸破坏作用的重要指标。（1）爆容。单位质量的炸药爆炸后，气体产物在标准状况下所占的体积。（2）爆热。单位质量的炸药爆炸时所放出的热量，称为炸药的爆热。

（3）爆温。炸药在爆炸瞬间所放出的热量将产物加热到的最高温度。该值越大的炸药

燃烧学――第二十讲

爆炸时对外作功的能力越强。

（4）爆压。炸药在一定的容积内爆炸后，其气体产物的热容不再变化时的压力。 6.5.2.4炸药的威力和猛度

炸药的威力指炸药爆炸时作功的能力。用TNT当量表示，主要取决于爆热。

炸药的猛度是指炸药爆炸时粉碎与其直接接触物体或介质的能力。它主要与爆速有关。通常用炸药爆炸时铅柱被压缩的高度表示炸药的猛度。 6.5.2.5炸药的氧平衡

炸药的氧平衡是指炸药中的氧与炸药中的碳、氢完全燃烧所需的氧之间的平衡关系。组成通式为CaHbOcNd的炸药，可能出现：正氧平衡、零氧平衡、负氧平衡。炸药的氧平衡在数值上用氧平衡率表示。炸药CaHbOcNd的氧平衡率可由下式计算：

bc(2a)162B100% （6-42）

M式中，M为炸药的摩尔质量。

研究炸药的氧平衡具有重要的理论和实践意义：

（1）零氧或接近零氧平衡的炸药，爆炸时放出的热量最多，且作功能力最大。（2）氧平衡率大的炸药爆炸时燃烧完全，产物中CO2较多，CO较少，但会有氧化氮存在；氧平衡率小的炸药爆炸时燃烧不完全，产物中CO2较少，CO较多。 6.5.3炸药的爆炸及其破坏机理 6.5.3.1爆炸机理

炸药有两个突出特点，一是炸药分子中含有不稳定的集团，使分子结构不稳定；二是绝大多数炸药本身含有氧，不需要外界提供氧就能爆炸。爆炸机理包括：热爆炸机理、机械能起爆机理、爆炸能起爆机理。 6.5.3.2破坏作用

炸药在空气中爆炸时，对周围介质的破坏作用主要有三部分：

（1）爆炸产物的直接作用。指高温、高压、高能量密度产物的直接膨胀冲击作用。（2）空气冲击波的作用。炸药在空气中爆炸时起破坏作用的主要是空气冲击波。冲击波的破坏作用主要由波面上的压力，波持续时间和比冲量（压力与时间之积）三个特征量来衡量。通常以冲击波阵面上的压力大小来衡量冲击波的破坏效应。

（3）外壳破片的飞散杀伤作用。

燃烧学――第二十讲

6.5.4炸药的殉爆

一装药爆炸后能引起与其相隔一定距离的另一装药爆炸的现象，称为炸药的殉爆。殉爆的原因主要三个：药爆炸产物的冲击作用、主爆药爆炸所抛出物体的冲击作用、火焰作用。

主爆药的药量、爆热、爆速愈大，引起殉爆的能力也愈大；从爆药的爆炸感度愈大，愈容易被引发爆炸；惰性介质的性质和主、从爆药之间的相互位置等对殉爆有较大影响。

主爆药能够引起从爆药爆炸的最大距离，称为殉爆距离，它既反映了主爆药的引爆能力，又反映了从爆药的爆炸感度。

主爆药爆炸之后不能引起从爆药爆炸的最小距离，称为殉爆安全距离。炸药仓库之间的殉爆安全距离（Rl）可由下式估算：

RlKIW（m）（6-43）

式中，W为炸药质量，kg；Kl为安全系数（由炸药性质和存放条件决定）。 6.5.5炸药的安全与安全炸药

在炸药的保管和储存过程中应着重注意如下特性：（1）炸药的感度。在感度许可范围内，炸药是不会爆炸的。（2）炸药的不稳定性。

（3）炸药的殉爆。炸药保管应保持足够的距离，以避免殉爆的发生。炸药爆炸时，对人作用的最小允许的距离即安全距离（RⅠ）可由下式估算：

RI=5QW （m）（6-44） QTNT对建筑物造成允许程度的破坏或使用免遭破坏的最小允许的距离即安全距离（RⅡ）可由下式估算：

RⅡ＝KQW （m）（6-45） QTNT式中，Q和QTNT分别为待估算炸药和梯恩梯的爆热；W为待估算炸药的质量，kg；K是取决于安全设防等级和炸药库房或工房外有无土堤的安全系数。

在有瓦斯或可燃性矿尘存在的矿井中，使用的炸药应为安全炸药。

危险介质在引燃时存在延迟期，温度越高，延迟期越短。当危险介质的引燃延迟期大于上述各种引燃因素对介质作用的时间时，介质就不会发生爆炸。

在有瓦斯或可燃性矿尘爆炸危险的矿井中使用的安全炸药，应具备如下要求：（1）爆炸能受一定限制。即安全炸药的爆温、爆热要比普通炸药低。（2）爆炸反应要完全。（3）氧平衡率应接近于零。

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