消防工程学.doc

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第一章绪论

火的正面作用:

促进了人类的进化推动了社会的发展加快了科学技术的进步

火的负面作用:

带来财产损失造成人员伤亡人员伤亡造成极坏的社会影响

什么是“火灾”？

F火灾是火失去控制，并蔓延而形成的一种灾害性燃烧现象，它通常造成人或物的损失。

火灾发生的必要条件是可燃物、引火源和氧化剂，也叫火灾三要素，简称火三角。

火灾的分类：

可以根据火灾发生地点、燃烧对象、火灾损失严重程度等进行划分。

城市火灾=建筑火灾+工业火灾+其它

我国城市化发展速度空前

城市规模扩大,电气化,管网化,城市安全隐患不断加大,物资资源聚集

人口集中,建筑物密集、疏散困难

防治火灾是国家的重大需求

u涉及三大领域：

资源与环境人口与健康能源

u火灾防治的现状

u建立消防队伍和机构

u周代的司爟、司煊和宫正

u宋代的防隅军、潜火军和民间的水会

u清代末年引入西方的消防体制，成立以消防警察为主的专职消防队伍

u新中国成立后，消防协会、公安消防部队

u研制各种防火灭火设备

u桶、罐、水袋（唐）、竹制的唧筒（宋）

u消防车和消防飞机；消防水枪和水炮

u水喷淋系统、灭火剂、细水雾

u火灾防治的现状

u制定有关防火灭火法规

u立火禁、修火宪

u十七世纪开始产生各种法规

u1904年美国颁布了第一个较为完善的消防法

u我国的消防法1998年9月1日正式实施

u研究火灾机理和规律

u火灾有其内在的普遍性和确定性规律

u火灾有其内在的随机性规律

u火灾防治必须实现的三个转变

·被动式的灭火技术→“清洁阻燃、智能探测、清洁高效灭火”为主要环节的主动式火灾防治技术

·现行的“处方式”设计→基于“火灾风险评估”和“火灾动力学”的性能化设计

·火灾防治的传统管理模式→基于“火灾动力学”的科学管理和应急预案模式

p火灾过程本身具有的复杂性

p火灾的孕育、发生和发展包含着流体湍流流动、相变、传热传质和复杂化学反应等物理化学作用，是一种涉及物质、动量、能量和化学组份在复杂多变的环境条件下相互作用的三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非平衡态的动力学过程

p可燃物的本身条件、环境条件、人为因素、地理、生态等等多方面因素的相互影响

p促进我国火灾防治重大关键问题的解决举例——森林扑火指挥决策支持系统

p火旋风的定义:

由于风向、地理形态、建筑物的影响，火灾在蔓延过程中会形成旋转火焰，即火旋风。

它通常分为垂直火旋风和水平火旋风，其出现使得火焰蔓延速度和火强度大大增加.

火灾科学中的专业术语

u火灾科学诞生于20世纪70年代后期，是一门以重大火灾为研究背景的交叉性科学；是研究火灾发生、发展及其防治机理和规律的应用基础科学。

u火灾规律的双重性是指火灾过程既有确定性，又有随机性。

确定性是指火灾的孕育、发生、发展、熄灭过程具有规律性；随机性是指火灾各个子过程都要受到不确定性因素的影响。

这就决定了火灾科学研究手段是模拟研究和统计分析及两者的结合。

u模拟研究是指在某种近似的条件下进行的研究，包括计算机模拟和实验模拟。

所谓计算机模拟是指利用计算机的计算、数据库、图形、和图像等功能来进行火灾理论的定量研究；实验模拟是指研究火灾现象时在几何、物理和化学条件等方面引入近似的一类实验。

u火灾统计是通过对已发生的火灾进行统计和分析，以便于对未来的火灾发展趋势作出预测，并使其成为制定防火对策的依据。

其遵循的原则是实事求是、真实地反映客观实际

火灾科学的多学科交叉性

u数理学科：

微分方程定性理论和数值方法、概率与统计、非线性动力学、流体力学、固体力学、爆炸力学、燃烧学

u化学学科：

化学动力学和热化学

u生命科学：

生物质的热解与燃烧、生物体受热-烟-毒的损伤、心理学、

u工程技术学科：

安全工程、工程热物理、材料科学、信息科技、资源的优化配置与调度

火灾科学的两个认识误区

u1、防治火灾是一个管理问题，只要相应的法律法规执行得比较好，配合消防部门的扑救就能够防治火灾2、火灾就是燃烧，火灾防治中的问题燃烧学都能解决

火灾基础研究的三个发展阶段

u统计分析阶段

——随机性规律

u统计分析与模拟研究独立发展

——分立的随机性规律及确定性规律

u统计与模拟的有机结合

——随机和确定的双重性规律

p我国消防科学技术发展历程回顾

我国消防科学技术的发展过程,大致分为两阶段:

起步阶段;以及形成和发展阶段。

（1）起步阶段

建国初至20世纪70年代,消防安全的研究与技术应用经历了从无到有的初期发展阶段。

1956年公安部消防局成立；1959年公安部消防局消防科学研究室成立,1962年开始筹建消防科学研究所,1965年前后,四川、天津、上海、沈阳4个消防科学研究所先后成立。

上海消防研究所:

主要负责灭火理论、灭火技术与装备、火场防护技术、抢险救援装备技术、防排烟装备技术、化学灾害事故处置装备技术、哈龙替代物灭火技术等方面研究；

消防装备检测及其标准规范的制定等。

四川消防研究所是从事建筑防火科学研究的专业研究所，主要负责建筑火灾理论、建筑防火技术、防火涂料研究、材料燃烧烟气毒性评价研究等；防火建筑材料和构件检测及其标准规范的制定等。

天津消防研究所主要负责火灾基础理论、消防工程技术、耐火构件、灭火剂研究等；固定灭火系统和耐火构件检测及其标准规范的制定等。

沈阳消防研究所主要负责火灾探测理论、自动报警技术、消防通讯等方面的研究；火灾探测和自动报警系统检测及其标准规范的制定等。

此外，在天津、沈阳所内还设立了两个火灾原因鉴定分析中心。

（2）消防科学技术形成和发展阶段

20世纪70年代至今,我国消防安全研究逐步恢复并快速发展。

“六五”、“七五”期间,先后开发研制成功感温、感烟、红外、紫外等各类新型火灾探测器以及火灾自动报警系统、联动配套的各种自动灭火装置和各类灭火剂；研制成功了几类有推广价值的阻燃剂,并将其应用于阻燃织物、阻燃板材、橡胶、电缆、防火玻璃、防火涂料及防火门等方面。

“八五”、“九五”期间,消防科技发展明显加快,科研与开发技术体系基本形成。

1984年9月6日中国消防协会正式成立。

近十几年来,在一些大学和相关研究机构里，陆续建立了一些消防科研机构。

如：

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室

中国建筑科学研究院建筑防火研究所

北京理工大学燃烧、爆炸国家重点实验室

中国人民武装警察部队廊坊武警学院

河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室

此外，在林业、煤炭、石油化工、船舶制造等部门也设立了为本部门本行业服务的消防科研机构。

一些大型企业里也设有消防产品开发的研究机构。

在全国范围内组建了跨地区、跨部门、跨行业的消防专业科研和教育机构,形成了以公安部所属的消防科研所、大学、企业和产业部门等相互沟通合作的消防科学研究体系。

第二章火灾发生

p火灾形成的条件：

火三角

p着火：

可燃物质在一定条件下形成的燃烧

p起火：

可燃物质在一定条件下形成非控制燃烧

p二者关系：

1着火是起火的必要条件，但不是充分条件2着火和起火的性质随环境因素的改变而变化的

1、气体可燃物的着火

p1.1谢苗诺夫自燃理论

u1、谢苗诺夫自燃理论的基本出发点：

自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。

2、简化假设：

1）容器体积V，表面积S，初始壁温与环境温度T0相同，随着反应进行，壁温升高且与混气温度相同；2）反应过程中混气的瞬时温度为T，且容器中各点的温度、浓度相同。

开始时混气温度T与环境温度T0相同；3）容器中既无自然对流也无强迫对流；4）环境与容器之间对流换热系数为h且不随温度变化。

5）着火前反应物浓度变化很小，即CA=CA0=常数或f=f∞=常数，CA和f=f∞分别代表初始浓度和初始质量分数。

1.1谢苗诺夫自燃理论

3、放热速率、散热速率

2）散热速度方程

1）放热速率方程

3）函数关系

u第一种工况：

曲线相交A、B两点，T﹤TA,T上升至TA；T﹥TA，T下降至TA,A点是稳定点，处于低温氧化态；T﹤TB，T下降至TA点，T﹥TB，T继续上升，B点非稳定点。

由于热力学的非自发性，体系只能稳定在交点A处作低温、缓慢的氧化反应，反应无法加速，体系不能着火。

u第二种工况：

环境介质的温度T0升高至T0”时，两曲线不相交也不相切，且q1始终大于q2，体系一定能引起着火。

u第三种工况：

两曲线相切于点C，C点标志着体系处于由维持低温、稳定氧化反应状态到加速反应状态的过渡状态，体现了体系热自燃着火条件，通常称C点温度为着火温度，T0为自然温度。

并把系统温度从T0自发升高到TC所需的时间称为者火延迟时间。

1.1谢苗诺夫自燃理论

C点即为着火的临界条件

结合前述方程，可推得：

如用混合气体的压力p代替浓度c，则可推出：

u上式即为著名的谢苗诺夫公式，表明了热自燃时混合气体的压力p与温度T0之间的关系。

u此外分析该公式可知：

当混合气体压力p增大时，自燃温度降低，混合气体易发生自燃；反之，则自燃温度上升，混合气体不易着火，见右图所示。

u1）浓度极限：

在压力或温度保持不变条件下，可燃物存在着火浓度下限和上限，如果体系中可燃物的浓度太大或太小，不管温度或压力多高，体系都不会着火。

u2）温度极限：

在压力或浓度保持不变的条件下，体系温度低于某一临界值，体系不会着火；温度再低于一更小的临界值，不论压力或浓度多大，体系都不会着火。

u3）压力极限：

在温度或浓度保持不变的条件下，体系压力低于某一临界值，体系不会着火；压力再低于一更小的临界值，不论温度或浓度多大，体系都不会着火

u1.2链式自然机理

一、基本概念

Ø链锁反应：

由一个单独分子变化而引起一连串分子变化的化学反应。

Ø自由基：

在链锁反应体系中存在的一种活性中间物，是链锁反应的载体

二、过程

Ø链引发：

即自由基生成，链反应开始；

Ø链传递：

自由基作用于其他反应物分子，产生新的自由基和产物；

Ø链终止：

自由基销毁，链反应终止。

u三、链反应着火条件

u链反应体系着火与否取决于体系中自由基生成速度和自由基销毁速度两者之间的关系。

1.1谢苗诺夫自燃理论

1.2链式自然机理

氢/氧混合物的爆炸极限图

u存在三个着火极限的原因

Ø1）第一极限存在原因：

体系压力较低时，自由基固相销毁占主导作用，且自由基固相销毁速度大于自由基生成速度；

Ø2）第二极限存在原因：

体系压力较高时，自由基气相销毁占主导作用，且自由基气相销毁速度大于自由基生成速度；

Ø3）第三极限存在原因：

压力继续升高时，自由基生成速度大于自由基气相销毁速度和固相销毁速度。

1.2链式自然机理

W

t

1、j=0是临界条件，此时对应的温度为自燃温度，在此温度以上只要链引发发生，系统就会自发着火。

2、j<0时，系统的化学反应速度趋向于一常量，系统化学反应速度不会自动加速，系统不会着火，着火感应期τ=∞

3、j>0时，着火感应期减小

1.3强迫着火的定义及特征

u强迫着火或引燃

Ø指一个冷反应混合物被炽热的高温物体局部迅速加热，在其高温物体附近引发火焰，该局部火焰再把临近的混合气点燃，引发火焰传播的现象。

u强迫着火与自燃着火的不同之处

ⅰ前者体现为局部火焰及其传播，后者体现为整个区域；

ⅱ强迫着火温度一般要远高于自燃着火温度；

ⅲ强迫着火过程要比自燃着火过程复杂。

2、液体可燃物的着火

3、固体可燃物的着火1固体可燃物分为天然物质和人工合成物质2与液、气体相比，固体可燃物个体差异较大

2）、固体可燃物的热解气化

p在足够高的温度下，固体可燃物会发生热解、气化反应，释放出可燃性气体

p气体大体按H20、CO2、C2H2、CH4、焦油、CO、H2等的顺序释放

p剩下的物质为碳和灰分组成的固体残留物，碳量与可燃物种类、加热速度及加热的最终温度有关

p

（1）、煤的热解气化

p与煤种、尺寸、温度、压力等因素有关，只能建立宏观动力学模型

p快速热解：

加热速度在104K/s，热解时间小于1s

p慢速热解：

加热速度在1—104K/s，热解时间几分钟—几个小时

p火灾中的起火属于后者

p

（2）、煤粒的起火

p规律：

1一定是热解气化的可燃性气体先着火

p2气体火焰放出的热量再加热固体可燃物，使其着火

p分析方法：

1与液滴着火相同2注意：

热解气体成分多样化，且气体成分的组成比例有变化

p（3）、木材的热解气化

p规律与煤相似，但是整体数值小。

长时间低温（100-200℃）受热也会热解、气化、着火

p木材热解实验在氮气中进行

闪火温度木料受热首先是水份析出，随后才发生热解、气化反应，析出可燃性气体。

当温度达到260℃时，可燃性气体的析出量迅速增加，此时可用明火点将其燃但不能维持，这就是所谓的闪火现象。

这种情况相当于液体可燃物的闪燃。

木纹方向对着火的影响

顺纹方向：

1透气性好2导热系数大

3热量不易累积，不易着火

垂直方向：

1透气性差2导热系数小

3热量积累，易着火

厚度

最小点火能

顺纹方向

横纹方向

（4）、阴燃

p阴燃是固体物质特有的燃烧形式。

是一种发生在气固相界面处的燃烧反应，是一种没有气相火焰的缓慢燃烧，如点燃的香烟等

p特点：

燃烧速度慢、温度较低，不易被发现

p阴燃向明火的转化

p可燃物种类、状态、尺寸

p燃烧条件

u阴燃的发生不是定义为“阴燃燃料发生了放热燃烧反应”，而是要有“足够厚的燃料层发生燃烧以维持和传播阴燃”。

开始只有少部分的燃料燃烧往往导致熄灭。

阴燃燃烧的一些特点

1在热流强度较小时可以发生

2氧化反应速度小，相应的最高温度和传播速度低

阴燃传播速度在10－3～10－2cm/sec

温度在400～850oC

发生阴燃的条件

固体介质疏松多孔，固体颗粒直径在10－3米量级以下

固体内部存在空气，从而发生氧化放热反应维持阴燃状态

固体氧化反应所产生的CO2等不可燃气体大大稀释了热解所产生的可燃气体，使有焰燃烧难以形成

u反应区的厚度同有焰燃烧相比较大

l输运过程控制的化学反应，氧化反应仅发生在固体的表面

u可以在比较低的氧气浓度环境中传播

u每单位质量的物质在阴燃状态下产生的烟量、有毒气体及可燃性气体的量比较多

u短时间内的大流速气流很难将阴燃吹灭

u散热条件差、热量比较容易积累，对阴燃的发生和传播有利

u阴燃在一定条件下可以转化为明火

u内部主要以传导方式进行传热，导热系数要考虑材料和空隙的双重作用；对流和辐射主要在外部表面进行

u热解反应和燃烧反应都需要温度达到一定的值后发生，另外热解要先于燃烧发生，因此热量波要先于热解波，热解波要先于燃烧波

u存在微弱的气—气同相反应，它能使温度值升高一些；但固—气的异相反应占主导地位

阴燃的影响因素

u可燃物种类：

质地松软、细微、杂质少、透气性好的材料易阴燃

u可燃物尺寸：

尺寸大危险性大

u氧气浓度：

阴燃速度随氧气浓度的增加而增加

u反应区形状及状态：

圆柱形与圆锥形

风对阴燃的影响

u在水平正向阴燃（阴燃传播方向与外加风速方向相同）中，阴燃速度、温度都会随外加风速的增加而增大，有可能向有焰火发生转化

u在水平反向阴燃（阴燃传播方向与外加风速方向相反）中，阴燃总是以大致不变的速度向前传播。

另外不管外加风速如何变化，都不会出现有焰火

u在垂直阴燃中，浮力的作用不能忽略。

在向上反向阴燃中，当向下的风速刚好与向上的浮力作用平衡时，会导致阴燃的滞止熄灭

u阴燃向有焰火的转化

u阴燃向有焰火转化就是使得固－气异相反应占主导的燃烧方式变成气－气同相反应的燃烧方式占据主导或两种燃烧方式具有同样的重要性

u在正向阴燃中，加大风速会使阴燃出现有焰火

u通过额外的加热，加强燃料的热解反应，提高热解可燃气的产生率，促使阴燃中有焰火的出现

u通过特定的燃烧结构，有效促使热解和燃料氧化产生的多孔碳发生燃烧，形成很高的温度，有利于促使有焰火的产生

4、特殊形状可燃物的着火

u特殊形状可燃物的着火

u薄片状固体的着火;布、纸片等

特点：

厚度小、面积大、热容量小、与空气充分接触

u垂直放置与水平放置

u火灾中的辐射引燃

u低辐射强度

u窗帘、壁画、挂历、壁面装潢材料

u可燃物数量与辐射引燃的关系

u金属的着火

钠、镁等轻金属燃烧产物为氧化物（固态），表现效果就是烟

铁、铝等可液化金属燃烧的状况与放置的方式有关，与燃烧产物为气态的固体不同

u微粒可燃物的着火

粉尘：

面粉、奶粉、煤粉等，当颗粒非常小的时候，着火性能与可燃物种类无关

u振动后带电，与频率、振幅有关，到一定时间饱和

u与环境温度和微粒物的相对温度有关

u注意放电

4、难燃化技术

u在气体、液体、固体可燃物中添加少量的物质（阻燃剂）可以抑制可燃物的着火性能，称为难燃化技术

u新材料的使用与装修的普及

u常规阻燃与纳米阻燃

u着火性的实验方法

u一定要按国际上公认的通用方法作

u气体可燃物;测量着火的浓度界限和着火温度

u液体可燃物:

测量闪点

u固体可燃物;易着火物、着火物和难着火物质

u热解气化的研究方法（热分析）

热重法（Thermogravimetry,TG）：

在程序控温上，测量物质的质量与温度的关系的技术

u微商热重法（DerivativeThermogravimetry,DTG）：

测量热重曲线对时间或温度一阶微商的方法

u差热分析（DifferentialThermalAnalysis,DTA）：

在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度的关系的技术

u差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry,DSC）：

在程序控温下，测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的技术。

u逸出气分析（EvolvedGasAnalysis,EGA）:

在程序控温下，测量从物质中释放出的挥发性产物的性质和（或）数量与温度的关系的技术

u纵观热机械分析（ThermomechanicalAnalysis,TMA）

三、链反应理论（着火条件）

1.链反应理论的基本出发点：

体系着火与否取决于该体系自由基的生成速度和销毁速度之间的关系

2.推导过程

W生成-W消耗=dn/dt

1、链引发：

W1（自由基的生成速度）

2、链传递:

W2=fn（链传递反应速度常数）

3、链终止:

W3=gn（链终止反应速度常数）

W生成=W1+W2W消耗=W3

则自由基数目随时间变化的关系为：

1）dn/dt=W1+W2-W3=W1+fn―gn=W1+（f―g）n

2）令φ=f-g，则上式可写成dn/dt=W1+φn

3）设t=0时，n=0,积分上式得n=W1（eφt-1）/φ

4）a表示在链传递过程中一个自由基参加反应生成最终产物的分子数，即最终产物的生成速度为W=aW2=afn=afW1（eφt-1）/φ

第三章火灾蔓延

p3.1气体可燃物中火灾的蔓延

当可燃气体与空气混合后，就形成了预混可燃混合气，一旦着火燃烧，就形成了气体可燃物中的火灾蔓延。

预混合气的流动状态对燃烧过程有相当大的影响。

燃烧火焰根据流动状态的不同划分为层流火焰和湍流火焰。

层流火焰：

处于层流状态的火焰因可燃混合气体流速不高而没有扰动，火焰表面光滑，燃烧状态平稳。

火焰通过热传导和分子扩散把热量和活化中心（自由基）供给邻近的尚未燃烧的可燃混合气体薄层，使火焰传播下去。

湍流火焰：

可燃混合气因流体涡团的作用，使其在流动过程中，穿过流线前后和上下扰动，火焰表面皱折变形、变粗变短翻滚并发出响声。

与层流火焰不同的是，湍流火焰的热量和活动中心并未向未燃混合气输送，而是靠流体的涡团运动来激发和强化，火焰传播完全受流体运动状态支配。

与层流火焰相比，其燃烧更为激烈，火焰传播速度更大。

p3.2液体可燃物中火灾的蔓延

油雾中影响火灾蔓延过程的因素：

1、油品本身的性质：

分子量、挥发性2、液滴的平均粒径和液滴间距

3、环境温度（或预热温度）

p3.3固体可燃物火灾的蔓延

p3.3.1固体可燃物火灾蔓延的影响因素

固体可燃物的火灾蔓延速度与材料特性和环境因素有关，其大小决定了火势的发展快慢。

第四节几种典型物质的自燃

`一、易自燃的化合物与单质

（一）与水作用发生自燃的物质

1、活泼金属：

碱金属和某些碱土金属2Na+2H2O→NaOH+H2↑+371.5kJ

2H2+O2→2H2O+438.6kJ

2、金属氢化物：

氢化锂、氢化钠等NaH+H2O→NaOH+H2↑+132.2kJ

3、硼烷：

B2H6+6H2O→2H3BO3+6H2↑+418.4kJ

4、金属磷化物：

Ca3P2+6H2O→3Ca（OH）2+2PH3↑

Zn3P2+6H2O→3Zn（OH）2+2PH3↑

5、金属碳化物：

CaC2+2H2O→Ca（OH）2+C2H2↑Al4C3+12H2O→4Al（OH）3+3CH4↑

K2C2+2H2O→KOH+C2H2↑

6、金属粉末Zn+H2O→ZnO+H2↑Mg+2H2O→Mg（OH）2+H2↑2Al+6H2O→2Al（OH）3+3H2↑Mg（OH）2+2Al（OH）3→3Mg（AlO2）2+4H2O

7、保险粉

8、遇水自燃反应的共同特点：

（1）放出可燃气体；

（2）释放大量热量。

一、易自燃的化合物与单质

（一）与水作用发生自燃的物质

二、煤、植物、涂油物的自燃2Al+6H2O→2Al（OH）3+3H2↑

Mg（OH）2+2Al（OH）3→3Mg（AlO2）2+4H2O。

（二）在空气中能自燃的物质

1、 黄磷4P+5O2→2P2O5

2、烷基铝：

主要有三乙基铝、三异丁基铝（C2H5）3Al+3H2O→Al（OH）3+3C2H6↑

2C2H6+7O2→4CO2+6H2O

3、 硝化纤维素2NO+O2→2NO22NO2+H2O→HNO3+HNO2

一、易自燃的化合物与单质

（一）与水作用发生自燃的物质

（二）在空气中能自燃的物质

（三）相互接触能自燃的物质

二、煤、植物、涂油物的自燃

2、烷基铝：

主要有三乙基铝、三异丁基铝（C2H5）3Al+3H2O→Al（OH）3+3C2H6↑

2C2H6+7O2→4CO2+6H2O

3、 硝化纤维素2NO+O2→2NO22NO2+H2O→HNO3+HNO2

（三）相互接触能自燃的物质1、 乙炔和氯气混合C2H2+Cl2→2HCl+2C

2、 甘油遇高锰酸钾6KMnO4+2C3H5（OH）3→36MnO+6KOH+6CO2+5H2O+[O]

3、 甲醇遇过氧化纳3Na2O2+CH3OH→2Na2O+CO2+2H2O

4、 松节油遇浓硫酸和浓硝酸的混合物56HNO3+C10H16→10CO2+36H2O+56NO2

一、易自燃的化合物与单质