燃烧学.docx

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燃烧学

1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。

火灾分类：

按损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。

2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。

3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。

4燃烧的条件

可燃物（还原剂）

助燃物氧化剂

点火源

Ø以上三个条件即为燃烧三要素

Ø

5固体和液体可燃物的理论空气需要量

1kg可燃物燃烧所需氧气和空气的体积（m3/kg）

5kg可燃物燃烧所需氧气和空气的体积

6气体可燃物的理论空气量

Ø7燃烧热

反应热：

化学反应过程中，从环境吸收

或向环境散发的热量。

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。

燃烧热：

燃烧反应的反应热。

标准燃烧热：

在0.1013MPa和指

定温度下，1mol某物质完全燃烧时的恒压反

应热。

8盖斯定律:

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。

根据盖斯定律，任一反应的恒压反应热

等于产物的生成热之和减去反应物的生成热

之和。

9理论燃烧温度:

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，燃烧热全部用来加热燃烧产物，使

之达到的温度。

10.燃烧温度的计算

插值法求理论燃烧温度t

先假定一个理论燃烧温度t1，从“平均

恒压热容”表中查出相应的代入上述

公式，求出相应的Ql1

然后再假定第二个理论燃烧温度t2，求

出相应的和Ql2

插值法求出理论燃烧温度t

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。

木材的低热值，QL＝16993kJ/kg

设t1＝1900℃，查表得

因为Ql>Ql1，所以t>t1，再设t2＝2000℃

Ø11,固体以两种形式传导热能自由电子迁移和晶格振动

Ø12.傅立叶定律

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:

热通量，W/m2;

dT/dx,温度梯度，℃/m;

k,导热系数，W/（m•K）

13，常见的边界条件分为三类：

给定边界上的温

度值，称为第一类边界条件；给定边界上的热流

密度值，称为第二类边界条件；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，称

为第三类边界条件。

14.θ/θ0是比渥数（Bi=hL/k）、傅立叶数（F0=αt/L2）和x/L三个无量纲数的函数

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。

15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。

16普朗克定律，表示如下：

其中：

k：

玻尔兹曼常数

（k=1.3806×10-23J/K）

C：

真空中的光速

（C0=2.998×108m/s）

h：

普朗克常数（h=6.624×10-34J•S）

17克希霍夫定律

吸收率α=Qa/Q,黑体为1

反射率r=Qr/Q,白体为1

透射率d=Qd/Q,透明体为1

Ø

克希霍夫定律

Ø

Ø18物质的传递燃烧时，产物不断离开燃烧区，燃料和氧化剂不断进入燃烧区。

物质传递的方式分子扩散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

Ø为什么存在物质传递？

19燃烧引起的浮力运动

据实测，火灾时烟气的垂直流动速度

可达2－4m/s，几十层的大楼不到一分钟就

会充满热烟气

20着火条件的一些基本规律

1、T0与xA的关系（Pc不变）：

存在爆炸的浓度极限温度升高，浓度极限范围增大，反之减小。

温度下降至某一值，系统失去爆炸性——存在爆炸的温度极限

2、Pc与xA的关系（T0不变）：

存在爆炸的浓度极限压力升高，浓度极限范围增大，反之减小。

压力下降至某一值，系统失去爆炸性——存在爆炸的压力极限

3、燃烧室的体积愈大，容器散热面积愈小，着火的临界压力愈低。

4、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。

21弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论适用于比渥数Bi大的固体

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。

22参数δcr为：

对无限大平板，δcr＝0.88；对无限长圆柱体，δcr＝2；对球体，δcr＝3.32；对立方体，δcr＝2.52。

当体系δ>δcr的时，体系自燃着火。

22链锁自燃理论三个步骤链引发。

链传递。

链中止

链锁着火临界条件：

自由基的生成速度等于自由基销毁速度

23着火半岛现象

对氢氧的混合气体，氢氧反应有三个着火极限

在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P

（1）保持系统温度不变而降低压力，P点则

向下垂直移动

自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到

某一数值后，f

提高混合气的温度，可使临界着火压力降

低，谢苗诺夫把这一关系归纳为

A和B都是常数，与活化中心、反应的物质和

不可燃添加剂的性质以及器壁形状、尺寸等有关。

（2）保持系统温度不变而升高压力，P

点则向上垂直移动

自由基气相消毁速度加快,当压力身高

到某一数值后，f

同样，谢苗诺夫把该界限表达为

A′和B′都是常数。

（3）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，----------------------第三极限

链锁反应热爆炸理论：

反应的初期可能是链锁反应

随着反应的进行放出热量，并自动加热

最后变为纯纯粹的热爆炸

24强迫着火与自发着火的比较

强迫着火与自发着火的不同

第一，强迫着火仅仅在混气局部（点火

源附近）中进行，而自发着火则在整个混气

空间进行。

第二，自发着火是全部混合气体都处于

环境温度T0包围下，由于反应自动加速，使

全部可燃混合气体的温度逐步提高到自燃温

度而引起。

强迫着火时，混气处于较低的温

度状态，为了保证火焰能在较冷的混合气体

中传播，点火温度一般要比自燃温度高得多。

第三，可燃混气能否被点燃，不仅取决于炽

热物体附面层内局部混气能否着火，而且还取决

于火焰能否在混气中自行传播，其过程比自发

着火复杂。

第四、强迫着火比自发着火影响因素

复杂，除了可燃混气的化学性质、浓度、

温度和压力外，还与点火方法、点火能和

混合气体的流动性质有关。

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。

25电火花引燃

电火花点火机理：

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，使靠近它的局

部混合气体温度升高，以致达到着火临界

工况而被点燃，然后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，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。

26影响电火花引燃的主要因素

1）热容越大，最小引燃能Emin越大，

混气不容易引燃，因为热容大，混气升温

时吸收的热量多

2）导热系数K越大，最小引燃能Emin越

大，混气不容易引燃。

因为火花能量被迅

速传导出去，使与火花接触的混气温度不

易升高。

3）燃烧热大，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。

27火灾分类：

A、B、C、D四类火灾

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，如原油、汽

油、煤油等燃烧引起的火灾；

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。

Ø对A类火灾，一般可采用水冷却法

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；

Ø对C类火灾，使用干粉灭火剂将气体燃烧火焰扑灭。

Ø对D类火灾，应使用特殊灭火剂。

28

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。

位移速度为

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。

29爆炸极限的影响因素

（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

一般压力增大，爆炸极限扩大

压力降低，则爆炸极限范围缩小

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

（4）容器

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

Ø30多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算

Ø

莱—夏特尔公式

31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

3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内

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

Ø32严格控制火源

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。

33阻火装置防止爆炸传播

阻火装置：

安全水封、阻火器和单向阀

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

34湍流火焰区别于层流火焰的明显特征

火焰长度短，

厚度较厚，

发光区模糊，

有明显噪音等

湍流火焰火焰传播速度加快

原因：

（1）湍流可能使火焰面弯曲皱折，增

大了反应面积

（2）湍流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

湍流燃烧是由湍流的流动性质和化学反应

动力学因素共同起作用的，其中流动的作用更大。

35扩散燃烧火焰的类型

（1）自由射流扩散火焰。

（2）同轴流扩散火焰。

（3）逆向喷流扩散火焰。

36液体燃料蒸发与汽化的特点，可将

其燃烧形式分为

✓液面燃烧---灾害燃烧

✓灯芯燃烧

✓蒸发燃烧

✓雾化燃烧

雾化燃烧是液体工程燃烧的主要方式。

37蒸发的形式：

静蒸发液体在容器中处于静止状态，

液面空气不流动时液体的蒸发

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

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。

闪燃与闪点

闪燃：

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

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。

闪点：

在规定的实验条件下，液体表面

能够产生闪燃的最低温度

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×lO5Pa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℃。

在油池直径较小时，形成的是层流扩散火焰。

火焰速度随着油池直径的增大而变小。

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。

过渡区域以后，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。

（四）火焰的温度特征

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900～1200℃之间。

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，因此，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

计算方法：

点源法、长方形面源法

重质油品的沸溢和喷溅

沸溢现象

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。

如果原油粘度较低，水

蒸气很容易通过油层，就不容易形成沸溢。

固体燃烧的形式

Ø

（1）蒸发燃烧:

Ø

（2）表面燃烧：

Ø（3）分解燃烧：

Ø（4）熏烟燃烧（阴燃）：

Ø（5）动力燃烧（爆炸）：

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

由于高聚物的分子结构中含碳量普

遍较高，因此在其燃烧（包括热分解）

过程中发烟量较大。

（3）燃烧（或分解）产物的危害性大

高聚物在燃烧（或分解）过程中，会产生CO、氮氧化物、HCl、HF、HCN、SO2及COCl2（光气）等有害气体，加上缺氧窒息作用，对火场人员的生命安全构成极大的威胁。

木材的热分解

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

产物主要是水和二氧化碳；

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；

加热到270～380℃时，木材发生剧烈的

热分解，热分解的剩余物得到30％～38％的

碳。

固体碳粒的燃烧过程

碳在空气中燃烧是一多相燃烧过程，分为五个阶段：

✓氧气扩散到固体燃料表面

✓扩散到固体表面的气体（或氧气）须被固体表面所吸附。

✓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

✓吸附后的生成物从固体表面上解吸

✓解吸后的气体生成物扩散离开固体表面。

✓固体可燃物的阴燃

定义：

固体物质无可见光的缓慢燃烧，通

常产生烟和伴有温度升高

阴燃与有焰燃烧的区别：

是无火焰

阴燃与无焰燃烧的区别：

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。

炸药的爆炸特点

炸药爆炸与属于高度分散体系的气体或粉尘

爆炸不同，它属于凝聚体系爆炸。

v1）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。

v

（2）能放出大量的热。

✓如1kg硝化甘油爆炸时能放出6100～6620kJ的热量，同时温度可达4250℃，压力可达9000atm。

v（3）能产生大量的气体产物。

✓如1kg黑索金爆炸后能产生890L的气体

炸药的氧平衡

绝大多数炸药是由C、H、O、N等元素

组成的有机化合物

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。

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。

殉爆距离L

主爆药能够引起从爆药爆炸的最大距离

L既反映了主爆药的引爆能力，又反映了从

爆药的爆炸感度。

殉爆安全距离

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

安全炸药应具备如下要求：

（1）爆炸能小

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。

炸药爆炸反应越完全，产物中未反应的炽

热固体颗粒越少。

（3）氧平衡率应接近于零

因为正氧平衡炸药爆炸时生成的氧化氮

和初生态氧容易引起危险介质发火；负氧平

衡炸药的爆炸反应不完全，会使未完全反应

的固体颗粒增多

（4）适当添加消焰剂。

消焰剂是一种热容量大的物质，如氯

化钠、氯化钾等。

它在炸药爆炸时不参与

反应，但能吸收部分爆热而降低爆温。

（5）不含铝、镁等金属粉末

这类金属粉末在空气中容易燃烧

粉尘爆炸影响因素

（一）粉尘的物理化学性质

（二）粉尘的粒度和浓度

（三）可燃气体和惰性成分的含量

Ø（四）粉尘的爆炸环境条件

（五）火源强度或点火方式

（六）容器的容积