燃烧学—第6章2

《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系1燃烧学燃烧学《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系26.2.3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。燃烧消耗的氧气来自周围空气，靠扩散作用进入火焰区，但不能到达颗粒表面，此时颗粒本身呈暗黑色，颗粒中心温度不超过600～700℃-----分解燃烧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可燃性气体着火后，经过不长时间，火焰逐渐缩短，直至消失，这表明可燃性气体已基本燃烧完毕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（一般为1100℃）------表面燃烧（无焰燃烧）《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系36.2.3.2.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。碳燃烧释热的化学过程为C+O2→CO2+40.9×104kJ2C+O2→2CO+24.5×104kJ注意：实际上碳和氧并不是按照上式机理进行反应的。上式只是表示整个化学反应的物料平衡和热平衡而已《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系4关于碳和氧的反应机理，目前有三种说法：（1）二氧化碳模型oC+O2→CO2oCO2+C→2COo2CO+O2→2CO2（2）一氧化碳模型o2C+O2→2COo2CO+O2→2CO2（3）中间碳氧络化物模型o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。然后分解生成CO2、CO《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系5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（生成中间碳氧化合物）→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。如果在燃烧过程中还有水蒸气存在，那么还会发生下列反应：CO+H2O→CO2+H2CO+H2→C+H2OC+2H2O→CO2+2H22H2+O2→2H2OC+2H2→CH4《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系66.2.4金属的燃烧根据熔点和沸点不同，通常将金属分为挥发金属不挥发金属表6-17挥发金属及其氧化物的性质金属熔点（℃）沸点（℃）燃点（℃）氧化物熔点（℃）沸点（℃）Li1791370190Li2O16102500Na98883114Na2O9201277K6476069K2O5271477Mg6511107623MgO28003600Ca8511482550CaO25853527《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系7挥发金属着火燃烧过程及特点它们和火源接触时被加热发生氧化，在金属表面上形成一层氧化物薄膜，由于金属氧化物的多孔性，金属继续被氧化和加热。经过一段时间后，金属被熔化并开始蒸发，蒸发出的蒸气通过多孔的固体氧化物扩散进入空气中，当空气中的金属蒸气达到一定浓度时就燃烧起来同时燃烧反应放出的热量又传给金属，使其进一步被加热直至沸腾，进而冲碎了覆盖在金属表面上氧化物薄层，出现了更激烈的燃烧。挥发金属的燃烧温度大于其氧化物的沸点，因此燃烧激烈时，固体氧化物也变为蒸气扩散到燃烧层，离开火焰时便冷凝聚成微粒，形成白色的浓烟。《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系8不挥发金属因其氧化物的熔点低于金属的沸点，则在燃烧时熔融金属表面上形成一层氧化物。这层氧化物在很大程度上阻碍了金属和空气中氧的接触，从而减缓了金属被氧化。但这些金属在粉末状、气溶胶状、刨花状时在空气中燃烧进行得很激烈，且不生成烟。表6-18不挥发金属及氧化物的熔点和沸点金属熔点（℃）沸点（℃）燃点（℃）氧化物熔点（℃）沸点（℃）Al66025001000Al2O320503527Ti16773277300TiO218554227Zr18524377500ZrO226874927《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系9Fe在纯氧中从下方着火燃烧的情况固相Fe燃烧速度反应固体表面O2O2OOO熔融氧化物表面熔融氧化物Fe（熔融）物理吸附化学吸附图6-4Fe在纯O2中燃烧的示意图O2O2OOOAl、Ti、Fe等金属虽然在空气中难以燃烧，但是在纯氧气中却能燃烧。在燃烧时金属并不气化而是液化《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系10挥发金属的燃烧属于熔融蒸发式燃烧，而不挥发金属的燃烧属于气、固两相燃烧金属燃烧普遍特征：（1）燃烧难易程度与比表面积关系极大（2）燃烧热值大，燃烧温度高表6-19某些金属的燃烧热值金属名称氧化生成物燃烧热值（kJ/kg）金属名称氧化生成物燃烧热值（kJ/kg）钾K2O181600锌ZnO347300钠Na2O210000铁Fe2O3408400钾Li2O131400NiO244300钙CaO636400铅PbO220500镁MgO610000铜CuO138100铝Al2O2823000银Ag2O13800《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系11（3）高温燃烧的金属性质活泼o金属处在燃烧状态时，由于温度很高，性质比较活泼，可以与二氧化碳、卤素及其化合物、氮气、水等发生反应，使燃烧更加强烈CMgOCOMg222燃烧温度下22MgClClMg燃烧温度下22MgClClMg燃烧温度下22MgClClMg燃烧温度下22222HKOHOHK不能用CO2灭火不能用H2O灭火《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系12表6-20某些金属燃烧时火焰的特征颜色金属名称NaKCaBaSrCuMg火焰颜色黄紫砖红绿红蓝白（4）某些金属燃烧时火焰具有特征颜色《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系136.2.5特殊形状固体可燃物的着火6.2.5.1薄片（纸、布等）固体可燃物的着火表面积大，总质量小，热容量较小。导致受热之后升温很快，热解、气化也很快，着火就容易周围空气中氧气的接触多，供氧容易，着火容易薄片物体的放置方向，对于薄片物体周围的自然对流情况有显著影响。《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系14020406080图6-5水平与垂直放置薄片可燃物着火特征比较01101001000连续性着火水平面着火连续性着火着火界线转移性着火垂直面着火转移性着火转移性着火热辐射强度（J/（cm2·s））着火延迟时间τ（s）垂直放置的物体对自然对流有利，对传热和供氧有利。所以它的着火延迟时间比同样条件下水平放置物体的着火延迟时间要短一些。《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系156.2.5.2固体微粒物的着火堆积的微粒，可以用热着火理论进行分析。浮游的微粒云—粉尘爆炸浮游状态的微粒物，较堆积状态的微粒物更容易着火果粒径越小，着火和火焰传播就容易。0220expRTEKrHRTEaeacr《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系16图6-7微粒物着火浓度下限与粒径尺寸的关系不着火着火着火δ1＝50～10μmC1＝20～100g/m3δδ1平均粒子直径燃烧下界限浓度《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系176.3固态可燃物的火灾蔓延6.3.1塑料等可燃性固体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水平蔓延一般来说，蔓延速度：火向上蔓延水平蔓延火向下蔓延《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系18可燃性固体热分解区域起点可燃性气体火焰环境气体流动qcdqeqrqreg（a）向下蔓延可燃性固体热分解区域起点火焰可燃性气体环境气体流动qreqeqrg（b）向上蔓延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向上蔓延时,火蔓延速度快。向下蔓延时，火蔓延速度慢。《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系19板厚对蔓延速度的影响：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0.10.060.040.020.010.0060.0040.0020.60.040.10.20.4106421垂直下方水平方向厚度δ，cm火焰蔓延速度V，cm/sec图6-14有机玻璃板火蔓延速度与板厚的关系《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系20固体表面温度Ts对火蔓延速度的影响表面温度Ts升高，火的蔓延速度VF增大。板的厚度δ小的时候当板的厚度δ大时对于厚度大的固体可燃物来讲，表面温度影响非常显著。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。SVFTTV12)(1SVFTTV《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系216.3.2.木材等天然可燃性固体的蔓延木材燃烧时，火的蔓延速度等也与木材结构有关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（木纹方向与木条轴线相垂直）木条的火焰蔓延速度均大于顺纹（木纹方向与木条轴线一致）木条火焰蔓延速度。揭示了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纵横UU3.1《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系2202.04.06.02.01.51.00.5u（mm/s）树种：松木hδh＝10.0T∞＝14.3℃顺纹木条横木条δ（mm）图6-22横、顺纹竖置木条下端点火、火蔓延速度的对比《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系23木条的横截面尺寸对木材火蔓延速度有显著影响02.04.06.02.01.51.00.5u(mm/s）树种：松木hδT∞＝12.2℃δ（mm）图6-23竖置下端点火、火蔓延速度与木条厚度的关系横纹木条《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系24π/24.03.02.01.0u（mm/s）树种：杨木hδT∞＝12.0℃α图6-25方位角对火蔓延速度的影响5.0π0δ×h1.2×2.0横纹木条图6-24木条方位角示意图火焰A木条α火焰传播方向木条的倾角对木材火蔓延速度有显著影响《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系25环境温度对木材火蔓延速度有显著影响1008.06.04.02.0u（mm/s）树种：松木hδT∞（℃）图6-28环境温度对火蔓延速度的影响10.02000δ×h①3.97×4.85②4.1×10.2顺纹木条300《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系266.3.3.灌木及茅草天然可燃性固体实际地表森林火灾的蔓延情况风向火源火头火侧火尾图6-29地表火的蔓延情况火源图6-30地形对地表火的影响《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系27xzy图6-31温度测点的空间分布图xyz燃料床图6-32可燃物表面的温度测点分布《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系28图6-34z方向上的温度分布图6004002004002000T（℃）h（mm）600图6-33x方向上的最高火焰温度分布图6004002001.20.60T（℃）X．m《燃烧学》--第六章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系2904321m/min）（m/s）图6-35火焰