1燃烧学课件

11燃烧化学基础1.1燃烧本质和条件1.1.1燃烧本质所谓燃烧，就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。燃烧区的温度很高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定（或受激发）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，它的存在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。从本质上说，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。1.1.2燃烧条件及其在消防中的应用1.1.2.1燃烧条件燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。1、可燃物（还原剂）不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物，如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。2、助燃物（氧化剂）凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物，如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指2在空气中进行的。3、点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源，统称为点火源，如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。上述三个条件通常被称为燃烧三要素。但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作用，燃烧也不一定发生。要发生燃烧还必须满足其它条件，如可燃物和助燃物有一定的数量和浓度，点火源有一定的温度和足够的热量等。燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，通常称为着火三角形，如图1-1（a）所示。经典的着火三角形一般足以说明燃烧得以发生和持续进行的原理。但是，根据燃烧的链锁反应理论，很多燃烧的发生都有持续的游离基（自由基）作“中间体”，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掌握发生燃烧的条件，就可以了解预防和控制火灾的基本原理。所谓火灾，是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。根据着火三角形，可以提出以下防火方法：1、控制可燃物在可能的情况下，用难燃或不燃材料代替易燃材料；对工厂易产生可燃气体的地方，可采取通风；在森林中采用防火隔离林等。2、隔绝空气涉及易燃易爆物质的生产过程，应在密闭设备中进行；对有异常危险的，要充入惰性可燃物燃烧助燃物点火源可燃物游离基助燃物燃烧点火源（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3介质保护；隔绝空气储存某些物质等。3、消除点火源在易产生可燃性气体场所，应采用防爆电器；同时禁止一切火种等。根据着火三角形，可以提出以下灭火方法：1、隔离法将尚未燃烧的可燃物移走，使其与正在燃烧的可燃物分开；断绝可燃物来源等，燃烧区得不到足够的可燃物就会熄灭。2、窒息法用不燃或难燃物捂住燃烧物质表面；用水蒸气或惰性气体灌注着火的容器；密闭起火的建筑物的空洞等，使燃烧区得不到足够的氧气而熄灭。3、冷却法用水等降低燃烧区的温度，当其低于可燃物的燃点时，燃烧就会停止。着火四面体为另一种灭火方法——抑制法提供了理论依据，这种方法的原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而使燃烧反应终止。根据燃烧的条件，防火和灭火最根本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燃烧空气量的计算我们知道，空气中含有近21%（23.2%重量）的氧气，一般可燃物在其中遇点火源就能燃烧。空气量或者氧气量不足时，可燃物就不能燃烧或者正在进行的燃烧将会逐渐熄灭。空气需要量作为燃烧反应的基本参数，表示一定量可燃物燃烧所需要的空气质量或者体积。其计算是在可燃物完全燃烧的条件下进行的。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，通常也称为理论空气需要量。此时，燃料中的可燃物与空气中的氧完全反应，得到完全氧化的产物。1.2.1.1固体和液体可燃物的理论空气需要量一般情况下，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：%100%%%%%%%WASNOHC（1-1）4式中，C、H、O、N、S、A和W分别表示可燃物中碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分的质量百分数，其中，C、H和S是可燃成分；N、A和W是不可燃成分；O是助燃成分。计算理论空气量，应该首先计算燃料中可燃元素（碳、氢、硫等）完全燃烧所需要的氧气量。因此，要依据这些元素完全燃烧的计量方程式，例如完全燃烧的总体方程如下：22COOCOHOH222141（1-2）22SOOS假定计算中涉及的气体是理想气体，即1000mol气体在标准状态下的体积为22.4m3，则所需氧气的体积为2,0104.22)3232412(2OSHCVO（m3）（1-3）因此，每1kg可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为21.02,0,0OairVV（m3）（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%。解：依据上述有关公式，燃烧1kg此木材所需理论氧气体积为2,0104.22)3232412(2OSHCVO91.0104.22)3241471243(2（m3）因此，燃烧5kg此木材所需理论空气体积为521.02,0,0OairVV＝521.091.0＝21.67（m3）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%100%%%%%%%%222222OHNOCOSHHCHCOmn（1-5）式中CO、H2、CnHm、H2S、CO2、O2、N2、H2O分别表示气态可燃物中各相应成分的5体积百分数。CnHm表示碳氢化合物的通式，它可能是CH4、C2H2等可燃气体。根据可燃物完全燃烧的反应方程式，如下2221COOCOOHOH22221222223SOOHOSHOHmnCOOmnHCmn2222)4(从以上反应方程式可以得出：完全燃烧1mol的CO需要1/2mol的O2，根据理想气体状态方程，则燃烧1m3CO需要1/2m3O2。同理，完全燃烧1m3H2、H2S、CnHm分别需要1/2m3、3/2m3、（n+m/4）m3的O2，因此，每1m3可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为2222,010)4(2321212OHCmnSHHCOVmnO（m3）（1-6）每1m3可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为2222,0,010)4(23212176.421.02OHCmnSHHCOVVmnOair（m3）例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为：CO－6.8%，H2－57%，CH4－22.5%，C2H4－3.7%，CO2－2.3%，N2－4.7%，H2O－3%。解：由碳氢化合物通式得1.567.34425.224414mnHCmn因此，完全燃烧1m3这种煤气所需理论空气体积为2222,0,010)4(23212176.421.02OHCmnSHHCOVVmnOair32188.4101.5657218.62176.4m1.2.2实际空气量和过量空气系数在实际燃烧过程中，供应的空气量往往不等于燃烧所需要的理论空气量。实际供给的空气量称为实际空气需要量或者实际空气量。实际空气量L与理论空气量L0之比称为过量空气系数，通常用α表示：0LL（1-7）6因此，实际空气需要量与理论空气需要量的关系为：airairVV,0,（1-8）α值一般在1~2之间，各态物质完全燃烧时的α经验值为：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。常见可燃物燃烧所需空气量见下表1-1。表1-1常见可燃物燃烧所需空气量物质名称空气需要量物质名称空气需要量m3/m3kg/m3m3/kgkg/kg乙炔氢11.92.3815.43.00丙酮苯7.3510.259.4513.20一氧化碳甲烷丙烷丁烷水煤气焦炉气乙烯丙稀丁烯硫化氢2.389.5223.830.942.203.6814.2821.4228.567.143.0021.3030.6040.002.844.7618.4627.7036.939.23甲苯石油汽油煤油木材干泥煤硫磷钾萘10.3010.8011.1011.504.605.803.334.300.7010.0013.3014.0014.3514.875.847.504.305.560.9012.93当α=1时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。从理论上讲，此时燃料中的可燃物质可以全部氧化，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α1时，表示实际供给的空气量少于理论空气量。这种燃烧过程不可能是完全的，燃烧产物中尚剩余可燃物质，而氧气却消耗完毕，这样势必造成燃料浪费。但是，在某些情况下，如点火时，为使点燃成功，往往多供应燃料，一般情况下应当避免α1的情况。当α1时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。在实际的燃烧装置中，绝大多数情况下均采用这种供气方式，因为这样既可以节省燃料，也具有其它的有益作用。综上，过量空气系数α是表明在由液体或者气体燃料与空气组成的可燃混合气中，燃7料和空气比的参数，其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在实际燃烧过程中，表示燃料与空气在可燃混合气中组成比例的参数，除了α外，还有燃料空气比f和过量燃料系数β。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：afGGf（1-9）它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数。这一参数常用于由液体燃料形成的可燃混合气，习惯称为“油气比”。根据燃料空气比的定义，可得到它与过量空气系数α的的关系为011LLGGfaf（1-10）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。对于一般烃类液体燃料，如汽油、柴油、重油和煤油等的理论空气量L0约在13－14kg。所以，当α＝1时其相应的油气比14~131f。1.2.3.2过量燃料系数β此定义指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比。而理论燃料量指为使1kg空气能够完全燃烧所消耗的最大燃料量，它是理论空气量的倒数，即：01LLf（1-11）可以看出，实际空气量的倒数1/aL0就是实际燃料量，即燃烧消耗1kg空气时实际供给的燃料量。因此，过量燃料系数β为1L1100＝＝理论燃料量实际燃料量L（1-12）8显然，过量燃料系数β与过量空气系数α互成倒数。某些燃气热力性质数据是以过量燃料系数β作变量列出的。1.3燃烧产物量的计算由于燃烧而生成的气体、液体和固体物质，称为燃烧产物。它是燃烧反应的新生成物质，其危害作用很大，比如缺氧、窒息作用，毒性、刺激性及腐蚀性作用以及高温气体的热损伤作用；它包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。燃烧产物不光是气体，还包括气体所携带的灰粒和未燃尽的固体颗粒