第八章--可燃固体燃烧

燃烧学主编8.1可燃固体的燃烧特点、重要参数及主要影响因素8.2可燃固体的着火与燃烧理论8.3木材的燃烧8.4高聚物的燃烧8.5煤和碳粒的燃烧8.6可燃固体的阴燃8.7固体粉尘的燃烧爆炸第八章可燃固体燃烧8.1可燃固体的燃烧特点、重要参数及主要影响因素8.1.1可燃固体的燃烧过程及特点8.1.2评定固体火灾危险性的参数8.1.3固体燃烧的主要影响因素8.1.1可燃固体的燃烧过程及特点图8 - 1固体可燃物燃烧过程8.1.1可燃固体的燃烧过程及特点1.分解燃烧2.蒸发式燃烧3.表面燃烧4.阴燃1.分解燃烧在受到火源加热时，可燃固体，如木材、合成塑料、煤等高聚物，主要先发生固体热解反应(固体氧化反应不是主要反应)，随后热解析出的可燃挥发分与氧在空间中接触燃烧而形成火焰，这也就是热解燃烧，它是固体主要的燃烧方式，其过程可以描述为：火源加热→热解→着火燃烧。2.蒸发式燃烧熔点比较低的固体燃料容易发生蒸发式燃烧。在燃烧之前先熔融成液体状态，而后液体在受热条件下产生的可燃蒸气与空气中的氧发生气相反应(也称均相反应)，在空间中形成燃烧火焰，如蜡烛燃烧就是一种典型的蒸发式燃烧。此类型燃烧一般有两种途径：①火源加热→熔融蒸发→着火燃烧；②火源加热→升华→着火燃烧。3.表面燃烧木炭、焦炭、铁、铜等可燃固体的燃烧是由氧和固体材料直接反应而发生的，而且反应仅在材料的表面进行，称为表面燃烧。表面燃烧是一种无火焰燃烧，有时也称为异相燃烧，即可燃物与氧化剂处于固、气两种不同状态时的燃烧现象。如木材、煤等固体燃料在挥发分全部析出并燃烧完全以后，剩余的碳就会发生表面燃烧。4.阴燃阴燃是指在堆积空气不足的环境下，某些物质发生只冒烟而无火焰的燃烧现象。特别地，一些存在空隙的固体(通常是丝状、颗粒状)，可在较低温度下发生阴燃，在这些固体的外表面和内部大范围区域内，固体与氧气直接发生反应。8.1.2评定固体火灾危险性的参数1.熔点、闪点、燃点、自燃点2.热分解温度3.氧指数4.比表面积1.熔点、闪点、燃点、自燃点表8 - 1常见高分子物质的自燃点2.热分解温度表8 - 2几种可燃固体的热分解温度及相应的燃点3.氧指数表8 - 3根据氧指数可燃固体的分类4.比表面积比表面积是指单位体积固体的表面积。对于相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。特别地，比表面积对可燃粉尘的燃烧与爆炸性能具有极其重要的影响，它直接关系着爆炸下限、最小引爆能、最大爆炸压力等参数的变化。8.1.3固体燃烧的主要影响因素1.外界火源或外加热源2.固体材料的性质3.固体材料的形状尺寸及表面位置4.外界环境因素1.外界火源或外加热源一般地，外界引火源必须处于固体产生的可燃挥发分的气流之内才能引燃固体，而外界加热速率(QE)越大，则固体就越易着火。由于外加热源在预热火焰锋前的材料未燃部分的同时，还加快了火焰锋后的燃烧速度，使整个燃烧过程得以强化。2.固体材料的性质(1)熔点、热分解温度、热解潜热或蒸发潜热(Lv)越低，而燃烧热越高的可燃固体，受热时释放可燃气体的速度就越快，在固体表面形成的可燃热解气的浓度就越高，因此，往往越容易被引燃，且引燃后的稳定燃烧速度也越快。(2)固体材料的热惯性对其着火燃烧性能有重要影响，尤其对于厚固体材料，这种影响更为突出，甚至起着主导的作用。(3)燃烧释热速率(qr)也是影响可燃固体稳定燃烧的另一个重要性质，一般来说，固体的热释放速率与燃料的质量燃烧速率及表面积有关，质量燃烧速率越高，燃烧表面积越大，则热释放就越大，固体的燃烧释热速度可按照下式进行计算。（8-1）3.固体材料的形状尺寸及表面位置(1)正如前面所提到的，在材料相同的情况下，固体燃烧的容易程度由比表面积来决定。(2)显而易见的是，厚物体比薄物体更难着火燃烧。(3)燃烧方向也会影响到燃烧速度。图8 - 2固体不同方位放置时的火焰传播3.固体材料的形状尺寸及表面位置4.外界环境因素(1)外界氧浓度。(2)环境温度。(3)环境压力。(4)外来的空气流动。(1)外界氧浓度。当外界氧浓度增大时，物质的着火燃烧能力也将显著提高。火焰温度也会随着氧浓度增大而升高，而火焰温度的升高，向可燃物表面反馈的热量也将增多，进而可加速燃烧的发展。(2)环境温度。图8 - 3辐射热对竖直有机玻璃由下向上火焰传播的影响(图中数字为外加辐射热通量，单位为kW/)(3)环境压力。图8 - 5风速及氧含量对硬质纤维板水平火焰传播速度的影响(4)外来的空气流动。8.2可燃固体的着火与燃烧理论8.2.1固体引燃条件8.2.2固体点火时间理论分析8.2.3固体燃烧传播理论8.2.1固体引燃条件表8 - 4φ的值8.2.1固体引燃条件8.2.2固体点火时间理论分析1.厚固体点火时间的理论分析2.薄物体点火时间分析1.厚固体点火时间的理论分析图8 - 6厚试样传热过程分析1.厚固体点火时间的理论分析固体的热扩散公式：(8-3)1.厚固体点火时间的理论分析1.厚固体点火时间的理论分析图8 - 7试样PMMA的点燃时间与外加辐射热之间的关系2.薄物体点火时间分析对于薄的固体物体，例如纸张、幕布、窗帘等，由于其Bi数很小，内部温度可认为是均匀一致的，因此可采用集总热容法分析，从而确定薄物体的点火时间。8.2.3固体燃烧传播理论根据能量守恒方程，可以建立火焰传播的基本公式：(8-11)(8-12)8.3木材的燃烧8.3.1木材的成分8.3.2木材的热学性质8.3.3木材的热解与燃烧过程8.3.4木材的热解模型8.3.5木材燃烧的主要影响因素8.3.6木垛的燃烧8.3.1木材的成分图8 - 8木材的化学成分8.3.2木材的热学性质1.木材的比热容2.木材的导热系数3.木材的闪点和着火点4.木材的燃烧热1.木材的比热容(1)绝干木材的比热容。(2)湿木材的比热容。(1)绝干木材的比热容。绝干木材的比热容基本上因树种的不同而变化，但对于树脂含量高的木材，比热容值常较大。(2)湿木材的比热容。可用下式近似计算：(8-13)2.木材的导热系数(1)含水率的影响。(2)木材密度的影响。(3)热流方向的影响。(4)温度的影响。3.木材的闪点和着火点表8 - 5某些木材闪点温度、着火温度4.木材的燃烧热表8 - 6木材、木制品和某些比较物的燃烧热8.3.3木材的热解与燃烧过程1.木材的热解过程2.木材的燃烧过程3.木材的燃烧速度1.木材的热解过程木材在有焰燃烧的情况下，热解生成的可燃挥发性产物以火焰形式被氧化消耗。形成的火焰区域与可燃挥发性产物生成速率有关。当可燃挥发性产物的生成速率大时，形成的火焰区域大；生成速率小，则形成的火焰区域就小。气相反应速度要远快于热解反应速度，因此燃烧速度主要取决于木材的热解过程。2.木材的燃烧过程图8 - 9试样松木的燃烧热释放速率(外加热为35kW/24L/s)2.木材的燃烧过程图8 - 10松木的燃烧的表面形状3.木材的燃烧速度木材的燃烧速度常用质量燃烧速度和线燃烧速度表示。前者指在单位质量木材在单位时间内燃烧所消耗的质量，它适合于可以对试样进行整体称重的场合。后者指的是单位时间木材表面的炭化厚度。8.3.4木材的热解模型在木材失重过程中，可以把热解反应写为以下形式：(8-15)假定上述热解反应符合阿累尼乌斯(Arrhenius)定律，则反应速度常数可以表示为：(8-16)定义特定温度条件下材料的失重率α为：(8-17)则木材的热解速率可以表示为：(8-18)8.3.4木材的热解模型图8 - 11杉木试样的热分析曲线8.3.4木材的热解模型图8 - 13单方程模型的质量随时间变化8.3.4木材的热解模型8.3.4木材的热解模型8.3.5木材燃烧的主要影响因素1.木材密度的影响2.含水量的影响3.木材比表面及方位角的影响1.木材密度的影响一般来说，木材的密度越大，其燃烧速度就越小，这是因为密度大的木材导热性能好，这种情况下，大量热量被导入了木材深处，从而造成表面温度上升较慢，热解速度降低，而不容易着火或难以维持燃烧，也就是燃烧速度慢。2.含水量的影响木材含水量越大，木材越不易着火，着火后燃烧速度也慢，这是因为木材中的水分因受热而蒸发时需吸收部分热量；而燃烧区域内充满了由蒸发形成的水蒸气，也使氧与可燃气浓度降低；同时，水分的存在还会使木材导热率增加。3.木材比表面及方位角的影响图8 - 15木条燃烧传播的方位角示意图及其对燃烧传播速度的影响a)方位角示意图b)方位角对燃烧传播速度的影响3.木材比表面及方位角的影响图8 - 16木条横纹和顺纹的燃烧传播速度对比3.木材比表面及方位角的影响3.木材比表面及方位角的影响图8 - 18环境温度对燃烧传播速度的影响8.3.6木垛的燃烧1.木垛燃烧与木垛火2.木垛的燃烧性质1.木垛燃烧与木垛火图8 - 19木垛结构2.木垛的燃烧性质理论上，孔隙率ϕ可采用以下经验公式计算：(8-27)燃烧的时间一般可按下面的经验公式估算：(8-28)2.木垛的燃烧性质表8 - 9系数α的数值8.4高聚物的燃烧8.4.1高聚物种类及燃烧特点8.4.2热塑性高聚物的燃烧8.4.3热固性高聚物的燃烧8.4.4高聚物的热解8.4.5高聚物的燃烧传播8.4.6高聚物燃烧的相关特性与参数8.4.1高聚物种类及燃烧特点塑料、纤维和橡胶是应用比较广泛的三大有机高分子化合物(简称高聚物)。这些高聚物都容易燃烧，因此，对其燃烧进行研究具有的重要意义。表8 - 11常见热塑性高聚物的软化、熔融温度8.4.2热塑性高聚物的燃烧图8 - 20OLSON在PMMA燃烧实验中的气泡的图像8.4.2热塑性高聚物的燃烧图8 - 21PMMA试样燃烧热释放速率(加热锥作用，热通量35kW/24L/s)8.4.2热塑性高聚物的燃烧8.4.3热固性高聚物的燃烧热固性高聚物的特点是在一定条件下(如加热、加压)下能通过化学反应固化成不熔性的塑料。常用的热固性塑料有酚醛塑料、环氧塑料、聚氨酯塑料、有机硅树脂、不饱和聚酯塑料、丙烯基树脂等及其改性树脂为机体制成的塑料。8.4.4高聚物的热解表8 - 12常见聚合物的热解温度及主要热解产物表8 - 12常见聚合物的热解温度及主要热解产物8.4.4高聚物的热解8.4.4高聚物的热解在高聚物的燃烧分析中常采用表观反应的研究方法，即不关心具体的反应步骤和产物成分，而只研究总体的反应现象和反应速度。反应过程表示如下：(8-29)对于聚氨酯泡沫材料的动力学分析基本方程同样表示如下:(8-30)(8-31)8.4.5高聚物的燃烧传播图8 - 22PMMA板燃烧传播速度与厚度的关系8.4.5高聚物的燃烧传播图8 - 238.4.6高聚物燃烧的相关特性与参数1.燃烧难易性的表征方法2.高聚物燃烧热和燃烧速度3.高聚物发烟量和毒性1.燃烧难易性的表征方法表8 - 13部分常见高聚物的氧指数1.燃烧难易性的表征方法不含卤素高聚物的氧指数的经验公式为：(8-37)C/O或C/N不小于6的高聚物的氧指数的经验公式为：(8-38)含卤素的高聚物，氧指数估算经验公式：(8-39)(8-40)表8 - 14一些高聚物的燃烧热和燃烧速度2.高聚物燃烧热和燃烧速度表8 - 15一些高聚物的比热容和导热系数2.高聚物燃烧热和燃烧速度3.高聚物发烟量和毒性高聚物的分子结构中含碳量普遍较高，在燃烧(包括热解)中发烟量较大。这些烟尘会阻碍光线在空气中的传播，从而影响能见度。8.5煤和碳粒的燃烧8.５.1煤的燃烧性能8.5.2煤的低温自燃理论8.5.3煤的高温燃烧8.5.4碳粒燃烧的单膜模型8.5.5碳粒燃烧双膜模型8.５.1煤的燃烧性能1.煤的形成与分类2.煤的燃烧成分1.煤的形成与分类(1)菌解阶段，即泥炭化阶段。(2)煤化阶段，即褐煤阶段。(3)变质阶段，即烟煤及无烟煤阶段。2.煤的燃烧成分表8 - 16与煤相关燃料的挥发特性8.5.2煤的低温自燃理论(1)水吸附阶段。(2)化学吸附阶段。(3)煤氧复合物生成阶段。(4)燃烧初始阶段。(5)快速燃烧阶段。(1)水吸附阶段。在这个阶段煤与氧气不会发生反应，只是个物理过程，这也是它与其他阶段的不同