2-火灾的发生与蔓延

防火防爆与消防工程学石油化工学院叶继红[e-mail]18368065661/6656612、火灾的发生及蔓延内容纲要1.火灾及其分类2.可燃气体的起火3.可燃液体的起火4.可燃固体的起火5.可燃固体从阴燃向明火转变的特性分析6.特殊形状与特殊可燃固体的起火7.可燃气体的火灾蔓延8.可燃液体的火灾蔓延9.可燃固体的火灾蔓延10.火灾蔓延过程的综合分析2.1火灾及其分类2.1.1火灾的概念2.1.2火灾的分类据GB5907-86《消防基本术语》：火是“以释放热量并伴有烟或火焰或两者兼有为特征的燃烧现象”。火灾就是“在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害”。(1)根据GB/T4968-2008《火灾分类》：A类火灾：指固体物质火灾。这种物质往往具有有机物的性质，一般在燃烧时能产生灼热的余烬，如木材、棉、毛、麻、纸张火灾等。B类火灾：指液体火灾和可以熔化的固体物质火灾。如汽油、煤油、柴油、原油、甲醇、乙醇、沥青、石蜡火灾等。C类火灾：指气体火灾，如煤气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气火灾等。D类火灾：指金属火灾，如钾、钠、镁、钛、锆、锂、铝镁合金火灾等。2.1.3火灾的原因及分类(1)放火。有敌对分子放火、刑事放火、精神病和呆傻人放火、自焚等。(2)违反电气安装安全规定。导线选用、安装不当，变电设备安装不符合规定，用电设备安装不符合规定，滥用不合格的熔断器、未安装避雷设备或安装不当，未安装排除静电设备或安装不当等。(3)违反电气使用安全规定。有短路、过负载、接触不良及其它。(4)违反安全操作规程。有焊割、烘烤、熬炼、化工生产、储存运输及其它。(5)吸烟。(6)生活用火不慎。(7)玩火。(8)自燃。(9)自然原因。如雷击、风灾、地震及其它原因。(10)其它原因及原因不明。2.2可燃气体的起火2.2.1起火条件2.2.2热起火理论依据燃烧的三要素可知：起火是有条件的。最简单的状况是可燃性气体与气体氧化剂(空气、氧气等)在某一个空间混合，当混合气的浓度达到某一个范围之后，在一定的外部条件下，使化学反应剧烈加速，该空间瞬时达到高温反应状态，此时对应的外部条件称为起火条件。这种外部条件包含流体力学的许多参数，起火条件是化学动力学参数与流体力学参数的综合函数。气体可燃物泄漏并与空气混合就形成了具有一定初始条件的预混气，其起火特性简化模型。简化条件为：①V为该体系的容积，F为表面积，壁温与环境温度均为T∞，且与反应开始时混合气的初温相同。②反应过程中体系的各点温度、浓度相同，均为瞬时值，体系内无自然对流和强迫对流。③h为体系与环境间的对流换热系数，不随温度变化。④起火前浓度变化可以忽略不计，即Yi≈Yi∞=常数。图2.1预混可燃气起火的简化模型二级化学反应临界起火条件模型：,,34exp()1cicoicabVEpEQkwwhARTRT2.2.3起火界限图2.2着火界限示意图图2.3临界起火温度与可燃气体浓度的关系图2.4临界起火压力与可燃气体浓度的关系临界起火温度与临界起火压力之间的关系起火界限曲线表明：控制燃料浓度及环境温度、环境压力是防止着火的有效方法，在火灾防治中具有重要意义。2.3可燃液体的起火2.3.1可燃液体燃烧特点可燃液体燃烧时，火焰并不紧贴在液面上，而是在空间的某个位置。在燃烧之前，可燃液体先蒸发，其后是可燃物蒸汽的扩散，并与空气掺混形成可燃混合气，起火燃烧后在空间某处形成预混火焰或扩散火焰。2.3.2单个可燃液滴的起火图2.6液滴起火简化模型蒸汽流蒸汽流火焰前锋液滴表面热流热流rsT1Ts2.3.3炽热物体表面上液滴的起火液滴寿命：从液滴与炽热物体表面接触开始到液滴消失（蒸发完毕）所用的时间称为液滴寿命。以苯为例：开始时，液滴寿命随着炽热物体温度升高而变短，在118℃时达到最小值，然后随着炽热物体温度升高而变长，在195℃时达到最大值，以后随着炽热物体温度升高再次变短，在840℃时起火。2.4可燃固体的起火2.4.1可燃固体的燃烧特征可燃固体在起火之前，通常因受热发生热解、气化反应，释放出可燃性气体，所以起火时仍首先形成气相火焰。图2.8固体可燃物的起火过程示意图2.4.2可燃固体的热解、气化在足够高温下，可燃性固体都会发生热解、气化，气体的释放次序为：H2O、CO2、C2H6、C2H4、CH4、焦油、CO、H2。1、木材的热解、气化木材受热后，水分先析出，随后才发生热解、气化析出可燃性气体。温度在260℃时，可燃气体析出量迅速增加，达闪点。考虑透气性、导热系数原因，垂直木纹方向较顺木纹方向容易起火。2、高分子材料的热解、气化和液化使用激光对高分子材料加热，温度不断升高，热解、气化反应逐渐强化，并形成一束垂直于试件表面的白烟，并逐渐变粗更加接近于表面只有3-4mm，着火形成预混火焰，最后扩散。添加少量的四氯化碳CCL可以是燃烧的速度变慢形成阻燃剂。2.5可燃固体从阴燃向明火转变的特征分析2.5.1阴燃特征分析阴燃过程其燃烧反应发生在固体表面，阴燃过程与化学反应、换热过程、气体流动、物质扩散、相变等因素有关。图2.12阴燃过程示意图2.5.2各种参数对阴燃状态的影响(1)可燃物种类的影响一般质地松软、细微、杂质少、透气性好的材料阴燃性能好。(2)可燃物尺寸的影响一般可燃物的尺寸较大，从上向下蔓延的阴燃与从下向上蔓延的阴燃向有焰燃烧转变的可能性都增大。(3)氧气浓度的影响对于向上蔓延的阴燃来，对阴燃向有焰燃烧转变有利。对于向下蔓延的阴燃来向有焰燃烧转变更困难些，必须在较高的氧气浓度下才行。(4)阴燃反应区的形状等特性参数对阴燃转变的影响当底面积相同时，圆锥形反应区的表面积较圆柱形反应区的表面积大，接收到的氧气较多，对燃烧反应有利，所以反应区的最高温度较高，容易转变成有焰燃烧。2.6特殊形状与特殊可燃固体的起火2.6.1薄纸片、布等固体可燃物的起火厚度薄、面积大、总质量相对轻，热容量小，受热后升温很快，容易达到热解、气化温度，容易起火。薄片物体放置的位置方向起火特性：垂直放置状态与水平放置状态相比，自然对流有利，改善了供养条件，起火延迟时间就短些。2.6.2钠、镁等金属的起火钠镁等轻金属在空气中可自然，需隔绝空气保存。铝、铁、钛等虽在空气中不能燃烧，但在纯氧中可燃烧。金属上方比下方燃烧更容易。2.6.3可燃微粒物的起火可燃微粒物在一般情况下是堆积存放，堆积体积较大，具有如下特点：松散，氧气容易渗入，对燃烧有利；形状、尺寸不固定，只要有少部分火，将导致整体起火；微粒物输送多采用气动力输运，导致微粒物悬浮成为悬浮可燃微粒物，其起火浓度下限与微粒平均直径有关。煤粉、面粉厂，棉、麻等纺织厂要特别注意微粒物的浓度。振动将使微粒物带电，微粒带电后将改变其着火性能。2.7.1热烟气流引起的火灾蔓延以建筑室内火灾为例，当某室起火燃烧后，就会有大量的热烟气产生。由于热烟气流的加热作用，可能导致流通路上的可燃物着火，造成火灾的蔓延。图2.13室内可燃物着火燃烧产生热烟气的示意图2.7可燃气体中的火灾蔓延当可燃气体泄漏到空气中，与空气混合形成了预混可燃气，一旦遇到着火源就起火燃烧，形成了气体可燃物中的火灾蔓延。1、连续火焰区它处于热烟气的最下面。大量研究结果表明：火焰区轴线上的温度与距可燃物表面的高度无关，大体为一个常数；轴线上垂直向上的气流速度与距可燃物表面的高度的平方成正比；上升气流的直径与高度无关，也大体为一个常数。2、间断火焰区它处于热烟气的中间部位。其轴线上的温度与距可燃物表面的高度成反比；轴线上垂直向上的气流的直径与距可燃物表面的高度的平方根成正比。3、无火焰热气流区它处于热烟气的最上面。其轴线上的温度与距可燃物表面高度的5/3次方成正比；轴线上垂直向上的气流速度与距可燃物表面高度的1/3次方成正比；上升气流的直径与距可燃物表面的高度成正比。一般室内的容积是有限的，随着热烟气的不断产生，热烟气将很快充满整个室内上层空间。在充满整个上层空间之后，随着热烟气的继续产生，将有一个相应的热烟气层的下降速度。当热烟气层下降到开口处上沿时，热烟气将向室外流动。随着热烟气流的流出，可能引起其他室内可燃物的着火，造成火灾蔓延。所以计算热烟气层的下降速度，对于安全逃生，组织灭火活动等都是非常重要的。无因次速度计算模型:热烟气层下降速度模型：1/3061/3000r1.696=n()rpPFpPFgQcTcTn其中：为无因次速度；为火焰轴线上的垂直上升气流速度；为火源的当量半径；Q为可燃物的发热量；为热烟气的密度；为热烟气的比热容；为室温；为火焰面源的矩形比。v=ppsdcspcpsVAVA式中：是无火焰热烟气向热烟气层流入气体的体积流量；是室内天花板的面积；是无火焰区气体的密度；是高温热烟气体的密度。随着热烟气层厚度的增加，热烟气对人体的危害越来越大。如果人的平均高度定为1.7m，即H’=1.7m，则（H=1.7）所对应的时间即为安全逃生时何。在此时间之后，因热烟气的作用，人会缺氧中毒而失去逃生能力，导致人员伤亡。可见热烟气层下降速度对火灾初期消防活动有重要作用。有开口室内的热烟气流动当火灾室有开口时，必须考虑热烟气流的流出量对热烟气层下降速度的影响。此时，火灾室的开口及流动状态如图所示。不同的火灾阶段，热烟气流的流出量是不同的。如果考虑对安全逃生时间的影响，当热烟气层超过开口下沿时，流出的热烟气量与流入的新鲜空气量相等。热烟气的流出量计算模型：流入新鲜空气量计算模型：3/2000000022()3sppmbgb（H-Y）其中：为开口宽度；H为开口宽度；Y为中心带到开口下沿的高度；为新鲜空气的密度；为热烟气的密度。3/2a00022()3pmbgY如果火灾室的开口与外界大气相通（普通的窗子），则应考虑热烟气流对火灾室相应上层窗子及相邻建筑物的引燃作用，防止火灾的蔓延。如果火灾室的开口与建筑物的走廊或其他房间相通，则应考虑热烟气在走廊、相邻房间及整个建筑物内的流动，制订相应的防止火灾蔓延的对策。走廊中的热烟气流动因热烟气的温度较高，比重较低，与走廊中的新鲜空气形成了明显的分层流动状态，如图所示。热烟气层厚度计算模型：走廊热烟气温度下降模型：1/3''2030=0.56(-)bk/m;.ssmHbmg其中：为热烟气的质量流量，为走廊宽度，m；为新鲜空气密度，为热烟气密度x0p0=+(-)exp(-)TTTTx热烟气流入走廊之后，热烟气将向整个建筑物内扩散，特别是向上方扩散更快些。要研究热烟气的流动规律，就必须分析热热烟气的受力状态，只有改变热烟气的受力状态才能改变它的运动情况。这正是高层建筑物中，防排烟技术的核心。采用这种技术之后，可以根据火灾室的实际情况，选择排烟通道和供气增压通道，有效地组织灭火活动，尽快将火灾扑灭。2.7.2火焰与热烟气流热辐射引起的火灾蔓延大量的氢气火焰实验结果表明：没有炭烟生成时，燃烧放出的热量中有10%通过热辐射向外传送；有炭烟生成时，则通过热辐射向外传送的热量增加到20-45%。火灾中的燃烧条件较差，一般都有大量的炭烟生成，所以通过热辐射向外传送热量的份额会更大。因此必须考虑热辐射在火灾蔓延过程中的作用。热辐射强度计算公式：4PAPpPAPpITAT式中：为受热面上某点相对热烟气层的形态系数；为热烟气层的辐射率；为波尔兹曼常量；为热烟气层的温度。热辐射是某些物质（包括气体）在高温下发出一定波长和强度的热射线。例如，二氧化碳有三个主要的辐射波带，即2.6-2.8μm、4.1-4.5μm和12.5-17μm。水的辐射波带比二氧化碳的多，但同样有选择性。与固体和液体相比，气体的凝聚程度小，对于光子的吸收和发射比较少。所以热辐射能流的吸收和发射不仅限于表面层，而将深入到相当厚的气体层中去，乃至整个气体空间。2.8可燃液体中的火灾蔓延根据液体可燃物所处的状态，其火灾蔓延可能有以下几种情况：油池（油罐）火灾油面火灾含油的固面火灾液雾火灾（一）