消防燃烧学第六章

免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞2012、5、28第六章231第六章可燃固体的燃烧可燃固体种类繁多，分布广泛，有很多火灾爆炸事故是因为可燃固体燃烧引起的。因此，可燃固体的燃烧是消防燃烧学研究的重要内容之一。第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式根据各类可燃固体的燃烧方式和燃烧特性，固体燃烧的形式大致可分为五种。(一)蒸发燃烧硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香、沥青等可燃固体，在受到火源加热时，先熔融蒸发，随后蒸气与氧气发生燃烧反应.这种形式的燃烧一般称为蒸发燃烧。樟脑、萘等易升华物质，在燃烧时不经过熔融过程，但其燃烧现象也可看作是一种蒸发燃烧。(二)表面燃烧可燃固体(如木炭、焦炭、铁、铜等)的燃烧反应是在其表面由氧和物质直接作用而发生的，称为表面燃烧。这是一种无火焰的燃烧，有时又称之为异相燃烧。(三)分解燃烧可燃固体，如木材、煤、合成塑料、钙塑材料等，在受到火源加热时，先发生热分解，随后分解出的可燃挥发份与氧发生燃烧反应，这种形式的燃烧一般称为分解燃烧。(四)熏烟燃烧(阴燃)可燃固体在空气不流通、加热温度较低、分解出的可燃挥发份较少或逸散较快、含水分较多等条件下，往往发生只冒烟而无火焰的燃烧现象，这就是熏烟燃烧。又称阴燃。(五)动力燃烧(爆炸)指可燃固体或其分解析出的可燃挥发份遇火源所发生的爆炸式燃烧，主要包括可燃粉尘爆炸、炸药爆炸、轰燃等几种情形。其中，轰燃是指可招固体由于受热分解或不完全燃烧析出可燃气体，当其以适当比例与空气混合后再遇火源时，发生的爆炸式预混燃烧。例如能析出一氧化碳的赛璐路、能析出氰化氢的聚氨酯等，在大量堆积燃烧时，常会产生轰燃现象。第六章232这里需要指出的是，上述各种燃烧形式的划分不是绝对的，有些可燃固体的燃烧往往包含着两种或两种以上的形式。例如，在适当的外界条件下，木材、棉、麻、纸张等的燃烧会明显地存在分解燃烧、阴燃、表面燃烧等形式。二、评定固体火灾危险性的参数固体燃烧特性比较复杂，评定其火灾危险性的参数主要包括：(一)熔点、闪点和燃点固体熔点是固体变为液体的初始温度；某些低熔点可燃固体发生闪燃的最低温度就是其闪点，固体燃点是指对可燃固体加热到一定温度，遇明火发生持续燃烧时固体的最低温度。熔点、闪点和燃点是评定固体火灾危险性的重要参数。一般地，熔点越低的可燃固体，闪点和燃点也越低，火灾危险性越大。(二)热分解温度固体热分解温度指可燃固体受热发生分解的初始温度，它是评定受热能分解的固体火灾危险性的主要参数之一。基本规律是，可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大。表6—1列出了几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系。(三)自燃点可燃固体加热到一定程度能自动燃烧的最低温度，就是其自燃点。自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。表6—2列出了常见高分子物质的自燃点。第六章233(四)比表面积比表面积是指单位体积固体的表面积。相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。就可燃粉尘而言，比表面积大小对爆炸下限、最小引爆能、最大爆炸压力等参数有着极其重要的影响。一般情况下，随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小，而最大爆炸压力增大。(五)氧指数所谓氧指数，是在规定条件下，刚好维持物质燃烧时的混合气体中最低氧含量的体积百分数。氧指数是评价各种物质相对燃烧性能的一种表示方法，也是评价可燃固体(尤其是高聚物)火灾危险性的重要指标。氧指数越小的高聚物，燃烧时对氧气的需求量越小，或者说燃烧时受氧气浓度的影响越小，因而火灾危险性越大。一般认为氧指数小于22的属易燃材料；氧指数在22~27之间的属难燃材料；而氧指数大于27的属高难燃材料。材料经阻燃处理后，其氧指数会有不同程度的提高。表6—3列出了某些常见高聚物的氧指数。除了上述参数外，对于可燃粉尘和炸药，还有其他重要的评定火灾爆炸危险性的参数，如粉尘的爆炸浓度下限、炸药的感度等。第二节固体着火燃烧理论在实际火灾中，最为常见的可燃固体是受热时能释放出可燃气体的固体，本节主要讨论这类固体的着火燃烧问题。一、固体引燃条件和引燃时间受热时能释放出可燃气的固体能否被引燃，取决于其释放出的可燃气能否保持一定浓度，这也可以用热平衡方程进行判断，即第六章234SQQGLHlEcrVC)(式中是固体在然点时的燃烧热(△HC)传递到其表面的份数；LV是固体释放可燃气所需的热量；Gcr是固体释放的可燃气在燃点时的临界质量流量；EQ和lQ分别是单位固体表面上火源的加热速率和热损失速率；S是单位固体表面上净获热速率。EQ可通过计算确定，△HC和LV可在有关文献中查得，对于一定厚度的无限大固体，lQ可用下式估算：tTTKTQSil04(6—2)式中，ε是固体的辐射率；σ是斯蒂芬—玻尔兹曼常数；iT、ST和0T分别是固体的燃点、燃点时的表面温度和环境温度；K和分别是固体的导热系数和热扩散系数；t是固体受火源加热的时间。Gcr与有如下关系：)30001(CcrHchG(6—3)式中，h是火焰与固体表面之间的对流换热系数；c是空气的热容。如果由实验测出Gcr，根据式(6—3)就可估算。表6—4列出了一些高聚物的Gcr和值。在式(6—1)中，如果S0，固体不能被引燃或只能发生闪燃；如果S0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固体持续燃烧创造更好的条件；S=0是固体能否被引燃的临界条件。例6—l用一温度为1300℃的火焰紧靠表面照射的一厚度为第六章23550mm的有机玻璃板，如果表面温度达到燃点(约需6s)后立即移走火焰，判断该玻璃板能否被引燃。解据有关资料查得sm27101.1,)(19.0KmWK，gmkJHC2.26,gkJLV62.1,)(2.32smgGcr,27.0；由给定条件得)(543273270KTTiS，t=6s。假定)(293273200KT，8.0，由公式(6—2)得6101.129354319.0)543(1067.58.0748lQ)(4.62)(1024.6224mWkmW由于表面温度达到燃点后立即移走火焰，所以0EQ。由公式(6—1)得4.622.3)62.12.2627.0(S)(93.442mWk因为S0，所以有机玻璃板不能被引燃。如果对聚氨酯泡沫(其表面在0.2s左右就达到燃点温度)进行类似计算，结果S=18.4(kW/m2)0。因此聚氨酯泡沫容易被引燃且燃烧强烈。在火源的持续作用下，可燃固体被引燃的时间长短与可燃物种类、形状尺寸、火源强度、加热方式等因素有关。在此利用“集总热容分析法”对Bi数较小的窗帘、幕布之类的薄物体的引燃时间进行估算。假设一薄物体的厚度、密度、热容和它与周围环境间的对流换热系数分别为、、c和h；薄物体的燃点和环境温度(或物体初温)分别为iT和0T。当薄物体两边同时受温度为T的热气流加热时，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成：dTcAdtTThA)()(2式中，A是薄物体受热面积；T是薄物体在时刻t的温度；dT是薄物体经dt后的温度变化。上式可变为：TTdThcdt2(6—4)把上式从0T到iT进行积分得引燃时间it为：第六章236)ln(20iiTTTThct(6—5)同理可得，如果物体单面受热，另一面绝热，引燃时间为)ln(0iiTTTThct(6—6)如果物体单面受热，另一面不绝热，则有)2ln(200iiTTTTThct(6—7)当物体一面受热通量为rQ的辐射加热，另一面绝热时，假设物体吸收率为a，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成cdTAdtTTAhdtQaAr)()(0或者dTTThQacdtr)(0(6—8)对该式从0T到iT积分得引燃时间为])(ln[0TThQaQahctirri(6—9)如果一面受辐射热，另一面不绝热，则有])(2ln[20TThQaQahctirri(6—10)物体两面同时受辐射加热的情况不多见。例6—2一块厚度为0.8mm的幕布，密度、热容和它与周围空气间的对流换热系数分别为0.3g\cm3、1.2kJ/(kg˖K)和15W/m2，初始温度为20℃，燃点为260℃。当幕布垂直悬挂在300℃的热空气中后，求幕布的引燃时间。解已知=8×10-4m，=300kg/m3，c=1.2×103J/(kg˖K)，h=15W/m2,T=573K，0T=293K，iT=533K。利用式(6—5)，得所要求的引燃时间为：)533573293573ln(152102.130010834it第六章237)(19s如果该幕布一面受热通量为29kW/m2的辐射加热。两边热损失，幕布的吸收率为0.8，则由式(6—10)可得引燃时间为)533573293573ln(152102.130010834it])293533(15210208.010208.0ln[33)(6s二、固体火焰传播理论可燃固体一旦被引燃，火焰就会在其表面或浅层传播。在火场上，火焰传播速度和可燃物面积大小决定了火势发展的快慢。因此，固体的火焰传播特性是火灾发展的一个基本要素。在固体火焰传播的理论中，用“燃烧起始表面”的概念统一所有类型的灭焰传播或火灾蔓延(包括预混火焰传播、阴燃传播、分散燃料床火焰传播、森林火灾蔓延等)。“燃烧起始表面”是指固体火焰传播时正在燃烧的火焰和未燃物质之间的界面，穿过这个界向的传热速率决定了火焰传播或火灾蔓延的速度。根据能量守恒方程。“火焰传播的基本方程”为QhV(6—11)由此得hQV(6—12)式中，V是火馅传播速度；Q是穿过界面的传热速率；是固体的密度；△h是单位质量的固体从初温T0上升到燃点iT时的焓变。三、固体着火和燃烧的影响因素可燃固体从引燃到稳定燃烧(包括火焰传播)，要受到诸多因素的影响。(一)外界火源或外加热源一般地，引火源必须处于可燃挥发份的气流之内才能使固体引燃，而且固体单位表面面积上的加热速率(EQ)越大，固体越容易被引燃。表6—5与列出了一些固体引燃的临界加热速率(EcrQ)。第六章238外加热源将使固体稳定燃烧速度和其表面火馅传播速度加快，这主要是因为外加热预热了火焰锋前的材料未燃部分，同时还加快了火焰锋后的燃烧速度，结果提供了一个附加的向前传播，使整个燃烧过程得以强化。固体燃烧速度可用表面直线燃烧速度VS表示，也可用重量燃烧速度GS表示，实际使用较多的是后者。重量燃烧速度GS可由下式计算：VlFSLQQG(6—13)式中，FQ是燃烧火焰提供给固体表面的热通量，它由辐射热通量和对流热通量组成，而且二者的份额随着燃烧面积大小而变化。除了燃烧火焰不光亮的那些固体(如聚甲醛等)外，在大面积(直径大于lm)的燃烧中，火焰向固体表面传热以辐射为主。在一定的外界条件下，FQ和lQ的大小取决于固体本身性质：一些可燃固体的FQ和lQ，值见表6—6，从中可见，对于有的固体FQ≤lQ，它们仅靠燃烧火焰提供的热量无法实现稳定燃烧。要使其稳定燃烧，必须由外部向其表面提供热量。假设外部提供给固体表面的热