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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第三章75第三章着火与灭火基本理论第一节着火分类和着火条件一、着火分类可燃物的着火方式，一般分为下列几类：1.化学自燃：例如火柴受摩擦而着火；炸药受撞击而爆炸；金属钠在空气中的自燃；烟煤因堆积过高而自燃等。这类着火现象通常不需要外界加热，而是在常湿下依据自身的化学反应发生的，因此习惯上称为化学自燃。2.热自燃：如果将可燃物和氧化剂的混合物预先均匀地加热，随着温度的升高，当混合物加热到某一温度时便会自动着火(这时着火发生在混合物的整个容积中)，这种着火方式习惯上称为热自燃。3.点燃(或称强迫着火)：是指由于从外部能源，诸如电热线圈、电火花、炽热质点、点火火焰等得到能量，使混气的局部范围受到强烈的加热而着火。这时火焰就会在靠近点火源处被引发，然后依靠燃烧波传播到整个可燃混合物中，这种着火方式习惯上称为引燃。大部分火灾都是因引燃所致。必须指出，上述三种着火分类方式，并不能十分恰当地反应出它们之间的联系和差别。例如化学自燃和热自燃都是既有化学反应的作用，又有热的作用；而热自燃和点燃的差别只是整体加热和局部加热的不同而已，决不是“自动”和“受迫”的差别。另外有时着火也称爆炸，热自燃也称热爆炸。这是因为此时着火的特点与爆炸相类似，其化学反应速率随时间激增，反应过程非常迅速。因此，在燃烧学中所谓“着火”、“自燃”、“爆炸”其实质是相同的，只是在不同场合下叫法不同而已。二、着火条件通常所谓的着火是指直观中的混合物反应自动加速。并自动升温以至引起空间某个局部最终在某个时间有火焰出现的过程。这个过程反映了燃烧反应的一个重要标志，即由空间的这一部分到另一部分，或由时间的某一瞬间到另一瞬间化学反应的作用在数量上有突跃的现象。可用图3—1表示。着火条件是：如果在一定的初始条件下，系统将不可能在整个第三章76时间区段保持低温水平的缓慢反应态。而将出现一个剧烈地加速的过渡过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态(即燃烧态)，那么这个初始条件便称为着火条件。这里有几点要注意到：第一，系统达到着火条件并不意味着已经着火，而只是系统已具备了着火的条件。在此应注意条件的涵义。第二，着火这一现象是就系统的初态而言的，它的临界性质不能错误地解释为化学反应速度随温度的变化有突跃的性质。例如图3—1中横座标所代表的温度不是反应进行的温度，而是系统的初始温度。第三，着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力学参数和流体力学参数的综合体现。对一定种类可燃预混气而言，在封闭情况下，其着火条件可由下列函数关系表示：0),,,,(0udPhTf式中T0代表环境温度；h是对流换热系数；P是预混气压力；d是容器直径；u是环境气流速度。第二节谢苗诺夫自燃理论一、谢苗诺夫自燃理论任何反应体系中的可燃混气，一方面它会进行缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高，同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。热自燃理论认为，着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热占优势，体系就会出现热量积累，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，体系温第三章77度下降，不能自燃。设有一个内部充满可燃混气的容器，容器外环境温度为T0。为分析方便，作如下简化假设：(1)设容器体积为V，表面积为S，其壁温与环境温度T0相同。随着反应的进行，壁温升高，且与混气温度相同。(2)反应过程中混气的瞬时温度为T，且容器中各点的温度、浓度相同。开始时混气温度T与环境温度T0相同。(3)容器中既无自然对流，也无强迫对流。(4)环境与容器之间有对流换热。对流换热系数为h，它不随温度变化。(5)着火前反应物浓度变化很小。即CA=CAO=常数，或常数ff，f为质量分数，CAO和f分别代表初始摩尔浓度和初始质量分数。物质自燃示意图如图3—2所示。用gq表示热生成速率RTEKAnCeCVKH，lq表示热换失速率)(0TThS，则可写出如下的能量守恒方程式：lgqqdtcVdT如果保持压力不变，则gq为温度的指数函数，lq为温度的线性函数，其斜率为hS，如图3—3(a)所示。当hs固定时，相应于三个壁温T0的三个不同的lq的函数表示在图3—3(a)中。对应于图3—3(a)的三个T0值，方程(3—1)的右边随温度的变化表示在图3—3(b)中。第三章78当壁面温度较低时，如T=T03时，gq曲线和lq相交于两点即a和b,在a点和b点，dtdT为零。如果起始(t=0)的反应混合物的温度小于Ta，根据式(3—1)，lgqq(也即dtdT)为正，而dtqqdlg)(为负，就是说开始时低于温度Ta的混气以随时间不断减少的速率缓慢加热到T=Ta,四个不同的起始温度下的这种加热曲线示于图3—4(a)。如果混气的起始温度在Ta和Tb之间，lgqq为负，则混气最终冷却到Ta。在图3—4(a)上表示了不同起始温度值的这种冷却曲线。如果混气的起始温度大于Tb，则dT/dt和d2T/dt2两者均为正，这时反应气体的温度以一种加速的速率增加，如图3—4(a)中的四条曲线所示。从这一讨论可知，两个平衡点a和b的性质是互不相同的，a是稳定点，而b是伪稳定点。即如果气体温度等Ta则即使有扰动，系统也会维持这个温度。当反应器的温度为Tb时，就不第三章79存在这祥的情况。Tb是个平衡点，但对反应器温度的任何向下扰动将导致趋向了Ta的冷却，而任何向上的温度扰动则导致无限加速的加热。为了表示b是伪稳定平衡点，在Tb时反应器的状态在图3—4(a)中用虚线表示。壁面温度较高的情况：例如在图3—3中当T=T01时，曲线gq和lq线不会相交，因此lgqq总为正。这时气体温度上升，如图3—4(c)所示。壁面温度中等的情况：在图3—3(a)中，随着了T03不断增高，点a和b逐渐接近，最后重合到一点C，相应于临界壁面温度T02。这时的热平衡曲线和加热曲线分别示于图3—3(b)和图3—4(b)。在上述讨论中隐含着一个自燃的重要准则：壁温T02是个极限值，超过这个温度，反应就会不断加速直至着火，该温度称为临界环境温度，用craT,表示。这时对应的温度TC是体系出现温度加速上升的临界温度，称为该给定容器中反应气体混合物的自燃温度(或自燃点)。必须强调指出，craT,和TC并不是给定燃料——氧化剂混合物的基本特性，它们受装这种混合气体的容器的影响很大。在临界点C，曲线gq与直线lq相切。因此，着火界限、压力、温度和成分的相互关系可由以下两方程给出：ClCgqq)()((3—2)ClCgdTqddTqd)()((3—3)在上述分析中，压力和传热系数保持恒定。由此可推导出临界环境温度。进一步分析可知，保持压力和环境温度恒定，由方程第三章80(3—2)和方程(3—3)，可求临界传热系数；或者保持环境温度和传热系数恒定，可求出临界反应压力。这两种情况示于图3—5和图3—6中。从前面的讨论可以看出，临界点C与很多因素有关，它不仅与可燃混气性质有关，还与外界条件有关。因此临界点C不是只由物质性质决定的物化常数，还应由体系的产热速率和散热速率所决定(因为临界点C是gq与lq相切所得的切点)。也就是说体系的产热速率影响因素和散热速率影响因素决定着物质的自燃点。下面简要定性地分析一下决定产热速率和散热速率大小的影响因素。(一)产热速率的影响因素1.发热量。根据发热原因不同，发热量包括氧化反应热、分解反应热、聚合反应热、生物发酵热、吸附(物理吸附或化学吸附)热等。发热量越大，越容易自燃。发热量越小，则发生自燃所需要的蓄热条件越苛刻(即保温条件越好或散热条件越差)，因而越不容易自燃。第三章81由图3—3、图3—5和图3—6可见，发热量增大，产热速率曲线上升，切点C的位置左移，因而自燃点减小；反之自燃点增大。2.温度。一个可燃体系如果在常温下经过一定时间能发生自燃，则说明该可燃物在所处的散热条件下的自燃点是在常温之下；一个可燃体系如果在常温下经过无限长时间也不能自燃，那么从热着火理论上则说明该可燃物在所处的散热条件下的最低自燃点高于常温。对于后一种可燃体系来说，若升高温度，化学反应速度提高，释放出的热量也随之提高，因而也有可能发生自燃。例如一个可燃体系在25℃的环境中长时间没有发生自燃，升高到40℃发生了自燃，则说明该可燃物在此散热条件下的最低自然点大体上在40℃左右。3.催化物质。催化物质能够降低反应的活化能，所以能加快反应速度。空气中的水蒸气或可燃物中的少量水分是许多自燃过程的催化剂，例如轻金属粉末在潮湿的空气中以及湿稻草堆垛等很易自燃。但过量的水，会因导热系数大和热容最大，使自燃难以发生(某些遇湿自燃物质除外)。自燃点较高的物质含有少量的低自燃点物质也认为是一种催化物质，例如红磷中少量的黄磷、乙炔中少量的磷化氢都能促进自然的加速进行。在图3—3、图3—5、图3—6中，活化能降低，反应速度加快，因此曲线gq上升，自燃点C的位置左移，即自燃点降低，用图示法可以直观地说明存在上述现象的原因。4.比表面积。在散热条件相同的情况下，某种物质发生反应的比表面积越大，则与空气中氧气的接触面积越大，反应速率越快，越容易发生自燃。例如，边长为1cm的立方体，比表面积为6cm2/cm3，若把同样大小的立方块粉碎成边长只有0.01cm的小颗粒(近似为立方体)，则它的表面积将增大到600cm2。所以粉末状的可燃物比块状的可燃物容易自燃。5.新旧程度。氧化发热的物质，一般情况下，其表面必须是没有完全被氧化的，即新鲜的才能自燃。例如新开采的煤堆积起来易发生自燃；刚制成的金属粉末，表面活性较大，比较容易自燃。但也存在相反的情况，如已存放时间较长的硝化棉要比刚制成的硝化棉更容易分解放热引起自燃。6.压力。体系所处的压力越大，也即参加反应的反应物密度越大，单位体积产生的热量越多，体系越易积累热量，发生自燃。所第三章82以压力越大，自燃点越低。(二)散热速率的影响因素1.导热作用。一个可燃体系的导热系数越小，则散热速率越小，越易在体系中心蓄热，促进反应进行而导致自燃。相同的物质，如果成粉末状或纤维状，则粉末或纤维之间的空隙会含有空气，由于空气导热系数低，具有一定的隔热作用，所以这样的可燃体系就容易蓄热自燃。2.对流换热作用。从可燃体系内部经导热到达体系表面的热流，由空气对流导走。空气的流动对可燃体系起着散热作用，而通风不良的场所容易蓄热自燃。例如浸油脂的纱团或棉布堆放在不通风的角落就可能自燃，而在通风良好的地方就不容易自燃。3.堆积方式。大量堆积的粉末或登加的薄片物体有利于蓄热，其中心部位近似于绝热状态，因此很易发生自燃。例如桐油布雨伞、雨衣，在仓库中大量堆积时就很容易发生自燃。评价堆积方式的参数是表面积/体积比，此比值越大，散热能力越强，自燃点越高。二、热粉火理论中的着火感应期着火感应期(又称着火延迟或诱导期)的直观意义是指混气由开始发生反应到燃烧出现的一段时间。在热着火理论中，着火感应期的定义是：当混气系统已达着火条件的悄况下，由初始状态达到温度开始骤升的瞬间所需的时间，用τ表示。在图3—7(a)中，它即是系统从T温度升到着火温度TC所需的时间。为了直观看出τ的大小，需要画出系统温度随时间变化的T—t曲线图。(一)T—t曲线图作T—t曲线图的依据是公式(3—1)即系统的能量守恒方程lgqqdtdTVc。下面以2lgqq状态为例，来说明T—t曲线图的特点和画法。系统的温