消防燃烧学chapter13

空气中含有约21%（体积分数）或23.2%（质量分数）的氧气，通常可燃物在空气中遇足够能量点火源时即会发生燃烧。但当空气量或其中的含氧量不足时，可燃物就不能燃烧或正在进行的燃烧就会逐渐熄灭。因此，空气需要量（其中氧气需要量）成为燃烧反应的重要参量。为研究问题方便，假设燃烧过程发生的是完全燃烧反应。空气需要量是指一定量可燃物完全燃烧时所需空气的质量或体积。(一)固体和液体可燃物的理论需要量1、假设条件(1)对固体和液体可燃物，习惯上用质量分数表示其组成，其成分为：(1-12)式中，C、H、O、N、S、A和W分别代表可燃物中碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分的质量分数，%。(2)燃烧反应按化学计量比进行；(3)燃烧生成的产物假设为理想气体。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算%100%%%%%%%WASNOHC2、理论空气需要量计算(1)理论氧气质量需要量计算在可燃物的组成中，C、H和S是可燃成分。按照完全燃烧的化学反应式，1kg可燃物中碳燃烧时所需的氧气质量为：(kg/kg)(1-13)同理：由H、S的完全燃烧化学反应式可得1kg可燃物中氢、硫燃烧时所需氧气质量为：(kg/kg)(1-14)(kg/kg)(1-15)每1kg可燃物燃烧时消耗的氧气质量为碳、氢、硫三者之和，扣除可燃物本身含氧助燃质量，即可得出1kg可燃物完全燃烧所需要的最少氧气质量为：(kg/kg)(1-16)式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气质量，kg/kg。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*2,10382CGOo2,1082HGOo2,102SGOo2,108382OSHCGOo二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(2)理论氧气体积需要量计算燃烧过程中消耗的氧气通常为气体组分，习惯上以体积表示其计量单位。假设消耗的氧气为理想气体，则1kg固体和液体可燃物质燃烧所需的氧气的体积为：(m3/kg)(1-17)式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气体积，m3/kg。(3)理论空气需要量（体积）计算氧气在空气中体积分数为21%，因此可推算出1kg固体和液体可燃物燃烧需要空气量（体积）为：(m3/kg)(1-18)式中：Vo,air―可燃物燃烧消耗的理论空气体积，m3/kg。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*2,,108387.04.223222OSHCGVOoOo2,1033.333.367.2689.8OSHCVairo二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(二)可燃气体理论空气需要量1、假设条件(1)对气体可燃物，习惯上用体积分数表示其组成，其成分为：(1-19)式中：CO、H2、CnHm、H2S、CO2、O2、N2、H2O分别代表气态可燃物中各相应组分的体积分数，%。CnHm代表碳氢化合物的通式，它可能是CH4、C2H2、C2H4、C3H8等等。(2)燃烧反应按化学计量比进行。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*%100%%%%%%%%222222OHNOCOSHHCHCOmn二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算2、理论空气需要量计算(1)理论氧气需要量计算在可燃物的组成中，CO、H2、H2S和CnHm是可燃成分。按照完全燃烧的化学反应式，1m3气态可燃物中CO燃烧时所需的氧气体积为。同理，由H2、H2S和CnHm完全燃烧化学反应式可得1m3可燃物中H2、H2S和CnHm燃烧时所需氧气体积为：(1-20)扣除可燃物本身氧气助燃体积，即可得出1m3气态可燃物完全燃烧所需要的最少氧气体积为：(1-21)式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气体积，m3/m3。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*)/(10423212133222,02mmHCmnSHHCOVmnO)/(104232121332222,02mmOHCmnSHHCOVmnO二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(2)理论空气需要量计算氧气在空气中的体积分数为21%，可推算出1m3气体可燃物燃烧需要的空气量（体积）为：(1-22)(三)实际空气需要量上述用完全燃烧反应式计算可燃物燃烧所需要的空气量，是理论空气需要量。然而在实际火灾的燃烧过程中，由于可燃物与空气混合或接触不是非常均匀或充分等原因，保证可燃物完全燃烧所需要的空气量要多于理论空气需要量。完全燃烧所耗用的实际空气量与理论量之差，称为超量空气。实际空气量与理论空气量之比，称为空气消耗系数，用α表示，即：（1-23）α值一般在1～2之间，各态物质完全燃烧时的α经验值为：气体可燃物α＝1.02～1.2；液体可燃物α＝1.1～1.3；固体可燃物α＝1.3～1.7。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算*)/(10423212176.4332222,0mmOHCmnSHHCOVmnairair,air,VV0二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度由于燃烧而生成的气体、液体和固体物质，叫做燃烧产物。燃烧产物分为完全燃烧产物和不完全燃烧产物。所谓完全燃烧产物是指可燃物中C变成CO2（气）、H变成H2O（气）、S变成SO2（气）、N变成N2（气）；而CO、NH3、醇类、酮类、醛类等是不完全燃烧产物。燃烧产物主要以气态形式存在，其组成主要取决于可燃物的组成和燃烧条件。大部分可燃物属于有机化合物，它们主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成。在空气充足的条件下，燃烧产物主要是完全燃烧产物，不完全燃烧产物量很少；如果空气不足或温度较低，不完全燃烧产物量相对增多。氮在一般条件下不参加燃烧反应，而呈游离态（N2）析出。在特定条件下，氮也能被氧化生成NO或与一些中间产物结合生成HCN等。第三节火灾燃烧的有关计算一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(一)完全燃烧产物量计算1、固体和液体可燃物的燃烧产物量假设条件同固体、液体可燃物理论空气需要量计算条件。如果发生完全燃烧，则燃烧产物主要为CO2、H2O、SO2、N2。其各自产物量计算如下：1kg可燃物中碳燃烧时生成的CO2的质量为。表示为标准状况下的体积为，即：，式中“0”代表标准状况。同理可得出标准状况下燃烧产生的SO2的体积为：H燃烧生成H2O，加之可燃物本身含有水分。因此产物中H2O的体积为：第三节火灾燃烧的有关计算kgC10012443100444.221244mC)kg/m(C.VCO,30100124222)/(100324.223,02kgmSVSO)/)(100184.2210024.22(3,02kgmWHVOH一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算N生成N2，由于空气中的N2未参与燃烧反应，直接进入产物。因此产物中N2的体积为：燃烧产物的总体积V0,P为：(1-24)2、气体可燃物的燃烧产物量假设条件同气体可燃物理论空气需要量计算条件。如果发生完全燃烧，则燃烧产物中的CO2主要来自可燃物中CO、CnHm燃烧生成物及可燃物本身含有的CO2，SO2来源于可燃物中H2S燃烧生成的产物，H2O来源于可燃物中H2、CnHm、H2S燃烧生成产物及可燃物本身含有的H2O。仿上分析燃烧产物的总体积V0,P为：第三节火灾燃烧的有关计算)/(79.0100284.223,0,02kgmVNVairN)kg/m()O.W.N.S.H.C.(VP,32010632241803332632898)/(10]76.364.788.288.2)44.176.4([332222222,0mmONOHCOSHHCOHCmnVmnP一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算3、实际燃烧产物量上面的计算是在空气消耗系数α＝1时的情况，因此是理论燃烧产物量。在火场上，由于燃烧的化学反应区空气不足，燃烧产物成分与理论分析有些不同。首先，成分中通常含有许多不完全燃烧产物：如有毒的一氧化碳(CO)，固态碳粒(C)，以烟炱状形成黑色和不透明的烟雾，以及一些可燃物质高温分解的产物等。其次，燃烧产物成分中有超量的氮和在燃烧区还未来得及完全反应的氧，这种情况是由于在燃烧的化学反应区和其周围空间内气体直接交换的物理过程引起的，即火灾时，燃烧区实际上缺少空气，而燃烧产物中却含有空气。由于火场上燃烧时有大量的多余空气即α空≈2～3，且与燃烧产物相混合，空气与燃烧产物混合气的总量将相应地比理论上的结果多2～3倍。为了研究问题方便，在α1的条件下，假设只发生完全燃烧反应，则实际燃烧产物中CO2、SO2和H2O的体积不变，N2的体积会增加，同时还存在一定体积的O2、产物的总体积相应增加。有关计算公式如下：对固体、液体可燃物(1-26)第三节火灾燃烧的有关计算)/(10079100284.223,0,02kgmVNVairN一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(1-27)(1-28)对气体可燃物：(1-29)(1-30)(1-31)考虑到空气与燃烧产物混合气的温度将高于标准状况下所采用温度的3～4倍，而火灾区的压力可能与标准状况下的不同，燃烧产物的实际体积可用热力学定律进行计算：(1-32)式中，——P、T条件下的产物；——P0、T0条件下的产物；P0、T0——标准状况下的温度、压力；P、T——火灾区的温度、压力。第三节火灾燃烧的有关计算)/(21.0)1(3,0,2kgmVVairO)/()1(3,0,0,kgmVVVairPP)/(79.01033,022,02mmVNVairN)/(21.0)1(33,0,2mmVVairO)/()1(33,0,0,mmVVVairPP00,,,,,,00PTTPVVTPTP产产＝一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(二)燃烧产物的百分组成燃烧产物具有毒害作用，毒害程度主要取决其相对浓度，可用燃烧产物的百分组成来表示。用YCO2、YSO2、YH2O、YN2、YO2分别表示燃烧产物中CO2、SO2、H2O、N2、O2的体积分数，则有：(1-33)(1-34)(1-35)(1-36)(1-37)第三节火灾燃烧的有关计算100,,022PCOCOVVY100,,022POHOHVVY100,,022PSOSOVVY100,,022PNNVVY100,,022POOVVY一、火灾燃烧所需要的空气量计算二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度*三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算(三)燃烧产物的密度计算产物密度大，易聚集在低洼、地势较低处；而产物密度小，易聚集在燃烧区域上部通风不畅的地方。因此，密度是防火安全设计需要考虑的指标之一。1、固体、液体可燃物燃烧产物密度计算固体、液体燃烧产物密度时，可采用以下两种方法：(1)通过燃烧产物中各百分组成计算产物的密度（即1m3燃烧产物总质量）为：(1-38)(2)通过反应物的质量计算根据质量守恒定律，反应前的总质量应等于反应后的总质量。因此，可以用反应物