燃烧学讲义第六章
第6章可燃固体的燃烧
6.1固体燃烧概述
6.1.1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。
（1）蒸发燃烧
硫、磷、钾、钠、蜡烛、沥青等可燃固体，在受到火源加热时，先熔融蒸发，随后蒸汽与氧气发生燃烧反应，这种形式的燃烧一般成为蒸发燃烧。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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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，轰燃是指可燃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，发生的预混燃烧。例如能析出一氧化碳的赛璐珞、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。
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。
6.1.2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：
（1）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。
（2）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。
表6-1 几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系
（3）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 常见高分子物质的自燃点
（4）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及其重要的影响。一般情况是，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。
（5）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。
表6－3 某些常见高聚物的氧指数 物质名称 氧指数 物质名称 氧指数 物质名称 氧指数 聚苯乙烯 18 聚苯并咪唑 41 氯丁橡胶 26 聚乙烯醇 22 聚酰甲胺 41 硅橡胶 26～39 聚氯乙稀 45 聚糖醇 31 缩醛共聚物 15 聚苯氧 28 酚醛树脂 35 聚碳酸酯 27 聚砜
32
环氧树脂
20
聚四氟乙烯
>95
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。 6.1.3固体着火燃烧理论
在实际火灾中，最为常见的可燃固体时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。 6.1.3.1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，这也是可以用热平衡方程进行判断，即
()S
Q Q G L H l
E cr V C =-+?-?? ?（
）
式中，
是固体在燃点时的燃烧热（
c H ?）传递到其表面的份数；V L 是固体释
放可燃气所需要的热量；G cr 是固体释放的可燃气在燃点时的临界物质流量；E Q 和l
Q 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率。
l
Q 可通过计算确定，c H ?和L V 可在有关文献中查得。对于一定厚度无限大固体，l
Q 可用下式估算： t
T T K T Q S i l
αεσ04-?+= （6-2） 式中，ε是固体的辐射率；σ是斯蒂芬—玻尔兹曼常数；T i 、Ts 、T 0分别是固体的燃点、燃点时的表面温度和环境温度；K 和α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；
G cr 与有如下关系：
???
?
????+?=
C cr H c h G ?30001 （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G cr ，根据式（6－3）就可估算。表6－4列出了一些高聚物的G cr 和值。
表6－4 一些高聚物的G cr 和
值
物质名称
G cr g/（m 2
·s ）
物质名称
G cr g/（m 2
·s ）
聚甲醛 3.9 0.45 酚醛泡沫（GM —57） 4.4 0.17 聚甲基丙烯酸甲酯
3.2 0.27 聚乙烯—42％Cl 6.5 0.12 聚乙烯 1.9 1.9 聚氨酯泡沫 5.6 0.11 聚丙烯 2.2 2.2 聚异氰酸酯泡沫 5.4 0.11 聚苯乙烯
3.0
3.0
聚乙烯—25％Cl
6.0
0.19
在式（6－1）中，如果S<0，固体不能被引燃或只能发生闪燃；如果S>0，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固体能否被引燃的临界条件。
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B i 数较小的窗帘、幕布之类的薄物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τ、ρ、c、和h；薄物体的燃点和环境温度（或物体初温）分别为 T i和T0。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：
dT c A dt T T h A ???=?-??∞ρτ)()(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： T T dT
h c
dt -?
=
∞2τρ （6-4）
把上式从T 0到T i 进行积分得引燃时间t i 为：
???
?
??--?=
∞∞i i T T T T h c
t 0ln 2τρ （6-5） 同理可得，如果物体单面受热，另一面绝热，引燃时间为
???
?
??--?=
∞∞i i T T T T h c
t 0ln τρ （6-6） 如果物体单面受热，另一面不绝热，则有
???
?
??-+-?=
∞∞i i T T T T T h c
t 2ln 00τρ （6-7） 当物体一面受热通量为''r
Q
的辐射加热，另一面绝热时，假设物体吸收率为α，在时间间隔dt 内，能量平衡方程可写成
()()cdT A dt T T A h dt A r ρτα=-??-??0
''Q 或者
()dT T T h Q c
dt r 0
''--=
ατρ （6-8）
对该式从T 0到T i 积分得引燃时间为
()??
????--?=0''''ln T T h Q Q h c
t i r r
i αατρ （6-9） 如果一面受辐射热，另一面不绝热，则有
()??
????--?=0''''2ln 2T T h Q Q h c
t i r r
i αατρ （6-10）
物体两面同时 受辐射加热的情况不多见。
6.1.3.2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火焰传播或火灾蔓延（包括预混火焰传播、阴燃传播、分散燃料床火焰传播、森林火焰传播等）。“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，穿过这个界面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
Q
h V =???ρ （6-11） 由此得
h
Q
V ??=ρ （6-12）
式中，V 是火焰传播速度；Q
是穿过界面的传热速率；ρ是固体的密度 ；△h 是单位质量的固体从初温T 0上升到燃点T i 时的焓变。
6.2几类典型固体的燃烧
6.2.1高聚物的燃烧
塑料、橡胶和纤维是人们熟知的三大有机高分子化合物（简称高聚物），因其应用广泛而且容易燃烧，所以研究高聚物的燃烧具有重要意义。
高聚物的过程十分复杂，其中包括一系列的物理和化学变化，主要分为受热软化熔融、热分解、着火燃烧等阶段。容易软化熔融的高聚物主要是热塑料物质。表6-5列出了常见热塑性塑料的软化、熔融温度。热固性或交联型高聚物（如酚醛塑料、环氧树脂等），在热分解温度以下不软化熔融，但热量被畜积起来，该热量一部分用于提高聚合物的温度，另一部分用于诱发产生自由基的断链反应以及加速分解的自催化作用。这种情况会进一步加速随后的热分解速度。
高聚物的热分解是燃烧的关键阶段，它本身是个相当复杂的过程。不同高聚物因化学组成和结构不同，化学键断裂所需要的能量不同，所以分解温度及分解产物也不同。常见塑料的热分解温度及主要热分解产物见表6-6。相同高聚物分解产物的质和量随着加热温度、加热速度及环境条件等变化也有变化。
表6-5 常见热塑性塑料的软化、熔融温度（℃）
表6-6 常见塑料的热分解温度及主要热分解产物
高聚物的燃烧主要是其分解产物中的可燃性气体的燃烧。不同高聚物着火燃烧的难易程度有很大差别，如只含碳和氢的高聚物易燃但不猛烈；含有氧的高聚物易燃而且猛烈；而含卤素的高聚物难燃，离开火源后一般不燃。
从总体上讲高聚物燃烧的普遍性特点，可以概括为三个方面。
（1）发热量较高、燃烧速度较快
高聚物的燃烧热普遍较高，因此它们燃烧时要产生大量的热。因为燃烧速度主要取决于固体材料的热分解速度，而后者主要受燃烧放出的热量支配，所以高聚物的燃烧速度普遍较快。表6-7列出了一些高聚物的燃烧热和燃烧速度。
表6-7 一些高聚物的燃烧热和燃烧速度
高聚物在燃烧时，如果发生软化、熔融、滴落或流动，将会促进火势的蔓延。
（2）发烟量较大，影响能见度