1燃烧学课件

1燃烧化学基础

1.1燃烧本质和条件

1.1.1燃烧本质

所谓燃烧，就是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象。燃烧区的温度很高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒, 这样就形成了烟。

从本质上说，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。

如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。

它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。

现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。

1.1.2燃烧条件及其在消防中的应用

1.121燃烧条件

燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应, 燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。

1、可燃物（还原剂）

不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物，如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。

2、助燃物（氧化剂）

凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物，如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指

在空气中进行的。

3、点火源

凡是能引起物质燃烧的点燃能源，统称为点火源，如明火、高温表面、摩擦与冲击、 自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。

上述三个条件通常被称为燃烧三要素。但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作 用，燃烧也不一定发生。要发生燃烧还必须满足其它条件，如可燃物和助燃物有一定的数 量和浓度，点火源有一定的温度和足够的热量等。燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的 三角形，通常称为着火三角形，如图

1-1( a )所示。

经典的着火三角形一般足以说明燃烧得以发生和持续进行的原理。但是，根据燃烧的 链锁反应理论，很多燃烧的发生都有持续的游离基(自由基)作“中间体”，因此，着火

三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体

,

图1-1着火三角形和着火四面体

1.1.

2.2燃烧条件在消防中的应用

掌握发生燃烧的条件，就可以了解预防和控制火灾的基本原理。所谓火灾，是指在时 间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。

根据着火三角形，可以提出以下防火方法: 1控制可燃物

在可能的情况下，用难燃或不燃材料代替易燃材料；对工厂易产生可燃气体的地方, 可米取通风；在森林中米用防火隔离林等。

2、隔绝空气

涉及易燃易爆物质的生产过程，应在密闭设备中进行；对有异常危险的，要充入惰性 介质保护；隔绝空气储存某些物质等。

(a )着火三角形

如图1-1

(b )着火四面体

3、消除点火源

在易产生可燃性气体场所，应采用防爆电器；同时禁止一切火种等。 根据着火三角形，可以提出以下灭火方法: 1隔离法

将尚未燃烧的可燃物移走，使其与正在燃烧的可燃物分开；断绝可燃物来源等，燃烧 区得不到足够的可燃物就会熄灭。

2、窒息法

用不燃或难燃物捂住燃烧物质表面；用水蒸气或惰性气体灌注着火的容器；密闭起火 的建筑物的空洞等，使燃烧区得不到足够的氧气而熄灭。

3、冷却法

用水等降低燃烧区的温度，当其低于可燃物的燃点时，燃烧就会停止。

火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性 游离基，从而使燃烧反应终止。

根据燃烧的条件，防火和灭火最根本的原理是防止燃烧条件的形成和破坏已形成的燃 烧条件。

1.2燃烧空气量的计算

我们知道，空气中含有近 21%（23.2%重量）的氧气，一般可燃物在其中遇点火源就能

燃烧。空气量或者氧气量不足时，可燃物就不能燃烧或者正在进行的燃烧将会逐渐熄灭。 空气需要量作为燃烧反应的基本参数，表示一定量可燃物燃烧所需要的空气质量或者体积。 其计算是在可燃物完全燃烧的条件下进行的。

1.2.1理论空气量

理论空气量是指单位量的燃料完全燃烧所需要的最少的空气量，通常也称为理论空气 需要量。此时，燃料中的可燃物与空气中的氧完全反应，得到完全氧化的产物。

1.2.1.1固体和液体可燃物的理论空气需要量

?般情况下，对于固体和液体可燃物，习惯上用质量百分数表示其组成，其成分为:

C% + H % +0% + N% + S% + A%+W% =100%

式中，C 、H 、0、N 、S 、A 和W 分别表示可燃物中碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分

着火四面体为另一种灭火方法

抑制法提供了理论依据，这种方法的原理是：使灭

(1-1)

S +O 2 = SO 2

假定计算中涉及的气体是理想气体，即 1000 mol 气体在标准状态下的体积为

22.4 m 3

,

则所需氧气的体积为

V 0O

2

临+节+舟 因此，每1kg 可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为

O

_2 3

yo

(m )

(1-3)

(1-4)

例1-1：求5kg 木材完全燃烧所需要的理论空气量。已知木材的质量百分数组分为: —43% , H — 7%, O — 41% , N — 2%, W — 6%, A — 1%。

解：依据上述有关公式，燃烧

1kg 此木材所需理论氧气体积为

C H S O

2

X 22.4x10

12 4 32 32 V

0,O 2

^(兰 + 7 -纠 X 22. 4 X 10° = 0. 91 (m 3)

12

4

32'

因此，燃烧

V o,air

5kg 此木材所需理论空气体积为

=V0^X 5 = 0^9^X 5 = 21.67 ( m 3)

0.21 0.21

1.2.1.2气体可燃物的理论空气量

对于气体可燃物，习惯上用体积百分数表示其组成，其成分为

CO% +H 2%+2： C n H m % +H 2S% + CO 2% + O 2% + N 2% + 出0% =100%

(1-5)

式中co 、H 2、C n H m 、H 2S 、CO 2、02、N 2' H 2O 分别表示气态可燃物中各相应成分的 体积百分数。C n H m 表示碳氢化合物的通式，它可能是

CH 4、C 2H 2等可燃气体。

的质量百分数，其中， C 、H 和S 是可燃成分；N 、A 和W 是不可燃成分；O 是助燃成分。

计算理论空气量，应该首先计算燃料中可燃元素（碳、氢、硫等）完全燃烧所需要的 氧气量。因此，要依据这些元素完全燃烧的计量方程式，例如完全燃烧的总体方程如下:

C + O 2 = CO 2

H + -O^-H 2O

4

(1-2)

空气系数，通常用 a 表示:

a 丄

L o

因此，实际空气需要量与理论空气需要量的关系为:

根据可燃物完全燃烧的反应方程式，如下

1

CO + — O 2 =CO 2

2

3 H 2S + — O 2 "2O +SO 2 2

从以上反应方程式可以得出：完全燃烧

H 2 + — O 2 = H 2。

2

C n H m + (n + —)O^ = nCO 2 + 巴 H 2O

4 2

1mol 的CO 需要1/2mol 的O 2，根据理想气体

状态方程，贝y 燃烧1m 3CO 需要1/2m 3O 2。同理，完全燃烧1m 3H 2、tS 、C n H m 分别需要1/2m 3、 3/2m 3、(n+m/4) m 3的O 2,因此，每1m 3

可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为

V o,O 2

=￥cO +尹2 +2H 2S +2： (n +—m -)C n H ^O ^10^(代

每1m 3可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为 V o air =Vo0^ =4.76 X (j icO +1

H 2

+2 (n 十巴)C n H m —O2IX 10/ (m 3

)

0.21 [222

4 」

例1-2 :求1m 3焦炉煤气燃烧所需要的理论空气量。

已知焦炉煤气的体积百分数组成为：

(1-6)

CO — 6.8%, H 2— 57% , CH 4— 22.5%, C 2H 4— 3.7%, CO ?— 2.3%, N ?— 4.7%,出0 — 3%。

解：由碳氢化合物通式得

f n 十田 k n H m =〔1 +- I 22.5 +G + 4

〕

X 3.7 =56.1

I 4丿

I 4丿

I 4丿

1m 3这种煤气所需理论空气体积为

因此，完全燃烧

V o,air 亠

0.21=4.76*CO +2H 2+|H 2g (n +m )C n H m -O 2r 10，

1

1 、 _2

3

=4.76天一咒6.8+一咒57 +56.1 产 10

-4.188m

I 2 2 丿

1.2.2实际空气量和过量空气系数

在实际燃烧过程中，供应的空气量往往不等于燃烧所需要的理论空气量。实际供给的 空气量称为实际空气需要量或者实际空气量。

实际空气量L 与理论空气量L o 之比称为过量

(1-7)

V 口air V0,air (1-8) a值一般在1~2之间，各态物质完全燃烧时的a经验值为：气态可燃物沪1.02~1.2 ;液

态可燃物a=1.1~1.3 ；固态可燃物a=1.3~1.7。常见可燃物燃烧所需空气量见下表1-

1。

物质名称

空气需要量

物质名称

空气需要量3. 3 m /m kg/m3m3/kg kg/kg

乙炔11.915.4丙酮7.359.45

氢 2.38 3.00苯10.2513.20

一氧化碳 2.38 3.00甲苯10.3013.30

甲烷9.5221.30石油10.8014.00

丙烷23.830.60汽油11.1014.35

丁烷30.9440.00煤油11.5014.87

水煤气 2.20 2.84木材 4.60 5.84

焦炉气 3.68 4.76干泥煤 5.807.50

乙烯14.2818.46硫 3.33 4.30

丙稀21.4227.70磷 4.30 5.56

丁烯28.5636.93钾0.700.90

硫化氢7.149.23萘10.0012.93

表1-1常见可燃物燃烧所需空气量

a =1时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。从理论上讲，此时燃料中的可燃

物质可以全部氧化，燃料与氧化剂的配比符合化学反应方程式的当量关系。此时的燃料与

空气量之比称为化学当量比。

当a<时，表示实际供给的空气量少于理论空气量。这种燃烧过程不可能是完全的,

燃烧产物中尚剩余可燃物质，而氧气却消耗完毕，这样势必造成燃料浪费。但是, 在某些

情况下，如点火时，为使点燃成功，往往多供应燃料，一般情况下应当避免 a <1的情况。

当a >1时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。在实际的燃烧装置中, 绝大多数

情况下均采用这种供气方式，因为这样既可以节省燃料，也具有其它的有益作用。

综上，过量空气系数a是表明在由液体或者气体燃料与空气组成的可燃混合气中，燃

料和空气比的参数，其数值对于燃烧过程有着很大影响, a过大或者过小都不利于燃烧的进

123.2过量燃料系数3

此定义指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比。而理论燃料量指为使 完全燃烧所消耗的最大燃料量，它是理论空气量的倒数，即:

可以看出，实际空气量的倒数

1/aL o 就是实际燃料量，即燃烧消耗

的燃料量。因此，过量燃料系数 3为

理论燃料量

显然，过量燃料系数 3与过量空气系数 a 互成倒数。某些燃气热力性质数据是以过量

行。 123燃料空气比与过量空气系数

在实际燃烧过程中，表示燃料与空气在可燃混合气中组成比例的参数，除了 a 外，还

有燃料空气比f 和过量燃料系数 3° 1.2.3.1燃料空气比f 燃料空气比是在燃烧过程中实际供给的燃料量与空气量之比，即: G f

G a (1-9)

它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数。这一参数常用于由液体燃料形成的可燃 混合气，习惯称为油气比”根据燃料空气比的定义，可得到它与过量空气系数 a 的的关系 G f 1

1

G a L a L o (1-10) 对于一定燃料来说，L o 是确定的值，因而 f 和a 成反比。当a= 1 时，油气比f = 1/L o 。 对于一般烃类液体燃料，如汽油、柴油、重油和煤油等的理论空气量 L o 约在 13 — 14kg 。

1

所以，当a 1时其相应的油气比f=一1 13~ 14。

L f =

L o

(1-11)

1kg 空气能够

1kg 空气时实际供给

(1-12)