固体燃烧概述、固体着火理论
燃烧学 复习重点
第三章 着火和灭火理论一、谢苗诺夫自燃理论 1. 基本思想：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应,反应产生的热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高,化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。
2.着火的临界条件：放、散热曲线相切于C 点。
3.∆T=ER 20B T T T ≈-① 改变散热条件 ②增加放热二、区别弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论与谢苗诺夫热自燃理论的异同点1.谢苗诺夫热自燃理论适用范围：适用于气体混合物，可以认为体系内部温度均一;对于比渥数 Bi 较小的堆积固体物质,也可认为物体内部温度大致相等； 不适用于比渥数Bi 大的固体.2。
弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论：适用于比渥数Bi 大的固体（物质内部温度分布的不均匀性 ）； 以体系最终是否能得到稳态温度分布作为自燃着火的判断准则 ；Tq αT自燃临界准则参数 δcr 取决于体系的几何形状。
三、链锁自然理论 1。
反应速率与时间的关系 2.运用链锁自燃理论解释着火半岛现象 在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P(1)保持系统温度不变而降低压力，P 点则向下垂直移动自由基器壁消毁速度加快，当压力下降到某一数值后，f < g, φ < 0 -—-------———-—--—--——-第一极限（2）保持系统温度不变而升高压力,P 点则向上垂直移动自由基气相消毁速度加快,当压力身高到某一数值后，f 〈 g ， φ 〈 0 —-——-——-——————-—-—-———第二极限（3）压力再增高，又会发生新的链锁反应导致自由基增长速度增大,于是又能发生爆炸。
---3.基于f （链传递过程中链分支引起的自由基增长速率）和g （链终止过程中自由基的消毁w0w123M HO M O H +→++⋅22⋅⋅+→+OH O H H HO 222速率 ）分析链锁自燃着火条件a.在低温时, f 较小（受温度影响较大）,相比而言，g 显得较大,故：这表明，在 的情况下，自由基数目不能积累，反应速率不会自动加速，反应速率随着时间的增加只能趋势某一微小的定值,因此,f<g系统不会着火。
燃烧理论之固体燃烧
A turnover model for carbon reactivity I. development, Combustion and Flame, 126, 2001,1421
Adel F. Sarofim
Philip Smith Eric Eddings JoAnn Lighty
Presidential Professor University of Utah Coal combustion; soot, submicro-particle Ohio State University
1.2 国内、外相关研究的近况(过去10年)
Brian S Haynes
Department of Chemical Engineering The University of Sydney Presisent of Intl Combustion Institute Fuel N; Submicro-particle; Complex combustion chemistry
1.2 固体燃烧研究的复杂性
由于上述固体燃料的类型及其应用的差异，因 此其燃烧问题也是非常复杂的，其具体特性既 有赖于燃料的自然属性，又和其应用特性有关。 例如，要详细介绍煤的燃烧就需要一整本(甚至 几本)书。 因此，我们方法是：首先介绍一些对固体燃烧 非常重要基本概念，然后，应用这些概念建立 固体碳颗粒燃烧的简单模型。
Robert Essenhigh
Fundamental Models of Coal Char Formation and Combustion, Proc. Of combustion institute, 1998
College of Engineering Brown University
第 6 章 1 可燃固体的燃烧
❖ 木材的密度越大，燃烧速度越小
21
光吸收定律: I I0ex C p SL
光密度:
ln
I0 I
CS
L
❖ 烟密度（比光密度）
DS
V lgI0 AL I
式中
V—烟箱容积，mm3； L—光路长，mm； I—有烟时光强度；
A—试样暴露面积，mm2； D—比光密度； I0—无烟时光强度；
Ds=16 时，能见度5～7m
22
❖ （3）燃烧（或分解）产物的危害性大 ✓ 高聚物在燃烧（或分解）过程中，会产生CO、氮氧化物、HCl、 HF、HCN、SO2及COCl2（光气）等有害气体，加上缺氧窒息 作用，对火场人员的生命安全构成极大的威胁。
✓ （3）含有氮的高聚物，燃烧情况比较复杂，如脲甲醛树脂为难燃自熄； 三聚氰胺树脂为缓燃缓熄；尼龙为易燃以烬。它们在燃烧时都有溶滴，并 产生一氧化碳、一氧化氮有毒气体和氰化氢剧毒气体。
✓ （4）含有氯的高聚物，如聚氯乙烯等，硬的为难燃自熄，软的为缓燃缓 熄，火焰呈黄色，燃烧时无熔滴，有炭瘤，并产生氯化氢气体，有毒且溶 于水后有腐蚀性。
✓ （5）含有氟的高聚物，实际不燃，但加强热时，能放出腐蚀毒害性的氟 化氢气体。
✓ （6）酚醛树脂，无填料的为难燃自熄，有木粉填料的为缓燃缓熄，火焰 呈黄色，冒黑烟，放出有毒的酚蒸气。
24
➢6.2.2 木材的燃烧
6.2.2.1 木材的组成
成分
表6-10 木材中有机物组成
纤维素
木质素
含量（％）
39.97～57.84 18.24～26.17
固体名称 热分解温度（℃） 燃点（℃）
硝化棉 赛璐珞
麻
40 90～100
107
《消防燃烧学》教学大纲
《消防燃烧学》课程教学大纲课程名称：消防燃烧学英文名称：Combustion Fundamentals of Fire课程编号：04hzzyb507课程类别：专业技术基础课学时：总学时60，其中课堂讲授学时50，实验学时10适用专业：消防指挥普通本科说明部分一、课程性质《消防燃烧学》是一门主要讲授火灾发生、发展和熄灭基本规律的课程。
该课程是消防教育的重要专业技术基础课，是消防指挥普通本科专业的必修课和主干课。
作为一门独立的新兴边缘学科体系中的课程，其理论性、实践性和实用性都很强。
二、课程教学目的与任务通过这门课的教学，要达到如下目的，完成如下任务：（一）培养学员理论联系实际的能力，即运用所掌握的可燃性物质燃烧或爆炸基本规律、特性和防火、灭火基本原理等方面的知识，分析和解决实际火灾或爆炸事故及其预防和控制等方面问题的能力，包括将这些知识与其它相关课程的知识有机结合与融会贯通的能力，为以后的学习和工作打下良好的知识基础。
（二）培养学员观察、分析实验现象和动手操作的能力，这主要通过实验教学环节得以实现，即观察一些典型物质的闪燃、燃烧、爆炸、火焰传播、回火及阻火等基本实验现象，分析这些现象存在的根本原因，学会燃烧温度、自燃点、爆炸极限、闪点、氧指数及热分解温度等基本参数测定的基本操作，藉此初步培养学员辨证思维的能力和科学研究的能力，全面提高学员的综合素质。
（三）培养学员创新的意识、科学的态度和良好的学风，使学员成为适应新世纪要求的合格人才。
总之，通过本课程的学习，不仅要使学员学会并掌握一些燃烧或爆炸的基本理论来解决实际火灾或消防工作中存在的问题，更着眼于提高学员的实际能力和综合素质，从而使学员成为专业基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，并富有创新精神的消防工作专门人才。
三、教学基本要求通过本课程的课堂教学，使学员对火灾燃烧现象的本质、重要可燃物质的物理化学性质、燃烧和爆炸的基本原理、着火和灭火的基本理论以及气态、液态和固态可燃物燃烧或爆炸基本规律等有全面的了解；初步掌握以燃烧理论为基础来分析火灾中的现象，建立能分析和解决实际问题的思维方法。
第七节 可燃固体的燃烧
序
可燃固体是指在标准状态下的空气中遇着 火源的作用可发生燃烧的固体。比方说磷、 硫磺、火柴、纸等都属于可燃固体。固体 可燃物在自然界中广泛存在，它们种类繁 多，结构和性质也各不相同，燃烧形式多 种多样，是火灾中最常见最重要的燃烧对 象。了解了固体的燃烧性能，对防灭火有 重要的现实意义。
五、高分子化合物的燃烧
我们在日常的装修当中，经常会使用塑料、 橡胶和合成纤维等材料，这些材料都是由 高分子组成的；所以有必要学习一下这些 物质的燃烧特点。它是由许多重复的较小 单元所组成的较大分子。它燃烧的特点是 不仅能发生燃烧，且燃烧时能熔化，并在 表面上能炭化，放出大量的烟，一氧化碳 及其他气体。
防火管理教研室
遇热不分解的固体：木炭、镁条等金属则 在固体表面直接与氧发生无焰燃烧。其燃 烧历程是： 燃烧固体 触氧 燃烧 这种燃烧叫固 体表面燃烧。
三、固体物质的阴燃
阴燃是一些固体可燃物质在供氧不足的条 件下特有的一种燃烧现象。物质在发生阴 燃时，燃烧速度缓慢，没有火焰产生，但 在一般情况下会有温度升高的迹象并生成 烟雾。阴燃是供氧不足的结果。没有火焰 产生的原因是由于供氧不足使燃烧温度较 低，导致可燃固体不能分解出足够的可燃 气，因而也就不会发生气相的有焰燃烧。 阴燃是固体燃烧的唯一特性。
一、固体燃烧过程概述
易升华的物质燃烧：固体物质受热等易因其 性质不同，各有其不同的燃烧过程。在燃烧过程 中容易升华的固体在燃烧过程当中是先升华为蒸 气，蒸气再与空气发生有焰燃烧。过程为：
燃烧固体 挥发 触氧 这个过程叫升华式燃烧。
燃烧
易熔化的固体的燃烧：蜡烛、松香等易熔 物质是先熔融为液体，再蒸发为蒸气，蒸 气再与空气发生有焰燃烧。这些固体表面 上的火焰，在气相中和蒸气着的固体表面 处保持着很短的距离，一旦火焰稳定下来， 火焰通过辐射和气体导热将热量供给蒸发 表面，促使固体逐层蒸发，从而使燃烧更 快地进行。这种燃烧叫熔融式燃烧。 燃烧固体 熔融 蒸发 触氧 燃烧
第 6 章 1 可燃固体的燃烧课件
最大爆炸压力增大。
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4
• （5）（极限）氧指数（LOI，OI)
• 定义：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。
• 氧指数越小的高聚物，火灾危险性越大。 • 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。
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➢（3）如果物体单面受热，另一面不绝热
A h ( T T ) d ( A t ) c d A T h ( T T 0 ) dt
A h ( T 2 T T 0 )d ( tA ) c dT
dt (A)cdT
Ah(T2TT0)
T0
T∞
ti hclnTTT0T02Ti
ψ=0.27，着火点Ti＝543K，环境温度T0＝293K
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13
• 薄片状固体（Bi=hL/K数较小）：
• 如窗帘、幕布之类
• 估算薄物的引燃时间
• 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 Ti和T0。
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15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，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
A Q 'r ' d h t A T T 0 d A tcdT
dtQ r'' hcTT0dT
Qr
对该式从T0到Ti积分得引燃时间为
T0
ti hclnQ r'' hQ Tr''i T0
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
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燃烧学 第七章 固体燃料的燃烧
二、碳的晶格结构
– 常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理 吸附。物理吸附不能发生化学变化。
– 温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨 晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和 碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物 可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO 和CO2。
因此q 越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率v和q 成
正比：
vk'qk' Cs
BCs
二、碳燃烧的异相反应理论
• 上式可能存在三种情况：
– B>>Cs 此时，v=Cs k’/B=kCs 说明：
k=k’/B
一级反应，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比
碳表面处氧浓度很低，吸附了氧的碳表面积很小，吸附能力很弱
• 先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额
为q，即：
q
吸附了气体分子的表面积
固体的总表面积
在吸附了氧的碳表面积上，已不能再吸附新的氧分子了，
而只能解析氧和碳的反应产物。解析速度和q 成正比：
vj = k-1q
解析速度常数
由于剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸
附上去，其吸附速度和(1-q )及表面上的氧的浓度成正比
作用形成的二次反应产物。
– 一氧化碳学说 • 碳与氧反应的初次产物是CO，CO再与氧化合生成CO2。
– 目前普遍接受的第三种观点 • 碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO2。
四、碳和氧反应的络合物理论
• 温度在1300℃以下时，碳和氧的反应机理
– 物理吸附为主，反应过程为一级反应； – 氧分子落入碳晶格内生成络合物。
固体火灾的概念
固体火灾的概念固体火灾是指在燃烧的过程中，燃料为固体物质的火灾。
固体火灾是火灾的一种常见类型，可能发生在工业生产、居民环境或其它场所。
造成固体火灾的原因多种多样，常见的有电气故障、燃烧设备故障、人为操作失误等。
固体火灾具有快速蔓延、高温、剧烈燃烧等特点，对人身安全和财产造成严重威胁。
固体火灾的特点主要体现在其燃烧具有明显的燃点和燃速，起火点一旦形成，火势蔓延迅猛。
固体物质燃烧消耗氧气，释放热量和有毒气体。
燃烧过程中，固体物质经历预热、分解、氧化和产生各种可燃气体等步骤。
其释放的火焰和烟雾对人体构成威胁，同时也会诱发其他物品的燃烧，扩大火灾范围。
固体火灾的难点在于燃烧点不易确定，一旦发生火灾，燃烧的固体物质可能比较坚固，破坏力强，给扑救造成困难。
处理固体火灾的关键是迅速发现，迅速报警，迅速疏散人员及扑灭火源，避免火势蔓延。
固体火灾的防范和扑救需要注意以下几个方面：1. 建立健全的安全管理体系，加强火灾预防教育和培训。
通过加强员工的火灾防范意识，提高员工的扑救能力，减少火灾发生的可能性。
2. 选择适当的固体物质。
在生活和生产中应选择固体物质时尽量选择不易燃烧的物质，避免使用易燃物品。
3. 定期检查、维护和更换易燃物品。
尤其是一些容易老化、损坏的电气设备和电线，要定期检查及更换，以避免因电器故障引发的固体火灾。
4. 安装火灾报警系统和自动灭火设备。
建议在重要场所安装火灾报警系统和自动灭火设备，一旦发生火灾，能够及时报警和扑灭火源，减少火灾的范围和损失。
5. 加强火灾疏散和逃生通道的建设。
在生活和工作场所要合理设置逃生通道，并加强对员工的逃生培训，以保障人员的安全。
6. 建立有效的应急预案和组织力量。
一旦发生固体火灾，要及时启动应急预案，组织专业人员进行扑救和疏散，采取合理措施保护人员的安全。
固体火灾的扑救原则是迅速、科学、保护自身安全。
发生固体火灾时，应第一时间报警，采取佩戴防护装备、封闭门窗、关闭电源等措施，以减少火势蔓延。
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第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间 二、固体火焰传播理论 三、固体着火和燃烧的影响因素
（一）外界火源或外加热源 （二）固体材料的性质 （三）固体材料的形状尺寸及表面位置 （四）外加环境因素
而发生的燃烧现象。 例如：木炭、焦炭、铁、铜等 （三）分解燃烧 火源加热——热分解——着火燃烧（关键阶段） 例如：木材、煤、合成塑料、钙塑材料等
第一节 固体燃烧概述
一、固体燃烧的形式
（四）熏烟燃烧（阴燃）
定义：某些物质在堆积或空气不足的条件 下发生的只冒烟而无火焰的燃烧现象。
例如：纸张、锯末、纤维织物、纤维素板、胶乳 橡胶以及某些多孔热固性塑料等
141
第一节 固体燃烧概述
二、评定固体火灾危险性的参数
（四）比表面积
每克物质所具有的总表面积（包括外表面积 和内表面积）定义为比表面，以m2/g表示。粒子 的比表面积(specific surface area)的表示方法 根据计算基准不同可分为体积比表面积SV和重量 比表面积SW。
第一节 固体燃烧概述
t=19s
如果该幕布一面受热通量为20KW/m2的辐射加热，两边热 损失，幕布的吸收率为0.8，求引燃时间。
t=6s
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间 二、固体火焰传播理论 三、固体着火和燃烧的影响因素
第一节 固体燃烧概述
二、评定固体火灾危险性的参数
（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。
常见高分子物质的自燃点
物质名称 自燃点(oC) 物质名称 自燃点(oC) 物质名称 自燃点(oC)
棉花
255
聚乙烯
349
聚酰胺
424
报纸
230
聚氯乙烯
454
醋酸纤维素
475
白松
260
有机玻璃 450~462 硝酸纤维素
物体一面受辐射热，另一面绝热；
ti
c
h
ln[ aQr''
aQ r'' h(Ti
] T0 )
物体一面受辐射热，另一面不绝热；
ti
c
2h
ln[ aQr''
aQ r'' 2h(Ti
] T0 )
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间
例6-2 一块厚度为0.8mm的幕布，密度、热容和它周围空气 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20oC，燃点为260oC。当幕布垂直悬 挂在300oC的热空气中后，求幕布的引燃时间。
第一节 固体燃烧概述
一、固体燃烧的形式
（五）轰燃
定义：可燃固体析出的可燃挥发份遇火源 所发生的爆炸式燃烧。
分类：粉尘爆炸、炸药爆炸、轰燃等
例如：赛璐珞、聚氨酯等
第一节 固体燃烧概述
一、固体燃烧的形式
（六）异相和同相燃烧
异相燃烧（非均相）：可燃物与氧化剂处于 固、气两种不同状态时的燃烧现象。
同相燃烧（均相）：可燃物与氧化剂都处于 气相状态时的燃烧现象。
（ HC LV ）Gcr + Q E Ql = S
Gcr
h c
(1
3000
HC
)
Ql
Ti 4
K
TS
T0
t
例6-1 温度为1300oC的火焰紧靠厚度为50mm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。
已知：α=1.1×10-7m2/s，K=0.19W/(m·K)，ΔHC=26.2kJ/g， LV=1.62kJ/g，Gcr=3.2g/(m2·s)，φ=0.27；TS=Ti=270+273=543K， t=6s。
Ql
Ti4
K
TS
T0
t
6.24 104 (W / m2 )
（ HC ） LV Gcr + QE Ql = S
（ ） 0.27×26.2 - 1.62 ×3.2 + 0 ？
S =-44.93(kW/m2)
例6-1 温度为1300oC的火焰仅靠厚度为50mm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。
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间
（ HC LV ）Gcr + Q E Ql = S
kJ/kg kg/m2·s kJ/m2·s
S>0，固体表面获得的能量能维持稳定燃烧； S=0，临界条件 S<0，固体表面获得的能量不能维持稳定燃烧；
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间
第一节 固体燃烧概述
第一节 固体燃烧概述
第一节 固体燃烧概述
二、评定固体火灾危险性的参数
（一）熔点、闪点和燃点
固体熔点：固体变为液体的初始温度； 固体闪点：可燃固体发生闪燃时最低温度； 固体燃点：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。
第一节 固体燃烧概述
二、评定固体火灾危险性的参数
（二）热分解温度
可燃固体受热发生分解的初始温度。
固体名称
硝化棉 赛璐珞
麻
几种可燃固体的热分解温度与燃点的关系
热分解 燃点(oC) 固体名称 热分解
温度(oC)
温度(oC)
40
180
棉花
120
90~100 150~180
木材
150
107
150~200
蚕丝
235
燃点(oC)
210 250~295 250~300
二、评定固体火灾危险性的参数
（五）氧指数
定义：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。
易燃 氧指数范围 <26
可燃
难燃
[26~32) ≥32
GB8624-1997
第一节 固体燃烧概述
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间 二、固体火焰传播理论 三、固体着火和燃烧的影响因素
第一节 固体燃烧概述
第一节 固体燃烧概述
一、固体燃烧的形式
（一）蒸发燃烧 火源加热——熔融蒸发——着火燃烧（关键阶段） 例如：硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香、沥青等 火源加热——升华——着火燃烧 例如：樟脑、萘等
第一节 固体燃烧概述
一、固体燃烧的形式
（二）表面燃烧 在可燃固体表面上，由氧和物质直接作用
t=0.2
S =18.4(kW/m2)
第二节 固体着火燃烧理论
一、固体引燃条件和引燃时间
物体两边受热气流加热；
ti
c
2h
物体单面受热，另一面绝热；
ln(T T
T0 Ti
)
ti
c
h
ln(T T
T0 Ti
)
物体单面受热，另一面不绝热；
ti
c
2h
ln( T T0 T T0 2Ti
)