一级消防工程师考试消防基础知识之燃烧

知识点1:燃烧的本质与条件

燃烧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(或)发烟现象。发光的气相燃烧区就是火焰,它是燃烧过程中最明显的标志。由于燃烧不完全等原因,燃烧产物中会产生一些小颗粒,这样就形成了烟。

多数可燃物质的燃烧时在蒸汽或气体的状态下进行的,而有的固体物质则不能成为气态,其燃烧至发生氧气与固体表面的氧化还原反应。这种只发生在固体表面的燃烧成为无焰燃烧。松散多孔的固体可燃物尝尝伴有无焰燃烧,例如:焦炭、香火、香烟等。发生蒸汽或气体状态下的燃烧称为有焰燃烧。气体、液体指挥发生有焰燃烧;容易热解、升华或融化蒸发的固体主要为有焰燃烧。

一、燃烧条件

燃烧的发生和发展,必须具备三个必要条件:可燃物、助燃物和引火源,成为燃烧三要素。

1.可燃物

能与空气中的氧气或者其他氧化剂起化学反应,并形成燃烧的物质,称为可燃物,如:木材、氢气、汽油、煤炭、智障、硫第二个。按化学成分划分为无机可燃物和有机可燃物;按所处的状态分为可燃固体、可燃液体和可燃气体三大类。

2.助燃物

与可燃物结合能导致和支持燃烧的氧化剂,称为助燃物。普通的燃烧在空气中进行,助燃物是空气中的氧气。氟、氯等氧化剂也可作为助燃物。

3.引火源

使物质开始燃烧的外部热源成为引火源。常见的引火源有明火焰、电弧、电火花、炽热物质、高温加热、化学反应热、雷击等。通常最小点活能仅针对一定条件下的可燃气体、蒸汽和粉尘而言。

燃烧发生时,上述三个条件必须同时具备,用着火三角形来表示,如下图:

着火三角形,燃烧三角形
着火三角形

但要导致燃烧的发生买不进需要满足三要素共存的条件,而且必须保证可燃物与助燃物混合浓度处于一定范围之内,同时,点火能量也必须超过一定值,即三者达到一定量的要求,并且存在相互作用的过程,因此,燃烧发生的充要条件可表述为:具备足够数量或浓度的可燃物;具备足够数量或浓度的助燃物;具备足够能量的引火源;上述三者相互作用。

二、燃烧的链式反应理论

近代链式反应理论认为,燃烧是一种自由基的链式反应(也称为链锁反应),即在瞬间进行的循环连续反应。自由基也称游离基,自由基时一种高度活泼的化学基因,容易自行结合或与其他物质的分子反应,生成稳定的分子或新的自由基,从而使燃烧按链式反应的形式扩展。

研究表明,可燃物的多数氧化反应不是直接进行的,而是通过自由基团和和原子这些中间产物瞬间进行的循环链式反应。当可燃物受热时,不仅会发生气化,而且可燃物的分子会裂解为简单分子,这些分子中原子间的共价键发生断裂,生成自由基,从而使燃烧得以持续。因此,可以用着火四面体来表示有焰燃烧的四个条件,即可燃物、助燃物、引火源和链式反应自由基,如图所示:

着火四面体
着火四面体

知识点2:燃烧类型及其特点

一、按燃烧形成的条件和发生瞬间的特点分类

按照燃烧形成的条件和发生瞬间的特点,燃烧可分为着火和爆炸。

(一)着火

可燃物在与空气共存的条件下,当达到某一温度时,与引火源接触即能引起燃烧,并在引火源离开后仍能持续燃烧,这种持续燃烧的现象叫着火。着火就是燃烧的开始,并且以出现火焰为特征。着火是日常生活中常见的燃烧现象。可燃物的着火方式一般分为下列两类:

1.点燃(或称强迫着火)

可燃混合气受外加点火热源加热,引发局部火焰,并消极发生火焰传播至整个可燃混合物的现象称点燃或强迫着火。点火源通常可以是电热线圈、电火花、炽热体和点火火焰等。

2.自燃

可燃物值在没有外部火源的作用时,因受热或自身发热并蓄热产生的燃烧,称为自燃。自燃点是指可燃物发生自燃的最低温度。

(1)化学自燃。不需要外界加热,而在常温下依据自身的化学反应发生的,因此习惯上称为化学自燃。例如火柴受摩擦而着火,金属钠在空气中自燃,煤炭因堆积过高而自燃等。

(2)热自燃。如果将可燃物和氧化剂的混合物预先均匀的加热,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,这种着火方式习惯上称为热自燃。

(二)爆炸

爆炸是指物质由一种状态迅速转变成另一种状态,并在瞬间以机械功的形式释放出巨大的能量,或是气体、蒸汽在瞬间发生剧烈膨胀等现象。爆炸罪重要的特征是爆炸点周围发生剧烈的压力突变,这种压力突变就是爆照产生破坏作用的原因。作为燃烧类型之一的爆炸主要是指化学爆炸。

二、按燃烧物形态分类

(一)气体燃烧

可燃气体的燃烧一般经过受热、分解、氧化等过程。相对于固体、液体需要经熔化、蒸发等过程,可燃气体一般更容易燃烧且燃烧速度更快。

1.气体的扩散燃烧

气体的可哟三燃烧即可燃气体与氧化剂相互扩散,边混合边燃烧,例如家用煤气燃烧。在扩散燃烧中,可燃气体与空气或氧气的混合是靠气体的扩散作用来实现的,混合过程要比燃烧反应过程慢很多,燃烧过程处于扩散区于内,整个燃烧速度的快慢由物理混合速度决定。

扩散燃烧的特点为:燃烧比较稳定,火焰温度相对较低,扩散火焰不运动,可燃气体与气体氧化剂的混合在可燃气体喷口进行,燃烧过程不发生回火现象(火焰缩入火孔内部的现象)。

2.气体的预混燃烧

气体的预混燃烧是指可燃气体预先同空气(或氧气)混合,遇引火源成圣带有冲击力的仁爱少,例如,氧乙炔焊。预混燃烧一般发生在封闭体系中或在混合气体向周围扩散的速度远小于燃烧速度的敞开体系中,燃烧放热造成产物体积迅速膨胀,压力升高。火焰在预混气中传播,存在正常火焰传播和爆轰两种方式。

预混燃烧的特点为:燃烧反应快,温度高,火焰传播速度快,反应混合气体不扩散,在可燃混合气体中引入一个火源即产生一个火焰中心,称为热量与化学活性粒子集中源。晕混然少燃烧充分,燃烧速度快,可能会发生回火。

(二)液体燃烧

1.液体燃烧过程

液体可燃物燃烧时,火焰并不紧贴在液面上,而是在空间的某个位置,课件液体可燃物先蒸发形成可燃蒸汽,可燃蒸汽发生扩散并与空气掺混形成可燃混合气,着火燃烧后在空间某处形成火焰。液体可燃物能否发生燃烧与液体的蒸汽压、闪点、沸点和蒸发速率等参数密切相关,燃烧速率的快慢与液体可燃物的燃点和化学活性密切相关。

2.不同了别液体燃烧特征

对于不同类别的可燃液体,因其物理、化学性质的差异,燃烧特征也有所不同。可燃液态烃类燃烧时,产生橘色火焰并散发浓密的黑色烟云。醇类燃烧时,通常产生透明的蓝色火焰,几乎不产生烟雾。某些醚类燃烧时,液面伴有明显的沸腾状,这类物质的火灾较难扑灭。多种成分混合液体燃烧时,例如原有会按沸点的高低,先后蒸发出不同的可燃气体组分。

3.液体燃烧的特殊现象

(1)闪燃。闪燃是指可燃液体会发出来的蒸汽与空气混合达到一定的浓度或者可燃性固体加热到一定温度后,遇明火发生一闪即灭的燃烧。发生闪燃的原因是易燃或可燃液体在闪燃温度下蒸发的速度比较慢,蒸发出来的蒸汽仅能维持一刹那的燃烧,来不及补充新的蒸汽维持稳定的燃烧,因而一闪就灭了。闪燃时引起火灾事故的先兆之一。闪点则是指易燃或可燃液体表面闪燃的最低温度。

(2)沸溢。含有水分、黏度较大的重质石油产品,例如原有、重油、渣油、沥青油等燃烧时,其中的水汽化不易挥发形成膨胀气体使页面沸腾,沸腾的水蒸气呆着燃烧的油向空中飞溅,这种现象称为沸溢(扬沸或喷溅)。

燃烧过程中,这些沸程缴款的重质油品产生热波,在热波向液体深层运动史,由于温度远高于水的沸点,因而热波会使油品中的乳化水汽化,大量蒸汽就要穿过油层向液面上浮,在向上移动的过程中形成油包气的气泡,这必然使液体体积膨胀,向外溢出,同时部分未形成泡沫的油品也被下面的蒸汽膨胀力抛出罐外,使液面猛烈沸腾起来,这种现象就是沸溢。通常含水并在燃烧时可产生热波作用的油品称为沸溢性油品。

沸溢形成必须具备三个条件:

1)原油具有形成热波的特性,即沸程宽,密度相对较大。

2)原油中含有乳化水,水遇热波变成蒸汽。

3)原油黏度较大,使水蒸气不容易从下向上穿过油层。

(3)喷溅。在重质油品燃烧过程中,随着热波温度的逐渐升高,热波向下传播的距离也不断加大,当热波达到水垫时,水垫的水大量蒸发,蒸汽体积迅速膨胀,以致把水垫上面的也提层抛向空中,向罐外喷射,这种现象叫做喷溅。一般情况下,发生沸溢要比发生喷溅的时间早的多。喷溅发生的时间与油层厚度、热波移动速度及油的燃烧线速度有关。

由于喷溅带出的燃油从池火燃烧状态转变为液滴燃烧状态,改变了燃烧条件,燃烧强度和危险性随之增加,并且油滴在飞溅过程中和散落后将继续燃烧,极易造成火灾的迅速扩大,影响周边其他可燃物及人员、设备等,造成伤亡和损失,所以,对油池火而言,要避免喷溅现象的发生。

(三)固体燃烧

1.蒸发燃烧

硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香等可燃固体熔点较低,在受到火源加热时,先熔融蒸发,随着蒸汽与氧气发生燃烧反应,这种形式的燃烧一般称为蒸发燃烧。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做是一种蒸发燃烧。

2.表面燃烧

木炭、焦炭、铁、铜等可燃固体的燃烧,会在其表面由氧气和可燃物直接作用而发生,这种燃烧方式称为表面燃烧。表面燃烧是一种无焰燃烧,有时又称为异相燃烧。

3.分解燃烧

可燃固体在受到火源加热时,先发生热解、气化反应,随后分解出的可燃性气体与氧气发生燃烧焚影,形成气相火焰,这种形式的燃烧一般称为分解燃烧。常见的天然物质,例如木材、草、棉花、煤等,一级人工合成物质,例如橡胶、塑料、纺织品等,都能发生分解燃烧。

4.阴燃

可燃固体在空气不流通、加热温度较低、分解出的可燃会发分较少或逸散较快、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,称为阴燃。阴燃是固体特有的燃烧形式。很多固体材料,如智障、锯末、纤维织物、胶乳橡胶等都能发生阴燃。

阴燃的发生需要有一个供热强度适宜的热源,通常有自燃热源、阴燃本身的热源和有焰燃烧火焰熄灭后的热源等。阴燃在一定条件下也会转化为明火,转化的过程与可燃物种类、状态、尺寸和外界条件有关。

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、智障等的燃烧会明显地存在表面燃烧、分解燃烧、阴燃等形式。

三、按可燃物与助燃物混合方式分类

(一)扩散燃烧

可燃物与助燃物分子在进入燃烧反应区之前没有充分接触、混合的燃烧称为扩散燃烧。家用煤气燃烧、固体燃烧、可燃液体液面燃烧等是最常见的扩散燃烧。扩散燃烧过程主要受扩散混合过程控制。

(二)预混燃烧

可燃物与助燃物分子在进入燃烧反应区之前已经互相接触、触犯混合的燃烧称为预混燃烧。密闭空间内,可燃气体泄漏与空气混合后遇点火源发生的爆炸,属于预混燃烧。预混燃烧过程主要受反应动力学控制。

四、燃烧性能参数

(一)闪点

闪点是指在规定的试验条件下,可燃性液体或固体表面产生的蒸汽在试验火焰作用下发生闪燃的最低温度。

闪点时可燃性液体性质的主要标志之一,时横梁液体火灾危险性大小的重要参数。闪点越低,火灾危险性越大;反之越小。闪点与可燃性液体的饱和蒸汽压有关,饱和蒸汽压越高,闪点越低。在一定条件下,当液体的温度高于其闪点时,液体随时有可能被引火源引燃或发生自燃;若液体的温度低于闪点,则液体不会发生闪燃,更不会着火。

常见易燃或可燃液体的闪点
常见易燃或可燃液体的闪点

闪点时判断液体火灾危险性大小及对可燃性液体进行分类的主要依据。可燃性液体的闪点越低,其火灾危险性也越大。

(二)燃点

在规定试验条件下,物质在外部引火源作用下表面起火并持续燃烧一定时间内所需的最低温度,称为燃点。在一定条件下,物质的燃点越低,越易着火

常见可燃物的燃点
常见可燃物的燃点

通常,用燃点作为评定固体火灾危险性大小的主要依据之一。

(三)自燃点

在规定的条件下,可燃物值产生自燃的最低温度称为自燃点。在这一温度时,物质与空气(氧气)接触,不需要明火的作用就能发生燃烧。

自燃点时横梁可燃物值受热升温导致自燃危险的依据。可燃物的自燃点越低,发生自燃的危险性就越大。

常见可燃物在空气中的自燃点
常见可燃物在空气中的自燃点

不同的可燃物有不同自燃点,同一种可燃物在不同的条件下自燃点也会发生变化。可燃物的自燃点越低,发生火灾的危险性就越大。

对于液体、气体可燃物,其自燃点受压力、氧浓度、催化、容器的材质和表面积等因素的影响。而固体可燃物的自燃点,则受受热熔融、挥发物的数量、固体的颗粒度、受热时间等因素的影响。

知识点3:燃烧产物及典型物质的燃烧

一、燃烧产物

燃烧产生的物质,其成分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,主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成,燃烧生成的气体有一氧化碳、二氧化碳、丙烯醛、氯化氢、二氧化硫等。

对货场的研究表明,火灾中的遇难人员大部分是由于吸入毒性气体致死的。燃烧产物中含有大量有毒气体,例如一氧化碳、HCN、二氧化硫、二氧化氮等。火灾中常见可燃物的燃烧产物见下表:

常见可燃物的燃烧产物
常见可燃物的燃烧产物

一氧化碳时火灾中人员致死的主要燃烧产物之一,几乎所有的有机高分子材料燃烧都会产生一氧化碳。火灾中约有50%的人员死亡是由一氧化碳中毒引起的,另一半则是由直接灼伤、爆炸压力以及其他有毒气体引起的。一氧化碳的毒性在于对血液中血红蛋白的高亲和性,其对血红蛋白的亲和力比氧气高出250倍,因而能够阻碍人体血液中氧气的输送,引起头痛、虚脱、神志不清等症状和肌肉调节障碍等

不同浓度co对人的影响
不同浓度co对人的影响

除一氧化碳外,火灾中其他常见有毒气体来源、生理作用及致死浓度如下表:

火灾中常见有毒气体来源、生理作用及致死浓度(就爱消防网 92119.com)
火灾中常见有毒气体来源、生理作用及致死浓度

二氧化碳也是主要燃烧产物之一,虽无毒,但当大大一定的浓度时,会刺激人的呼吸中枢,导致呼吸急促、烟气吸入量增加,并且还会引起头痛、神志不清等症状。同时,火灾中有毒气体的生成,往往还伴随着氧含量的减少。当氧含量将至10%时就可对人构成危险。

燃烧产生的烟气还具有一定的减光性。烟气在火场上弥漫,会严重影响人们的视线,使人们难以辨别火势发展方向和寻找安全疏散路线。同时烟气中有些气体对人的眼睛还有极大的刺激性,会降低人的能见度。

二、几类典型物质的燃烧及其主要燃烧产物

(一)高聚物

有机高分子化合物称为高聚物,主要是以煤、石油、天然气为原料制得,例如塑料、橡胶、合成纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中塑料、橡胶和合成纤维是三大合成有机高分子化合物,其应用广泛且容易燃烧。

高聚物的燃烧具有发热量较高、燃烧速度较快、发烟量较大等特点,并会在燃烧或分解过程中产生CO、氮氧化物、HCL、HF、二氧化硫等有害气体,危害性较大。

只含碳和氢的高聚物,例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯燃烧时有熔滴,易产生一氧化碳气体。含有氧的高聚物,例如有机玻璃、赛璐珞等,燃烧时变软、无熔滴,同样会产生一氧化碳气体。含有氮的高聚物,如三聚氰胺甲醛树脂、尼龙等,燃烧情况比较复杂,燃烧时有熔滴,会产生一氧化碳、一氧化氮和HCN等有毒气体。含有氯的高聚物,例如聚氯乙烯等,燃烧时无熔滴,有炭瘤,并产生HCL气体,有毒且溶于水后有腐蚀性。有木粉填料的酚醛树脂燃烧时会放出有毒的酚蒸汽。

(二)木材和煤

木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,由碳、氧、氢和氮等元素组成。木材的燃烧存在两个比较明显的阶段:有焰燃烧阶段(即木材的热分解产物的燃烧)和无焰燃烧阶段(即木炭的表面燃烧)。

煤主要是由碳、氢、氧、硫等元素组成。煤的燃烧过程几乎同时存在有焰燃烧和无焰燃烧,主要受碳化程度、颗粒度、岩石学组成、风化情况及含水量等多种因素影响。

(三)金属

金属燃烧通常热值大、温度高,某些金属燃烧时的火焰具有特征颜色。常见的钠的燃烧火焰为黄色、钾的火焰颜色为紫色、钙的火焰颜色为砖红色、铜的火焰颜色为蓝色。

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