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1、燃烧学-第六章 燃烧学 燃烧学 1 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.2.3煤的燃烧 6.2.3.1 固体燃料煤的燃烧过程 v 煤颗粒的燃烧历程 首先煤颗粒被加热干燥，而后可燃性气体开始析出。在足够高的 温度和供氧条件下，可燃性气体在颗粒周围着火燃烧，形成光亮 的火焰。 燃烧消耗的氧气来自周围空气，靠扩散作用进入火焰区，但不能 到达颗粒表面，此时颗粒本身呈暗黑色，颗粒中心温度不超过 600700 -分解燃烧 可燃性气体一方面阻碍了颗粒本身的燃烧；另一方面可燃性气体 在颗粒周围的燃烧对颗粒有强烈的加热作用 可燃性气体着火后，经过不长时间，火焰逐渐缩短，直至消失， 这表明可
2、燃性气体已基本燃烧完毕 然后煤颗粒表面开始燃烧、发亮，其温度逐渐升高，达到最高值 （一般为1100）-表面燃烧（无焰燃烧） 2 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.2.3.2.固体碳粒的燃烧过程 v 碳在空气中燃烧是一多相燃烧过程，分为五个阶段： 氧气扩散到固体燃料表面 扩散到固体表面的气体（或氧气）须被固体表面所吸附。 吸附的气体和固体表面进行化学反应，形成吸附后的生成物 吸附后的生成物从固体表面上解吸 解吸后的气体生成物扩散离开固体表面。 碳燃烧释热的化学过程为 C+O2CO2+40.9104kJ 2C+O22CO+24.5104kJ 注意：实际上碳和氧并不是按照上式
3、机理进行反 应的。上式只是表示整个化学反应的物料平衡和 热平衡而已 3 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 关于碳和氧的反应机理，目前有三种说法： （1）二氧化碳模型 o C+O2CO2 o CO2+C2CO o 2CO+O22CO2 （2）一氧化碳模型 o 2C+O22CO o 2CO+O22CO2 （3）中间碳氧络化物模型 o 氧被吸附而停留在碳表面上，形成一种结构不确定的中间碳 氧复合物CxOy。然后分解生成CO2、CO 4 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 碳粒燃烧过程可看作是由下列几个阶段组成的： 氧向碳表面上扩散氧在碳表面上物理吸附化学
4、吸附（生成中 间碳氧化合物）复合物的分解反应生产物的解吸反应生产 物扩散到周围气体介质中去。 v 如果在燃烧过程中还有水蒸气存在，那么还会发生下列反应： CO+H2OCO2+H2 CO+H2C+H2O C+2H2OCO2+2H2 2H2+O22H2O C+2H2CH4 5 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.2.4金属的燃烧 v 根据熔点和沸点不同，通常将金属分为 挥发金属 不挥发金属 表6-17 挥发金属及其氧化物的性质 金属 熔点（ ） 沸点（ ） 燃点（ ） 氧化物 熔点（ ） 沸点（ ） Li1791370190Li2O16102500 Na98883114Na2
5、O9201277 K6476069K2O5271477 Mg6511107623MgO28003600 Ca8511482550CaO25853527 6 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 挥发金属着火燃烧过程及特点 它们和火源接触时被加热发生氧化，在金属表面上形成一层氧化 物薄膜，由于金属氧化物的多孔性，金属继续被氧化和加热。 经过一段时间后，金属被熔化并开始蒸发，蒸发出的蒸气通过多 孔的固体氧化物扩散进入空气中，当空气中的金属蒸气达到一定 浓度时就燃烧起来 同时燃烧反应放出的热量又传给金属，使其进一步被加热直至沸 腾，进而冲碎了覆盖在金属表面上氧化物薄层，出现了更激
6、烈的 燃烧。 挥发金属的燃烧温度大于其氧化物的沸点，因此燃烧激烈时，固 体氧化物也变为蒸气扩散到燃烧层，离开火焰时便冷凝聚成微粒 ，形成白色的浓烟。 7 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 不挥发金属 因其氧化物的熔点低于金属的沸点，则在燃烧时熔融金属表面上 形成一层氧化物。这层氧化物在很大程度上阻碍了金属和空气中 氧的接触，从而减缓了金属被氧化。 但这些金属在粉末状、气溶胶状、刨花状时在空气中燃烧进行得 很激烈，且不生成烟。 表6-18 不挥发金属及氧化物的熔点和沸点 金属 熔点（ ） 沸点（ ） 燃点（ ） 氧化物 熔点（ ） 沸点（ ） Al66025001000A
7、l2O320503527 Ti16773277300TiO218554227 Zr18524377500ZrO226874927 8 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 Fe在纯氧中从下方着火燃烧的情况 固相Fe燃烧速度 反应固体表面 O2 O2 O O O 熔融氧化物表面 熔融氧化物 Fe（熔融） 物理吸附 化学吸附 图6-4 Fe在纯O2中燃烧的示意图 O2 O2 O O O Al、Ti、Fe等金属虽然在空气中难以燃烧，但是在纯氧气中却能燃烧 。在燃烧时金属并不气化而是液化 9 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 挥发金属的燃烧属于熔融蒸发式燃烧，而
8、不挥发金属的燃烧 属于气、固两相燃烧 v 金属燃烧普遍特征： （1）燃烧难易程度与比表面积关系极大 （2）燃烧热值大，燃烧温度高 表6-19 某些金属的燃烧热值 金属名称氧化生成物 燃烧热值 （kJ/kg） 金属名称氧化生成物 燃烧热值 （kJ/kg） 钾K2O181600锌ZnO347300 钠Na2O210000铁Fe2O3408400 钾Li2O131400 NiO244300 钙CaO636400铅PbO220500 镁MgO610000铜CuO138100 铝Al2O2823000银Ag2O13800 10 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 （3）高温燃烧的金属性
9、质活泼 o 金属处在燃烧状态时，由于温度很高，性质比较活泼，可以 与二氧化碳、卤素及其化合物、氮气、水等发生反应，使燃 烧更加强烈 不能用CO2灭火 不能用H2O灭火 11 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 表6-20 某些金属燃烧时火焰的特征颜色 金属 名称 NaKCaBaSrCuMg 火焰 颜色 黄紫砖红绿红蓝白 （4）某些金属燃烧时火焰具有特征颜色 12 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.2.5特殊形状固体可燃物的着火 6.2.5.1薄片（纸、布等）固体可燃物的着火 v 表面积大，总质量小，热容量较小。 v 导致受热之后升温很快，热解、气化也很
10、快，着火就容易 v 周围空气中氧气的接触多，供氧容易，着火容易 v 薄片物体的放置方向，对于薄片物体周围的自然对流情况有 显著影响。 13 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 0 20 40 60 80 图6-5 水平与垂直放置薄片可燃物着火特征比较 0 1 10 100 1000 连续性着火 水平面着火 连续性着火 着火界线 转移性着火 垂直面着火 转移性着火 转移性着火 热辐射强度（J/（cm2s） 着火延迟时间（s） 垂直放置的物体对自然对流有利，对传热和供氧有利。所以它的 着火延迟时间比同样条件下水平放置物体的着火延迟时间要短一些 。 14 中国矿业大学能源学院安全与
11、消防工程系 燃烧学-第六章 6.2.5.2固体微粒物的着火 v 堆积的微粒，可以用热着火理论进行分析。 v 浮游的微粒云粉尘爆炸 浮游状态的微粒物，较堆积状态的微粒物更容易着火 果粒径越小，着火和火焰传播就容易。 15 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 图6-7 微粒物着火浓度下限与粒径尺寸的关系 不着火 着火 着火15010m C120100g/m3 1 平均粒子直径 燃烧下界限浓度 16 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.3固态可燃物的火灾蔓延 6.3.1塑料等可燃性固体 v 以塑料棒或板为例，分为 上端着火、火向下蔓延； 下端着火，火向上蔓延；
12、 中间着火，火向两端蔓延 水平蔓延 一般来说，蔓延速度： 火向上蔓延 水平蔓延 火向下蔓延 17 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 可燃性固体 热分解区域起点 可燃性气体 火焰 环境气体流动 qcd qe qr qre g （a） 向下蔓延 可燃性固体 热分解区域起点 火焰 可燃性气体 环境气体流动 qre qe qr g （b） 向上蔓延 qe：从气体向固体的对流热流； qcd：固体内部的导热热流； qr：从火焰向固体的辐射热流；qre：从外部热源向固体的辐射热流 图6-13 塑 料 棒 燃 烧 示 意 图 向上蔓延时,火蔓延速度快。 向下蔓延时，火蔓延速度慢。 18 中
13、国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 板厚对蔓延速度的影响： 向下的火蔓延速度随着板厚的增加而减小，并逐渐趋于某个常数 ，这个常数值略小于相同厚度的水平蔓延时的速度 0.1 0.06 0.04 0.02 0.01 0.006 0.004 0.002 0.60.04 0.1 0.2 0.4 10 6 4 2 1 垂直下方 水平方向 厚度 ，cm 火焰蔓延速度V，cm/sec 图6-14 有机玻璃板火蔓延速度与板厚的关系 19 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 固体表面温度Ts对火蔓延速度的影响 表面温度Ts升高，火的蔓延速度VF增大。 板的厚度小的时候
14、当板的厚度大时 对于厚度大的固体可燃物来讲，表面温度影响非常显著。这说明 当火灾规模较大时，再有较大尺寸的可燃物，其危险程度就更大 了。 20 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 6.3.2.木材等天然可燃性固体的蔓延 v 木材燃烧时，火的蔓延速度等也与木材结构有关 同一种木材，横截面尺寸相同，竖直下端点火，火焰向上蔓延时 ，横纹（木纹方向与木条轴线相垂直）木条的火焰蔓延速度均大 于顺纹（木纹方向与木条轴线一致）木条火焰蔓延速度。 揭示了森林火灾和城市建筑火灾中，木材沿径向烧损严重的实质 ，也为火灾防治提供了依据 21 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 0
15、 2.0 4.0 6.0 2.0 1.5 1.0 0.5 u（mm/s） 树种：松木 h h10.0 T14.3 顺纹木条 横 木条 （mm） 图6-22 横、顺纹竖置木条下端点火、火蔓延速度的对比 22 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 v 木条的横截面尺寸对木材火蔓延速度有显著影响 0 2.0 4.0 6.0 2.0 1.5 1.0 0.5 u(mm/s） 树种：松 木 h T12.2 （mm） 图6-23 竖置下端点火、火蔓延速度与木条厚度的 关系 横纹木条 23 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 燃烧学-第六章 /2 4.0 3.0 2.0 1.0 u（mm/s） 树种：杨木 h T12.0 图6-25 方位角对火蔓延速度的影响 5.0 0 h 1.22.0 横纹木条 图6-24 木条方位角示意图 火焰 A 木
