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1、第四章 着火理论,燃烧过程一般可分为两个阶段：第一个阶段称为着火阶段，第二个阶段即为着火后的燃尽阶段。在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分产，并没有形成火焰。在第二阶段中，反应速度进行得很快、并发出强烈的光和热，形成火焰。,许多燃烧装置要求在很苛刻的条件下使燃料着火，例如要求在高速、低温下，使难着火的燃料着火等。但有时却要防止发生着火燃烧，或在发生燃烧后要求尽快熄灭，例如消防灭火就是如此。所以着火理论是燃烧理论的重要组成部分。,第一节 着火机理和着火方式,一、着火机理 根据人们对实际着火过程的研究认为，目前存在的着火机理主要有以
2、下两种。 1、热着火机理 热着火是在利用外部能源加热（例如电火花、电阻丝、热的器壁和压缩等）的条件下，使反应混合物（可燃剂及氧化剂）达到一定的温度，在该温度下反应混合物化学反应所放出的热量大于它向环境的散热，从而使反应混合物的温度进一步升高，温度的升高又进一步导致化学反应速率和放热速率的加快，这样无限地循环，最终导致全面的燃烧反应。,对于一个放热反应，如果在严格的绝热条件下，只要反应物的量足够，则它都能发展为着火，也就是所谓的自燃。也就是说只有反应物的消耗殆尽，才能使这种自加热反应不会发展到着火的程度。还有另外一种情况，虽然没有外部的热源，也没有严格的绝热条件，但它符合这样的条件，即在该状态时
3、，由于它自身的热分解（或氧化或混合物的相互反应等）所放出的热量大于该情况下它向外界的散热，此时只要反应物的量足够，也会发展成为着火（或爆炸）。,2、链着火机理 如果进行的反应是链式反应，且链式反应中自由基的生成速率大于自由基的消耗速率（即分支链式反应），则其反应速度不断加快，此时反应在定温条件下也会导致着火（或爆炸）。例如H2和O2的化合反应，它满足了分支链式反应的条件，只要反应一旦开始它就会着火，如果满足一定的浓度条件，还会发生爆炸。属于这样类型的反应还有甲烷、乙烯、乙炔等在空气中的氧化反应。,二、着火方式 研究表明，着火方式也有两类：即自燃着火和强迫着火。 1、自燃着火（热自燃） 自燃着火
4、是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而自动着火的现象。它是由于反应物在非人为状态下自发地进行分解（或氧化等）反应，反应时放出一定的热量，并且反应放热大于散热，造成了热积累，使得反应温度进一步升高。,由化学动力学知识可知，一般反应速度与温度呈指数关系，也即反应时的放热速度也与反应温度呈指数关系，而热损失速度只是温度的简单线性函数。因此对于可燃物的放热化学反应，只要反应热生成速度大于散失速度，则反应的最终结果必然是在整个区域内不需要任何外界能量的条件下着火，这时燃烧反应就自发进行下去。,自然界发生自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自燃事故频发。重庆晚报2010年8月1
5、日报道：“由于连晴高温，汽车自燃进入高发期，市消防总队119指挥中心统计，最近3天，我市车辆自燃的火警数量接近20起”。俄罗斯2010年夏季出现罕见高温和干旱天气，首都莫斯科7月29日气温创历史新高，达到39。从7月30日起，俄境内森林火灾形势更加严峻，起火点超过7000个，2.1万人参与灭火。根据8月9日的数据，森林大火目前已导致53人死亡，2000余栋房屋被烧毁，3000多人无家可归。有部分森林大火由自燃引起。,2、强迫着火（点燃） 强迫着火是可燃混合物从外界获得能量（如电火花、灼热质点、烟火药剂的火焰等）而产生着火的现象，也称为点燃。这时的燃烧是首先由靠近点火源引发并传播到可燃混合物的其
6、他部分。因此可以认为强迫着火是外界能源加热下火焰的局部点燃，然后再进行火焰传播的过程。,强迫着火在工农业生产、交通运输及航天航空技术等领域中的应用也很广泛。例如电站锅炉的点火、航天工业中运载火箭及军事技术中火箭的点火就属于强迫着火；汽油发动机的汽油空气混合物的电火花点火、日常生活中煤气炉的点火等都属于强迫力着火。 自燃着火与强迫着火从着火方式和着火条件上来讲是不一样的。首先，自燃着火是可燃物在瞬间整体着火，而强迫着火首先是局部点着火，然后再扩散传播成整体着火。另外，自燃着火一般不需要特别施加外界能量，而强迫着火则必须要外界能量的激发才能着火。,第二节 热自燃理论,一、着火条件 所谓着火，可以理
7、解为混合可燃物自动的反应比加速、升温以致引起空间某部或在某时间出现火焰的现象。若给着火条件下一个定义，即为：如果在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（闭口系统）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态），那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火条件”。着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综合函数。,燃烧反应是放热的氧化反应，反应放热的结果，使可燃混合物的温度升高，而它反过来又促进反应加速，因而化学反应放热的速率及其放热量乃是促进着火的有利因素。但另一方面，存在着阻碍着火的不利因素散热。经验告诉我们，在寒
8、冷而风大的露天环境中，不易点燃可燃物质，而在风小的地方就容易点燃，这就是两种情况下的散热条件不同的原因。着火、熄火就是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生）。反之，则着火不易，熄火容易，这就是着火、熄火的本质，也可以称为着火的条件。,二、谢苗诺夫热自燃理论 热自燃理论的基本思想是由范特霍夫首先提出的，他认为当反应系统与周围环境的热平衡被破坏时，就会发生着火。莱-查特莱进一步提出，当放热曲线和散热曲线相切时发生着火。最后，完整的热力着火数学描述由谢苗诺夫提出，形成了谢苗诺夫热自燃理论。,要实现稳定的热着火，需要满足两个热力条件：系统
9、处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2；放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即dQ1/dTdQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。,着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变化而变化。各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，着火温度只表示了着火的临界条件。如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可为大气环境温度。当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大简化，对于燃烧理论研究有重要意义。,2点其实是着火的临界点。在第2点处可写出方程：Q1=Q2 dQ1/dT=dQ2/dT,三、着火界限 无论是均相气体燃料或固体燃料，当周围介质
10、温度T0达到一定值后，即出现热自燃着火，其临界自燃条件如上所述的第2点临界方程，此时的系统温度即为自燃温度。但试验也表明，在一定的炉内压力p0下，可燃混合物的浓度变化时，其自燃温度也不相同。,状态方程该式称为谢苗诺夫方程。,如果谢苗诺夫方程中的、S、Q、V、xA均已知，则在p0-Tzh平面图上就可做出谢苗诺夫方程的曲线图，如下图所示。曲线把图片分成两个区域：自燃区和非自燃区。对于一定组成的可燃混合气，在一定的压力p1和散热条件S/V下，当外界温度达到曲线上相应点1时的温度T01值时才能发生自燃，否则不可能自燃而只能长期处于低温氧化状态。同理，对于一定的温度，若其压力未能达到临界值的话，亦不可能
11、发生自燃。所以，对于简单热力反应来说，要在压力很低时达到着火要求，就必须要有很高的温度，反之亦然。这些分析与结论都已为实验结果所证实。,当散热条件变化时，如散热增强，即S/V增大，则曲线向右上方移动，自燃区域缩小，自燃会不容易发生。 对于谢苗诺夫方程，还可以固定压力p，作T-xA着火浓度界限图，固定温度T作p-xA着火浓度界限图，如下图所示。这些曲线统称为着火浓度界限（或自燃界限和范围）。一般来说，这些图线都呈U型，U型区内为着火区，U型区外为不着火区。,图4-3 定压时着火界限 图4-4 定温时着火界限,从这些图线的分析中可得出一个很有实际意义的结论，即从着火来说，在一定的温度（或压力）下，
12、并非所有混合气体组成都能引起着火，而存在着一个着火浓度界限。着火浓度的上限统指含燃料量较多的混合气组成，即一般统称为富燃料极限；而下限则指含燃料量较少的混合气组成，即所谓贫燃料极限（或富空气限）。凡是可燃混合气中燃料含量高于给定温度（或压力）下的着火浓度上限或低于着火浓度下限的话，都不可能引起自燃，只能处于不同程度的缓慢氧化状态。,随着温度（或压力）的降低，着火浓度的上、下界限逐渐彼此靠近、即着火浓度范围变窄。因此当温度（或压力）降低到某一数值以后，着火浓度界限就会消失，此时，对混合气的任何组成来说都不可能引起着火。所以对于每一种可燃混合气，在给定的散热条件（S/V）下就存在着这样一个极限的温
13、度（或压力），低于这一极限温度（或压力）的话，混合气的任何组成都无法着火。这一最小的极限着火压力（或温度）对低压燃烧，特别是对喷气发动机的高空燃烧具有特别重要的意义。,从图4-3和图4-4的图线上还可看出一点，即当温度或压力高于某一数值后，着火浓度界限实际上已没有多大的变化，故此时混合气的组成对着火的影响就不大了。 此外，着火浓度界限还随着散热程度（S/V）的增大而缩小，如图4-3和图4-4中所示。 综上所述，为了使可燃混合物易于迅速着火，不论是提高温度或压力（或两种都提高）都是有效的。,第三节 强迫着火理论,一、强迫着火条件 在燃烧技术中，为了加速和稳定着火，往往由外界对局部的可燃混合物进行
14、加热，并使之着火。之后，火焰便自发传播到整个可燃混合物中，这种使燃料着火的方法称为强迫着火。,通常，实现强迫着火的方法有：组织良好的炉内空气动力结构，使高温烟气向火炬根部回流来加热由喷嘴喷出的燃料；采用炉拱、卫燃带或其他炽热物体，保证炉内有高温水平，向火炬根部辐射热量；采用附加的重油或其他的点火火炬，或应用电火花点火等。,可见，强迫着火和热自燃着火在本质上并没有差别，都是因为热量引起的，只不过热量来源不同，前者要求在可燃物某部分容积中首先进行高速的化学反应，高速化学反应的原因也是由于可燃物被加热至一定温度后，燃料放热量大于其向周围散热量而产生的自动加速效应，其后，由局部着火源的火焰开始向其他可
15、燃物扩散。因此，强迫着火不但与点火源的特性有关，而且与火焰传播的特性有关。,图4-5 强迫着火过程,在图4-5(a)中，炽热体附近的可燃物受到加热，当炽热物体的温度为Tl时，如果其周围是情性气体，则按照传热规律在气体中温度按曲线1变化。如果在炽热体周围充满了可燃物，那么在曲线1的基础上应加上可燃物化学反应的热效应，使温度提高至曲线2。由曲线2的温度分布可知，越远离炽热物体，温度越低，因此可燃物只能处于低温氧化状态而不能着火。,在图4-5(b)中，当把炽热物体温度提高至T2时，惰性气体的温度分布为曲线1，对于可燃物来说，由于在T2温度下，炽热体附近的可燃物进行较剧烈的化学反应，所放出的热量向周围
16、扩散，使可燃物温度的下降的趋势得以制止，使温度水平提高到和曲线2一样。这时处于着火的临界状态，温度T2一般称为临界点燃温度。,在图4-5(c)中，再稍微提高炽热温度至T3，则炽热物体周围可燃物的放热量大于其散热量，着火过程不可避免地出现，在离开炽热体后，可燃物因着火使温度不断提高，如曲线2所示。,由此可见，要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体附近可燃物的温度梯度等于零，即：点燃后：0,但试验往往发现，临界的点燃温度T2通常比热自燃着火理论所求出的临界着火温度Tzh高几百度，亦即如果把炽热物体温度提高至Tzh，可燃物仍然不能点燃，此时在炽热体附近的可燃物会着火，但这局部火焰不能传播到整个可燃物内。原因如下：,（1）没有满足温度梯度条件式，此时虽然T1Tzh，但远离炽热体后温度即迅速下降，如图4-5(a)所示； （2）由于化学反应作用，使壁面附近的可燃物浓度降低到很小的数值，以致火焰不能再往外传播。可见要实现强迫着火，其临界点燃温度必需比燃料热自燃着火温度高很多。,
