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1、第1章 绪论1.1 引言火灾是国内外安全工作者特别关心的问题之一。目前世界上每年都要发生各种情况的火灾，给社会经济、人民生命财产造成无法估量的损失。燃烧学是研究火灾防治方法及技术的基础。同时，燃烧在工业部门有着广泛的应用背景。在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的能源所占比例高达80-85%。燃烧技术不仅在冶金、电力、机械、化工、轻工、交通、农机等各生产领域得到了广泛的应用，而且还渗透到日常生活的各个方面（如抽烟、烧饭、汽车等等）。对于航空、航天、兵器这些特殊的技术领域，更是完全建筑在以燃烧技术为核心的综合技术基础之上。可以说没有燃烧就没有我们的现代文明。强化燃烧、节约能源、防火灭火、防止污染
2、这四大问题是当今燃烧技术发展最迫切、最热门的课题。因此，燃烧学是安全工程专业及其它与燃烧过程有关专业的一门重要技术基础课。学好本课程对知识面的拓宽及综合能力的培养有着极其重要的意义。从化学观点看，在燃烧过程中，原来物质的分子结构遭到破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变迁，最后产生了新的物质，即燃烧产物。在化学反应中，总的位能降低了，即所谓化学能降低了。这部分能量大都以热能和光能的形式释放出来，表观上形成了火焰。从物理观点看，燃烧过程总是发生在物质流动系统中，这种流动可能是均相流也可能是多相流，流态可能是层流也可能是湍流；其次，燃烧现象总是在不均匀物质场条件下进行，多种物质组分
3、间的混合、扩散在不断地进行着，甚至外界环境（如电磁场、重力场）对燃烧还会产生显著地影响。因此燃烧是一种物理和化学的综合变化过程，是一个复杂的不断变化着的动态过程。它是一门交叉学科。学习燃烧理论既要求有化学热力学及化学反应动力学的一些基本知识，又需要对流体力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题，例如：化学家 - 研究燃烧的反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题;热能工程师 - 研究锅炉等燃烧设备的设计，煤等燃料的燃烧技术及燃烧中的流体力学、传热、传质等热物理现象，燃烧设备的管理使用，燃烧能量的合理使用等
4、；汽车发动机专家 - 研究内燃机的设计，汽油、柴油等燃料的间隙式燃烧技术及作功效率等；飞机发动机专家 - 研究航空发动机，航空燃料的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；火箭发动机专家 - 研究火箭发动机，推进剂的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；安全专家 - 研究火灾的防治，关心的是各种可燃物的着火、燃烧、爆炸及火焰熄灭等。研究燃烧最重要的方法还是实验法。大体上又可分为三类：一、基本现象的研究。利用实验室手段，人为造成单一的简化条件，使综合的燃烧现象转化为其他条件稳定单一条件变化的燃烧问题。这种方法有利于分析各种条件对燃烧的影响，如密闭容器中燃烧（减少了环境气流的影响）、本生灯火焰（减少了扩散的
5、影响，造成预混气体条件）、液滴、碳粒、单粒推进剂燃烧等都属此类。但这种研究方法只有理论价值，与实用条件有较大差距，只是基础性研究方法。二、综合性研究。在实用燃烧装置条件下对各种工况的燃烧规律进行研究，也包括模型装置和中间装置的研究。如内燃机燃烧室、固体火箭发动机、燃气轮机的实验研究等。这类研究很有实用价值，所得各种规律可以直接指导工程实践。但由于燃烧现象复杂，这种方法难于剖析其机制。三、介于前两者之间的半基本半综合性的研究。数值计算是研究燃烧的另一重要方法，称为计算燃烧学。在实验的基础上建立起燃烧的各种物理数学模型，借助于计算机模拟整个燃烧过程。数值计算方法的建立依赖于实验基础数据，其结果的可
6、靠性也依赖于实验验证，但它往往能提供通过实验方法而无法获得的信息。实验、理论及数值计算相结合是研究燃烧的最好方法。本课程将侧重于燃烧理论的基础，着重介绍燃烧中的共性的知识，而不是要解决某一工程实际问题。通过对燃烧和火灾模型的学习，重点通过研究火焰结构模型，学习建立燃烧物理模型及数学模型的方法和理论，要注意每一种燃烧模型和理论自身的特定实验依据和为便于数学处理所做的假设。这些模型和理论，特别是为后人印证较多的的模型和理论，对我们深入理解燃烧过程的实质，在一定范围帮助我们分析和解释有关燃烧现象，具有理论指导意义。1.2 燃烧概述1.2.1 燃烧的定义燃烧是可燃物质与氧化剂作用发生的一种放热发光的剧
7、烈化学反应。国标（GB5907-86）定义：燃烧是可燃物与氧化剂发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟现象。通常把一切强烈放热的、伴随有光辐射的快速化学反应过程都称为燃烧。强烈的氧化反应是最典型的燃烧，此外与氧化反应相类似的氮化、氟化、氯化、溴化等反应也是燃烧现象。在有两种组分参加的燃烧反应中，把放出活泼氧原子（或类似的原子）的物质称为氧化剂，而另一类组分就称为燃料。前者如氧、空气、发烟硝酸、双氧水等，后者如碳、氢、汽油、煤油、天然气、木材、钾、镁、硫、硼等。此外，推进剂和火药则是靠药剂自身既提供氧化剂又提供可燃物的一种特殊材料。可燃物在燃烧过程中，生成了与原来的物质完全不同的新物质。
8、例如：C+O2 CO2燃烧不仅能在空气（氧）存在时能发生，有的可燃物在其他氧化剂中也能发生燃烧。例如：H2+Cl2 2HCl镁屑甚至能在二氧化碳中燃烧。在日常生活、生产中看到的燃烧现象，大都是可燃物与空气（氧）或其他氧化剂进行剧烈化合而发生的放热发光现象。实际上，燃烧不仅仅是化合反应，也有的是分解反应。从本质上讲，燃烧是剧烈的氧化还原反应。但燃烧并不单纯是一个化学过程，其间还涉及流动、传质、传热等过程的综合作用，因此燃烧是一个极其复杂的物理化学过程。燃烧学是研究燃料和燃烧过程中的着火、点火、熄火及反应机理的学科，而研究所获得的系统性成果就是燃烧理论，燃烧技术则是指在燃烧理论指导下合理组织燃烧过
9、程的技术。迄今，燃烧学依然是一门年轻的学科，其绝大多数理论与技术都是在工业革命后发展起来的。不同类型的燃烧有着不同的燃烧规律和特点，因此就必须用不同的物理模型和数学模型来描述它。例如，在火箭技术领域中，液体火箭推进剂的燃烧属于液雾扩散燃烧；固体推进剂中双基推进剂的燃烧接近于预混燃烧，因为它是负氧物质硝化棉及富氧物质硝化甘油的混合物；而对混合推进剂的燃烧则是扩散预混燃烧共存的燃烧，混合炸药的燃烧也属于此类。（参考7）1.2.2 燃烧的三要素燃烧虽然是一种非常普遍的现象，但是它也不是随便发生的。燃烧必须具备三个条件，即燃烧的三要素。1）有可燃物质存在。不论是固体、液体、气体，凡是能与空气中的氧或其
10、他氧化剂起剧烈反应的，一般都称为可燃物。（固体燃料如煤，液体燃料如汽油，气体燃料如甲烷）；2）有助燃物质存在。助燃物，顾名思义就是能帮助和支持燃烧的物质。例如空气、氟、氯、氧等，发生火灾时空气是主要的助燃物；3）有导致燃烧的能源，即点火源。最常见的着火源是热能，还有电能、化学能、光能、机械能等。常见着火源主要有以下几种：1）明火。如生产和生活中的灯火、火炉、火柴、打火机、烟头、烟筒或烟道喷出的火星、气焊和电焊喷火、机动车辆排气筒冒出的火星等。2）电火花。如电气开关在开闭电闸时的弧光放电，电动机、变压器等电气设备产生的电火花。还有静电火花，如液体流动引起的带电、喷出气体的带电、人体的带电等。3）
11、撞击或摩擦产生的火星。如机器上轴承转动的磨擦、铁钉落入设备内后铁器和机件撞击、磨床和砂轮的磨擦、铁器工具相撞或与混凝土相碰等。4）高热物质和高温表面。如加热装置、烧红的电炉、电加热器、高温物料的输送管、冶炼厂或铸造厂里熔化的金属、烟囱和烟道等。5）雷击。是瞬间的高压放电，能引起任何可燃物质的燃烧。6）自燃起火。以上三要素必须同时具备，并且要分别满足一定条件，三者相互结合、相互作用，燃烧才能发生；如缺少其中任何一个条件，燃烧都不能发生，或燃烧将停止。例如：在教室里桌、椅、门、窗等可燃物质，有充满空间的助燃物（空气），有火源（电源），构成燃烧的条件均存在，但并不会发生燃烧现象。1.2.3 燃烧中的
12、几个常用概念1）闪燃：在液体（固体）表面上能产生足够的可燃蒸气，遇火能产生一闪即灭的火焰的燃烧现象称为闪燃。2）阴燃：没有火焰的缓慢燃烧现象称为阴燃。3）爆燃：以亚音速传播的爆炸称为爆燃。 4）自燃：可燃物质在没有外部明火等火源的作用下，因受热或自身发热并蓄热所产生的自行燃烧现象称为自燃。亦即物质在无外界引火源条件下，由于其本身内部所进行的生物、物理、化学过程而产生热量，使温度上升，最后自行燃烧起来的现象。5）闪点：在规定的试验条件下，液体（固体）表面能产生闪燃的最低温度称为闪点。闪点的意义：（1）闪点是生产厂房的火灾危险性分类的重要依据；（2）闪点是储存物品仓库的火灾危险性分类的依据；（3）
13、闪点是甲、乙、丙类危险液体分类的依据；（4）以甲、乙、丙类液体分类为依据规定了厂房和库房的耐火等级、层数、占地面积、安全疏散、防火间距、防爆设置等；（5）以甲、乙、丙类液体的分类为依据规定了液体储罐、堆场的布置、防火间距、可燃和助燃气体储罐的防火间距，液化石油气储罐的布置、防火间距等。6）燃点：是指在规定的试验条件下，液体或固体能发生持续燃烧的最低温度称为燃点。一切液体的燃点都高于闪点。7）自燃点：是指在规定的条件下，可燃物质产生自燃的最低温度是该物质的自燃点。可燃物质发生自燃的主要方式是：（1）氧化发热；（2）分解放热；（3）聚合放热；（4）吸附放热；（5）发酵放热；（6）活性物质遇水；（7
14、）可燃物与强氧化剂的混合。影响液体、气体可燃物自燃点的主要因素：压力：压力越高，自燃点越低；氧浓度：混合气中氧浓度越高，自燃点越低；催化：活性催化剂能降低自燃点，惰性添加剂能提高自燃点；容器的材质和内径：器壁的不同材质有不同的催化作用；容器直径越小，自燃点越高。影响固体可燃物自燃点的主要因素：受热熔融：熔融后可视液体、气体的情况；挥发物的数量：挥发出的可燃物越多，其自燃点越低；固体的颗粒度：固体颗粒越细，其比表面积就越大，自燃点越低；受热时间：可燃固体长时间受热，其自燃点会有所降低。8）氧指数：是指在规定条件下，固体材料在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧含量。氧指数高表示材料不易燃烧
15、，氧指数低表示材料容易燃烧，一般认为氧指数22属于易燃材料，氧指数在22-27之间属可燃材料，氧指数27属难燃材料。9）可燃液体的燃烧特点：可燃液体的燃烧实际上是可燃蒸气的燃烧，因此，液体是否能发生燃烧，燃烧速率的高低与液体的蒸气压、闪点、沸点和蒸发速率等性质有关。在不同类型油类的敞口贮罐的火灾中容易出现三种特殊现象：沸溢、喷溅和冒泡。突沸现象：液体在燃烧过程中，由于不断向液层内传热，会使含有水分、粘度大、沸点在100以上的重油、原油产生沸溢和喷溅现象，造成大面积火灾，这种现象称为突沸现象。能产生突沸现象的油品称为沸溢性油品。10）固体燃烧特点：固体可燃物经过受热、蒸发、热分解，固体上方可燃气
16、体浓度达到燃烧极限，才能持续不断地发生燃烧。燃烧方式分为：蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧和阴燃四种。需区分的几个概念1）燃烧（Combustion）与火焰（Flame） 燃烧是一学术用语，指的是放热、发光的快速化学反应这一过程。火是人们对燃烧的表观现象的习惯称呼。火焰与火很接近，但更强调其反应介质及发光的本质。2）燃烧（Combustion）与爆炸（Explosion）爆炸是以剧烈的体积膨胀为特征。有物理爆炸，如锅炉爆炸、原子弹爆炸等，和化学爆炸之分。化学爆炸是一种剧烈的燃烧。广义的燃烧应包含爆炸，但燃烧这个概念大都用于不太剧烈的过程，在这层意义上它与爆炸这个概念是并列的。但无论如何燃烧不能等同于爆炸。3）层流（Laminar）与湍流（Turbulent）燃烧4）爆燃
