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1、2023/2/2,1,第二章 火灾燃烧基础,2.1 燃烧基础2.2 火灾特殊燃烧形式2.3 可燃物质及其燃爆危险特性2.4 典型火灾发展蔓延过程,2023/2/2,2,2.1 燃烧基础,火灾是失控燃烧所造成的灾害，是一类在特殊情况下发生的燃烧。火灾燃烧具有随机性和确定性双重特性，火灾燃烧的确定性说明其符合工业燃烧的基本规律，在对火灾的研究中可以被借鉴。有关火灾中特殊火行为、火灾中燃烧物质特殊性质，以及典型火灾的发展和蔓延规律，都需要加以辨识和探讨。,2023/2/2,3,2.1 燃烧基础,（一）链式反应理论 物质燃烧原理是指物质燃烧的发生、发展和终止的本质和机理。历史上曾出现各种燃烧学说，包括
2、燃烧素学说、燃烧氧学说、分子碰撞学说、活化论理论、过氧化物理论和链式反应理论等。20世纪以来，人们经过大量的实验研究和各种探索，普遍认为:由俄国科学家谢苗诺夫提出的链式反应理论，能够比较圆满的解释燃烧的本质。因此，本节就以此理论为基础对燃烧原理予以阐述。,一、燃烧原理与燃烧条件,2023/2/2,4,1、定义,2.1 燃烧基础,是化学动力学中一类特殊的反应，实际的反应很快，经历了一系列复杂的中间反应历程。整个反应由若干相继发生或平行发生的基元反应组成。每一次基元反应又会产生活化中心，且促使反应能够继续发展，所以链式反应又可称为具有活化中心再生的化学反应。参加反应的中间活性产物或活化中心一般是自
3、由态原子或自由基（游离基）。,在化学合成工业中很多都与链锁反应有关，如橡胶的合成，石油的裂解，塑料、高分子化合物的制备等。燃烧反应属于链锁反应中的支链反应。,2023/2/2,5,2.链式反应历程：（1）游离基存在，游离基是一类活性很强、瞬变的不稳定物质，如图2一1所示，是某些原子、分子碎片或其他中间物质。它在少量外能作用下被激活，并引起其他物质反应。,2023/2/2,6,（2）链引发-由反应物分子生成自由基的反应。当游离基在少量外能作用下被激活后导致游离基活化反应，物质连锁反应开始。这些外能如加热、光照射、放射性照射、催化作用等。,自由基的生成光解热解,2023/2/2,7,（3）链传递-
4、自由基与分子相互作用的交替过程 链式反应中链的传递模式如下:游离基+化合物分子 新游离基+生成物 链传递有以下两种形式:直链链式反应：反应速度慢，每一次连锁反应消失一个游离基，产生一个新游离基，通过链传递的系统反应，把反应一直进行下去.,2023/2/2,8,支链链式反应：分支链链式反应是指一个游离基在链传递过程中，生成最终产物的同时，产生两个或两个以上的游离基。游离基的数目在反应过程中随时间增加，因此，反应速率是加速的，如图2-3所示。,2023/2/2,9,链式反应速度：链式反应速度可按下式进行分析:式中：F(c)为链式反应物浓度函数；fs为游离基在器壁上销毁因素；fg为游离基在气相中销毁
5、因素；Ac为反应物温度有关系数(倒数)；为链分支数，直链，=1，分支链 l。影响链式反应速度因素分析;当反应物的浓度和温度增加时，链式反应速度增加，链式反应速度与链的形式有关。分支链式反应速度快，直链链式反应速度慢。当 fs+Ac(1-)0 时，v变为无穷大，体系将发生爆炸。,2023/2/2,10,直链反应 反应活化中心不增殖。如反应：,支链反应 反应活化中心不断增殖。,Ea25kJmol,Ea 12.6KJmol,2023/2/2,11,（4）链终止-当自由基被消除时链就中止。当游离基在反应中碰到杂质或抑制剂时，使游离基 失去活性，结合成非活性物质。如下反应式所示:游离基+抑制剂一游离基+
6、非活性物质 销毁方式：气相销毁和器壁销毁。,2023/2/2,12,1）、氢氧的燃烧反 应机理,相加得,（链传递及支化）,（链终止）,（8）,总反应:,（1）,（链引发）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,3.几种典型的支链反应,（惰性物质）,2023/2/2,13,化学反应速度,2023/2/2,14,2.1 燃烧基础,（二）物质燃烧的条件1.物质燃烧的必要条件就客观而言，物质燃烧的基本条件是：必须具有可燃剂、氧化剂及热源（温度、点火源)，如图2-4所示的燃烧三角形。从现代燃烧理论的角度分析，燃烧的必要条件除了上述的三点外，还必须保持参与燃烧物质的链式反应未受到抑制，如图2-5
7、所示的燃烧四面体同时存在。,2023/2/2,15,2.1 燃烧基础,（二）物质燃烧的条件物质燃烧的必要条件是:存在可燃物，如甲烷、汽油、木材等；存在氧化剂(助燃剂)，火灾中主要是指空气中的氧气；热源，如明火、摩擦、高温表面、电火花等;未受到抑制的链式反应条件。上述四个条件中，可燃剂、氧化剂和热源构成燃烧三要素，只有它们同时存在并相互发生作用时，燃烧才能产生，缺少其中任一要素燃烧便不能发生。燃烧发生以后要使燃烧继续发展下去，必须存在上述第四个条件，即物质的链式反应不受到抑制。,2023/2/2,16,2.1 燃烧基础,（二）物质燃烧的条件2.物质燃烧的充分条件 许多事实表明，要使物质燃烧能够发
8、生和得到发展，除了具有上述四个必要条件以外，还必须具有以下三个充分条件:(1)一定量的可燃剂浓度。如甲烷在空气中的浓度必须控制在5-15%的可燃极限范围以内，方能燃烧。(2)一定的氧含量。正常空气中的含氧量为21%，当含氧量大于14%，可燃物才能燃烧，如汽油燃烧最低含氧量为14.4%，煤油为15%。,2023/2/2,17,2.1 燃烧基础,（二）物质燃烧的条件2.物质燃烧的充分条件(3)一定的点火能量。外界点火能量必须达到可燃物最小点火能以上，燃烧才能发生，如汽油的最小点火能为0.2 mJ 总之，可燃物只有具备上述四个必要条件和三个充分条件时，燃烧才能发生和得以继续下去。当火灾发生时，只要消
9、除四个必要条件中的一个，火灾将被扑灭。,2023/2/2,18,二、燃烧的基本概念（一）燃烧的定义燃烧：一种放热、发光和较快的化学反应，在燃烧中原有物质性质发生改变生成新的物质。三大基本特征是：放热、发光和产生新物质。不具备这三大特征的不是燃烧。如电灯泡钨丝通电只是放热发光，但不产生新物质，这不符合燃烧基本特征，不是燃烧。又如金属生锈、食物腐烂，它们都是化学反应生成新的物质，也放出热量，但它们不发光，因此，也不是燃烧。,2023/2/2,19,所有火灾的主要和基本现象是燃烧，除组成、结构简单的可燃气体外，绝大多数可燃物质的燃烧不是其本身在燃烧，而是其受热分解释放出的气体或液体蒸气在气相中燃烧，
10、这个过程极其复杂。为了简化问题，一般只考虑物质因受热而发生的最基本的燃烧过程。可燃物质的受热燃烧过程如图。,（二）物质燃烧过程及其温度分布,2023/2/2,20,由于可燃物质的聚集状态不同，其受热所发生的燃烧过程也不同。气体最容易燃烧，其燃烧所需的热量只用于自身的氧化分解，并使其达到燃点而燃烧；固态和液态可燃物的燃烧，实际上是在固体和液体表面上的凝聚相中开始，在气相火焰中结束。液体燃烧时，在火源作用下，首先使其蒸发成蒸气，然后蒸气被氧化、分解，而后在气相中燃烧；在固体燃烧时，如果是硫、磷、萘等单质，它们首先受热熔化或升华，然后蒸发成蒸气，氧化后进行燃烧，其中没有分解过程。如果是复杂的化合物，
11、如聚合物、木材、煤等在受热时首先分解，析出气态和液态产物，然后气态产物和液态产物的蒸气发生氧化后着火燃烧。,2023/2/2,21,可燃物质的燃烧过程包括许多吸热和放热的化学过程以及传热的物理过程。物质受热燃烧，它的温度变化是很复杂的，燃烧过程中的温度变化情况见图2-7A点的温度为TA，是可燃物开始加热时的温度，在这最初阶段，外界提供加热的热量主要用于可燃物的熔化、蒸发和分解，可燃物温度上升缓慢。B点的温度是TB，当可燃物达到TB温度时，在凝聚相开始氧化并放热，但由于温度尚低，故氧化速度较慢，氧化所产生的热量还不足以抵消体系向周围环境散失的热量。此时若撤掉热源，可燃物将降低温度，燃烧不能发生；
12、若继续在热的环境中加热，则因氧化反应速度逐步加快，使温度上升较快。,图2-7 物燃烧过程温度分布图,2023/2/2,22,C点的温度为TC，当可燃物温度升高至TC时，可燃物氧化产生的热量和体系向环境散失的热量相等，也就是说，在TC温度时体系产生的热量和向环境散失的热量达到干衡。若热源的温度稍有扰动，使体系的温度略高于TC，热平衡被打破，此时可燃物氧化产生的热量大于体系向环境散失的热量，体系产生热量积累，温度继续上升。因此TC为体系从不燃烧到燃烧的转折点，即为可燃物的燃点。,图2-7 物燃烧过程温度分布图,2023/2/2,23,D点的温度为TD，当可燃物温度上升到TD时，可燃物已发生燃烧，同
13、时出现火焰，且温度继续上升。E点的温度为TE，此时是可燃物经燃烧后，其产物达到的最高温度。可燃物在TA和TB温度之间，是它的受热区域，在TB和TC温度之间是可燃物在凝聚相中的反应区域；在TC和TD温度之间是可燃物在气相中的反应区域；TD温度以后，可燃物产生火焰，反应物变成了生成物，温度达到燃烧最高温度TE。,图2-7 物燃烧过程温度分布图,2023/2/2,24,我们把可燃物从温度TA升到TC。所需的时间(tc-tA)称作预备期(t1)；把从温度TC升到TD所需要的时间(tD-tc)称作诱导期(t2)。可燃物处于预备期时，只要移去升温热源即可中止燃烧过程。但预备期的温度往往较低，燃烧现象不明显
14、，因而不易被察觉。当可燃物处于诱导期时，温度急剧升高，产生大量烟气，容易被察觉，一些固体可燃物的诱导期较长，可利用诱导期温度急剧升高、产生烟气的信息，带动防火灭火装置，制止火灾发生。,2023/2/2,25,（三）燃烧形式1）预混燃烧：可燃气体与阻燃气体预先在容器、管道或空间均匀混合，且可燃气体浓度在爆炸极限范围内，遇火源即发生燃烧或爆炸。,2023/2/2,26,（三）燃烧形式由于混合物性质、聚集状态（雷诺数、混合比、混合均匀程度、空间结构）、点火源功率的不同，其化学反应的速度有很大差别，可分为以下几种：燃烧：几厘米至几米/秒；爆燃：十几米至上百米/秒，变速不稳定传爆；爆炸：上百米至上千米/
15、秒，增速不稳定传爆；爆轰：上千米至9千米/秒，稳定传爆。在供氧不足室内充满可燃气体的建筑火灾中，当外界空气突破门窗大量进人室内，发生的轰燃现象，就是一种准预混燃烧(预混爆燃)，往往会造成重大的人员伤亡和财产损失。,2023/2/2,27,（三）燃烧形式2）扩散燃烧：气相可燃物从管口或容器裂缝处流向空间，由于可燃气体与空气的互相扩散、混合，当达到可燃浓度并接触火源时，即被点燃形成火焰，并使燃烧继续下去。如工业或生活中使用的天然气、液化石油气通过燃烧器的燃烧。,2023/2/2,28,3）蒸发燃烧：由于液体蒸发产生的蒸汽被点燃起火而形成的，蒸气点燃形成火焰，它放出来的热量进一步加热液体表面，从而促
16、使液体继续蒸发，使燃烧继续下去。奈、硫磺等在常温下虽为固体，但在受热后会升华产生蒸气或熔融后产生蒸气，因而同样能够引起蒸发燃烧。,2023/2/2,29,4）分解燃烧：在燃烧过程中可燃物首先遇热分解，再由热分解产物和氧反应产生火焰的燃烧。如木材、煤、纸.等固体可燃物的燃烧属于此类；油、脂等高沸点液体和低熔点的固体烃类（如沥青、蜡等）的燃烧也属于此类。在扩散燃烧、蒸发燃烧和分解燃烧的过程中，可燃物分别是气体、液体或固体，但它们分别经过流出、熔融、蒸发、升华、分解等步骤产生可燃气体，然后和空气相互扩散混合，经火源点燃后产生火焰，这些火焰都是扩散焰。,2023/2/2,30,5）表面燃烧：先是分解产
17、生可燃气体，继续进行热分解，最后分解不出可燃气体，只剩下不能气化的固体，此时燃烧在空气和固体表面接触的部位进行。它能产生红热的表面，不产生火焰、燃烧的速度和固体表面的大小有关。铝、镁、铁等金属的燃烧也发生在固体金属的表面上，它们的燃烧也是表面燃烧。,2023/2/2,31,综上所述，其中预混燃烧与扩散燃烧是发生在气相物质的燃烧；蒸发燃烧则发生在液相和部分固相物质中；分解燃烧主要发生在一般固体可燃物和低熔点固体烃类和油脂类高沸点液体中；而表面燃烧则发生在不能气化的固相物质燃烧中。,2023/2/2,32,（四）火焰发光的气相燃烧区域称为火焰。火焰的存在是燃烧过程进行中最明显的标志。气体燃烧一般存
18、在火焰。液体燃烧是指液体受热蒸发出的蒸气燃烧，也存在火焰。有挥发性热解产物产生的固体燃烧存在火焰；而无热解产生的固体燃烧，无火焰存在，如木炭、焦碳等，它只有发光的灼热嫩烧，这种现象被称为无焰燃烧。,2023/2/2,33,（四）火焰,火焰的分类：按照燃料和燃烧的不同特征，可将火焰分为许多类型，如：,2023/2/2,34,4 火焰,1.气体火焰气体火焰（如图2-9）根据可燃气体与空气混合的时间可分为预混火焰和扩散火焰。可燃气与空气预先混合后再进行的燃烧，其火焰称为预混火焰；可燃气与空气边混合边燃烧的火焰称为扩散火焰。,2023/2/2,35,4 火焰,1.气体火焰 扩散火焰与预混火焰其结构是不
19、相同的，在扩散火焰中由于燃烧不充分会产生碳粒，碳粒在高温下辐射出黄色光而使整个火焰呈黄色，如图2-9(a)所示。,2023/2/2,36,4 火焰,1.气体火焰预混火焰则由两部分组成，内区呈绿色，外区呈紫红色，内区是可燃气与氧气进行化学反应时的气体辐射；外区是已燃气体的微弱可见光辐射，如图 2-9（c）所示。如果预混气中空气不足，在内区氧气燃烧完以后尚有部分多余可燃气体穿过内区与大气中扩散进人的氧气在绿色内区与紫红色外区之间进行扩散燃烧，于是，火焰就由三部分构成；即绿色内区、黄色中区和紫红色外区，如图2-9（b）所示，这是过渡火焰的结构。,2023/2/2,37,4 火焰,2.液体火焰液体受热
20、后，液体表面上的蒸气达到一定浓度后，其蒸气与空气的混合气遇火源发生燃烧，初起时的燃烧属于预混燃烧，是预混火焰。当预混气燃完以后，其后的燃烧则是蒸气不断地蒸发进人火焰面，空气从周围不断扩散到火焰面，两者在火焰面处边混合边燃烧。因此，液体燃烧主要方式是扩散燃烧，其火焰是扩散火焰。,2023/2/2,38,4 火焰,3.固体火焰一般固体可燃物（如木材）受热后不断释放出热解产物进人火焰，与环境中不断进人火焰的空气边混合边燃烧，因此，固体燃烧火焰都属于扩散火焰。,2023/2/2,39,4 火焰,3.固体火焰 另一类低熔点单质可燃固体（如蜡等），其火焰结构如图2-10所示。当蜡受火焰加热后先熔融为液体蜡
21、，液体蜡在火焰浮力作用下沿灯芯上升，经过蒸发、分解进人火焰燃烧。,2023/2/2,40,4 火焰,3.固体火焰蜡烛火焰结构由焰心、内焰和外焰三部分构成。焰心：是最内层亮度较暗的圆锥体部分，由液态蜡受热蒸发后分解出的气态可燃物构成，由于内层氧气浓度低，燃烧不充分，温度亦低。内焰：为包围在焰心外部较明亮的圆锥体部分。在内焰中气态可燃物进一步分解，因氧气供应仍然不充分，燃烧亦不够完全，但温度较焰心为高，在焰心中的微小碳粒受热后辐射出较明亮光线。因此，内焰亮度最强。,2023/2/2,41,4 火焰,3.固体火焰外焰：为包围在内焰外部亮度较暗的圆锥体，在这层火焰中氧气供应充分，燃烧完全，燃烧温度较高
22、，在外焰燃烧的主要是CO与H2，碳粒很少，几乎没有光亮。,2023/2/2,42,（五）火灾释放热速率,火灾释热速率是火灾中物质燃烧时热量释放的速率，它是火灾燃烧特性之一，是表示火灾发展的一个主要参数。在设计新建筑或分析现有建筑的火灾安全状况时，建筑物内可能发生火灾物质的释热速率是决定火灾发展以及火灾危害的主要参数，也是采取防消对策的基本依据，因此，对其研究具有重要意义。,2023/2/2,43,（五）火灾释放热速率,就原理而言，火灾释热速率可按下式进行估算;m 可燃物为燃烧速率；为燃烧效率因子，反应燃烧不完全程度；为可燃物热值。,2023/2/2,44,（五）火灾释放热速率,实际上由于各项参
23、数难以合理确定，按上式计算火源的释热速率是困难的，如火灾中的可燃物组分变化很大，总的热值难以确定;其次是火灾中物质燃烧通常是不完全的，燃烧效率因子难以正确确定，中值一般在0.30.9之间。因此，普遍认为应通过实验来估算特定火灾中典型物品的释热速率。表2-1是一些垫枕的释热速率数据。,2023/2/2,45,（五）火灾释放热速率,2023/2/2,46,（五）火灾释放热速率,火灾初期的释热速率是控制火灾的关键问题之一，其增长速率大体按指数规律增长。火灾初期时物质燃烧的释热速率的增长可分为超快速型、快速型、中速型和慢速型四种类型，如图2-13所示。沙发等一般为超快速型;纸壳箱、板条架为快速型；棉花
24、和厚脂纤维弹簧床为中速型。该参数图可用以估算实际物品初期火灾释热速率的增长。,2023/2/2,47,一、阴燃定义：是一种发生在气固相界面处的燃烧反应，是固体物质无气相火焰的缓慢燃烧，通常产生烟和伴有温度升高。是固体物质特有的燃烧形式。燃烧速度慢、温度较低，不易被发现阴燃与有焰燃烧的区别：无火焰阴燃与无焰燃烧的区别：能热分解出可燃气。在一定条件下，阴燃可以向明火转化，转变为有焰燃烧。阴燃在建筑火灾和森林火灾初起阶段的前期常有 发生。,第二节 火灾特殊燃烧形式,2023/2/2,48,此外，阴燃过程中产生的烟雾中，含有可燃气体，有发生爆炸的危险性；阴燃火灾发生堆积物的内部，较难彻底扑灭，并且易发
25、生复燃。因此阴燃具有很大的危险性。,2023/2/2,49,阴燃的发生条件,阴燃能否发生，取决于固体材料自身的理化性质及其所处的外部环境。固体材料的理化性质：固体介质疏松多孔，固体颗粒直径在103米量级以下，如：纸张、锯末、纤维织物、纤维板、胶乳橡胶及其某些多孔热固性塑料 受热分解后能产生刚性结构的多孔炭，从而具备多孔蓄热并使燃烧持续下去的条件。而有些物质的粉末分散于能阴燃的固体上时。可抑制阴熬发牛.如S、CaCl2、ZnCl2等,2023/2/2,50,空气不流通，如固体堆垛内部的阴燃，处于密封性较好的室内的固体阴燃。固体内部存在空气，从而发生氧化放热反应维持阴燃状态固体氧化反应所产生的CO
26、2等不可燃气体大大稀释了热解所产生的可燃气体，使有焰燃烧难以形成,阴燃的发生条件,外部环境：,2023/2/2,51,一个供热强度适宜的热源，引起阴燃的热源包括：1.自燃热源：如固体堆垛内的阴燃大多是自燃结果，待阴燃缓慢向外传播至堆垛表面时，就转为有焰燃烧;2.阴燃本身成为热源。如香烟的阴燃引起地毯引燃；3.有焰燃烧火焰熄灭后的阴燃：如固体堆垛有焰燃烧的外部火焰被水扑灭后，内部仍处于炽热状态，而可能发生阴燃，经过一段时间，外部水分蒸发，阴燃向外发展至堆垛表面时，就会发生死灰复燃现象。,阴燃的发生条件,外部环境：,2023/2/2,52,阴燃的传播,2023/2/2,53,原始纤维区（0区）：通
27、过传导少量加热，但未发生受热分解。热解区(I区)：区内温度急剧升高，并从原始材料中挥发出烟，纤维素变色，并开始炭化，此时温度约为250-3000C。应该说明的是，当使用的固体材料相同，在阴燃中产生的烟与在有焰燃烧中产生的烟大不相同；由于阴燃一般不发生明显氧化，其烟中含有可燃气体，以及冷凝成悬浮粒子的高沸点液体和焦油等，是可以燃烧的;在密闭空间内，阴燃聚集能够形成可燃或可爆性混合气体;曾发生过乳胶垫阴燃而导致烟雾爆炸的事故。,2023/2/2,54,炭化区(区)：该区中由热解产物(烟)挥发后剩下的炭，在其表面发生氧化并放热，纤维素材料的温度升高至最大值(可达6007500C)。残余灰炭区(区)：
28、在该区中，灼热燃烧不再进 行，温度开始降低。实际上，阴燃传播各区间并无明显界限，而应该是连续的。,2023/2/2,55,阴燃向有焰燃烧的转变,（一）阴燃从材料堆垛内部传播到外部时转变为有焰燃烧，由于不再缺氧，可转变为有焰燃烧。（二）加热温度提高，阴燃转变为有焰燃烧（三）密闭空间内材料的阴燃转变为有焰燃烧，固体材料发生阴燃，并产生大量不完全燃烧产物充满空间，当突然打开空间某些部位，新鲜空气进人，在空间内形成可燃混合气体，进而发生有焰燃烧或导致爆炸。这种由阴燃向爆燃的突发性转变十分危险。,2023/2/2,56,二、轰燃,轰燃（Flashover）是火灾由初期阶段向旺盛阶段转变的最显著特征之一，
29、它标志着火灾全面发展阶段的开始，房间内局部燃烧向全室性燃烧过渡。在火灾初起阶段后期，当通风条件良好，可燃物数量适当，火灾范围会迅速扩大，并引起室内相当数量的可燃物的热解和气化，一旦可燃气体达到燃烧极限下限，室内温度达到可燃气体燃点时，经过较短时间(几分钟)就会出现一种全室性气相火焰现象，并迅速点燃室内绝大多数可燃物表面，燃烧十分猛烈，温度升高很快，它标志着火灾由初起阶段后期进人全盛阶段。,2023/2/2,57,二、轰燃,轰燃发生后，由于燃烧极为猛烈，温度很快升高，人员在这种条件下很难生存，因此，就火灾中安全疏散而言，如果在爆轰发生前尚未从室内火灾场中逃生，那么将难以幸存。因此，认真研究室内火
30、灾中的轰燃规律对于火灾防治具有十分重要的意义。,2023/2/2,58,二、轰燃,常见定义：室内火灾由局部火向大火的转变，转变完成后室内所有可燃物表面都开始燃烧；室内燃烧由燃料控制向通风控制的转变，转变使得火灾由发展期进入最盛期；在室内顶棚下方积聚的未燃气体或蒸气突然着火而造成火焰迅速扩展。,2023/2/2,59,在工程上应用最广的两个轰燃判据为：上层热烟气平均温度达到600；地面处接受的热流密度达到20 kWm2，可燃物燃烧速度必须大于40g/s，并维持一段时间。满足这两个条件时，通常可燃物可以发生轰燃。影响轰燃发生最重要的两个因素是辐射和对流情况，也就是上层烟气的热量得失关系，如果接收的
31、热量大于损失的热量，则轰燃可以发生。轰燃的其他影响因素有：通风条件、房间尺寸和烟气层的化学性质等。,2023/2/2,60,轰燃现象的出现是火灾燃烧释放出大最热量积累的结果。实验研究表明，引起室内轰燃的热源主要是热辐射。建筑物室内地板接收到的热通量的辐射热源主要有以下三个方面:1）顶棚下方的热烟气层2）室内上部的顶与侧壁所有热表面的辐射3）火焰，包括垂直上升的火羽流与沿顶棚扩散的火焰。,2023/2/2,61,这些热辐射对轰燃出现的控制作用和影响取决于火灾发展过程中可燃物质的性质以及通风状况。在实际火灾中，一般都会产生大量烟气。因此，轰燃的出现主要由热烟气层的厚度和温度达到某一临界点时所决定，
32、因此，烟气层的热辐射对确定火灾的发展十分重要。,2023/2/2,62,轰燃发生过程示意图,2023/2/2,63,2023/2/2,64,2023/2/2,65,2023/2/2,66,三、烟气回燃,当通风条件非常差时，在室内发生的火灾燃烧一段时间后可能会因空气不足而熄火。这时，虽然没有燃烧过程，但是灰烬的温度仍然非常高。由于开始时的燃烧过程以及燃烧结束后的高温环境，使室内可燃物仍然进行着热解反应，室内会逐渐积聚大量的可燃气体，此时一旦通风条件改善，空气会以重力流的形式补充进来与室内的可燃气体混合。,2023/2/2,67,三、烟气回燃,当混合气被灰烬点燃后。就会形成大强度、快速的火焰传播、
33、在室内燃烧的同时，在通风口外形成巨大的火球，从而同时对室内和室外造成危言，这种“死灰复燃”现象就称为回燃。回燃具有隐蔽性和突发性，因此对生命财产安全危害极大。发生烟气回燃由以下两种情况：,2023/2/2,68,三、烟气回燃,第一，当建筑物的门窗关闭条件下发生火灾，或者是门窗虽未关闭严密，但室内存有大量可燃气体，燃烧过程中出现氧气供应严重不足，从而形成烟气层中含有大量可燃气体组分，此时，一旦突然形成通风缺口，如门窗破裂、救灾人员闯入，使大量新鲜空气突然进入，这将使可燃烟气获得充分氧气，燃烧强度显著增大，突发猛烈燃烧，室内温度迅速提高，这种燃烧还有可能使火灾转变为轰燃或爆炸。,2023/2/2,
34、69,三、烟气回燃,第二，室内发生火灾后，人们总会尽力扑救，大多数情况下火灾尚未发展到轰燃就被人为扑灭，这种情况下室内可燃材料中的挥发组分并未完全析出，可燃物周围的温度在短时间内仍比环境温度高，它容易造成可燃挥发气再度析出，一旦充分供氧条件形成，被扑灭的火场又会重新发生可燃烟气的明火燃烧，即烟气回燃。,2023/2/2,70,帕格内等人使用一个模型2.4m(长)1.2m(宽)1.2m(高)进行回燃传播实验，该实验以甲烷燃烧器为火源，先将模型开口全部关闭，可使燃烧器的火焰逐渐缩小，最终因缺氧而窒息，然后打开模型一端的开口，经过一段时间的延时，启动电火花点火器，形成的火焰由点火源开始，大体沿室内上
35、半部的热烟气和冷空气交界区所形成的非均匀可燃混合气处迅速蔓延开来，甚至从开口窜出。实验表明，烟气中甲烷可燃气组分浓度达到10%才开始发生回燃，当浓度大于15%时，形成猛烈火团，这是由于烟气回燃时，由甲烷与空气组成的混合可燃气体属非均匀相混合燃烧，其化学当量浓度有增高趋势所造成。,2023/2/2,71,防止回燃的发生的措施：1)控制新鲜空气的后期流入2）火灾中禁止启动无防爆措施的电气设备 当发现起火建筑物内生成大量黑红色浓烟时，不要轻易打开门窗以避免生成可燃性混合气。必须做好灭火准备，在房间顶棚或墙壁上部打开排烟口将可燃烟气直接排到室外；或在打开通风口时，沿开口向房间内喷人水雾，可以有效降低烟
36、气浓度，减少烟气被点燃的可能和有利于扑灭室内明火。,2023/2/2,72,四、火羽流与顶棚射流,火羽流：在火灾物质燃烧中，火源上方的火焰及烟气通称为火羽流(plume)。火焰区上方为燃烧产物(烟气)的流动区，其流动完全由浮力效应控制，可称为浮力羽流或烟气羽流。当烟气羽流碰到房顶后便形成沿顶棚下表面蔓延的顶棚射流。本节将分别讨论火羽流与顶棚射流的燃烧和流动特点及与火灾的关系。,2023/2/2,73,四、火羽流与顶棚射流,(一)火羽流火羽流的结构如图2-16所示。由于固体火灾燃烧时，其可燃气体的逸出是随加热逐渐分解后形成的，因此，其火羽流的火焰基本上是自然扩散火焰，火焰气体的流动是由浮力控制的
37、。由图2-16观察可知，自然扩散火焰可以分为两个小区，即在燃烧表面上方不远的区域内存在连续火焰面;再往上的一定区域内火焰则是间断出现的。前一小区称为持续火焰区，后一小区称为间歇火焰区。,2023/2/2,74,四、火羽流与顶棚射流,1.火羽流的温度与流速实验以甲烷为可燃气，在边长为0.3m的多孔燃烧器上首先测量了火焰沿中心线随高度变化的平均温度，在燃烧器上方不远的连续火焰区域内，火焰温度由500左右迅速增大到约8OO，然后保持稳定，火羽流再往上，火焰温度逐渐降低，在间歇火焰的边缘，温度约降低至320，在浮力羽流区继续下降直至接近常温。一般认为，自然扩散火焰的平均温度在500-600之间。火羽流
38、各区的温度高低亦反应了该区的燃烧强度。火羽流流速随高度的变化亦存在确定的关系:在刚离开燃烧器表面较短距离内，流速开始增加较快，一定距离后开始变缓，到达某一最大值，随后缓慢降低，这反映出由持续火焰向间歇火焰的转变。,2023/2/2,75,四、火羽流与顶棚射流,2.火羽流振荡在自然扩散火焰中，大部分是间隙火焰区，在稳定燃烧阶段，间隙火焰的出现和消失呈现相当有规律的振荡。当燃烧表面积小于lm2时，大多数火焰的振荡频率一般在38Hz,随着燃烧表面积减小，振荡频率降低。这种振荡是火羽流与周围空气之间的边界层不稳定所引起。,2023/2/2,76,McCaffrey自然扩散火焰火羽流结构示意图,2023
39、/2/2,77,四、火羽流与顶棚射流,2.火羽流振荡在接近连续火焰区的上端时，火焰面会由燃烧床的边缘向中间靠拢。在高温作用下火焰面内的可燃气将会急剧膨胀，产生向外扩展的趋势，同时周围受卷吸的空气也大幅度向中间流动。在火焰气体上升过程中，上述影响造成的边界层不稳定使火焰面的扰动增大，容易诱发自内向外的旋转，其中最大的扰动可呈现大体轴对称的涡旋结构。实验中可观察到的自然扩散火焰的振荡现象便是这种旋涡随羽流上升并发生燃烧的结果。漩涡上部的外露表面将形成火焰尖，当一个旋涡通过后，后面的旋祸又以同样的形式形成新的火焰尖，这是自然扩散火焰的典型特征。火焰的闪烁特性可用以区别红外辐射是来自火焰或是其他背景，
40、这为探测早期火灾提供一种依据。,2023/2/2,78,四、火羽流与顶棚射流,2.火羽流振荡火灾中自然扩散火焰的平均高度是一个重要的应用参数，根据火焰高度可以计算出燃烧床上方的火焰体积，并由此可确定火焰与其周围物体的相互作用，如火焰能否到达室内顶棚，能否提供足够强度的辐射热去点燃周围物体等。,2023/2/2,79,四、火羽流与顶棚射流,3.火羽流浮力火灾燃烧时其火焰上的烟气与周围空气之间，由于存在温度梯度而形成密度梯度，从而产生浮力效应。在浮力作用下密度较小的气体(烟气)向上运动。单位体积气体受到的浮力，可由下式求出：在火灾燃烧中，烟气羽流的结构是由烟气与空气的相互作用所决定，而羽流内的温度
41、取决于火源强度(释热速率)和离开热源的高度。在一般火灾条件下，由于烟气上浮流动的卷吸，其周围较冷空气进入羽流中，使烟气受到令却；同时，羽流的质量增大，而使羽流的向上流速降低。,2023/2/2,80,四、火羽流与顶棚射流,3.火羽流浮力 当火源位于室内中央时，羽流的垂直向上运动是轴对称的；如果火源靠近墙壁或两墙交界的墙角时，则坚固外壁边界对空气卷吸的限制将对火灾产生重要影响，此时，火焰将向限制璧面偏斜，这是由于空气只能从火羽流的另一侧进入的结果。这种影响将加强火焰在垂直壁面上的扩展和蔓延。在这种条件下，由于火羽流与环境空气的混合速率比不受限情况下要弱，温度下降亦将变慢。如果所处墙壁壁面材料可燃
42、，则可加强竖壁燃烧火势，促进火灾蔓延。,2023/2/2,81,2023/2/2,82,（二）顶棚射流,在火羽流热浮力的驱动下，顶棚表面下部薄层中流动相对较快的气流称之为顶棚射流，它是在可燃物上方的火羽流在上升碰到顶棚后，热烟气由垂直流动改变水平流动，并沿顶棚下部向四周蔓延这个过程中产生的。,2023/2/2,83,四、火羽流与顶棚射流,烟气羽流在顶棚上的接触区大体为圆形，并向四周扩散，烟气羽流与顶棚底面接触处存在粘性阻力，因此，与顶棚接触的烟气薄层流速较低，烟气层随着垂直向下离开顶棚距离的增加，其速度逐渐增大，当超过一定距离后，烟气速度逐渐降低为零。这种速度分布使得烟气射流前峰逐渐转向下流，
43、另一方面，由于热烟气层有一定浮力还会上浮，因此，烟气的顶棚射流中便形成一连串旋涡，并将烟气层下方的空气卷吸进来，使烟气顶棚射流层不断加厚，速度逐渐降低。在顶棚射流热烟气作用下，顶棚由初始温度缓慢升高，顶棚射流内的烟气温度随着垂直向下离开顶棚距离的增加，射流层中温度逐渐升高，达到某一值后又逐渐降低到下层空气的温度。,2023/2/2,84,四、火羽流与顶棚射流,燃烧火焰水平传播:当室内火源强度足够大或房间顶棚高度较低时，自然扩散火焰可以直接撞击到顶棚，并发生火焰的水平扩展至一个相当长距离。这是由于顶棚射流中温度较高的火焰及烟气，在较冷空气层之上流动，两者的结构形式稳定，密度差将会反抗混合的进行，
44、造成顶棚射流对其下方空气的卷吸速率降低，使可燃气体经过较长时间才能烧完。实践表明，夹带火焰的顶棚射流在建筑火灾由室内向走廊蔓延是一种重要形式。,2023/2/2,85,四、火羽流与顶棚射流,有人用槽状容器倒置后模拟走廊，如图2-19所示，在槽内靠一端处放置一个多孔气体燃烧器，火灾烟气可沿槽道流动较长的距离。试验发现，火焰的特征与燃烧器表面到顶棚之间的距离（H）和气体流率(Q)有密切关系。若火羽流部分卷吸空气较多，燃烧比较完全，则水平火焰长度较小；若可燃气流量很大，至顶棚前火羽流中燃烧不完全，进入顶棚射流后仍可形成燃烧的烟气层，火焰面出现在富燃料烟气层的下边界处。此外，由图2-19(b)看出，射
45、流中燃烧的存在诱发了由中部上升然后向两侧翻卷,这显示走廊的竖直壁面对火焰结构有重要影响。,2023/2/2,86,在多数情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。这对于火灾探测器和灭火喷头的安装具有特殊意义，如果它们被安装在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度就会低于预期值。,为什么火灾自动报警探头和自动灭火喷头都安装在顶棚？,顶棚射流中的最大温度和速度估算是火灾探测器和灭火喷头热响应的重要基础。,2023/2/2,87,第三节 可燃物质及其燃爆危险特性,可燃物：易燃可燃固体、可燃气体与液化气体、易燃液体等三类；国标GB69
46、44-96一、可燃固体 可燃固体：凡在常温下以固体形态存在，遇火受热、冲击、摩擦、接触氧化剂或强酸后，能够发生燃烧的物质。,2023/2/2,88,一）、可燃固体品种包括农林产品，如木材、粮食、棉制品等；人工聚合物，如塑料、染料等；非金属类，如煤、沥青、石蜡、硫磺等；金属类，如铝、镁、钛等。其中，木材、人工聚合物等在建筑中用量很大，是主要的被燃烧物质，因此，本节重点阐述这两类固体物质的燃烧特性。,2023/2/2,89,二）可燃固体燃烧形式 可燃固体的燃烧一般都经过受热、气化、热分解等过程，或是经过受热、熔解、蒸发和热分解等过程。当固体上方可燃气体浓度达到燃烧极限以内时，才能持续燃烧。可燃固体
47、由于品种繁多、分子结构复杂、物理性质不同，加上所处环境差异，其燃烧形式也不相同，通常可分为蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧和阴燃四种。,2023/2/2,90,三）可燃固体燃烧速度 可燃固体被引燃后，火焰就会在其表面或浅层传播。在火场上，火焰传播速度和可燃物面积大小决定了火势发展的快慢。可燃固体的火焰传播特性是火灾发展蔓延的基本要素之一；可燃固体的燃烧速度则是最关键的因素。,2023/2/2,91,2023/2/2,92,固体燃烧速度的表示：表面直线燃烧速度和重量燃烧速度。,2023/2/2,93,四）影响可燃固体燃烧速度的因素影响可燃固体燃烧速度的因素较多，包括外加热源、固体材料物化性质，以及外
48、界环境因素等。当固体物质被点燃后，如有外加热源预热了火焰烽前材料的未燃部分与加快了火焰烽后的燃烧速度。将使固体稳定燃烧速度和其表面火焰传播速度加快。可燃固体材料的熔点、热分解温度、气化热越低，而燃烧热越高，则固体材料释放可燃气的速率越快，越容易被引燃，引燃后稳定燃烧速度越快。,2023/2/2,94,四）影响可燃固体燃烧速度的因素对固体材料的物理条件而言，相同的材料，其比表面积大，材料与空气中氧接触的机会越多，越易氧化，因此，材料直径越小、厚度越薄，越易燃烧。此外，燃烧速度与材料表面位置有关，这是由于固体表面位置不同，火焰和热产物对未燃固体部分的预加热作用程度不同，如在材料和外界条件相同时，倒
49、着向上比顺着向下更容易被火源引燃；竖直表面的稳定燃烧速度比水平表面的快；竖直向上(+90)的固体表面火焰传播速度最快，垂直向下（-90）的最慢。,2023/2/2,95,四）影响可燃固体燃烧速度的因素在外界环境因素中，风速、压力、氧浓度对固体燃烧速度有很大影响，当环境的氧浓度增大时，火焰温度增高，向可燃物表面传递热量增多，因此，固体物质点燃燃烧能力显著提高；外来的空气流动能助长火焰烽处可燃挥发分与空气的混合，并导致火焰倾斜增加了向前传热的速率；在森林火灾中，高速空气流动会形成飞火，使火灾燃烧速度呈跳跃式快速蔓延。此外，随着环境压力和温度的增加。火焰燃速亦会增加。,2023/2/2,96,五）评
50、价可燃固体火灾危险性主要指标可燃固体火 一般固体灾按照其燃烧历程分为 低熔点固体1.一般固体火灾危险性主要指标燃点、热分解温度、自燃点、氧指数、比表面积等。（1）点燃（火源直接点燃）：可燃物质与空气共存，当物质温度达到某值时，与火源接触即发生燃烧；在火源移去后仍能继续持续燃烧的现象。(着火),2023/2/2,97,燃点：可燃物质发生点燃时的最低温度。,对于火灾来说，可燃物质的燃点越低危险性就越大，在火灾区内，当有两种不同燃点物质存在时，火势蔓延的主要方向是燃点低的物质。在灭火原理中，冷却灭火法就是设法将物质的温度降低到燃点以下，使物质不能燃烧。,2023/2/2,98,（2）自燃（非火源直接
