《消防燃烧学》讲义(DOC)

第一部分绪论第一节前言一、《消防燃烧学》课程的形成与发展背景所谓燃烧，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）发烟的现象，在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，就是火灾，它是最常见的灾害之一。消防燃烧学是研究火灾的发生、发展和熄灭的基本规律，以及防火、防爆和灭火的一般原理的科学。现在在世界范围内，不仅火灾发生的频率增加，而且火灾向着多样化、复杂化的方向发展，由其引起的直接损失及其防治费用均呈上升趋势。仅在我国，每年发生火灾十几万起，有6千人死于火灾，直接经济损失高达50亿以上。因此，预防和控制火灾对保障人民生命财产的安全具有极其重要的意义。为了预防和控制火灾，不仅要增加监测和扑救的人力和装备，更要研究火灾燃烧发生、发展和熄灭的基本规律及防火、防爆和灭火的一般原理，把火灾防治建立在对火灾燃烧过程科学认识的基础上，为火灾的预防与控制提供理论指导和基础数据，以不断适应当今消防科技发展进程中火灾认识科学化和火灾预防与控制工程化这一深刻变革，顺应新形势下消防工作对高素质、专家型人才培养的要求。所有这些，为《消防燃烧学》课程的形成与发展提供了深厚的现实背景。二、《消防燃烧学》课程的主要内容1、物理、化学基础——包括燃烧反应速度、热量传递和物质传递理论以及燃烧有关参数的计算等内容。2、着火、灭火理论——包括可燃物着火方式、热着火理论、链锁反应理论、着火和灭火条件、着火感应期、最小引燃能以及火焰传播等内容。3、可燃物质燃烧特点——包括可燃气体爆炸条件、爆轰理论、有关参量计算及其预防措施；可燃液体闪燃规律、石油及其产品着火后的沸溢和喷溅问题；可燃固体的燃烧模式、阻燃机理、粉尘和火炸药爆炸问题。4、室内火灾燃烧特征——包括室内火灾燃烧的主要特点、发展阶段、轰燃的本质与特点、烟气的流动特征、室内火灾过程的计算机模拟、火灾模化相似理论等。5、火灾燃烧实验技术——包括各类可燃物质燃烧或爆炸的特性及有关参数测定；火灾模化实验；计算机模拟技术，等等。三、《消防燃烧学》课程的基本特点1、新兴学科——《消防燃烧学》是一门以火灾发生与发展规律为研究对象的新兴学科,是消防工程学科的基础理论部分。首先，工业燃烧学的研究目的是如何把燃料中的化学能通过燃烧反应充分地释放出来，转变成热能、机械能加以利用；消防燃烧学的研究目的怎样不使可燃物质发生燃烧反应，或怎样使燃烧尽快熄灭。其次，消防燃烧学研究的对象比工业燃烧学要丰富得多，一切可燃物质都是其研究的对象。再次，工业燃烧学的研究局限在燃烧室、窑炉等较低小空间范围内，而消防燃烧学的研究涉及从一间房、一栋楼等到建筑群、森林、草原等的较大空间。2、交叉学科——火灾燃烧是一个受多种物理和化学因素影响的复杂过程，例如，影响一般化学反应的因素，必然会影响燃烧这种特殊的化学反应；燃烧反应产生的热量要传递，热量的传递会引起温度场变化，而温度场变化又会对燃烧产生影响；可燃物、助燃物及产物在燃烧过程中的混合、扩散、流动都直接影响燃烧的进程。因此，这一学科是在基础化学、化学动力学、化学热力学、传热传质学和流体力学等学科的结合点上生长起来的交叉研究领域。3、实验性很强的学科——火灾燃烧的规律兼有确定性和随机性，研究的主要手段是针对其确定性的模拟研究和针对其随机性的统计分析以及二者的综合。因此，大规模实验技术、小规模模拟实验技术及计算机模拟技术等在本学科的研究中得到了广泛应用。通过实验，总结出很多燃烧或爆炸现象的规律和特性。4、不断发展的学科——由于火灾燃烧的复杂性，消防燃烧学还很不完善，有的内容还处于一种描述性、半经验性的阶段，对于不少问题还只能给出定性的解释。但是，人类与火灾斗争实践的迫切需要，通过实践和实验积累资料的不断丰富，必将促进消防燃烧学这门学科的迅速发展。四、《消防燃烧学》课程的地位与作用1、核心地位——由于《消防燃烧学》着重研究物质燃烧发生、发展和熄灭的基本规律以及防火、防爆和灭火的一般原理，即本课程着重讲述的是消防工程专业所需要的火灾燃烧理论及相关知识，突出了消防工程、电子信息工程、核生化消防、消防指挥和消防管理等消防各专业的特色，因此该课理应成为了这些专业的核心课程。2、突出地位——《消防燃烧学》课程是消防工程专业教学中的一门重要的基础理论课。它既是消防各专业的基础理论课与专业理论课之间的桥梁，又直接为这些专业的诸如建筑防火、工业企业防火、电气防火、核电站消防、灭火技术、火因鉴定等众多其他主要课程提供燃烧理论基础。另外，燃烧理论与有关设计知识结合，可以为物质燃烧性能的评估提供理论依据；燃烧理论与有关管理知识结合，可以使消防管理工作更为系统、更为科学。因此，《消防燃烧学》课程的学习，对于夯实消防工程专业的专业主干课程基础是非常重要的。3、增长知识——学习《消防燃烧学》课程，能使学员掌握各种物质的燃烧条件和规律，以防火灾的发生。任何物质发生燃烧，都需要一定的外界条件并遵循一定的规律。只有当这些条件具备时，火灾才能按照一定的规律发生。研究认识这些燃烧规律，消除这些着火条件，就能防止火灾的发生。学习《消防燃烧学》课程，也能使学员了解各种物质热爆炸的规律，以防爆炸事故的发生。无论可燃气体、可燃液体的蒸气，还是可燃粉尘，当它们与空气按一定比例混合后，遇火源均会发生爆炸，这种因燃烧引起的爆炸，习惯上称为“热爆炸”。可燃气与空气混合后，在一定条件下还会产生破坏性比爆炸更大的爆轰现象。爆炸和爆轰的发生都必须具备一定的条件，并遵循一定的规律。研究认识这些规律，在实际工作中消除这些条件，就能防止爆炸或爆轰的发生。学习《消防燃烧学》课程，还能使学员掌握物质燃烧的规律和灭火条件，制定出最有效的灭火方案，尽快将火灾扑灭，使火灾损失减少到最小程度。4、培养能力——学员利用所掌握的可燃性物质燃烧或爆炸基本规律、特性和防火、灭火基本原理等方面的知识，分析和解决实际火灾或爆炸事故及其预防和控制等方面问题的能力，包括将这些知识与其他相关课程的知识有机结合与融会贯通的能力，为以后的学习和工作打下良好的知识基础。通过实验教学环节，培养学员观察、分析实验现象和动手操作的能力，即观察一些典型物质的闪燃、燃烧、爆炸、火焰传播、回火及阻火等基本实验现象，分析这些现象存在的根本原因，学会燃烧温度、自燃点、爆炸极限、闪点、氧指数及热分解温度等基本参数测定的基本操作，籍此初步培养学员辨证思维的能力和科学研究的能力，全面提高学员的综合素质。第二节绪论一、人类的燃烧的认识过程燃烧俗称火，早在远古时代，人类就开始用火了。然而，人类真正认识火的本质，科学地解释这一现象，则是从氧的发现开始的，至今只有两百多年的历史。在古代，人们在用火的同时产生了许多有关火的传说，例如我国的五行说：“金、木、水、火、土”；古希腊的四元说：“水、土、火、气”；古印度的四大说：“地、水、火、风”等，其中都有火。在古人看来，火是万物之源，火能化育万物。但由于科学技术和生产力水平的限制，在那时人们不可能再进一步探究火的本质。到了近代，随着科学技术的发展和生产力水平的不断提高，火在工业技术中的应用日益广泛，例如制陶、冶金等，这就使得人们迫切的想要弄清火的本质，于是产生了种种对燃烧现象的解释。其中影响最深，流行时间最长的一种学说是欧洲的“燃素说”。“燃素说”认为，火是由无数细小的微粒构成的物质实体，这种火的微粒就是燃素。按照燃素说，所有的可燃物质都含有燃素，并在燃烧时释放出来，变成灰烬；不含燃素的物质不能燃烧；物质燃烧之所以需要空气，是由于空气能够吸收燃素。燃素说曾解释过许多燃烧现象，并对科学的发展起过一定的积极作用，但燃素说毕竟是一种凭空臆造出来的学说，因此它不能解释全部的燃烧现象，也必定经不住实践的考验。燃素说在欧洲流行了一个多世纪，虽然许多人对它提出了怀疑，但谁也提不出更好的理论。直到18世纪下半叶，氧被发现后，燃烧的秘密才被揭开，从而也宣告了燃素说的破产。1774年，英国化学家普利斯特利在实验室发现了氧。在此基础上，法国化学家拉瓦锡进行了大量的实验，通过对实验结果的归纳和分析，终于在人类历史上第一次提出了科学的燃烧学说——燃烧的氧学说，并于1777年公布于世。这一学说的中心思想是：燃烧是可燃物与氧的化合反应，同时放出光和热。现代化学表明，燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟现象。可见，燃烧的氧学说距离现代燃烧学说只有一步之遥了。二、燃烧与人类文明的关系火的认识和利用，对人类的发展起了巨大的推动作用。首先，因为利用了火，人们才吃上了熟食，改变了茹毛饮血的动物般的生活，使人的大脑逐渐发达。其次，火的利用，极大地推动了科学技术的发展。最初，火被用酿造、制陶；稍后，火又被用于冶炼；到了19世纪，由燃烧提供动力的蒸汽机的发明和广泛使用，促进了近代工业和资本主义的发展；直到今天，现代科技高度发达，但不论是人们的衣食住行，还是工农业的发展，都离不开火。总之，人类文明是伴随着火的应用二发展的。可以说，没有火的利用，就没有今天的物质文明和精神文明。所以说，一部人类文明进步史，就是一部人类用火史。然而，世界上的一切事物都是一分为二的，火虽然给人类带来现代文明，但燃烧一旦失去控制，又会给人来带来灾难。这种失去控制的燃烧所造成的灾害叫做火灾。一般而言，社会越发展，物质越丰富，火灾发生的频率和造成的损失就越大。近几年来，我国的火灾形势十分严峻，无论是火灾的发生次数、死亡人数，还是火灾的直接经济损失，都是前所未有的。据统计，1993年全国共发生火灾38094起，死亡2467人，伤5977人，直接经济损失11.2亿元；1994年全国共发生火灾39359起，死亡2851人，伤4266人，直接经济损失12.5亿元。因此，在最大限度地利用燃烧使之为人类服务的同时，如何防止火灾的发生，以及如何迅速的扑灭已发生的火灾，就成为消防科技工作者的一个重要研究课题。消防燃烧学即由此应运而生。第一章燃烧的化学基础基础化学、热化学、化学动力学等方面的知识对燃烧的研究起着重要作用。第一节燃烧的本质和条件一、燃烧的本质所谓燃烧，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）发烟的现象。燃烧区的温度较高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间物质分子内电子能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。从本质上讲，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转化为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里，游离基的连锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。二、燃烧的条件及其在消防中的应用（一）燃烧的条件燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。1.可燃物（还原剂）不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物。如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张、硫、磷、钾、钠等。2、助燃物（氧化剂）凡是与可燃物结合能导致或能够支持燃烧的物质，都叫做助燃物。如空气（氧气）、氯气、氯酸钾、高锰酸钾、过氧化钠等。空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。3、点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源，统称为点火源。如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。