第一节　燃烧的基本原理

一、燃烧及其条件

（一）燃烧

燃烧是可燃物质（气体、液体或固体）与氧或氧化剂发生伴有发光和放热的一种激烈的化学反应。

发光、放热和生成新物质是燃烧反应的三个特征。可燃物质不仅是和氧化合的反应属于燃烧，在某些情况下，和氯、硫的蒸气等所起的化合反应也属于燃烧，如灼热的铁能在氯气中燃烧等，它虽没有同氧化合，但所发生的反应却是一种激烈的伴有放热和发光的化学反应。燃烧反应与一般氧化反应不同，其特点是燃烧反应激烈，放出热量多，放出的热量足以把燃烧产物加热至1J发光的程度，并进行化学反应形成新的物质。电灯泡内的钨丝在照明时既发光，又放出热量，但这不是燃烧现象，因为这是物理现象，不是化学现象，更不是氧化反应；乙醇与氧作用生成乙酸是放热的化学反应，但其反应不激烈，放出的热量尚不足以使产物发光，因而这也不是燃烧现象；而煤、木柴等点燃后即发生碳、氢的氧化反应，同时放出热和产生发光的火焰，这才是燃烧。

（二）燃烧的条件

燃烧必须具备三个条件，即可燃物质、助燃物质和着火源。这三个条件必须同时存在并相互作用才能发生燃烧。

1.可燃物质

凡是能与空气、氧气和其他氧化剂发生剧烈氧化反应的物质，都称为可燃物质。它的种类繁多，按其状态不同可分为气态、液态和固态三类；按其组成不同，可分为无机可燃物质和有机可燃物质两类。无机可燃物质如氢气、一氧化碳等，有机可燃物质如甲烷、乙烷、丙酮等。

2.助燃物质

凡是具有较强氧化性能，能与可燃物质发生化学反应并引起燃烧的物质称为助燃物或氧化剂，如空气、氧气、氯气等。

3.着火源

具有一定温度和热量的能源，或者说能引起可燃物质着火的能源称为着火源。常见的着火源有明火、电火花和高温物体等。

在研究燃烧条件时还应当注意到，上述燃烧的三个基本条件在数量上的变化，也会使燃烧速度改变甚至停止燃烧。例如，氧在空气中的浓度降低到14%～16%时，木材的燃烧即行停止。如果在可燃气体与空气混合物中，减少可燃气体的比例，那么燃烧速度会减慢，甚至会停止燃烧；着火源如果不具备一定的温度和足够的热量，燃烧也不会发生。例如，飞溅出的火星可以点燃油棉丝或刨花，但锻造加热炉燃煤炭时的火星如果溅落在大块木材上，会发现它很快就熄灭了，不能引起燃烧。这是因为这种着火源虽然有超过木材着火的温度，但却缺乏足够热量。

二、燃烧的种类

燃烧现象按其发生瞬间的特点，分为着火、自燃、闪燃、爆燃四种。

（一）着火

可燃物质受到外界火源的直接作用而开始的持续燃烧现象叫着火。这是日常生活中最常见的燃烧现象。例如，用火柴点燃柴草，就会引起着火。

可燃物质开始持续燃烧所需的最低温度叫作该物质的燃点或着火点。物质的燃点越低，越容易着火。可燃物质在一定温度Tc下开始氧化反应，放出热量。物质进一步受热，氧化反应加剧，这时吸收的热量消耗于物质的升温、熔化、分解或蒸发及向周围的散热上。如果反应继续加快，氧化反应放出的热量大于散失的热量，此时即使不再加热，氧化反应也能加速进行，物质的温度很快达到Tc，在此温度下或稍高于此温度，物质就开始燃烧。Tc就是燃点。例如木柴的着火过程是加热到110℃以前是木柴干燥（失去自由水分）的过程；到175℃是分解出化学固定水；到185℃开始分解，230℃开始炭化，300℃以上开始燃烧。我们说木柴的燃点为300℃，当然这个过程是在局部进行的。

（二）自燃

可燃物质虽没有受到外界点火源的直接作用，但受热达到一定温度，或由于物质内部的物理（辐射、吸附等）、化学（分解、化合等）或生物（细菌、腐败作用等）反应过程所提供的热量聚积起来使其达到一定的温度，从而发生自行燃烧的现象叫自燃。例如黄磷暴露于空气中时，即使在室温下它与氧发生氧化反应放出的热量也足以使其达到自行燃烧的温度，故黄磷在空气中很容易发生自燃。可燃物质无需直接的点火源就能发生自行燃烧的最低温度叫作该物质的自燃点。物质的自燃点越低，发生火灾的危险性越大。

（三）闪燃

这是液体可燃物的特征之一。当火焰或炽热物体接近易燃和可燃液体时，其液面上的蒸气与空气的混合物会发生一闪即灭的燃烧，这种燃烧现象叫作闪燃。闪燃是短暂的闪火，不是持续的燃烧。这是因为液体在该温度下蒸发速度不快，液体表面上聚积的蒸气一瞬间燃尽，而新的蒸气还未来得及补充，故闪燃一下就熄灭了。尽管如此，闪燃仍然是引起火灾事故的危险因素之一。

在规定的条件下，使易燃和可燃液体蒸发出足够的蒸气，以致在液面上能发生闪燃的最低温度，叫作物质的闪点。闪点与物质的饱和蒸气压有关，饱和蒸气压越大，闪点越低。同一液体的饱和蒸气压随其温度的增高而变大，所以温度较高时容易发生闪燃。如果可燃液体的温度高于它的闪点，随时都有接触点火源而被点燃的危险。所以把闪点低于45℃的液体叫易燃液体，表明它比可燃液体危险性高。

（四）爆燃（或燃爆）

爆燃是火炸药或燃爆性气体混合物的快速燃烧。一般燃料的燃烧需要外界供给助燃的氧，没有氧燃烧反应就不能进行，而火炸药或燃爆性气体混合物中含有较丰富的氧元素或氧气、氧化剂等，它们燃烧时无需外界的氧参与反应，所以它们是能够发生自身燃烧反应的物质，燃烧时若非在特定条件下，其燃烧是迅猛的甚至会从燃烧转变为爆炸。例如，黑火药的燃烧爆炸，煤矿井下巷道甲烷气或煤尘与空气混合物发生燃烧爆炸事故（即所谓瓦斯爆炸）等情况就是这样。

使火炸药或燃爆性气体混合物发生爆燃时所需的最低点火温度叫作该物质的发火点。由于从点火到爆燃有个延滞时间，通常都规定采用5s或5min作延滞期，以比较不同物质在相同延滞期下的发火点。例如含8%的甲烷-空气混合物在5s延滞期下的发火温度为725℃，2#岩石铵梯炸药的发火点为186～230℃。

三、燃烧过程及形式

由于可燃物质形态（如固体、液体和气体）不同，当其接近火源或受热时，发生不同的变化，形成不同的燃烧过程。

可燃气体、液体和固体（包括粉尘等），在空气中燃烧时，可以分成扩散燃烧、蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧四种燃烧形式。

（1）扩散燃烧是指可燃气体分子和空气分子相互扩散、混合，当其浓度达到燃烧极限范围时，在外界火源作用下，使燃烧继续蔓延和扩大。如氢、乙炔等可燃气体从管口等处流向空气所引起的燃烧现象。

（2）蒸发燃烧是指液体蒸发产生蒸气，被点燃起火后，形成的火焰温度进一步加热液体表面，从而加速液体的蒸发，使燃烧继续蔓延和扩大的现象。如酒精、乙醚等液体的燃烧。萘、硫黄等在常温下虽然是固体，但在受热后会升华或熔化而产生蒸发，因而同样能引起蒸发燃烧。

（3）分解燃烧是指在受热过程中伴随有热分解现象，由于热分解而产生可燃性气体，把这种气体的燃烧称为分解燃烧。如具有爆炸性物质缓慢热分解引起的燃烧；木材、煤等固体分解的可燃性气体，再进行燃烧；低熔点的固体烃、蜡等也可进行分解燃烧。

（4）表面燃烧系指可燃物表面接受高温燃烧产物放出的热量，而使表面分子活化，可燃物表面被加热后发生燃烧。燃烧以后的高温气体以同样方式将热量传送给下一层可燃物，这样继续燃烧下去。

在扩散燃烧、蒸发燃烧和分解燃烧的过程中，可燃物虽然是气体、液体或固体，但它们经过流出、蒸发、升华、分解等过程，最后还是归结于可燃气体或蒸气的燃烧。即上述燃烧过程，其燃烧反应总是全部的或者部分的在气相中进行。同时，燃烧现象总是伴有火焰传播和流动。而有的燃烧过程就是在流动系统中发生的。在燃烧过程中，气体是多组分的。比如，有燃料气体、氧化剂、燃烧产物、惰性气体以及各种自由基等。因此，从连续介质角度分析，研究燃烧问题，就是研究多组分的带化学反应的流体力学问题。

因此，可以认为，可燃物质的燃烧过程是吸热和放热化学过程及传热的物理过程的综合。固态和液态可燃物质的燃烧，实际上在凝聚相开始，在气相（火焰）中结束。在凝聚相中，可燃物质开始燃烧，其主要是吸热过程，而在气相中燃烧则是放热过程。大多数凝聚相中产生的反应过程，是靠气相燃烧所放出的热量来实现的。在反应的所有区域内，吸热量与放热量的平衡遭受破坏时，若放热量大于吸热量，则燃烧持续进行。反之，则燃烧熄灭。

四、燃烧特性

（一）完全燃烧

有机可燃气体燃烧，可燃气分子中所含的碳全部氧化成二氧化碳，氢全部氧化生成水，这样的过程称为完全燃烧。可燃气发生完全燃烧所需的氧量称为理论氧量。

（二）燃烧热

燃烧热的数值是用热量计在常压下测得的，是单位质量或单位体积的可燃物完全燃烧后冷却到18℃时所放出的热量。其中，若把生成的水蒸气冷凝成水所放出的热量计算在内，则称为高发热值；若不把生成的水蒸气冷凝成水所放出的热量计算在内，则称为低发热值。

（三）燃烧温度

1.理论燃烧温度

理论燃烧温度是指可燃物与空气在绝热条件下完全燃烧，所释放出来的热量全部用于加热燃烧产物，使燃烧产物达到的最高燃烧温度。某些可燃物在空气中的燃烧温度如表2-1所示。

2.实际燃烧温度

可燃物燃烧的完全程度与可燃物在空气中的浓度有关，燃烧放出的热量也会有一部分散失于周围环境，燃烧产物实际达到的温度称为实际燃烧温度，也称火焰温度。显然，实际燃烧温度不是固定的值，它受可燃物浓度和一系列外界因素的影响。

（四）燃烧速度

1.气体的燃烧速度

可燃气体燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化、蒸发过程，而是在常温下就具备了气相的燃烧条件，所以燃烧速度较快。可燃气体的组成、浓度、初温、燃烧形式和管道尺寸对燃烧速度有重要影响，分述如下：

（1）气体的组成和结构　组成简单的气体比组成复杂的气体燃烧速度快。氢的组成最简单，热值也较高，所以燃烧速度快。

（2）可燃气体含量　从理论上说，可燃气体含量为化学计算含量，混合气体的热值最大，燃烧温度最高，燃烧速度也最快。可燃气体含量高于或低于此含量时，燃烧速度都会变慢。

（3）初温　可燃混合气体的燃烧速度随初始温度的升高而加快，混合气体的初始温度越高，则燃烧速度越快。危险化学品生产过程中，各种工艺中可燃气体温度都很高，也就是说这些可燃气体的初始温度很高，一旦由于某种原因起火，就会在极短的瞬间因燃烧速度快而导致爆炸。

（4）燃烧形式　由于气体分子间扩散速度比较慢，所以采取扩散燃烧形式的气体燃烧速度是比较慢的，它的速度取决于气体分子间的扩散速度。

（5）管道直径对火焰的传播速度有明显的影响　一般情况下，火焰传播速度随着管道直径的增加而加快。当管道直径增加到某个极限尺寸时，速度就不再增加。同样，传播速度随着管道直径减小而减慢，当管径小到某种程度时，火焰在管道中就不能传播。

可燃气体火焰在25.4mm管道中的燃烧速度如表2-2所示。

气体的压力和流动状态（如层流、紊流、湍流等）对燃烧速度有很大影响。增高压力会使燃烧速度加快，处于紊流、湍流状态的气流会极大地提高燃烧速度。

2.液体的燃烧速度

液体的燃烧速度工业上有两种表示方法：一种是以单位面积上单位时间内烧掉的液体质量来表示，叫作液体燃烧的质量速度；另一种是以单位时间内烧掉液层的高度来表示，叫作液体燃烧的直线速度。液体燃烧的初始阶段是蒸发，然后蒸气分解、氧化达到自燃点而燃烧。液体蒸发需要吸收热量，它的速度是比较慢的，所以液体的燃烧速度主要取决于它的蒸发速度。

易燃液体的燃烧速度高于可燃液体的燃烧速度。易燃液体的燃烧速度受到很多因素影响：

（1）初始温度对液体的燃烧速度有影响。初温越高，燃烧速度越快。

（2）液体的含水量影响着燃烧速度。通常不含水的液体比含水的液体燃烧速度快，对重质石油产品（如重油、润滑油等）着火初期的影响尤为显著。

（3）如果液体燃烧在罐内进行，其速度与罐直径、罐内液面高低有关。一般来说，燃烧速度随储罐直径的增加而加快。储罐内液面较高时，因上部空间较少，燃烧时火焰根部离液面较近，辐射传热较多，所以储罐液面较高时比液面较低时的燃烧速度快。

（4）风对液体的燃烧速度有一定的影响。一般来说，风速越高储罐内液体的燃烧速度越快。

3.固体物质的燃烧速度

固体物质的燃烧速度一般小于可燃气体和液体的燃烧速度。不同组成、不同结构的固体物质，燃烧速度有很大差别，例如萘的衍生物、石蜡、三硫化磷、松香等固体物质，燃烧过程要经过熔化、蒸发、分解氧化、起火燃烧等几个阶段，一般速度较慢。又如硝基化合物、硝化纤维及其制品等，因本身含有不稳定的含氧基团，燃烧是分解式的，所以比较激烈，速度很快。对于同种固体物质，燃烧速度还和固体物质含水量、比表面积（表面积对体积的比值）有关，固体物质的比表面积越大，燃烧速度越快。

五、防火技术基本理论

燃烧必须是可燃物、助燃物和着火源三个基本条件相互作用才能发生的，因此采取措施，防止燃烧三个基本条件的同时存在或者避免它们的相互作用，则是防火技术的基本理论。所有防火技术措施都是在这个基本理论的指导下采取的，或者可以这样说，全部防火技术措施的实质，即是防止燃烧基本条件的同时存在或者避免它们的相互作用。例如，在汽油库里或操作乙炔发生器时，由于空气和可燃物（汽油和乙炔）存在，所以，规定必须严禁烟火，这是防止燃烧条件之一火源存在的一种措施。又如，安全规则规定气焊操作点（火焰）与乙炔发生器或氧气瓶之间的距离必须在10m以上，乙炔发生器与氧气瓶之间的距离必须在5m以上等，采取这些防火技术措施是为了避免燃烧三个基本条件的相互作用。

一般情况下，防止火灾发生的基本技术措施主要有：

（一）消除着火源

研究和分析燃烧的条件可知，防火的基本原则主要应建立在消除火源的基础上。人们不管是在自己家中或办公室里还是在生产线上，都经常处在各种或多或少的可燃物质包围之中，而这些物质又是存在于人们生活所必不可少的空气中。这就是说，具备了引起火灾的上述燃烧基本条件中的两个条件。结论很简单，消除火源。只有这样，才能在绝大多数情况下满足预防火灾和爆炸的基本要求。火灾原因调查实际上就是查出是哪种着火源引起的火灾。

消除着火源的措施很多，如安装防爆灯具、禁止烟火、接地避雷、隔离和控温等。

（二）控制可燃物

防止燃烧三个基本条件中的任何一条，则可防止火灾的发生。如果采取消除燃烧条件中的第一条，就更具安全可靠性。例如，在电石库防火条例中，通常采取防止火源和防止产生可燃物乙炔的各种有关措施。

控制可燃物的措施主要有：在生活和生产中的可能条件下，以难燃和不燃材料代替可燃材料，如用水泥代替木材建筑房屋；降低可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）在空气中的浓度，如在车间或库房采取全面通风或局部排风，使可燃物不易积聚，从而不会超过最高允许浓度，防止可燃物质的跑、冒、滴、漏；对于那些相互作用能产生可燃气体或蒸气的物品应加以隔离，分开存放，如电石与水接触会相互作用产生乙炔气体，所以，必须采取防潮措施，禁止自来水管道、热水管道通过电石库等。

（三）隔离空气

在必要时可以使生产置于真空条件下进行，在设备容器中充装惰性介质保护。如水入电石式乙炔发生器在加料后，应采取惰性介质氮气吹扫；燃料容器在检修焊补（动火）前，用惰性介质置换等。也可将可燃物隔离空气储存，如钠存于煤油中，磷存于水中，二硫化碳用水封存放等。

（四）防止形成新的燃烧条件，阻止火灾范围的扩大

设置阻火装置，如在乙炔发生器上设置水封回火防止器或水下气割时在割炬与胶管之间设置阻火器。一旦发生回火，可阻止火焰进入乙炔罐内或阻止火焰在管道里蔓延：在车间或仓库里筑防火墙或在建筑物之间留防火间距，一旦发生火灾，使之不能形成新的燃烧条件，从而防止扩大火灾范围。综上所述，一切防火措施都包括两个方面，一是防止燃烧基本条件的产生，二是避免燃烧基本条件的相互作用。