1.1　燃烧机理

1.1.1　燃烧的本质

1.燃烧的内涵

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）发烟现象。燃烧过程中，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发生能级跃迁，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小颗粒，这样就形成了烟。

1）燃烧反应

燃烧是一种化学反应，物质在燃烧前后，本质发生了变化，生成了与原来完全不同的物质。

燃烧不仅在氧存在时发生，在其他氧化剂中也能发生，甚全燃烧得更加激烈。例如，氢气能在氯气中燃烧。

2）燃烧反应的特点

（1）通过化学反应生成了与原来完全不同的新物质

物质在燃烧前后性质发生了根本变化，生成了与原来完全不同的新物质。如木材燃烧后生成木炭、灰烬以及CO2和H2O（水蒸气）。但并不是所有的化学反应都是燃烧，比如生石灰遇水：

可见，生石灰遇水是化学反应并发热，这种热可以成为一种着火源，但它本身不是燃烧。

（2）放热

凡是燃烧反应都有热量生成。这是因为燃烧反应都是氧化还原反应，氧化还原反应在进行时总是有旧键的断裂和新键的生成。断键时要吸收能量，成键时又放出能量。在燃烧反应中，断键时吸收的能量要比成键时放出的能量少，所以燃烧反应都是放热反应。但是并不是所有的放热反应都是燃烧。如在日常生活中，电炉、电灯既可发光又可放热，但断电之后，电阻丝仍然是电阻丝，它们都没有发生化学变化。

（3）发光和（或）发烟

大部分燃烧现象都伴有光和烟的现象，但也有少数燃烧只发烟而无光产生。燃烧发光的主要原因是由于燃烧时火焰中有白炽的炭粒等固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间物质的生成所致。

2.燃烧的分类

按照不同的分类标准，燃烧具有如下类型：

1）按引燃方式的不同分为点燃和自燃两种。

（1）点燃

指通过外部的激发能源引起的燃烧。也就是火源接近可燃物质，局部开始燃烧，然后开始传播的燃烧现象。物质由外界引燃源的作用而引发燃烧的最低温度称为引燃温度。点燃按引燃方式的不同又可分为局部引燃和整体引燃两种。

（2）自燃

指在没有外部着火源作用的条件下，物质靠本身的一系列物理、化学变化而发生的自动燃烧现象。其特点是物质本身内部的变化提供能量。物质发生自燃的最低温度称为自燃点，单位为℃。

2）按燃烧时可燃物所呈现的状态分为气相燃烧和固相燃烧两种。

（1）气相燃烧

指燃烧时可燃物和氧化剂均为气相的燃烧。气相燃烧是一种常见的燃烧形式。如汽油、酒精、丙烷、石蜡等的燃烧都属于气相燃烧。实质上，凡是有火焰的燃烧均为气相燃烧。

（2）固相燃烧

指燃烧进行时可燃物为固相的燃烧。固相燃烧又称表面燃烧。如木炭、镁条、焦炭的燃烧就属于此类。只有固体可燃物才能发生此类燃烧，对在燃烧时分解、熔化、蒸发的固体，都不属于固相燃烧，仍为气相燃烧。

3）按燃烧现象的不同分为着火、阴燃、闪燃、爆炸四种。

（1）着火

亦称起火，简称火，指以释放热量并伴有烟或火焰或两者兼有为特征的燃烧现象。这种燃烧的特点是：一般可燃物燃烧需要着火源引燃；再就是可燃物一经点燃，在外界因素不影响的情况下，可持续燃烧下去，直至将可燃物烧完为止。任何可燃物的燃烧都需要一个最低的温度，这个温度称之为引燃温度。可燃物不同，引燃温度也不同。

（2）阴燃

指物质无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温度升高的迹象。阴燃是可燃固体由于供氧不足而形成的一种缓慢的氧化反应，其特点是有烟而无火焰。

（3）闪燃

指可燃液体表面蒸发的可燃蒸气遇火源产生的一闪即灭的燃烧现象。闪燃是液体燃烧特有的一种燃烧现象，但是少数可燃固体在燃烧时也有这种现象。

（4）爆炸

指由于物质发生急剧氧化或分解反应，产生温度、压力增加或两者同时增加的现象。爆炸按其燃烧速度传播的快慢分为爆燃和爆轰两种。燃烧以亚音速传播的爆炸为爆燃；燃烧以冲击波为特征，以超音速传播的爆炸为爆轰。

3.燃烧与氧化

燃烧反应是一种剧烈的氧化还原反应。氧化还原反应是指有电子得失或共用电子对偏移的反应。在反应中，失去电子的物质被氧化，成为还原剂，得到电子的物质被还原，成为氧化剂。

（1）氢气在氧气中燃烧

（2）碳在空气中燃烧

燃烧是可燃物质与氧化剂进行反应的结果，但由于氧化反应的速度不同，或成为剧烈的氧化还原反应，或成为一般的氧化还原反应。剧烈氧化的结果，放热、发光，成为燃烧；而一般氧化反应速度慢，虽然也放出热量，但能随时散发掉，反应达不到剧烈的程度，因而没有火焰、发光和（或）发烟的现象，则不是燃烧。所以氧化反应和燃烧反应的关系为种属关系。即凡是燃烧反应肯定是氧化还原反应，而氧化还原反应不一定都是燃烧，燃烧反应只是氧化反应中特别剧烈的反应。

4.链锁反应理论

链锁反应理论认为燃烧是一种自由基的链锁反应，是目前被广泛承认并且较为成熟的一种解释气相燃烧机理的燃烧理论。

链锁反应又叫链式反应，它是由一个单独分子自由基的变化而引起一连串分子变化的化学反应。自由基是化合物或单质分子在外界的影响下分裂而成的含有不成对价电子的原子或原子团，是一种高度活泼的化学基团，一旦生成即诱发其他分子迅速地一个接一个自动分解，生成大量新的自由基，从而形成了更快、更大的蔓延、扩张、循环传递的链锁反应过程，直到不再产生新的自由基为止。但是如果在燃烧过程中介入抑制剂抑制自由基的产生，链锁反应就会中断，燃烧也就会停止。

1）链锁反应一般有三个阶段。

（1）链引发

此阶段产生自由基，使链式反应开始。链引发的方法有光照、加入引发剂、热离解、引燃能等。链引发是一个比较困难的过程，因为断裂分子中的键需要一定的能量。这个能量实际上就是引燃源点燃物质的能量。

（2）链传递

自由基与参与反应的分子相作用，生成新的自由基。新的自由基又与分子反应，一个传一个不断地进行下去。链传递阶段是链式反应的主体。

（3）链终止

自由基如果与器壁碰撞形成稳定分子，或两个自由基与第三个惰性分子相撞后失去能量而成为稳定分子，则链锁反应终止。

2）链锁反应还按链传递的特点不同，分为单链反应和支链反应两种。

（1）单链反应

指在链传递过程中每消耗一个自由基的同时又生成一个新的自由基的反应。这种反应一旦引发，就会无休止地迅速传递下去，直至链终止。如氢气和氯气反应。

（2）支链反应

指在链传递过程中，每消耗一个自由基的同时，再生成两个或更多自由基的反应。支链反应的速度是极快的，可以导致爆燃。支链反应是由前苏联学者在1927年发现的，并已进行了大量的研究工作。H2与O2的反应被认为是典型的支链反应，反应过程中的基本反应方程式如下：

综上所述，可燃物质的多数燃烧反应不是直接进行的，而是经过一系列复杂的中间阶段，不是氧化整个分子，而是氧化链锁反应中的自由基，通过自由基的链锁反应，把燃烧的氧化还原反应展开。从链锁反应的三个阶段看，其特点是：链引发要依靠外界提供能量；链传递可以在瞬间自动地、连续不断地进行；链终止则只要销毁一个自由基，就等于剪断了一个链，就可以终止链的传递。

（3）由此可以在消防工作中得到如下启示：

①引燃源可以提供和引发产生自由基，所以，控制和消除引燃源是防火工作的重点。人们可以采取相应措施避免可燃物与引燃源的接触，防止引发自由基的形成。

②当燃烧已发生时，立即采取措施破坏继续提供能量和链传递的条件，中断链的传递。

③不断探索和改革工艺设备，增加自由基与容器壁碰撞的概率，使自由基失去能量；不断研究阻燃技术和新型灭火剂，使其能有效抑制自由基的产生，并使已产生的自由基结合成稳定分子而消失，迫使链终止，使燃烧迅速熄灭。

1.1.2　燃烧的要素和条件

燃烧是一种很普遍的自然现象，必须在具备了一定的要素和条件下才能发生。

1.燃烧的要素

燃烧的要素是指制约燃烧发生和发展变化的内部因素。由燃烧的本质可知，制约燃烧发生和发展变化的内部因素有可燃物和氧化剂。

1）可燃物

指在标准状态下的空气中能够燃烧的物质。广义地讲，凡是能燃烧的物质都是可燃物。但是有些物质在通常情况下不燃烧，而在一定的条件下才能够燃烧。

可燃物大部分为有机物，少部分为无机物。有机物大部分都含有C、H、O等元素，有的还含有少量的S、P、N等。可燃物在燃烧反应中都是还原剂，是不可缺少的一个重要要素，是燃烧得以发生的内因，没有可燃物，燃烧也无从谈起。

2）氧化剂

指处于高氧化态，具有强氧化性，与可燃物质相结合能够导致燃烧的物质。它是燃烧得以发生的必需的要素，否则燃烧便不能发生。燃烧要素中的氧化剂过去人们一直称为助燃物。助燃物应当是指帮助和支持燃烧的物质，但是助燃物在燃烧中并没有起帮助和支持燃烧的作用，它是参与到燃烧中的一种处于高氧化态、具有强氧化性的物质。

2.燃烧的条件

燃烧的条件是指制约燃烧发生和发展变化的外部因素，通过燃烧机理的分析，能使要素发生燃烧的条件有以下两个：

1）可燃物与氧化剂作用并达到一定的数量比例，且未受抑制。对于有焰燃烧，燃烧的自由基还必须未受化学抑制，使链式反应能够进行，燃烧才能得以持续下去。

2）足够能量和温度的引燃源与之作用。不管何种形式的热能都必须达到一定的强度才能引起可燃物燃烧，否则燃烧便不会发生。能够引起可燃物燃烧的热能源称为引燃源。引燃源根据其能量来源不同，可分为如下几种类型：

（1）明火焰

最常见而且是比较强的着火源，它可以点燃任何可燃物质。火焰的温度根据不同物质约在700～2000℃。

（2）炽热体

指受高温作用，由于蓄热而具有较高温度的物体（如炽热的铁块，烧红了的金属设备等）。

（3）火星

在铁与铁、铁与石、石与石的强力摩擦、撞击时产生的，是机械能转为热能的一种现象。这种火星的温度根据光测高温计测量，约有1200℃，可引燃可燃气体或液体蒸气与空气的混合物，也能引燃某些固体物质。

（4）电火花

指两电极间放电时产生的火花、两电极间被击穿或者切断高压接点时产生的白炽电弧，以及静电放电火花和雷击、放电等。这些电火花都能引起可燃性气体、液体蒸气和易燃固体物质着火。由于电气设备的广泛使用，这种火源引起的火灾所占的比例越来越大。

（5）化学反应热和生物热

指由于化学变化或生物作用产生的热能。这种热能如不及时散发掉，就会引起着火甚至爆炸。

（6）光辐射

指太阳光、凸玻璃聚光热等。这种热能只要具有足够的温度，就能点燃可燃物质。