1-教案-林火原理(2)

2019-03-11 11:20

同种物质,越粗燃点越高,如松片的燃点是238摄氏度,而松木粉为196摄氏度。将物质控制在其燃点以下,就可防止火灾的发生。

某些木材闪火温度、着火温度表

树种 栎树 红松 武夷松 榉木 桂树 闪火温度℃ 253 263 262 264 270 着火温度℃ 445 430 437 426 455 通常着火点高于闪点,而达到稳定火焰时的温度即为燃点。

链接:《防火树种着火特性的研究》、《落叶松着火性研究》、《烟叶的燃烧和着火特性的研究》、《不同林分类型着火性的研究》、《煤粒着火及燃烧稳定性》、《秸秆着火及燃烧特性的实验研究》、《稻秆着火及燃烧特性的研究》

⑶、自燃与自燃点 自燃是物质不接触明火就能自发着火燃烧的现象。一般分受热自燃和自热自燃两种。

可燃物质在外部热源作用下,温度升高,当达到自燃点时着火自燃,称为受热自燃。

一些物质在没有外来热源的影响下,由于内部发生化学、物理或生化反应产生的热量,引起物质温度持续上升,达到自燃而燃烧称为自热自燃。如发酵、摩擦引起的自燃。

物质在没有外来火花或火焰的条件下,能自动引起持续燃烧的最低温度叫自燃点。物质的自燃点高于燃点。如落叶松边材的燃点为364摄氏度,自燃点为434摄氏度。

森林可燃物的自燃点受其挥发油和油脂含量、可燃气体的含量、粗细和受热时间的不同而有差异。挥发油和油脂含量多的自燃点较低,细小的、受热时间长的自燃点较低。

自燃点高于燃点。

链接:《煤炭自燃特性与指标气体的优选》、《基于活化能指标的煤自燃倾向性及发火期研究》 4、火焰 正在燃烧的可燃气体或蒸气的发光放热部分所占据的空间范围称为火焰,俗称火苗。火焰有不发光火焰、发光火焰和半发光火焰三种类型。

当气体或没有灰分的燃料完全燃烧时,得到略带蓝色而近于无色的火焰,通常称为不发光火焰。这种火焰主要的辐射成分是二氧化碳和水蒸汽。

液体及预先没有和空气充分混合的气体燃料燃烧时,由于有烃高温裂解成的炭黑粒子是发光火焰的主要辐射成分。随着火焰气流向上流动,炭黑粒子逐渐燃尽,炭黑粒子燃尽部分的火焰不发光。这时,总的火焰辐射取决于发光部分所占的比例。

各种固体燃料燃烧时形成半发光火焰,这种火焰的主要辐射成分是焦炭粒子和灰粒。焦炭粒子是指颗粒状可燃物在逸出水分和挥发物后的剩余部分,焦炭粒子辐射强烈,灰粒也有一定的辐射能力,两者的辐射均无选择性。

发光和半发光火焰除三原子气体的辐射之外还有许多悬浮的固体颗粒(炭黑、焦炭和灰粒),而且火焰辐射主要取决于这些颗粒的辐射。

根据可燃气与空气混合的时间可将气体火焰分为预混火焰、扩散火焰。可燃气与空气预先混合好以后再进行的燃烧称为预混燃烧,其火焰称为预混火焰,可燃气与空气一边进行混合一边进行燃烧称为扩散燃烧,其火焰称扩散火焰。

森林可燃物在燃烧时产生的火焰,是燃烧过程中出现微小而为数众多的炽热碳粒和三原子气体(CO2、H2O等)的辐射表现。火焰不是单一物质,而是由气体、液滴和固体微粒炭构成,每一种组成都有各自的发射率和不同的温度。CO2、H2O是燃烧过程中向外辐射的主要源泉,CO2、H2O辐射发生红橙光和红外光。如果燃烧时供氧不充分,局部缺氧区就形成自由碳,当可燃物分子的热解速度大于供氧速度时,自由碳大量存在,它(碳粒在高温下辐射出黄色光而使整个火焰呈黄色)和部分灰粒一起在高温使用下,对外发生热辐射,波长0.75-0.86微米,发出红光和红外光。外在表现为火焰红色。

火焰发光的强弱与可燃物种类、空气供应量大小、可燃气体和空气间的混合情况、燃烧温度和压力等有关。以蜡烛火为例,它由焰心、内焰和外焰组成。焰心为最内层亮度较暗的锥体部分,由液态蜡受热蒸发分解出的气态可燃物构成,由于内层氧浓度甚低,所以燃烧不完全,温度较低。内焰包围在焰心外部较明亮的圆锥体部分,在这层火焰中气态可燃物进一步分解,因氧供应仍不足,燃烧也不甚完全,但温度较焰心高,火焰中的微小碳粒子受热发出较明亮的光,所以内焰的亮度最强。外焰为包围在内焰外面亮度较暗的圆锥体,在这层火焰中,氧供给充足,因此燃烧完全,燃烧温度最高,外焰燃烧的往往是一氧化碳和氢气,碳粒较少,因此几乎没有光亮。 火焰颜色和亮度 暗 稍有红色 暗红色 樱红色 鲜明樱红色 橙黄色 鲜明橙黄色 白色 耀眼白色 火焰颜色、亮度、辐射强度与温度的关系 温度(℃) 辐射强度(千焦/平方米·小时) <400 <41000 500 70000 700 180000 900 320000 1000 530000 1100 700000 1200 1000000 1300 960000 >1500 200000 链接:《火焰特性研究及其检测技术》、《煤气火焰传播规律及其加速机理研究》、《W型火焰燃烧的实验研究》、《煤粉燃烧火焰着火判据》

5、燃烧的基本形式:有焰燃烧和无焰燃烧。

有焰燃烧是蒸气或气体状态的燃烧,能见火焰的一种燃烧。森林可燃物在受热后,首先释放出可燃气体,可燃气体燃烧产生火焰,这种燃烧称为有焰燃烧。

无焰燃烧是由固态的碳直接和氧反应的一种燃烧。这种燃烧又称为表面燃烧、隐燃或白炽燃烧。森林可燃物无焰燃烧有三种情况:挥发物已全部燃烧,只剩下木炭时的燃烧;灰分含量高,有机土壤无法形成可燃气的燃烧;容重太低的朽木燃烧。

链接:《森林可燃物有焰燃烧性的研究》、《农作物秸秆粉阴燃热效率的研究》

6、固体物质的一般燃烧方式:蒸发燃烧(如蜡烛燃烧)、分解燃烧(木材燃烧)、表面燃烧(如木炭燃烧)、阴燃(地下火燃烧)、完全燃烧(燃烧过程中生成的燃烧产物不能再发生燃烧)、不完全燃烧(燃烧过程中生成的燃烧产物能再次发生燃烧)。

⑴、熔融蒸发式燃烧 溶点较低的可燃固体,受热熔融,然后像可燃液体一样蒸发成蒸气而燃烧称为蒸发燃烧,如蜡烛、沥青、锂、钠、钾、钙、镁的燃烧。

⑵、分解燃烧 分子结构复杂的固体可燃物,受热后分解出热分解产物,这些分解产物再氧化燃烧称为分解燃烧。如木材、棉花、煤、塑料的燃烧。

⑶、升华式燃烧 有些固体可燃物,如萘、樟脑等,对其加热时直接升华为蒸气,蒸气和空气中的氧进行燃烧变成产物。

这三种燃烧共同点是,最后燃烧的物态都为气体,与助燃剂氧气都属于气相,所以又称为同相燃烧。 ⑷、表面燃烧 有些可燃固体,其蒸汽压非常小或者难于发生热分解,不能发生蒸发燃烧和分解燃烧,当氧气包围这种炙热物质的表面时,发生表面燃烧。其特点是表面发红而无火焰,因此又称为无焰燃烧或辉光燃烧。如木炭及铝、钛、锆燃烧。这类燃烧可燃物为固相,氧气为气相,燃烧存在两个相,所以称为异相燃烧。

木炭燃烧表面温度与含水率和风速有关。T=850+5.08U,T为燃烧木炭表面的温度(℃),U为风速(m/s)。

⑸、阴燃 阴燃(Smouldering combustion)或称熏烧,它还没有一个确切定义。一般认为它是一种热分解和低强度下燃烧状态。反应是在可燃物的一个点或者其表面上开始。在大多数情况下,阴燃不带有有焰火焰,冒大量烟雾。有时它是在热分解后残留物焦炭表面上进行缓慢氧化反应,称为无焰燃烧或灼烧 (golwing combustion),但有时也表现为既不具有无焰燃烧,又不冒烟,此时在可燃物深层处进行十分缓慢的反应。阴燃的速度受扩散作用所控制。阴燃虽然热释放速度缓慢,但它是在深层可燃物内进行,不存在辐射、对流和热传导等形式的损失,一旦热量累积到一定程度,在风的作用下可转为有馅燃烧。

阴燃由于是一种不稳定燃烧过程,对其行为尚未进行深人研究。近年来许多研究者研究了一些影响纤维素物质阴燃的因素,大致归纳如下几点:①引燃火源方面的因素。包括引燃火源的强度(引燃火源的强度高易形成有焰燃烧,强度低易形成阴燃);火源的持久性(低强度持久性引燃火源易形成阴燃);

火源的几何形状等;②环境方面的因素。包括可燃物与引燃火源的方向;周围介质的流速和方向;介质的氧含量;周围介质的温度以及相对湿度;③可燃物性质方面的因素。包括可燃物的物理性质和化学性质两部分。物理性质指可燃物粒度大小、密度、堆积情况、孔隙度和渗透性等。化学性质指主要化学组成和次要组成的无机灰分的含量。木材和纯纤维素的化学组成不同,阴燃的情况也不相同,纤维素倾向于形成有焰燃烧,形成阴燃的几率很小。相反,木材因含有一定量木素,易形成大量焦炭,倾向于阴燃。可燃物中次要组成无机灰分的含量对有焰燃烧和阴燃的影响是不同的。有些无机物仅影响有焰燃烧;有些无机物只影响阴燃;而某些无机物则对二者均有影响。例如,大多数无机酸的钠盐通过催化脱水反应,降低了热分解反应的温度,增加焦炭生成量,降低有焰燃烧过程,并促进了阴燃。烟草中含有半纤维素的酸性组分(4—0—甲基葡萄糖醛酸基木聚糖,果胶的主要组成),抑留钠离子和钾离子,促进阴燃过程。又如磷酸铵和硼酸盐等化合物,由于它们与焦炭上活性位置相互作用,阻止了焦炭进一步氧化反应,所以它既能抑制有焰燃烧,又能抑制阴燃。近年来对热分解过程中形成的焦炭进行了大量研究工作,发现生成的焦炭密度对焦炭的阴燃有很大影响。通常,密度大的焦炭有利干阴燃。此外,低温下形成的焦炭其反应活性较在高温下形成的焦炭(呈石墨状)更大。

阴燃传播是不稳定的,影响其稳定性的因素有:1、氧气供给速率,它是影响阴燃传播稳定性的主要因素。在自然对流情况下,氧与对反应区的供给是不稳定的产强迫对流情况下,氧气能够向反应区稳定的扩散,以使阴燃达到稳定传播。反向传播过程中,氧气供给速率与氧化速率和热释放率成正比例关系,因此氧气供给速率增大,将提高热释放率,加快阴燃的传播。2、热损失速率。只有热损失速率不大于热释放速率,散-释热近乎平衡,阴燃才能维持,热损失速率大于热释放速率阴燃最终将会熄灭。在阴燃过程中,与反应区相邻的未燃材料事实上还充当了隔热材料,增加阴燃传播的稳定性。3、炭的氧化。炭的氧化放热是维持阴燃的主要热源。大多数材料在热解作用下都能形成炭。实验证明,炭氧化产生的最小热量必须能够满足预热邻近未燃燃料及内部氧气的要求,否则将会导致熄灭。

阴燃转化为有焰燃烧的实质是:在氧气供给充足的条件下,阴燃释放出的可燃挥发分,达到燃爆极限,遇火源或温度达到着火点以上时,产生气相火焰,从而形成有焰燃烧。影响阴燃向有焰燃烧转变的因素:1、氧气供给速率。阴燃传播速度随氧气供给速率的增加而增加。当达到某一氧气供给速率时,阴燃就有可能向有焰燃烧的转变。2、温度。处于阴燃状态的固体材料,受外界热量作用,温度要升高,内部挥发分释放速度加快。当温度大于某一临界值,阴燃更易转变为有焰燃烧。3、空气流动速度。Palmer根据木屑水平燃烧层的阴燃实验发现:在正向传播中,导致该材料阴燃转变为有焰燃烧的空气流动速度约在0.9-1.7m/s之间。Leisch根据木屑和谷物燃烧层的阴燃实验发现:对于同时存在正向和反向传播的木屑和谷物材料,阴燃传播向有焰焕烧转变时的空气流动速度为4m/s。4、粒径大小。颗粒越大,阴燃越易向有焰燃烧转变。对于颗粒粒径小于1mm的木屑材料,是不可能发生阴燃的。Ohle miller研究发现:隔热织物材料向有焰燃烧转变的最小直径为25μm。5、阻燃剂。阻燃剂(如硼酸和硼砂石)的加入能减弱或消除阴燃向有焰燃烧的转变。但如果加入了阻燃剂的材料与未经阻燃的材料相混,可能会由

于未阻燃材料热量的传递而将阻燃材料引燃,这样一来阻燃剂就起不了太大作用。除了上述几种因素以外,增大材料尺寸、减少含水量一切有利于阴燃的因素都有利于阴燃向有焰燃烧转变。

链接《阴燃过程及其传播机理的分析与研究》、《阴燃过程中的温度场和气体生成规律》(大连理工大学硕士学位论文)、《卷烟纸阴燃性能测定仪检定方法》、《多孔颗粒床阴燃着火实验研究与数值分析》、《燃池内的阴燃过程的实验分析研究》、《纤维质颗粒燃料阴燃引燃过程的研究》、《农作物秸秆粉阴燃热效率的研究》、《河南烤烟40级各等级烟叶阴燃时间测定报告》、《阴燃中出现有焰火的理论初探》、《聚氨酯泡沫材料阴燃特性的实验研究》、《室内生物质阴燃取暖炉的设计和实验》、《日用纸阴燃特性的实验研究》

⑹、完全燃烧 在燃烧发生过程中,如果生成的燃烧产物不能再发生燃烧,则称为完全燃烧。完全燃烧放出的热量较多。例如碳的完全燃烧反应如下:

C+O2→CO2+393.51千焦耳/摩尔

⑺、不完全燃烧 在燃烧反应过程中,如果生成的燃烧产物能再次发生燃烧,则称为不完全燃烧,不完全燃烧放出的热量较少。例如碳的不完全燃烧产生一氧化碳,一氧化碳能再次燃烧。其反应式如下:

C+1/2O2→CO+110.04千焦耳/摩尔 2CO+O2→2CO2

燃烧完全与否不仅与空气供给量有关,而且与空气同可燃气体扩散混合的均匀程度有关。如果空气供给量充足,并与可燃气体混合得非常均匀,则燃烧近于完全燃烧。

7、燃烧过程中的热量传递方式:热传导、热辐射、热对流和飞火。

8、火环境:除可燃物和火源外的其它影响着火、蔓延和能量释放等所有因素的总和。主要有:天气条件、立地条件、林内小气候和氧气等。

链接:《吉林地区林火环境初探》、《大兴安岭山地偃松林火环境研究》、《杉木幼林地表可燃物含水率对主要火环境因子的响应模型》

9、可燃物类型:可燃物类型是一些占据一定空间,并保持在一定时间相对稳定的相似(性质相同,同一地理分布区,同一物候生长规律)可燃物复合体。

链接:《湖北主要森林可燃物类型及潜在火行为研究》、《重庆铁山坪森林可燃物类型划分及其燃烧性》、《湖北省森林可燃物类型区划》、《帽儿山国家森林公园可燃物类型划分及火险等级预报系统的研究》、《我国南方几种松杉可燃物类型火行为特点浅析》

10、防火季节(防火期):具备了发生森林火灾的火环境的季节。

链接:《吉林省森林防火期地理分布的研究》、《云南楚雄州林火分布的数学模型及森林防火期的划分》、《豫西伏牛山区森林防火期灰色拓扑预测》、《吉林省森林防火期的分析与研究》、《确定森林防火期的新方法》

11、可燃物的燃烧性:可燃物是否容易着火以及着火后的难控程度。


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