燃燒基礎知識主要包括燃燒條件、燃燒類型、燃燒方式與特點及燃燒產物等相關內容,是關于火災機理及燃燒過程等最基礎、最本質的知識。
燃燒條件
所謂燃燒,是指可燃物與氧化劑作用發生的放熱反應,通常伴有火焰、發光和(或)發煙現象。燃燒過程中,燃燒區的溫度較高,使其中白熾的固體粒子和某些不穩定(或受激發)的中間物質分子內電子發生能級躍遷,從而發出各種波長的光;發光的氣相燃燒區就是火焰,它是燃燒過程中最明顯的標志;由于燃燒不完全等原因,會使產物中混有一些小顆粒,這樣就形成了煙。
一、燃燒的必要條件
燃燒可分為有焰燃燒和無焰燃燒。通常看到的明火都是有焰燃燒;有些固體發生表面燃燒時,有發光發熱的現象,但是沒有火焰產生,這種燃燒方式則是無焰燃燒,例如木炭的燃燒。
燃燒的發生和發展,必須具備三個必要條件,即可燃物、氧化劑和溫度(引火源)。當燃燒發生時,上述三個條件必須同時具備,如果有一個條件不具備,那么燃燒就不會發生或者停止發生。
進一步研究表明,有焰燃燒的發生和發展除了具備上述三個條件以外,因其燃燒過程中還存在未受抑制的自由基(一種高度活潑的化學基團,能與其他自由基和分子起反應,從而使燃燒按鏈式反應的形式擴展,也稱游離基)作中間體,因此,有焰燃燒發生和發展需要四個必要條件,即可燃物、氧化劑、溫度和鏈式反應。
(一)可燃物
凡是能與空氣中的氧或其他氧化劑起化學反應的物質,均稱為可燃物,如木材、氫氣、汽油、煤炭、紙張、硫等。可燃物按其化學組成,分為無機可燃物和有機可燃物兩大類。按其所處的狀態,又可分為可燃固體、可燃液體和可燃氣體三大類。
(二)氧化劑(助燃物)
凡是與可燃物結合能導致和支持燃燒的物質,稱為助燃物,如廣泛存在于空氣中的氧氣。普通意義上,可燃物的燃燒均指在空氣中進行。
(三)引火源
凡是能引起物質燃燒的點燃能源,統稱為引火源。一般分直接火源和間接火源兩大類。了解火源的種類和形式,對有效預防火災事故的發生具有十分重要的意義。
1.直接火源
(1)明火。指生產、生活中的爐火、燭火、焊接火、吸煙火、撞擊、摩擦打火、機動車輛排氣管火星、飛火等。
(2)電弧、電火花。指電氣設備、電氣線路、電氣開關及漏電打火;電話、手機等通訊工具火花;靜電火花(物體靜電放電、人體衣物靜電打火、人體積聚靜電對物體放電打火)等。
(3)雷擊。瞬間高壓放電的雷擊能引燃任何可燃物。
2.間接火源
(1)高溫。指高溫加熱、烘烤、積熱不散、機械設備故障發熱、摩擦發熱、聚焦發熱等。
(2)自燃起火。是指在既無明火又無外來熱源的情況下,物質本身自行發熱、燃燒起火,如黃磷、烷基鋁在空氣中會自行起火;鉀、鈉等金屬遇水著火;易燃、可燃物質與氧化劑、過氧化物接觸起火等。
(四)鏈式反應
很多燃燒反應不是直接進行的,而是通過游離基團和原子這些中間產物在瞬間進行的循環鏈式反應。游離基的鏈鎖反應是燃燒反應的實質,光和熱是燃燒過程中的物理現象。
二、燃燒的充分條件
可燃物、氧化劑和引火源是無焰燃燒的三個必要條件,但燃燒的發生需要三個條件達到一定量的要求,并且存在相互作用的過程,這就是燃燒的充分條件。對于有焰燃燒,還包括未受抑制的鏈式反應。
(一)一定的可燃物濃度
可燃氣體或可燃液體的蒸氣與空氣混合只有達到一定濃度,才會發生燃燒或爆炸。例如,常溫下用明火接觸煤油,煤油并不立即燃燒,這是因為在常溫下煤油表面揮發的煤油蒸氣量不多,沒有達到燃燒所需的濃度,雖有足夠的空氣和火源接觸,也不能發生燃燒。燈用煤油在40℃以下、甲醇在低于7℃時,液體表面的蒸汽量均不能達到燃燒所需的濃度。
(二)一定的助燃物濃度
各種不同的可燃物發生燃燒,均有本身固定的最低氧含量要求。氧含量低于這一濃度,即使其他必要條件已經具備,燃燒仍不會發生。如:汽油的最低氧含量要求為14.4%,煤油為15%,乙醚為12%。
(三)一定的點火能量
各種不同可燃物發生燃燒,均有本身固定的最小點火能量(見本篇第三章第三節)要求。達到這一能量才能引起燃燒反應,否則燃燒便不會發生。如:汽油的最小點火能量為0.2mJ,乙醚(5.1%)為0.19 mJ,甲醇(2.24%)為0.215 mJ。
(四)燃燒條件的相互作用
燃燒要發生,必須使以上三個條件相互作用。要求每種條件都要達到一定的量,而且其中一個量的變化又會影響燃燒時對其他條件量的要求。如氧濃度的變化就會改變可燃氣體、液體和部分可燃物的燃點。在實際情況下,對燃燒產生影響的條件還有很多:比如液態和氣態可燃物,壓力和溫度對燃燒的影響就較大,當點火能量是電火花時,還要考慮電極間隙距離。又比如一般情況下,相同質量的固態可燃物與空氣接觸的表面積越大,燃燒所需的點火能量就越小。
(五)未受抑制的鏈式反應
對有焰燃燒,根據燃燒的鏈鎖反應理論,因燃燒過程中存在未受抑制的游離基(自由基)作中間體,考慮游離基參加燃燒反應的附加維,從而形成著火四面體,如圖1-1-2。自由基是一種高度活潑的化學基團,能與其他的自由基和分子起反應,從而使燃燒按鏈式反應的形式擴展。因此,有焰燃燒的發生需要未受抑制的鏈式反應。