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第三节 燃烧产物

        燃烧产生的物质,其成分取决于可燃物的组成和燃烧条件。大部分可燃物属于有机化合物,它们主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成,燃烧生成的气体一般有一氧化碳、二氧化碳、丙烯醛、氯化氢、二氧化硫等。

        一、燃烧产物的概念

        由燃烧或热解作用产生的全部称为燃烧产物,有完全燃烧产物和不完全燃烧产物之分。完全燃烧产物是指可燃物中的C被氧化生成的CO2(气)、H被氧化生成的H2O(液)、S被氧化生成的SO2(气)等;而CO、NH3、醇类、醛类、醚类等是不完全燃烧产物。燃烧产物的数量、组成等随物质的化学组成及温度、空气的供给情况等的变化而不同。
        燃烧产物中的烟主要是燃烧或热解作用所产生的悬浮于大气中能被人们看到的直径一般在10-7至10-4cm之间的极小的炭黑粒子,大直径的粒子容易由烟中落下来,称为烟尘或炭黑。炭粒子的形成过程比较复杂。例如,炭氢可燃物在燃烧过程中,会因受热裂解产生一系列中间产物,中间产物还会进一步裂解成更小的碎片,这些小碎片会发生脱氢、聚合、环化等反应,最后形成石墨化碳粒子,构成了烟。

        二、几类典型物质的燃烧产物

        不同类型可燃物的燃烧特性及其燃烧产物是有差别的,以下介绍三类常见材料的燃烧产物
        (一)高聚物的燃烧产物
        有机高分子化合物(简称高聚物),主要是以煤、石油、天然气为原料制得的,如塑料、橡胶、合成纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中,塑料、橡胶和纤维是人们熟知的三 大合成有机高分子化合物,其应用广泛而且容易燃烧。                                   高聚物的燃烧过程十分复杂,包括一系列的物理变化和化学变化,主要分为受热软化熔融、热分解、着火燃烧等阶段。其中,热分解是其燃烧的关键阶段,高聚物的燃烧主要是分解产物中的可燃性气体的燃烧。高聚物的燃烧与热源温度、物理的理化特性和环境氧浓度等因素密切相关。不同高聚物着火燃烧的难易程度有很大的差别。从总体上来讲,其燃烧具有发热量高、燃烧速度快、发烟量较大等特点。并且会在燃烧(或分解)过程中会产生CO、 NOx (氮氧化物)、HCI、HF、 S02及COCI2 (光气)等有害气体,危险性较大。不同类型的高聚物在燃烧(或分解)过程中会产生不同类别的产物。只含碳和氢的高聚物,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯燃烧时有熔滴,易产生CO气体。含有氧的高聚物,如有机玻璃、赛璐络等燃烧时变软,无熔滴,有炭瘤,并产生HCL气体,有毒且溶于水后有腐蚀性。有木粉填料的酚醛树脂燃烧则会放出有毒的酚蒸气。
        (二)木材和煤的燃烧产物
        木材、煤等是典型的固体可燃物质。它们是由多种元素组成的、复杂天然高聚物的混合物,成分不单一,并且是非均质的。
        1.木材的燃烧产物
        木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,由碳、氧、氢和氮等组成。木材的燃料存在两个比较明显的阶段:一是有焰燃烧阶段,即木材的热分解产物的燃烧;二是无焰燃烧阶段,即木炭的表面燃烧。单个木材的燃烧行为受到多种自身因素的影响,如纹理结构、密度、含水量、比表面积等,木垛的燃烧取决于通风状况,与木垛堆放的紧密程度有关。
         木材的主要成分在不同温度下分解并释放挥发分,一般为:半纤维素200~ 260℃分解;纤维素240- 350℃分解;木质素280 ~ 500℃分解。当木材接触火源时,加热到约110℃时就被干燥并蒸发出极少量的树脂;加热到130℃时开始分解,产物主要是水蒸气和二氧化碳;加热到220- 250℃时开始变色并炭化,分解产物主要是一氧化碳、氢和碳氢化合物;加热到300℃以上,有形结构开始断裂,在木材表面垂直于纹理方向上木炭层出现小裂纹,这就使挥发物容易通过炭化层表面逸出。随着炭化深度的增加,裂缝逐渐加宽,结果产生“龟裂”现象。此时木材发生剧烈的热分解。表1-1-4列出了一般木材在不同温度下分解产生的气体组成。

 
        2. 煤的燃烧产物
        煤主要由碳、 氢、 氧、 氮和硫等元素组成。煤的燃烧过程几乎同时存在有焰燃烧和无焰燃烧,主要受炭化程度、颗粒度、岩石学组成、受风化情况及含水量等多种因素影响。一般情况下,煤受热时,低于105℃,主要析出其中的吸留气体和水分;200 - 300℃时开始析出气态产物如CO、 CO2 等,煤粒变软成为塑性状态; 300 ~ 550℃ 时开始析出焦油和CH4 及其同系物、不饱和烃及CO、 CO2 等气体;在500-750℃时,半焦开始热解,并析出大量含氢较多的气体;760 -1000℃时,半焦继续热解,析出少量以氢为主的气体,半焦变成高温焦炭。煤热分解产生挥发分的组分及其含量主要取决于煤的炭化程度和温度。炭化程度加深,挥发分析出量减少,但其中可燃组分含量却增多。加热温度越高,挥发分逸出量就越多。
        (三)金属的燃烧产物
        金属燃烧通常热值大、温度高,某些金属燃烧时火焰具有特征颜色,见表1-1-5.金属燃烧的难易程度与比表面积关系极大,其燃烧的能力取决于金属本身及其氧化物的物理、化学性质。其中金属及其氧化物的熔点和沸点对其燃烧能力的影响比较显著。根据熔点和沸点不间,通常将金属分为挥发金属和不挥发金属。

         挥发金属(如Li、Na、 K、Mg、Ga等)在空气中容易着火燃烧,熔融成金属液体,它们的沸点一般低于其氧化物的熔点(K除外),因此在其表面能够生成固体氧化物。由于金属氧化物的多孔性,金属继续被氧化和加热,经过→段时间后,金属被熔化并开始蒸发,蒸发出的蒸气通过多孔的固体氧化物扩散进入空气。
        不挥发金属(如AI、Ti、Zr等)因其氧化物的熔点低于金属的沸点,则在燃烧时熔融金属表面形成一层氧化物。这层氧化物在很大程度上阻碍了金属和空气中氧的接触,从而减缓了金属被氧化。但这类金属在粉末状、气熔胶状、刨花状时在空气中燃烧进行得很激烈,并且不生成烟。

        三、燃烧产物的危害性

        统计资料表明,火灾中死亡人数大约75%是由于吸入毒性气体而致死的。燃烧产物中含有大量的有毒成分,如CO、 HCN、 SO2、 NO2 等。这些气体均对人体有不同程度的危害。常见的有害气体的来源、生理作用及致死浓度见表1-1-6.

        二氧化碳和一氧化碳是燃烧产生的两种主要燃烧产物。其中,二氧化碳虽然无毒,但当达到一定的浓度时,会刺激人的呼吸中枢,导致呼吸急促、烟气吸入量增加,并且还会引起头痛、神志不清等症状。而一氧化碳是火灾中致死的主要燃烧产物之一,其毒性在于对血液中血红蛋白的高亲和性,其对血红蛋白的亲和力比氧气高出250倍,因而,它能够阻碍人体血液中氧气的输送,引起头痛、虚脱、神志不清等症状和肌肉调节障碍等。一氧化碳对人的影响见表1-1-7。
 
 


        除毒性之外,燃烧产生的烟气还具有一定的减光性。通常可见光波长(λ)为0.4~0.7微米,一般烟气中的烟粒子粒径(d)为几微米到几十微米,由于d>2λ,故烟粒子对可见光是不透明的。烟气在火场上弥漫,会影响人们的视线,使人们难以辩别火势发展方向和寻找安全疏散路线。同时,烟气中有些气体对人的肉眼有极大的刺激性,降低能见度。
       
 

本章思考题

 

        1.如何理解燃烧的充分条件?
        2.燃烧有哪些类型?
        3.固体、气体、液体燃烧各自有哪些类型和特点?
        4.举例说明燃烧产物(包括烟)有哪些毒害作用?其危害性主要体现在哪几个方面。
        5.高泵物、木材和煤、金属的燃烧过程及其燃烧产物各自有哪些特点。
 
参考文
 
        [1]杜文锋,凯发体育下载燃烧学{M}..北京:中国人民公安大学出版社.2006..
        [2]中华人民共和国公安部凯发体育下载局。中国凯发体育下载手册(第一卷).:总论。凯发体育下载基础理论{M}.上海:上海科学技术出版社.2010.
        [3]中国凯发体育下载协会。灭火救援员{M}.北京:中国科学技术出版社.2013.
        [4]韩占先。降服火魔之术{M}.济南。山东科学技术出版社.2001.
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