第2-5章 火灾基础

实际燃烧－无纯粹热自燃或链式自燃→同时存在、相互 促进。
可燃混合气自行加热加强热活化和链反应基元反应。低 温时链反应使系统加热，加强分子热活化→不能单一自 燃理论解释。高温时，热自燃是着火主要原因，低温时 支链反应是主要原因。 着火反应两特征： ① 具有一定着火温度Ti。反应系统＝Ti，反应速率急剧 增大，气压↑，伴放热、发光等现象。 ② 着火温度前有感应期（着火延迟时间）。着火延迟 时间内，反应速率极慢，可燃混气浓度变化小。
•
强迫着火 强迫着火或点燃(引燃)：冷反应混合物被炽热高温物体 (如电火花、高温固体质点、点火火焰等)在局部迅速加 热，并在高温物体附近引发火焰，局部火焰点燃邻近混 合气并传播，整个混合气燃烧。

强迫点火和自燃着火：原理一致，化学反应急速加剧。 具体进行时不同：

强迫着火仅在混合气局部(点火源)附近进行，自燃在 整个可燃混合气中进行。 自燃：全部可燃气在一定环境温度下。强迫着火:全 部混合气较冷状态。保证点燃和传播，强迫着火温度 (点火温度)比自燃温度高得多。 强迫着火：可燃气形成局部火焰、火焰在混合气体 中传播两阶段。
谢苗诺夫公式
lg( T0 ) (1 2 / n ) p A B T0 (2 6)
Pc
在曲线上能自发着火
低压，自燃着火温度高， 高压，自燃着火温度低。
在曲线下不能自发着火
Tc 图3—9 临界压力随临界温度的变化 着火临界压力与自燃温度的关系
自燃温度和着火临界压力与燃料和空气的组分有关 （图2-3，2-4，P18）
• 环境风速及氧浓度和空气压力对火灾蔓延速度产
生影响：环境中氧浓度增大，火焰传播速度加快； 风速增加也有利于火焰的传播，但风速过大会吹 灭火焰；空气压力增加，提高了化学反应速度， 加快火焰传播。
• 相同的材料，在相同的外界条件下，火焰沿材料
的水平方向、倾斜方向和垂直方向的蔓延速度也 不相同（P30-31）。
• •
可燃物的种类多，根据其存在的形态可分为气体、 液体和固体可燃物。 三种类型可燃物着火过程不同。
2.1 气体可燃物的着火
• 可燃混合气体着火方式：自燃着火和强迫着火
或点燃。－着火过程。 • 自燃：一定体积可燃混合气体预热－某一温度， 可燃物缓慢氧化还原反应，放热，气体温度增 加，反应速度加速，生成更多热量，反应速度 急剧增大－着火。 • 强迫着火：可燃混合气体内某部分用点火源点 着相邻一层混合气→燃烧波自动传播到混合气 其余部分。点火源：火焰、高温体、电火花等。 • 着火机理：热自燃机理和链式自燃机理。
化学反应机理
活化分子碰撞理论：可对简单反应作出合理解释，对于燃 烧速度随反应温度升高而急剧增高的反应。 链锁反应：对于复杂反应，化学反应在低温度下能很激烈 地进行的反应作出解释。
活化分子碰撞理论观点
在简单反应中，由于反应物中存在着大量作不规则热运动 的分子，它们之间有可能发生碰撞。当碰撞能破坏反应物原 有分子键结构，生成新键时化学反应发生。 只有相互碰撞的分子所具有的能量超过一定反应能级水平 时才能进行化学反应，这一能级称为活化能。
火灾基础
第2章：火灾发生
第3章：火灾蔓延 第4章：火灾烟气 第5章：典型火灾及烟气蔓延过程分析
第2章：火灾发生
•
火灾-燃烧现象，火灾过程发生、蔓延和熄灭 三个阶段，燃烧学基本理论分析研究。可燃物、 氧化剂和点火源是燃烧的三要素。
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燃烧的条件
氧气
燃烧三角形
热源
可燃物
热源
可燃物 链式反应
燃烧四面体
氧气
阴燃－无明火燃烧，生成的烟气中含有大量的可燃
气体和液体颗粒。
高层公共建筑屋内家具和装饰材料多，可燃物多，火灾荷
载为30～50kg/m2。以我国新建高层宾馆为例，客房放臵 两张床、写字台、沙发、软椅茶几、木门壁橱等＋床垫及 床上用品、地毯、窗帘等。相当于30～40kg/m2的标准木 材，即平均火灾负荷密度为30～40kg/m2。

•
链式自燃机理

链式自燃机理：混燃气中，自由基反应链分支，使活 化中心(自由基)迅速增殖，反应速率急剧升高而导致着 火。 反应自动加速不一定靠热量积累，通过自由基链式反 应(有分支的链式反应)能积累活化中心，使反应自动加 速，直至着火。

化学反应的分类
按反应机理的复杂程度不同，通常把反应分成两大类： 简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应 复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是要通过 生成中间产物的许多反应步骤来完成，其中每一步反应称为 基元反应 化学反应是具有不同原子结构的物质重新组合的过程。人们 把那种能代表反应机理的、由反应微粒（分子、原子、离子 或自由基等）一步直接实现的变化称为“基元步骤”。
• 热对流
热对流是建筑物内火灾蔓延的一种主要方式。
建筑火灾发展到旺盛期后，一般说来窗玻璃在轰 燃之际破坏，又经过一段时间的猛烈燃烧，内走 廊的木质户门被烧穿，或者门框之上的亮窗玻璃 被破坏，导致烟火涌入内走廊。
• 热辐射
热辐射是相邻建筑之间火灾蔓延的主要方式之一。 建筑防火中的防火间距，主要是考虑防止火焰辐 射引起相邻建筑着火而设臵的间隔距离。 要搞清楚火焰辐射对火灾蔓延的机理，首先必须 搞清楚两个问题，即，点燃可燃材料所需的辐射 强度是多少？建筑物发生火灾时能够产生多大的 辐射强度？
• 液体可燃物的燃烧：喷雾燃烧和液面燃烧。 • 火焰在油雾中、液面上传播，造成火灾蔓延。 • 油雾中火灾的蔓延(粒径小）－气体
3.3 固体可燃物火灾的蔓延
• 比气体、液体可燃物的燃烧过程复杂，影响因
素多 • 影响因素：材料特性、环境因素有关，其大小 决定火势发展的快慢。 • 熔点、热分解温度越低、燃烧速度越快、蔓延 快。
链锁反应理论观点
很多化学反应并不是一步就能完成，而是需要经过中间若 干基元反应才能完成。在中间反应过程中会产生一些活性物 （活化中心），再由这些活化中心与原始反应物进行化学反 应，这时除产生最终生成物外，同时也再生出若干活化中心， 因此可以使化学反应得以继续进行下去。
链锁过程
链引发： 以光照、加热、引发剂等方法使反应物分子断裂生 成链载体的过程。 链传递： 链载体与反应物分子交替反应的过程，链载体起着 传递的作用。 链终止： 链载体与器壁碰撞形成稳定分子，或两个链载体与 第三个惰性分子相撞失去能量而成为稳定分子，则 链中断而终止。
第4章 火灾烟气
4.1 烟气的产生
燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的固体 和液体微粒. 含烟粒子气体称为烟气。由三种类型物质组成： (1) 气相燃烧产物； (2) 未燃烧的气态可燃物； (3) 未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小 颗粒。 烟气的危害性：含有毒、有害成分；腐蚀性成 分；颗粒物等；火灾环境高温缺氧。

如果保持系统温度不变，而升高压力，P点则向上垂直移 动。这时因气体压力较高，密度较大，自由基与稳定分子碰 撞的机会增多，气相销毁的速度加快。当压力增加到一定值 时，自由基销毁速度可能会大于自由基增长速度，于是系统 由爆炸转为不能爆炸，爆炸区与非爆炸区之间出现了第二极 限。 压力再升高，又会出现新的自由基连锁反应，导致自由基 增长速度增加，系统又发生爆炸，这就是爆炸的第三极限


链锁反应分类
直链反应： 反应中载体数目始终未增加。 支链反应： 在等温条件下，基元反应产生的链载体数目比消失 的多，链传递过程呈技叉发射状。支链及反应速率 是加速的。
•
链锁反应解释氢氧反应着火极限
氢／氧反应体系中，存在链的分支，H与其他基团反应可生 成三个H，使得H浓度迅速增加，同时也存在自由基的销毁 过程。包括气相销毁(自由基在气相中与稳定分子碰撞失去活 性)和器壁销毁(自由基与器壁碰撞失去活性)。设第一、第二 极限之间的爆炸区内有一点P(见图2-5)，保持系统温度不变 而降低系统压力，P点则向下垂直移动。此时因氢氧混合气 体压力较低，自由基扩散较快，氢自由基与容器器壁碰撞的 机会较多，因此易发生器壁销毁，压力越低销毁速度越快。 当压力下降到某一值后，自由基销毁速度可能大于自由基生 成速度，于是系统由爆炸转变为不爆炸，爆炸区与非爆炸区 之间出现了第一极限。
高层建筑火灾蔓延的方式
• 火焰蔓延
初始燃烧表面的火焰，将可燃材料燃烧，并使 火灾蔓延开来。火焰蔓延速度主要取决于火焰 传热的速度。
• 热传导
火灾通过传导的方式进行蔓延扩大，有两个比较 明显的特点： 其一，必须有导热性好的媒介，如金属构件或金 属设备等；
其二，蔓延的距离较近，一般只能是相邻的建筑 空间。
4.2 烟气特性与危害－烟气的物理特性
颗粒尺寸分布：烟颗粒的尺寸分布和数目决定着
烟的特性。很多情况下常用几何分布来描述烟颗 粒的尺寸分布，即
N log d
随logd的变化，在此d表示颗粒直径，ΔN表示单位 体积内尺寸为logd到logd+Δlogd之间的颗粒数目。
对数正态分布
– 粉尘粒径分布曲线很少像正态分布那样成对称 的钟形曲线，以lndp代替dp就可以将其转化为近 似正态分布曲线的对称性钟形曲线。
湍流状态及湍流火焰
• 湍流火焰：火焰表面皱折变形，变粗变短，作无
规则的旋转和移动。
• 与层流火焰不同，湍流火焰面的热量和活性中心
未向未燃混合气输送，靠流体涡团运动激发和强 化，受流体运动状态支配。湍流燃烧激烈，火焰 传播速度大。表3-1一些燃料和空气预混合气体的 层流火焰传播速度。
• 爆轰
3.2 液体可燃物中火灾的蔓延
• 可燃气与空气混合-预混可燃混合气，着火燃烧， •
火灾蔓延。 预混气体流动状态影响燃烧过程。流动状态不同， 燃烧形态不同。
层流状态及层流火焰
• 层流状态火焰因可燃混合气流速不高，无扰动，
火焰表面光滑，燃烧状态平稳。
• 层流火焰：热传导和分子扩散－热量和活化中