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可燃性气体、可燃液体与可燃固体的燃烧机理概述

已有 720 次阅读 2019-8-19 16:33 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 可燃性气体, 可燃液体, 可燃固体, 燃烧, 机理

可燃性气体、可燃液体与可燃固体的燃烧机理概述

伍赛特

 

1 可燃性气体的燃烧机理概述

气体的燃烧形式可分为扩散燃烧和预混合燃烧。

扩散燃烧,是指可燃性气体流人大气中时,在可燃性气体和助燃性气体的接触面上所发生的燃烧。可燃性气体从高压容器及其装置中泄漏喷出后燃烧,以及由喷管喷出的煤气在空气中点燃都是典型的扩散燃烧的例子。扩散燃烧受可燃性气体与空气或氧气之间的混合扩散速度影响,可燃性气体的扩散速度越快或者气体的紊流越严重,燃烧速度也就越大。

预混合燃烧,是指可燃性气体和助燃性气体预先混合成一定浓度范围内的混合气体引起的燃烧。它是一种由点火源产生的火焰在混合气体中向前传播的现象,即所谓的火焰传播。在这种情况下,已燃气体和未燃气体的交界面有火焰产生,并进行着复杂的化学反应,出现高温和强光。此时,火焰在未燃的混合气体中进行传播的速度称为燃烧速度。已燃烧的气体因高温而使体积膨胀,使未燃气体沿着火焰行进的方向流动,所以,从外部见到的火焰速度大都呈加速状态,而未燃气体的流动速度与燃烧速度之和便是火焰速度。

在一定条件下,燃烧速度对于可燃性气体是一固定的常数。一般的可燃性气体,在常温下的燃烧速度为4050 cm/s,而氢、乙炔等气体的燃烧速度则大得多。对于火焰速度,因未燃气体的流动速度不同而变化的。若在管道或风筒中,火焰速度则很大,其值可达每秒数米;当火焰进一步加速而转为爆轰时,速度可高达1 8002 000 m/s

预混合气体在大气中着火时,因为燃烧气体能自由膨胀,所以在火焰速度较慢时,几乎不产生压力波及爆炸声响;而当火焰速度很快时,将可能产生压力波及爆炸声,此种情况称为爆燃,但它仍远比在密闭容器中产生的压力要低得多;但当火焰速度进一步加快时,则可向爆轰转变而形成强大的冲击波,给周围环境造成强大的破坏。

在密闭容器内的混合气体一旦着火,火焰便在整个容器内迅速传播,使整个容器中充满着高压气体,内部压力在短时间内急剧上升。但如果不形成爆轰,其最高压力一般不超过初压的10倍。气体火灾与爆炸灾害大部分是由预混合燃烧所引起的。

 

2 可燃液体的燃烧机理概述

可燃液体在一定温度下能蒸发出可燃蒸气,有时还能发生化学分解产生新的可燃性气体,这些可燃蒸气或可燃性气体在一定条件下会发生燃烧。不同液体的燃烧过程可分为下述不同情况。

氧渗入:氧分子渗透到液体的表面,与液体分子化合,产生的燃烧产物在高温作用下飞离液体,暴露出的新液面继续与氧气接触。

喷吹和冲击波破碎:由喷管喷出的液滴与氧化合,这时由于液块分散,表面积加大,燃速也较快。在燃烧过程中,热膨胀波还会把液滴进一步冲碎而加快燃烧。若液滴中含有水分,这水分被火焰激烈加热而发生爆炸性蒸发,将液滴炸碎,从而使液滴分子与氧气接触更充分,燃烧就变得更完全,大大提高了燃烧效率,这就是燃油掺水(乳化)能够省油的道理。

蒸发:形成可燃蒸气而燃烧,例如酒精喷灯把酒精预热蒸发后再进行燃烧。

热分解:有些复杂化合物经过热分解的中间过程后,再同氧气化合燃烧,如蜡烛的石蜡大分子,在火焰温度烘烤下发生分解,产生相对分子质量较小的可燃气后与氧化合。

 

3 可燃固体的燃烧机理概述

硫黄、煤、木柴、纤维素、石蜡、樟脑、生橡胶、树脂等无机物或有机物固体,受热时易引起着火。这些物质在常温下是固体的,受热后就熔化,它们的燃烧方式大多类似液体物质的燃烧。一般的燃烧过程是先受热熔化,然后蒸发汽化,再分解、氧化,直到出现有火焰的燃烧。易燃固体由于其化学组成和性质不同,燃烧方式也比较复杂。

例如萘的片状晶体,有易于升华的特点,受热后即蒸发,可以不经过熔化而直接变为气体分子受氧化而燃烧。

某些金属粉末如镁粉、铝粉等,遇火源能与氧气直接化合而燃烧,不会产生气体和火焰,只发生灼热的火光,燃烧时的温度可达1 000 ℃以上;在高温下还能与水反应放出氢气;在粉尘飞扬时,与空气混合达到一定浓度范围内时,还能遇火源发生爆炸。

某些固体燃料达到自燃温度时,会分解出可燃性气体与空气发生氧化而燃烧。这类物质的自燃温度一般较低,例如纸张和棉花的燃烧就属此类,它们的自燃温度分别是130 ℃和140 ℃。也有一些固体燃料如焦炭,是氧气扩散到焦炭里面,固态碳素直接与氧起反应,这种形式的燃烧需要较高的温度,例如焦炭的自燃温度为700 ℃。木炭燃烧虽然也属于固态碳素与氧直接反应的燃烧,但因木炭的显微结构是海绵状的,内部布满气孔,使燃料与空气的接触面积变得非常大,氧气分子能够大量扩散到炭里,很容易发生自动扩展的氧化反应,因此它开始燃烧的温度只有350 ℃,比焦炭的低得多。

 

参考文献

[1] 胡双启. 燃烧与爆炸[M]. 北京:北京理工大学出版社, 2015.07.




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1 刘炜

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