燃烧学第八章 可燃固体燃烧

燃烧学主编8.1　可燃固体的燃烧特点、重要参数及主要影响因素8.2　可燃固体的着火与燃烧理论8.3　木材的燃烧8.4　高聚物的燃烧8.5　煤和碳粒的燃烧8.6　可燃固体的阴燃8.7　固体粉尘的燃烧爆炸第八章可燃固体燃烧8.1　可燃固体的燃烧特点、重要参数及主要影响因素8.1.1　可燃固体的燃烧过程及特点8.1.2　评定固体火灾危险性的参数8.1.3　固体燃烧的主要影响因素8.1.1　可燃固体的燃烧过程及特点图8 - 1　固体可燃物燃烧过程8.1.1　可燃固体的燃烧过程及特点1.分解燃烧2.蒸发式燃烧3.表面燃烧4.阴燃1.分解燃烧在受到火源加热时，可燃固体，如木材、合成塑料、煤等高聚物，主要先发生固体热解反应(固体氧化反应不是主要反应)，随后热解析出的可燃挥发分与氧在空间中接触燃烧而形成火焰，这也就是热解燃烧，它是固体主要的燃烧方式，其过程可以描述为：火源加热→热解→着火燃烧。2.蒸发式燃烧熔点比较低的固体燃料容易发生蒸发式燃烧。在燃烧之前先熔融成液体状态，而后液体在受热条件下产生的可燃蒸气与空气中的氧发生气相反应(也称均相反应)，在空间中形成燃烧火焰，如蜡烛燃烧就是一种典型的蒸发式燃烧。此类型燃烧一般有两种途径：①火源加热→熔融蒸发→着火燃烧；②火源加热→升华→着火燃烧。3.表面燃烧木炭、焦炭、铁、铜等可燃固体的燃烧是由氧和固体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 直接反应而发生的，而且反应仅在材料的表面进行，称为表面燃烧。表面燃烧是一种无火焰燃烧，有时也称为异相燃烧，即可燃物与氧化剂处于固、气两种不同状态时的燃烧现象。如木材、煤等固体燃料在挥发分全部析出并燃烧完全以后，剩余的碳就会发生表面燃烧。4.阴燃阴燃是指在堆积空气不足的环境下，某些物质发生只冒烟而无火焰的燃烧现象。特别地，一些存在空隙的固体(通常是丝状、颗粒状)，可在较低温度下发生阴燃，在这些固体的外表面和内部大范围区域内，固体与氧气直接发生反应。8.1.2　评定固体火灾危险性的参数1.熔点、闪点、燃点、自燃点2.热分解温度3.氧指数4.比表面积1.熔点、闪点、燃点、自燃点表8 - 1　常见高分子物质的自燃点2.热分解温度表8 - 2　几种可燃固体的热分解温度及相应的燃点3.氧指数表8 - 3　根据氧指数可燃固体的分类4.比表面积比表面积是指单位体积固体的表面积。对于相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。特别地，比表面积对可燃粉尘的燃烧与爆炸性能具有极其重要的影响，它直接关系着爆炸下限、最小引爆能、最大爆炸压力等参数的变化。8.1.3　固体燃烧的主要影响因素1.外界火源或外加热源2.固体材料的性质3.固体材料的形状尺寸及表面位置4.外界环境因素1.外界火源或外加热源一般地，外界引火源必须处于固体产生的可燃挥发分的气流之内才能引燃固体，而外界加热速率(QE)越大，则固体就越易着火。由于外加热源在预热火焰锋前的材料未燃部分的同时，还加快了火焰锋后的燃烧速度，使整个燃烧过程得以强化。2.固体材料的性质(1)熔点、热分解温度、热解潜热或蒸发潜热(Lv)越低，而燃烧热越高的可燃固体，受热时释放可燃气体的速度就越快，在固体表面形成的可燃热解气的浓度就越高，因此，往往越容易被引燃，且引燃后的稳定燃烧速度也越快。(2)固体材料的热惯性对其着火燃烧性能有重要影响，尤其对于厚固体材料，这种影响更为突出，甚至起着主导的作用。(3)燃烧释热速率(qr)也是影响可燃固体稳定燃烧的另一个重要性质，一般来说，固体的热释放速率与燃料的质量燃烧速率及表面积有关，质量燃烧速率越高，燃烧表面积越大，则热释放就越大，固体的燃烧释热速度可按照下式进行计算。 （8-1）3.固体材料的形状尺寸及表面位置(1)正如前面所提到的，在材料相同的情况下，固体燃烧的容易程度由比表面积来决定。(2)显而易见的是，厚物体比薄物体更难着火燃烧。(3)燃烧方向也会影响到燃烧速度。图8 - 2　固体不同方位放置时的火焰传播3.固体材料的形状尺寸及表面位置4.外界环境因素(1)外界氧浓度。(2)环境温度。(3)环境压力。(4)外来的空气流动。(1)外界氧浓度。当外界氧浓度增大时，物质的着火燃烧能力也将显著提高。火焰温度也会随着氧浓度增大而升高，而火焰温度的升高，向可燃物表面反馈的热量也将增多，进而可加速燃烧的发展。(2)环境温度。图8 - 3　辐射热对竖直有机玻璃由下向上火焰传播的影响(图中数字为外加辐射热通量，单位为kW/)(3)环境压力。图8 - 5　风速及氧含量对硬质纤维板水平火焰传播速度的影响(4)外来的空气流动。8.2　可燃固体的着火与燃烧理论8.2.1　固体引燃条件8.2.2　固体点火时间理论分析8.2.3　固体燃烧传播理论8.2.1　固体引燃条件表8 - 4　一些高聚物的与φ的值8.2.1　固体引燃条件8.2.2　固体点火时间理论分析1.厚固体点火时间的理论分析2.薄物体点火时间分析1.厚固体点火时间的理论分析图8 - 6　厚试样传热过程分析1.厚固体点火时间的理论分析固体的热扩散公式：(8-3)1.厚固体点火时间的理论分析1.厚固体点火时间的理论分析图8 - 7　试样PMMA的点燃时间与外加辐射热之间的关系2.薄物体点火时间分析对于薄的固体物体，例如纸张、幕布、窗帘等，由于其Bi数很小，内部温度可认为是均匀一致的，因此可采用集总热容法分析，从而确定薄物体的点火时间。8.2.3　固体燃烧传播理论根据能量守恒方程，可以建立火焰传播的基本公式： (8-11) (8-12)8.3　木材的燃烧8.3.1　木材的成分8.3.2　木材的热学性质8.3.3　木材的热解与燃烧过程8.3.4　木材的热解模型8.3.5　木材燃烧的主要影响因素8.3.6　木垛的燃烧8.3.1　木材的成分图8 - 8　木材的化学成分8.3.2　木材的热学性质1.木材的比热容2.木材的导热系数3.木材的闪点和着火点4.木材的燃烧热1.木材的比热容(1)绝干木材的比热容。(2)湿木材的比热容。(1)绝干木材的比热容。绝干木材的比热容基本上因树种的不同而变化，但对于树脂含量高的木材，比热容值常较大。(2)湿木材的比热容。可用下式近似计算： (8-13)2.木材的导热系数(1)含水率的影响。(2)木材密度的影响。(3)热流方向的影响。(4)温度的影响。3.木材的闪点和着火点表8 - 5　某些木材闪点温度、着火温度4.木材的燃烧热表8 - 6　木材、木制品和某些比较物的燃烧热8.3.3　木材的热解与燃烧过程1.木材的热解过程2.木材的燃烧过程3.木材的燃烧速度1.木材的热解过程木材在有焰燃烧的情况下，热解生成的可燃挥发性产物以火焰形式被氧化消耗。形成的火焰区域与可燃挥发性产物生成速率有关。当可燃挥发性产物的生成速率大时，形成的火焰区域大；生成速率小，则形成的火焰区域就小。气相反应速度要远快于热解反应速度，因此燃烧速度主要取决于木材的热解过程。2.木材的燃烧过程图8 - 9　试样松木的燃烧热释放速率(外加热为35kW/，气流量为24L/s)2.木材的燃烧过程图8 - 10　松木的燃烧的表面形状3.木材的燃烧速度木材的燃烧速度常用质量燃烧速度和线燃烧速度表示。前者指在单位质量木材在单位时间内燃烧所消耗的质量，它适合于可以对试样进行整体称重的场合。后者指的是单位时间木材表面的炭化厚度。8.3.4　木材的热解模型在木材失重过程中，可以把热解反应写为以下形式： (8-15) 假定上述热解反应符合阿累尼乌斯(Arrhenius)定律，则反应速度常数可以表示为： (8-16) 定义特定温度条件下材料的失重率α为： (8-17) 则木材的热解速率可以表示为： (8-18)8.3.4　木材的热解模型图8 - 11　杉木试样的热分析曲线8.3.4　木材的热解模型图8 - 13　单方程模型的质量随时间变化8.3.4　木材的热解模型8.3.4　木材的热解模型8.3.5　木材燃烧的主要影响因素1.木材密度的影响2.含水量的影响3.木材比表面及方位角的影响1.木材密度的影响一般来说，木材的密度越大，其燃烧速度就越小，这是因为密度大的木材导热性能好，这种情况下，大量热量被导入了木材深处，从而造成表面温度上升较慢，热解速度降低，而不容易着火或难以维持燃烧，也就是燃烧速度慢。2.含水量的影响木材含水量越大，木材越不易着火，着火后燃烧速度也慢，这是因为木材中的水分因受热而蒸发时需吸收部分热量；而燃烧区域内充满了由蒸发形成的水蒸气，也使氧与可燃气浓度降低；同时，水分的存在还会使木材导热率增加。3.木材比表面及方位角的影响图8 - 15　木条燃烧传播的方位角示意图及其对燃烧传播速度的影响a)方位角示意图　b)方位角对燃烧传播速度的影响3.木材比表面及方位角的影响图8 - 16　木条横纹和顺纹的燃烧传播速度对比3.木材比表面及方位角的影响3.木材比表面及方位角的影响图8 - 18　环境温度对燃烧传播速度的影响8.3.6　木垛的燃烧1.木垛燃烧与木垛火2.木垛的燃烧性质1.木垛燃烧与木垛火图8 - 19　木垛结构2.木垛的燃烧性质理论上，孔隙率ϕ可采用以下经验公式计算：(8-27)燃烧的时间一般可按下面的经验公式估算：(8-28)2.木垛的燃烧性质表8 - 9　系数α的数值8.4　高聚物的燃烧8.4.1　高聚物种类及燃烧特点8.4.2　热塑性高聚物的燃烧8.4.3　热固性高聚物的燃烧8.4.4　高聚物的热解8.4.5　高聚物的燃烧传播8.4.6　高聚物燃烧的相关特性与参数8.4.1　高聚物种类及燃烧特点塑料、纤维和橡胶是应用比较广泛的三大有机高分子化合物(简称高聚物)。这些高聚物都容易燃烧，因此，对其燃烧进行研究具有的重要意义。表8 - 11　常见热塑性高聚物的软化、熔融温度8.4.2　热塑性高聚物的燃烧图8 - 20　OLSON在PMMA燃烧实验中的气泡的图像8.4.2　热塑性高聚物的燃烧图8 - 21　PMMA试样燃烧热释放速率(加热锥作用，热通量35kW/，气流量24L/s)8.4.2　热塑性高聚物的燃烧8.4.3　热固性高聚物的燃烧热固性高聚物的特点是在一定条件下(如加热、加压)下能通过化学反应固化成不熔性的塑料。常用的热固性塑料有酚醛塑料、环氧塑料、聚氨酯塑料、有机硅树脂、不饱和聚酯塑料、丙烯基树脂等及其改性树脂为机体制成的塑料。8.4.4　高聚物的热解表8 - 12　常见聚合物的热解温度及主要热解产物表8 - 12　常见聚合物的热解温度及主要热解产物8.4.4　高聚物的热解8.4.4　高聚物的热解在高聚物的燃烧分析中常采用表观反应的研究方法，即不关心具体的反应步骤和产物成分，而只研究总体的反应现象和反应速度。反应过程表示如下：(8-29)对于聚氨酯泡沫材料的动力学分析基本方程同样表示如下:(8-30)(8-31)8.4.5　高聚物的燃烧传播图8 - 22　PMMA板燃烧传播速度与厚度的关系8.4.5　高聚物的燃烧传播图8 - 238.4.6　高聚物燃烧的相关特性与参数1.燃烧难易性的表征方法2.高聚物燃烧热和燃烧速度3.高聚物发烟量和毒性1.燃烧难易性的表征方法表8 - 13　部分常见高聚物的氧指数1.燃烧难易性的表征方法不含卤素高聚物的氧指数的经验公式为：(8-37)C/O或C/N不小于6的高聚物的氧指数的经验公式为：(8-38)含卤素的高聚物，氧指数估算经验公式：(8-39)(8-40)表8 - 14　一些高聚物的燃烧热和燃烧速度2.高聚物燃烧热和燃烧速度表8 - 15　一些高聚物的比热容和导热系数2.高聚物燃烧热和燃烧速度3.高聚物发烟量和毒性高聚物的分子结构中含碳量普遍较高，在燃烧(包括热解)中发烟量较大。这些烟尘会阻碍光线在空气中的传播，从而影响能见度。8.5　煤和碳粒的燃烧8.５.1　煤的燃烧性能8.5.2　煤的低温自燃理论8.5.3　煤的高温燃烧8.5.4　碳粒燃烧的单膜模型8.5.5　碳粒燃烧双膜模型8.５.1　煤的燃烧性能1.煤的形成与分类2.煤的燃烧成分1.煤的形成与分类(1)菌解阶段，即泥炭化阶段。(2)煤化阶段，即褐煤阶段。(3)变质阶段，即烟煤及无烟煤阶段。2.煤的燃烧成分表8 - 16　与煤相关燃料的挥发特性8.5.2　煤的低温自燃理论(1)水吸附阶段。(2)化学吸附阶段。(3)煤氧复合物生成阶段。(4)燃烧初始阶段。(5)快速燃烧阶段。(1)水吸附阶段。在这个阶段煤与氧气不会发生反应，只是个物理过程，这也是它与其他阶段的不同之处。煤在吸附水的过程中会放出大量热，也就是所谓的润湿热。(2)化学吸附阶段。煤自燃过程中首先发生化学反应的就是在这个阶段。该阶段的反应温度在环境温度至70℃之间。在这个过程中煤吸附氧气会产生过氧化物，因此命名为化学吸附阶段。(3)煤氧复合物生成阶段。该阶段会生成一种稳定的化合物，也就是煤氧复合物。此阶段的反应温度范围为150～230℃。煤重在这个阶段会有所增加，一旦进行到这个阶段必然会发生自燃。(4)燃烧初始阶段。这是煤氧复合物生成阶段过渡到煤快速燃烧阶段的关键时期，一旦煤温到达230℃，煤氧化就可进行到个阶段。此时煤的反应热为42～243.6J/g，并且这些热量能使煤迅速上升并能促进煤的快速燃烧(5)快速燃烧阶段。此阶段为煤自燃的最后阶段。此阶段根据氧气供应是否充足，可能发生干馏、不完全燃烧或完全燃烧。如果燃烧充分，那么反应热就等于煤的发热值。8.5.3　煤的高温燃烧1.煤的燃烧过程与特点2.剩余碳粒的燃烧过程1.煤的燃烧过程与特点(1)煤热解产生挥发分的组分及其含量与煤的碳化程度和温度有关。(2)煤的燃烧包括有焰燃烧和无焰燃烧。(3)灰分对煤燃烧过程中会产生影响。(4)内在灰分均匀分布于可燃物中，如果燃烧温度低于灰分的软化温度，随着燃烧的进行，焦碳粒外表面会形成一层逐渐增厚的灰壳；如果燃烧温度高于灰的熔化温度，大煤粒的灰层就会熔融坠落，不在焦碳粒表面形成灰壳，但在大煤粒堆积成层燃烧时，灰的熔渣会堵塞煤层间的通风孔隙。2.剩余碳粒的燃烧过程(1)氧气扩散到固体燃料表面。(2)扩散到固体表面的氧气被固体表面所吸附。(3)吸附的氧气和固体表面进行化学反应，形成生成物。(4)反应生成物从固体表面上解吸。(5)解吸后的气体生成物扩散离开固体表面。(1)氧气扩散到固体碳粒的表面，发生完全燃烧C+O2→CO2，可燃物的C与消耗氧气之比为12∶32。(2)氧气扩散到碳粒表面，生成物为CO，可燃物的C与氧气之比为12∶16。(3)在温度很高的时候，在碳表面生成CO。(4)在碳表面生成CO，但向外扩散的CO与O2不是在一个面上发生反应，而是在一个连续空间内发生容积反应，这就是连续膜模型的假定基础。(5)在高温下，碳可以同O2，CO2或H2O发生如下的总包反应：2.剩余碳粒的燃烧过程8.5.4　碳粒燃烧的单膜模型1.模型的建立2.质量守恒与组分输运3.扩散控制燃烧4.动力-扩散控制燃烧5.有关问题的讨论1.模型的建立(1)在碳粒表面，碳与化学当量的氧气生成二氧化碳，没有一氧化碳生成，二氧化碳也不与碳反应。(2)燃烧过程是准静态的。(3)碳粒在无限大、静止环境中燃烧，与其他颗粒没有相互作用。(4)气相仅由氧气、二氧化碳和惰性气体组成，氧气向内扩散并在碳表面反应生成二氧化碳，二氧化碳向外扩散。(5)有关物性参数，如气相导热系数λ、比定压热容c、密度ρ和组分扩散系数D等都假定为常数。(6)碳颗粒具有不透气性，即碳粒内部的扩散和反应可被忽略。(7)碳粒温度均匀，以灰体形式与外界环境辐射换热，中间没有介质参与。图8 - 24　单膜模型的组分和温度分布图1.模型的建立2.质量守恒与组分输运3.扩散控制燃烧4.动力-扩散控制燃烧假定反应C+O2→CO2是一级反应，即反应速度正比于氧气质量分数的1次方，则有： (8-59) (8-60)5.有关问题的讨论(1)扩散控制燃烧。(2)动力控制的燃烧。(3)扩散-动力共同控制的燃烧。(1)扩散控制燃烧。(2)动力控制的燃烧。(3)扩散-动力共同控制的燃烧。燃烧速度如下式:(8-75)要得到碳粒的燃烧时间，则:(8-76)最终得到:(8-77)8.5.5　碳粒燃烧双膜模型1.模型的建立2.质量守恒与组分输运3.扩散控制燃烧4.动力-扩散控制燃烧5.有关问题的讨论1.模型的建立(1)在碳粒表面，没有氧气，碳与化学当量的二氧化碳生成一氧化碳；一氧化碳向外扩散与向内扩散的氧气以化学当量比在径向rf的位置完全反应形成火焰面，在火焰面内侧没有氧气，在火焰面外侧没有一氧化碳。(2)燃烧过程是准静态的。(3)碳粒在无限大、静止环境中燃烧，与其他颗粒没有相互作用。(4)在火焰面内侧气相仅由一氧化碳、二氧化碳和惰性气体组成，二氧化碳向内扩散并在碳表面反应生成一氧化碳，一氧化碳向外扩散在火焰面上与氧气反应生成二氧化碳。(5)有关物性参数，如气相导热系数λ，比定压热容cp，密度和组分扩散系数D等都假定为常数。(6)碳颗粒具有不透气性，即碳粒内部的扩散和反应可被忽略。(7)碳粒温度均匀，以灰体形式与外界环境辐射换热，中间没有介质参与。图8 - 25　双膜模型的组分和温度分布图1.模型的建立2.质量守恒与组分输运3.扩散控制燃烧4.动力-扩散控制燃烧碳粒的燃烧速度表达成与单膜模型中相同的形式： (8-112) (8-113)图8 - 26　单膜模型的动力/扩散作用数5.有关问题的讨论5.有关问题的讨论8.6　可燃固体的阴燃8.6.1　阴燃概述8.6.2　阴燃反应动力学8.6.3　阴燃的传播与模型8.6.4　阴燃向明火的转化8.6.1　阴燃概述图8 - 28　纤维素棒水平阴燃示意及温度和气体组分分布图8.6.1　阴燃概述1.自燃热源阴燃在固体堆垛内的发生多半是由自燃造成的，而堆积体自燃的基本特征就是在堆垛内部以阴燃反应开始燃烧，然后在向外传播，直到在堆垛表面转变为有焰燃烧。2.阴燃本身成为热源常见地，例如香烟的阴燃会引起地毯、被褥、木屑、植被等阴燃，进而发生恶性火灾，这种正在发生的固体阴燃可能造成另一种固体的阴燃，也就是说阴燃成为了另一种可燃物阴燃的热源。3.有焰燃烧火焰熄灭后的阴燃一般来说，在固体堆垛有焰燃烧的外部火焰被水扑灭后，由于水流没有完全进入堆垛内部。1.阴燃过程产生大量有毒气体阴燃是一种不完全燃烧，不像有焰燃烧中大部分的气体会生成最终产物，而且并不是所有的热解释放的气态产物都能被氧化燃烧，从而这些气态产物就会形成各种复杂的有毒气体。因此阴燃过程中产生的烟气毒性要更大。2.一定条件下阴燃转化为明火(有焰燃烧)一般情况下，阴燃中没有火焰，同时在供氧不足的环境下，温度都不会很高。但随着阴燃的持续，热量逐渐积累，从而温度升高，当满足明火燃烧的供氧条件后，已经热解的可燃气就会燃烧，从而导致明火的发生。例如现实中烟头、蚊香及其他阴燃造成大的火灾都是由于最终阴燃向明火发生了转化。3.密闭空间内材料的阴燃有可能引发轰燃在供氧不足的密闭空间内，固体发生的阴燃生成大量的不完全燃烧产物很快地充满整个空间。8.6.1　阴燃概述8.6.2　阴燃反应动力学8.6.3　阴燃的传播与模型1.阴燃传播特性2.阴燃传播的简单传热模型3.正向阴燃传播模型4.反向阴燃传播模型1.阴燃传播特性图8 - 29　典型一维阴燃传播温度-时间曲线1.阴燃传播特性在材料条件和外界条件不变的情况下，阴燃通常能够稳定地传播，传播过程也是匀速的。图8-29是用聚氨酯泡沫海绵在一维水平阴燃中，热电偶均匀分布时阴燃传播过程得到的典型温度曲线。2.阴燃传播的简单传热模型图8 - 30　阴燃传播的简单传热模型2.阴燃传播的简单传热模型3.正向阴燃传播模型(1)假定在内部固相和气相之间处于热平衡，不存在对流换热。(2)假定材料的孔隙度在阴燃过程中一直维持不变。(3)由浓度梯度、粘性耗散、体积力做功、气体动能所造成的能量传递忽略不计。(4)在材料内部气流速度就是外部所加气流的速度，为已知量。(5)假定阴燃是在缺氧条件下发生，相应的反应产生能量的速率取决于氧气供应率，单位氧气与材料反应所产生的热量是不变的，且为已知量。(6)忽略阴燃传播过程中向周围的散热。图8 - 31　正向阴燃能量平衡示意图3.正向阴燃传播模型4.反向阴燃传播模型(1)假定在内部固相和气相之间处于热平衡，不存在对流换热。(2)假定材料的孔隙度一直维持不变。(3)由于阴燃传播速度比气体流动速度小很多，在材料内部都将气流速度作为已知量。(4)假定阴燃是在缺氧条件下发生，相应的反应产生能量的速率取决于氧气供应率，单位氧气与材料反应所产生的热量是不变的，且为已知量。(5)传导项考虑到了内部辐射的影响，忽略阴燃传播过程中向周围的散热。通过以上的假定，可以得到以下的能量控制微分方程。 (8-129)4.反向阴燃传播模型8.6.4　阴燃向明火的转化图8 - 32　聚氨酯泡沫阴燃向明火转化8.6.4　阴燃向明火的转化图8 - 33　聚氨酯泡沫阴燃向明火转化的温度曲线8.6.4　阴燃向明火的转化1.外界风速增加风速的增加，有利于氧气进入材料内部，促进固体表面反应和气相反应；同时风速的增加也有利于对流换热，空气温度也随之升高，加速了阴燃向明火的转化过程。2.外加热源由于阴燃区附近已经有足够高浓度的热解可燃气，但扩散过来的氧气温度比较低，如果此时有外加热源对可燃混合气进行加热，就会导致明火的产生。实验中外热源作用区域的温度达到200℃就会引发明火。3.材料内部形成有利于空气流动的较大空隙在阴燃传播中，由于燃烧或材料本身堆积结构使阴燃区中形成了大的连续空隙，这样空气的流动就会加强，有充足的氧气进入这些空隙，并且在内部很容易被加热升温，从而引发气相反应，使阴燃向明火转化。8.6.4　阴燃向明火的转化图8 - 34　木屑阴燃向明火转化的温度曲线8.7　固体粉尘的燃烧爆炸8.7.1　微粒可燃物的着火8.7.2　固体粉尘爆炸的条件8.7.3　固体粉尘爆炸发生机理8.7.4　固体粉尘爆炸的特性参数8.7.5　固体粉尘爆炸下限的测定8.7.6　固体粉尘爆炸性能的影响因素8.7.7　固体粉尘爆炸特点及预防、控制表8 - 19　常见具有爆炸性的粉尘种类8.7　固体粉尘的燃烧爆炸图8 - 35　2002年以来我国粉尘爆炸事故发生状况8.7　固体粉尘的燃烧爆炸8.7.1　微粒可燃物的着火可燃粉尘实质上是一种固体微粒可燃物，而这些微粒可燃物一般处于堆积存放状态的，而且堆积的体积也比较大，这使得其与成形固体可燃物相比，具有以下特点：①堆积松散，氧气容易渗入，对燃烧反应有利；②微粒形状、尺寸都不固定，而且只要少部分发生着火，就会导致整体着火；③而在生产中，这些微粒物的输送一般都采用气动力输送法，这又容易导致微粒物的悬浮，而悬浮微粒可燃物的着火特性又与预混可燃气的着火特性相同。8.7.2　固体粉尘爆炸的条件1.粉尘可燃且有一定的含氧量2.粉尘要有一定的浓度3.粉尘必须处于悬浮状态4.要有足够强度的点火源5.粉尘应处于相对封闭的空间内8.7.3　固体粉尘爆炸发生机理1)气相着火机理(均相着火机理)2)表面非均相着火机理1)气相着火机理(均相着火机理)图8 - 36　粉尘气相着火过程示意图2)表面非均相着火机理表面非均相着火机理认为粉尘爆炸分为三个过程：①由于点火源的作用，氧气与粉尘颗粒表面直接发生反应，使颗粒表面着火；②粉尘颗粒挥发出来的挥发分在粉尘颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗粒表面扩散；③挥发分着火并促使粉尘颗粒燃烧重新开始，并且向周围传递。8.7.4　固体粉尘爆炸的特性参数1.最小点火能2.爆炸压力3.升压速度4.爆炸极限5.熔点、自燃点、燃点1.最小点火能图8 - 37　固体粉尘最小点火能测试仪2.爆炸压力粉尘爆炸产生高压是由于两种原因造成的：一是生成气态产物，其分子数在多数场合下超过原始混合物中气体的分子数；二是气态产物被加热到高温而急剧膨胀。3.升压速度升压速度也是衡量粉尘爆炸强度和爆炸危险性的重要特征参数，它是指在指定浓度爆炸时，粉尘爆炸压力与时间的比值，用(dp/dt)m表示。4.爆炸极限粉尘爆炸极限包括爆炸下限和爆炸上限。粉尘爆炸下限是指在空气中遇火源能发生爆炸的粉尘最低浓度，而爆炸上限是指遇到火源能发生爆炸的粉尘最高浓度。5.熔点、自燃点、燃点相比可燃气体的燃烧过程，固体粉尘在燃烧前，必须要有足够的能量来松开分子间的紧密连接，熔点低的固体粉尘容易蒸发和汽化，这些物质的燃点也较低，燃烧速度快，发生火灾的危险性就大。8.7.5　固体粉尘爆炸下限的测定1.试验装置2.测定步骤1.试验装置图8 - 38　20L爆炸试验装置1—扩散器　2—点火源3—排气口　4—点火引线5—压力传感器　6—压力表7—储尘罐2.测定步骤(1)点火源性能检测。(2)爆炸下限浓度的测定。(3)试验方法的检验。8.7.6　固体粉尘爆炸性能的影响因素1.粉尘的物理化学性质2.粉尘的粒度和表面积3.粉尘浓度4.粉尘悬浮性因素5.可燃气体的含量6.惰性成分的含量7.粉尘爆炸的外界条件8.火源强度、点火方式9.障碍物的影响1.粉尘的物理化学性质(1)粉尘物质的化学结构和反应活性。(2)可燃挥发分比例。(3)粉尘物质燃烧热。(4)粉尘中灰分比例。(5)粉尘本体热分解的难易和烃类气体产生的速度。(6)粉尘带电性。图8 - 39　粉尘爆炸压力、升压速度与挥发分含量的关系1.粉尘的物理化学性质1.粉尘的物理化学性质粒度和表面积都是粉粒的重要物性参数，可通过比表面积将粒度和表面积关联为： (8-138) 粉粒形状系数比φ可以用下式表示： (8-139) 根据粉尘比表面积定义： (8-143)2.粉尘的粒度和表面积2.粉尘的粒度和表面积(1)表面积越大，与氧气的接触反应面积越大，反应速率越大、反应越充分。(2)表面积越大，其固态导热能力下降，促使局部温度上升，有助于燃爆反应进行。(3)表面积越大，表面分子越多，其自由能越大，粉尘体系的反应活性越强，燃爆越猛烈。3.粉尘浓度可燃粉尘浓度在粉尘燃烧爆炸理论以及事故预防研究中意义重大，其定义如下： (8-145) 粉尘最易被点燃爆炸的浓度与最大爆炸升压速度及最大爆炸压力所对应的粉尘浓度也不相同，这三种浓度之间有如下关系： (8-146)4.粉尘悬浮性因素图8 - 41　粉尘浓度对爆炸参数的影响4.粉尘悬浮性因素5.可燃气体的含量图8 - 43　丙烷体积百分数对聚氯乙烯粉尘爆炸下限和最小点火能的影响5.可燃气体的含量5.可燃气体的含量可燃粉尘、空气、可燃气体混合物中粉尘的爆炸下限和可燃气体浓度之间的关系可以近似表示为：(8-147)表8 - 21　用氮气惰化时一些可燃粉尘环境的临界氧浓度6.惰性成分的含量图8 - 45　惰性气体含量对最大爆炸压力、最大升压速度和平均升压速度的影响6.惰性成分的含量7.粉尘爆炸的外界条件(1)温度。(2)水分。(3)容器体积。(1)温度。表8 - 22　一些粉尘云的着火温度(2)水分。粉尘中存在着的水分对爆炸性有一定影响。水分可以抑制粉尘的浮游性(对于硫水性粉尘不太影响它的浮游性)，然而由于水分的蒸发，点火时有效能量会随之减少，蒸发的水蒸气性质活泼，有减少带电性的作用。(3)容器体积。图8 - 46　容器体积对煤粉爆炸时间的影响(3)容器体积。(3)容器体积。大量的粉尘爆炸试验证明，当容器体积大于0.04m3时，粉尘爆炸可以用三次方定律表示(见图8-47)。(8-148)表8 - 23　粉尘爆炸下限与点火源的关系8.火源强度、点火方式表8 - 24　点火方式对粉尘爆炸特性的影响8.火源强度、点火方式表8 - 26　粉尘爆炸的影响因素9.障碍物的影响8.7.7　固体粉尘爆炸特点及预防、控制1.固体粉尘爆炸特点2.固体粉尘爆炸的预防3.固体粉尘爆炸的抑制4.固体粉尘火灾的扑救1.固体粉尘爆炸特点(1)反应感应期长、反应速率小。(2)释放能量大，破坏性强。(3)易于发生二次爆炸甚至多次爆炸。(4)反应产物燃烧不完全，产生有毒气体。2.固体粉尘爆炸的预防(1)消除粉尘源。(2)控制点火源。(3)控制作业场所空气相对湿度。(4)对可燃粉尘混合物体系惰化。(5)粉尘燃爆自动防控技术。3.固体粉尘爆炸的抑制(1)粉尘爆炸的抑制。(2)设置防爆泄压装置。(1)粉尘爆炸的抑制。图8 - 48　爆炸抑制装置及抑制效果a)爆炸抑制装置结构图　b)抑制效果图8 - 49　泄压效果图(2)设置防爆泄压装置。(2)设置防爆泄压装置。泄压面积可以按照下式计算： (8-149)4.固体粉尘火灾的扑救(1)扑救非金属粉尘燃爆的有效灭火剂是喷雾水。(2)对钾、钠、镁、铝、锌等金属粉尘和忌水物质，严禁施水扑救，宜选用干砂进行覆盖灭火。(3)对棉、麻、面粉等堆积尘，由于内层阴燃可能性极大，扑灭明火后，应注意监控，防止复燃。