2018年一级消防工程师《技术实务》教材精讲：第一篇第一章第三节

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。

　　【习题·单选】

　　燃烧生成气体一般指(　)、二氧化碳、二氧化硫等。

　　A.氧气

　　B.一氧化碳

　　C.氮气

　　D.氨气

　　『正确答案』B

　　『答案解析』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。

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　　一、燃烧产物的概念

　　由燃烧或热解作用产生的全部物质称为燃烧产物，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。

　　完全燃烧产物注释：一般单质在空气中完全燃烧，其产物为该单质元素的氧化物。例如：碳、氢、磷、硫等燃烧生成二氧化碳、水、五氧化二磷及二氧化硫等产物。这些产物不能再发生燃烧，称为完全燃烧产物。

　　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10-7～10-4cm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。例如碳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、物质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差别。

　　从总体上讲，其燃烧具有发热量较高、燃烧速度较快、发烟量较大等特点，并且会在燃烧(或分解)过程中产生CO、NOx(氮氧化物)、HCI(氯化氢也叫盐酸)、HF(铪)、SO2(二氧化硫)及COCI2(光气)等有害气体，危害性较大。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、赛璐珞等，燃烧时变软、无熔滴，同样产生CO气体。含有氮的高聚物，如三聚氰胺甲醛树脂、尼龙等，燃烧情况比较复杂、但在燃烧时有熔滴，会产生CO、NO(一氧化氮)、HCN(氰化氢)等有毒气体。含有氯的高聚物，如聚氯乙烯等，燃烧时无熔滴，有炭瘤，并产生HCl(氯化氢)气体，有毒且溶于水后有腐蚀性。有木粉填料的酚醛树脂燃料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。

　　均质含义：

　　均质也称匀浆，是使悬浮液(或乳化液)体系中的分散物微粒化、均匀化的处理过程，这种处理同时起降低分散物尺度和提高分散物分布均匀性的作用。

　　均质是食品或化工行业生产中经常要运用的一项技术。食品加工中的均质就是指物料的料液在挤压，强冲击与失压膨胀的三重作用下使物料细化，从而使物料能更均匀地相互混合，比如奶制品加工中使用均质机使牛奶中的脂肪破碎的更加细小，从而使整个产品体系更加稳定。牛奶会看起来更加洁白。均质主要通过均质机来进行，是食品、乳品、饮料等行业的重要加工设备。

　　木材的非均质性：

　　树木的生长不是均匀的，在自然界，树木的生长是周期性的，分为生长期和休眠期。所以木材是非均质的。在自然界，树木的生长是各向异性的：朝向太阳一面生长较快、背向太阳一面生长较慢，而太阳是运动的。所以木材是各向异性的。

　　煤的储层非均质性(reservoir heterogeneity)：储层的各种性质随其空间位置而变化的属性。

　　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、氢和氮等元素组成。木材的燃烧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，木垛的燃烧还取决于通风状况，与木垛堆放的紧密程度有关。

　　木材中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℃时开始变色并碳化，分解产物主要是一氧化碳、氢气和碳氢化合物;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碳化层表面逸出。随着碳化深度的增加，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。

　　主要产物：二氧化碳、一氧化碳、氢气和碳氢化合物

　　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。

　　主要产物：一氧化碳和二氧化碳甲烷及其同系物、不饱和烃等气体。

　　(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，其燃烧能力还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。根据熔点和沸点不同，通常将金属分为挥发金属和不挥发金属。

　　表1-1-5 某些金属燃烧时的火焰颜色

　　挥发金属(如Li、Na、K、Mg、Ca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，经过一段时间后，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中。

　　不挥发金属(如Al、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上形成一层氧化物。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、气溶胶状、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

　　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。

　　一氧化碳对人的影响

　　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，一般火灾烟气中的烟粒子粒径(d)为几微米到几十微米，由于d>2λ，烟粒子对可见光是不透明的。烟气在火场上弥漫，会严重影响人们的视线，使人们难以辨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眼睛有极大的刺激性，降低能见度。

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