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火灾的成因与发展

发布时间2021-09-10 08:22:23人气:144
火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害,而燃烧是可燃物与氧化剂之间发生的一种化学反应。从本质上讲,火灾中的燃烧也是一种强烈的氧化还原反应过程,并伴有大量的热生成,通常还会产生一定的光。
 
1.2.1 火灾的发生条件
1.燃烧三要素
火灾是失去控制的燃烧现象,而燃烧的发生和发展,必须具备三个必要条件即燃烧的三要素:可燃物、助燃物(氧化剂)和点火源(温度)。
 
(1)可燃物
凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起化学反应的物质,均称为可燃物,如木材、氢气、汽油、煤炭、纸张、硫等。可燃物按其化学组成可分为无机可燃物和有机可燃物两大类;按其所处的状态又可分为固体可燃物、液体可燃物和气体可燃物三大类。
 
(2)助燃物
凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质,称为助燃物。燃烧过程中的助燃物主要是空气中游离的氧,其中各种不同的可燃物发生燃烧均有本身固定的最低氧含量。当氧含量过低时,即使其他必要条件已经具备,燃烧也不会发生。
 
(3)点火源
凡是能引起物质燃烧的点燃能源,统称为点火源。在一定条件下,不同可燃物只有达到一定能量才能引起燃烧,在此能量激发下,可燃物和助燃物发生剧烈的氧化还原反应。
燃烧三要素中,无论缺少了哪个条件,燃烧都不能发生。即使具备了以上三要素并相互结合、相互作用,燃烧也未必发生。要使燃烧发生,以上三个要索必须达到一定的量,如点火源有足够的热量和一定的温度,助燃物和可燃物有--定的浓度和数量。燃烧发生时“三要素”之间形成了封闭的三角形,即着火三角形,如图1-1a所示。

 
根据链锁反应理论,很多燃烧的发生需要“中间体”游离基(自由基),也就是说游离基是这些燃烧不可或缺的条件,因此需要构建着火四面体以更加准确地描述燃烧的条件,如图1-1b所示。
 
2.燃烧三要素的具体情况
着火三角形及着火四面体表明了燃烧发生的最基本条件,这也是燃烧发生的必要条件。但燃烧是否发生还取决于“三要素”的具体情况,即与燃料相关的燃烧极限、与氧相关的极限氧浓度,以及与能量相关的引燃能量大小。
 
(1)燃烧极限
可燃气体和空气的混合物并不是在任何比例下都可以燃烧,每种可燃气体的混合物都有一个可燃烧的浓度范围,即燃烧极限。高于燃烧上限(UFL) 或低于燃烧下限(LFL) 都不会燃烧。低于下限时混合物中可燃气体比例太低,无法维持自身的反应;而高于上限时,混合物中可燃气体比例过大,氧化剂太少,也无法燃烧,只有当可燃气体的浓度处于可燃浓度范围内,可燃混合气体才能够燃烧。
 
可燃混合气体的燃烧极限受环境温度的影响。温度升高,燃烧下限值下移,燃烧上限值上移,可燃气体的燃烧浓度范围扩大,这主要与可燃气体温度升高使分子内能增加,更容易引发燃烧反应,使原本在燃烧下限的可燃气体或原本高于燃烧上限的可燃气体发生燃烧有关。几种常见碳氢烃类燃料在空气中的燃烧下限与温度的关系如图1-2所示,并可用以下经验公式计算燃烧极限随温度的变化情况:

 

 
此外,压力对燃烧极限也有重要的影响。对燃烧下限而言,当压力高于0. 0067MPa时,可燃混合气体的压力变化对燃烧下限(LFL) 的影响很小。但压力对燃烧上限的影响较大,压力增加,燃烧上限显著升高,燃烧爆炸浓度范围随之扩大。下面的经验公式可以估算压力对燃烧上限的影响:

 

 
从安全的角度出发,燃烧下限一般比燃烧上限更重要,因为燃烧下限表示可以发生燃烧的燃料的最低浓度。但有些物质的燃烧上限几乎是百分之百,如乙炔、氧化乙烯、正丙基硝酸盐等,即使没有空气,也能燃烧,危险性较大。表1-2列出了部分可燃性气体和蒸气的燃烧极限数据。
 
 
(2)极限氧浓度
着火三角形和着火四面体关系表明,一般火灾中没有氧是不会发生燃烧的。但对可燃性气体而言,并不是在任何氧浓度下都可以发生燃烧,存在一个可引起燃烧的最低氧浓度,即极限氧浓度(L0C)。 低于极限氧浓度时,燃烧反应就不会发生,因此极限氧浓度也称为最小氧浓度或最大安全氧浓度。可见,从安全角度考虑可燃性气体的防火防爆时,极限氧浓度就是可燃混合气体中氧的最高允许浓度。对可燃性气体常采取的防火防爆措施之一就是在混合物体系中提高惰性气体的浓度比例,从而降低氧的浓度,使其降低至极限氧浓度以下,这种通过稀释氧浓度来防火防爆的方法被称为可燃气体的惰化防爆。极限氧浓度表示燃烧反应时氧气的量占燃烧反应物质总量的体积百分比,因此通过简单换算由燃烧下限来计算极限氧浓度,即:

 

 
(3)引燃能量
各种可燃性物质,在被外界火源引燃时都存在一个最小的引燃能量或点燃能量,称之为最小引燃能(MIE), 低于这个能量就不会发生燃烧。因此,最小引燃能是表示可燃混合物爆炸危险性的一项重要参数,MIE 越小则火灾危险性越大。表1-3列出了部分化合物的最小引燃能。

 

 
可燃物的引燃能还与体系压力、可燃物类型、惰性气体含量等有关。通常,引燃能随体系压力增加而降低,随体系中氮气浓度的增加而增大,随氧气浓度降低而增大。此外,粉尘的引燃能明显高于可燃性气体的引燃能。
 
此外,引燃能还因点火源的不同而存在明显差异,而能引发火灾的点火源多达数千种。常见的点火源包括明火类(如火柴、燃气炉、电焊火花等)、冲击或摩擦类(包括物体下落撞击产生火花、物体之间摩擦生热或产生火花等)、高温类(如高温蒸气管道表面、加热炉和加热釜等高温物体及其表面)、静电类( 包括静电放电、静电火花等)等。各种点火源产生的能量大小则需要根据实际情况进行测定,但部分点火源可以提供粗略估算值进行参考。例如,普通的火花放出的能量约为25mJ,在地毯上行走摩擦产生的静电能量可达22mJ,这些能量足够引燃表1-3中的大多数碳氢化合物。此外,将点火源的能量大小与可燃气体及粉:尘的最小引燃能相比较,可以有效预测引燃引爆的可能性。
 
1.2.2 火灾的发展阶段
了解火灾各个阶段的特点和规律是研究火灾防治技术的关键,也是开展防火阻燃设计的基础。火灾的发生和发展过程可以分为三个阶段:火灾初期增长阶段( 或称轰燃前火灾阶段)、火灾充分发展阶段(或称轰燃后火灾阶段)和火灾衰减阶段(或称火灾的熄灭阶段)。火灾的成长过程如图1-3所示,其中曲线A表示室内火灾生成发展的基本过程。

 

 
1.火灾初期增长阶段
火灾初期增长阶段是火灾的重要环节,是指轰燃或剧烈的不可控燃烧发生之前的阶段。从火灾发展过程来看,火灾发生时着火区的体积不大,燃烧状况与敞开环境中的燃烧相近,如果没有外来干预,火焰会在原先的着火物体上扩展并引燃着火点附近的其他物体,导致着火区逐步增大。当着火区的规模增大到整个受限空间的体积时,火场的通风状况将对着火区的继续发展起到重要作用。在火灾初期阶段,由于总的热释放速率不高,所以火场的平均温度还比较低,而火焰和着火物体附近存在局部高温。如果空间的通风足够好,着火区域将继续增大,并达到轰燃阶段,轰燃标志着火灾由初期增长阶段转到充分发展阶段。在轰燃阶段,受限空间中所有可燃物都将着火燃烧,火焰基本上充满整个空间。由于轰燃阶段所占时间是比较短暂的,通常将轰燃看作一个时间点,而不是看作一个单独的阶段。
 
2.火灾充分发展阶段
火灾进入充分发展阶段后,燃烧强度仍会增加并使热释放速率逐渐达到某一最大值,此时火场的温度通常会升到800以上。该阶段的高温会严重损坏室内的设备及建筑物本身的结构,甚至造成建筑物的部分破坏或全部倒塌,人员逃生也极其困难。此外,高温烟气还会携带着可燃组分从起火室的开口蹿出,并将火焰扩展到邻近房间或相邻建筑物中。
 
3.火灾衰减阶段
随着可燃物数量的下降,火灾燃烧强度减弱,温度逐渐下降,进入火灾的衰减阶段。通常认为火灾衰减阶段是从火场的平均温度降到其峰值的80%左右开始的。随后火场的温度逐渐下降,火焰熄灭,可燃固体变为炽热的焦炭,火灾进入熄灭阶段。由于燃烧释放的热量不会很快散失,室内平均温度仍然较高,并且在焦炭附近仍存在局部的高温。在实际灭火过程中,灭火措施的介人会改变火灾的发展进程。如果在轰燃发生前将火扑灭,就可以有效地保护人员的生命和财产安全,因此火灾初期的探测报警和及时扑救具有重要的意义。当火灾进入充分发展阶段后,灭火措施虽能有效控制温度升高和火势蔓延,但灭火较为困难。如果灭火过程中,可燃物的挥发组分未完全析出且火场仍维持较高温度,一旦达到合适的温度与可燃物浓度,会出现“死灰复燃”的现象。
 
图1-3中曲线B为易燃液体和部分可熔化固体物质的火灾温升曲线。该类火灾的主要特点是火灾初期的温升速率很快,在较短时间内温度便可高达1000C。若火区的面积不变,形成固定面积的池火,则火灾基本上按固定速率燃烧;若形成流淌火,燃烧强度将迅速增大。整体而言,该类型火灾的可用探测时间极短,供初期灭火准备的时间也很有限,并在较短时间内达到高温,极易对人和建筑物造成严重危害,因此需要采取特殊措施防止和扑救这类火灾。
 

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