第三节　终止燃烧的方法

一、燃烧临界现象

1.燃烧浓度极限

图1-7、图1-8为一些最常用的物质的着火浓度极限图。可燃混合物输入燃烧区的过程中，如果化学计量浓度的混合物的组分浓度发生变化，即意味着自火焰锋流入新鲜混合物的能量开始减少，以致不足以维持新鲜混合物不间断着火，燃烧过程将停止。

❶　1 atm=101325Pa。

这种用浓度极限的方法中止燃烧过程机理的另一个原因是，随着可燃烧混合物浓度的变化，不管是向贫可燃混合气方向变动，还是向富可燃混合气方向变动，燃烧过程的强度和其反应区的火焰温度都将逐渐降低，而火焰锋的热损失将剧增，同时，自火焰峰流入新鲜混合气的热流也将减少，为维持非化学计量浓度的混合物不间断，燃烧所需要的能量则越来越大，见图1-7、图1-8。火焰在气体、蒸气与空气混合物中的传播浓度极限与混合物的着火浓度极限一致。在这个极限范围之外，火焰不能传播，即自熄。

较精确的研究证明，由于自然对流影响燃烧的传质传热过程，火焰传播浓度极限与气体混合物特别是大型容器和储罐(气柜、大储罐、大房间等)内混合物的着火浓度极限稍有不同。在这种情况下，火焰传播浓度极限与点火源的位置有关。

如果在低处着火，且火焰向上传播，火焰传播浓度极限与着火浓度极限一致。如果引火源位于可燃混合物的上部，火焰由上向下传播时，火焰传播浓度极限范围稍窄于着火浓度极限，这种极限浓度混合物着火后，由点火处火焰或者是不蔓延，或者是仅在水平方向上蔓延，而后自熄，不会向底层气体混合物蔓延。这是因为上升对流气流引起燃烧区热损失的缘故，燃烧区很大一部分热不是进入位于燃烧区底层的新鲜可燃物，而是被向上逸散的燃烧产物带走。

为使气体与空气混合物钝化而添加惰性稀释剂(惰性气体)的临界浓度也可属于着火和火焰传播浓度极限。惰性稀释剂的大致体积临界值可按下列顺序排列：二氧化碳25%～30%；水蒸气30%～35%；氦和氮35%～40%；氩50%～55%(见图1-9)。如果气体混合物中含有的惰性稀释剂的浓度超过上述临界值，则混合物既不能着火也不能传播火焰。

扩散燃烧时，空气的氧浓度也有一定的浓度极限。对多数烃类可燃物来说，氧的临界浓度为10%～15%(体积分数)。低于氧的这个浓度，有焰燃烧的扩散过程就将不可能发生。

2.点火临界能量和温度

烃类可燃气体、蒸气与空气混合物的安全电火花允许的能量临界值约为0.1mJ，而氢与空气混合物约小于10倍，即0.01mJ(如图1-10所示)。

点火临界能量不仅同可燃物的种类、混合物的组分浓度有关，而且还同可燃混合物的热物理性质、压力以及其他因素有关。图1-8表明，降低可燃气体混合物的压力，可使点火临界能量均衡上升，增大数十倍(如果压力降至0.2Pa，则增大到5mJ)。

如果用氧气代替空气中的氮，各种压力下的着火浓度范围都变宽(丙烷到50%)，并且点火临界能量降低数百倍(至2×10-3mJ)，因而大大地提高了混合物的火灾、爆炸危险性。由图1-10可以看出，用热传导良好的氦代替空气中的氮，能提高乙醚点火能量临界值约10倍，达2mJ。如果外界点火功率小于临界能量，不论混合物的种类、组分和状态怎样，均不能着火。

可燃气体、蒸气与空气混合物自燃点极限值也同可燃物的种类、压力和其他因素有关。石蜡族烃类最低自燃点约为200℃，固体可燃材料在空气中的自燃点更取决于可燃物和氧化剂体系的传热、传质和气体交换条件，还同可燃材料的种类、粒度、水分、孔隙率、堆放密度、体系的几何尺寸、通风条件等有关。掌握可燃体系着火和点火的临界参数对终止燃烧过程具有重要意义。

3.燃烧的压力极限

着火和燃烧在压力上的极限也很宽。通过实验得出，反应能力最强的氢-氧化学计量浓度混合物，着火的绝对极限压力为665～920Pa，即约0.01Pa。如果压力小，实际上着火是不可能的，因为点火所需的能量需增加数万倍。多数烃类与空气混合物在压力为0.1atm(即约9×103Pa)时，已是难以着火的了，如果压力为0.5Pa，自由扩散燃烧的强度将大大下降(几乎降低到自行传播极限)。

4.燃烧传播的极限速率

从火灾动力学观点来看，燃烧传播速率和质量燃烧速率的极限有着重要意义。燃烧过程传播速率的上限值不是很固定，但各种可燃体系的下限值和质量燃烧速率极限值则相当准确。法向层流火焰传播速率的上限值在0.4～2.5m/s之间，并且，随着燃烧气体动力工况的变化，上限值可达50～100m/s。燃烧转为强烈的紊流火焰，如果是在长通道、管道或局部紊流器中，速率上限值可加速到300～400m/s，继而转为爆轰式燃烧，速率可达2～3km/s。气体与空气混合物火焰传播速率的下限值则有一定的数值，为0.02～0.04m/s。液体和固体可燃材料表面上的燃烧传播速率还要低。这种速率同可燃材料的种类、状态(粒度)、燃烧过程的外部条件(固体材料的火焰传播方向)和其他因素有关。速率的低限值可接近零，而上限值则为每秒若干厘米，最高可达10～15m/s。

固体和液体可燃物质的质量燃烧速率同样与可燃物的种类和燃烧条件有关。液体质量燃烧速率的上限很少超过0.05～0.1kg/(m2·s)，固体可燃材料的上限则仅为0.015～0.02kg/(m2·s)。质量燃烧速率的下限，不论是可燃液体还是固体可燃材料，实际上都一样；其值等于0.003～0.005kg/(m2·s)。这种质量燃烧速率极限值同气体、蒸气与空气混合物火焰传播直线速率极限值有较好的相关性。

多数固体和液体物质完全燃烧1kg时所需的空气量为5～10m3，如果燃烧的浓度是下限，超量空气系数α空气=2，则燃烧质量速率为0.005kg/(m2·s)时，利用公式v氧α空，可得出液体表面上的气体与空气混合物以燃烧速率下限进行燃烧时的火焰传播直线速率近似值v焰。将有关数值代入这个公式可求出：v焰≈0.005×5×2=0.05m/s，这个速率相当于贫可燃气体与空气混合物火焰传播极限速率≈4cm/s。如果燃烧速率和传播速率很小，燃烧就不能进行，燃烧也就停止了。

5.燃烧热的极限

燃烧过程的另一个极限参数是产热速率。对各种可燃的烃类物质来说，每千克可燃物燃烧可产生的热量为10000～50000kJ。但为了停止火场的燃烧过程，更有重要意义的是任何一种可燃气体与空气混合物燃烧1m3时的热效应下限值，对所有烃类可燃物与空气混合物来说，燃烧1m3可燃混合物，其下限值约为1830kJ。低于燃烧热的下限值，燃烧过程就不能进行下去，燃烧就会停止。燃烧热的这种下限值同样与液体和固体可燃物质燃烧质量速率最小值，即≈0.005kg/(m2·s)有密切关联。含水10%以下的木材，其燃烧比热为QL≈15600kJ/kg，而煤油为QL≈43000kJ/kg，为使它们完全燃烧所需的空气量分别为=4.2m3/kg和≈11.5m3/kg。如果考虑到燃烧是在浓度下限条件下进行的，这些可燃物燃烧的超量空气系数α空≈2，可求得1m3可燃蒸气、气体与空气混合物燃烧质量速率低限时的燃烧热量，木材为：

煤油为：

即气体与空气混合物燃烧质量速率低限值相当于临界燃烧热Q临界≈1830kJ/m3。正因为如此，如果燃烧质量速率小，即当燃烧热值小、混合物中可燃物浓度小的时候，燃烧就停止了。

根据这些例子可明显看出，燃烧过程的一些主要极限参数是相互联系的：燃烧质量速率同气体与空气混合物火焰传播直线速率之间；燃烧质量速率同燃烧极限热值之间；燃烧质量速率同可燃混合物的浓度极限之间等等。此外，用极限燃烧热值可以计算燃烧过程的温度下限近似值。

6.燃烧的温度极限

根据可燃物的种类、混合物的可燃组分和燃烧状况，火焰温度的理论值为2000～2500K。火场上由于燃烧区的热辐射损失和燃烧的不完全，火焰温度很少超过1700～1800K。火场条件下，燃烧区温度在很大程度上取决于可燃材料的种类、其聚集态和热、质交换条件。所以，可燃气体燃烧时，火场的上限温度可采用1600～1800K的范围，可燃液体燃烧时，可采用1500～1600K的范围，固体可燃材料燃烧时，可采用1400～1500K的范围(火药和镁金属燃烧除外，它们的燃烧区温度可达2500K以上)。

消防工作者关心的是停止燃烧的温度下限。停熄燃烧的火焰温度极限值可用燃烧热来计算。多数烃与空气混合物燃烧热值低限QL为1830kJ/m3，考虑到热辐射的损失(约占放热的20%)，提高燃烧产物温度的热损失，约剩1460kJ/m3。鉴于标准状况下燃烧1m3可燃混合物约生成1m3燃烧产物(对多数烃类可燃物来说是相当准确的)，且由100～1000℃范围内燃烧产物平均比热容约等于1.45kJ/(m3·℃)，如不计可燃混合物的初始温度，可求得：

℃

如果计算可燃混合物的初始温度为27℃，则T极限为1300K。低于这个温度，多数情况下有焰燃烧是不能进行的，火焰将消失，因而燃烧过程也即停止。

二、各种终止燃烧的方法

1.降低可燃物浓度

扑救气体管道或任何其他可燃气体或液体管道火灾的最简单方法是降低可燃物进入火场的强度或者有可能时关闭闭锁阀、闸阀或任何其他装置以断绝可燃物料的来源。这种熄灭燃烧的方法是由于降低燃烧区可燃物的浓度，使之达到着火浓度下限值。

如果不能熄灭燃烧或者是用一种技术手段(关阀)不能降低可燃物进入燃烧区的强度，那么可向燃烧区加大空气量，降低可燃物浓度以停熄燃烧，在一定条件下，如果供入空气强度不大，则会起相反的作用，即由于改善了燃烧区可燃物与空气混合的条件而助长燃烧过程，但如果空气供给强度很大，则可扑灭火灾。此时能够终止燃烧过程，或因空气稀释了燃烧区可燃物浓度(如果是可燃物供给量较小)或因空气动力将火焰吹熄。前者是c可燃气降至着火浓度下限，使燃烧熄灭；后者是燃烧区可燃气体空气混合物的速率大于该可燃混合物的紊流火焰传播速率临界值，即v混>的结果。

根据这种终止燃烧的机理，可建议用这种方法扑灭飞机转入俯冲飞行状态时发生的火灾(假若火灾发生在飞机结构构件外表的风吹面)，原因是靠空气稀释燃烧区和靠空气动力吹散火焰。用这种方法，即用喷气发动机的喷嘴输入强大的空气流也可将停在航空港的飞机火灾扑灭。

2.超极限值法

用各种灭火剂灭火时的停熄燃烧的机理则稍复杂些，但通常灭火剂是用超极限值的方法来实现灭火的。

如果是向燃烧区输入惰性稀释剂终止燃烧，或因惰性气体的浓度超过临界值，或因给定惰性气体浓度时的火焰传播速率低于可燃物进入燃烧区的流动速率。此时，燃烧区化学反应速率降低，相应地，火焰传播速率、产热速率、火焰温度均下降，只要达到燃烧极限参数之一后，火灾即会被熄灭(Q产<Q极限或T焰<T临界等)。

3.多种组合因素作用

扑救实际火灾时，多种组合因素对终止燃烧过程有影响，即当扑救火灾时，使用一些灭火机理复杂的灭火剂，如水、乳化剂水溶液、润湿水溶液、空气泡沫、化学泡沫、灭火干粉等。使用这些灭火剂时，其灭火作用机理可达8～10种。灭火中常常很难确定其中哪一种是主要的、起支配作用的。虽然如此，所有用于灭火的灭火剂按其影响燃烧过程的主要机理可假定分为若干种类，例如，水和许多灭火剂按其作用基础属于冷却作用机理类；所有用于灭火的泡沫，可假定属于隔绝灭火剂类，即将可燃物与燃烧区隔绝的作用机理类；惰性气体可称作稀释灭火剂，属于稀释燃烧反应区可燃混合物组分的作用机理类；而化学活性抑制剂属于阻滞燃烧区化学反应速率的灭火剂。

在一般情况下，终止燃烧过程，即灭火，都是在燃烧区建立起物理的(或化学的)条件，在这种条件下，燃烧过程参数(火焰传播速率v焰<v极限)或燃烧极限热值(Q<Q极限)，或可燃物与氧化剂反应区的温度低于熄火温度(T焰<T临界)，都达到极限、临界值。

4.冷却法

充分解析和阐述燃烧过程和停熄火灾时用各种灭火剂的规律是极其复杂的问题，因为这些现象本身是多因素的作用结果。但总希望近似地阐述这个问题，因为研究火场上经常遇到的碳氢化合物与空气进行扩散和扩散动力轰燃状况等问题，就是确定中止这些复杂的物理化学过程的规律。尤其重要的是，在这些过程中起支配作用的通常不是碳氢化合物高温氧化的化学动力学本身(燃烧过程的基本定律)，而是它们进行的外界热动力和气体动力条件，这些条件对化学动力学有影响。揭示它们的相互关系，才能提供最科学的灭火方法和更有效的灭火剂使用方法。灭火最常用的方法是冷却法。

(1)气体与空气混合物的扩散燃烧

在气体与空气混合物的扩散燃烧场合，即气体只是均相燃烧时，中止其燃烧的方法有：停止可燃物或氧化剂进入燃烧区，或将燃烧区冷却到熄火温度，或借用化学活性抑制剂抑制燃烧的化学反应速率。实际中，如果用机械方法(例如关闭开关阀)不能阻止可燃物进入燃烧区，经常用冷却法，这是一种最简单的、易于做到的、很有效的方法。作为冷却灭火剂，广泛使用水或以水为基础的其他灭火剂。用冷却法时，应注意的是，冷却可燃混合物组分本身(在燃烧区之前)实际上是没有用处的，因为相应组分的气体空气混合物实际上能够在任何初温条件下进行燃烧，所以必须从燃烧区，也即从反应区移走热量才能实现灭火。

(2)可燃液体表面蒸气的扩散燃烧

可燃液体表面的蒸气扩散燃烧时，熄灭燃烧也可用冷却法使燃烧区的温度降至熄火温度，也可用化学抑制法以及将蒸气与燃烧区相隔绝的方法(或者是建筑物和房间内部发生火灾时，要阻止氧化剂进入燃烧区)。但是，在实际情况下，这些方法实施起来很困难，需要消耗大量的灭火剂，运用专门的消防器械，而且伴有威胁人们生命和损害健康的危险。研究表明，只有可燃液体表层温度降至不能持续和发展火灾时的液体温度值，才能达到可靠的灭火效果。所以，用突然冷却可燃液体表层的方法阻止可燃液体蒸气进入燃烧区是一种很有效的方法。这种方法的特点在于，能迅速地使液体受热表层温度降至液体饱和蒸气的闪点以下。实施这种灭火方法，借用低温冷冻剂更有效，例如使用液氮或固态二氧化碳，其结构密度低于可燃液体的密度，即≤ρ可燃，或用其他方法。

(3)固体可燃物料扩散燃烧

当固体可燃物料扩散燃烧时，多是热解产物与空气混合的均相有焰燃烧，或固体残炭多相无焰燃烧，对于这种情况，必须分别完成扑救的两个条件：熄灭可燃固体物料表面上热解产物的有焰燃烧；熄灭固体物料受热表层残炭的异相燃烧。

有焰燃烧同前两种情况一样，熄灭其燃烧可用冷却燃烧区的方法，用抑制反应区燃烧的化学方法，或阻止空气中的氧进入燃烧区(如果这样做是可能的话)，或是阻止热解产物进入火焰区。借助起冷却作用的灭火剂，只有将固体物料受热层的温度冷却至物料热解开始温度之后，才能达到目的。这一点是熄灭任何种类的固体可燃物料燃烧和任何燃烧状况的首要条件，因为固体物料热解的开始温度大大低于固体扩散燃烧和残炭异相燃烧进行的温度。

(4)冷却法的灭火条件

上述研究的是根据可燃物料聚集态，使其能够表述中止燃烧的必要和充分的条件，实际中可适用于所有用冷却作用灭火剂的灭火场合。利用上述分析可写出用冷却作用的灭火剂扑救三种聚集态烃类可燃物料火灾的必要和充分条件的标准表达式。

① 扑灭高压可燃液体井喷气体燃烧。扑灭高压可燃液体井喷气体燃烧的条件是：

T燃，介≤T熄

(1-18)

式中　T燃，介——燃烧区介质温度；

T熄——熄灭火焰的温度。

必须将燃烧区温度降低约300K，因为T熄是指预先未混合气体的熄火的临界温度：

这个方程式右边的第二项代入各数值之后，等于1000～1100K，而多数碳氢化合物绝热燃烧温度Tm≈2400～2500K。则T熄≈1300K，而碳氢化合物扩散燃烧区的介质温度T燃，介≈1600～1700K，由此ΔT=T燃，介-T熄≈300K。

式(1-19)的条件是以从燃烧区散热的一定强度来保证实施的。

(1-19)

式中　——燃烧区的散热速率，kJ/s；

Cpi——燃烧产物各组分的比热容，kJ/(m3·K)；

Vi——单位时间内产生每种燃烧产物的体积，m3/s；

T焰——火焰温度，K(燃烧产物温度可假定为火焰温度)。

式(1-18)、式(1-19)为扑救高产量气体和石油天然气井喷火灾装置的冷却灭火条件。

② 扑灭液体表面(大储罐)扩散燃烧。对于液体表面(大储罐)的扩散燃烧来说，靠冷却液体表面层、降低蒸气进入燃烧区强度的方法，适用气体式(1-18)的条件也同样是正确的：

(1-20)

式中　——可燃液体表层温度，℃；

t闪——可燃液体蒸气闪点，℃。

开始灭火时，如果易燃、可燃液体储罐已长时间燃烧，即火灾发展到燃烧的定常状态时，单组分可燃液体的表层温度接近该液体的沸点或低于沸点。如果是复杂馏分的多组分液体，表层温度可能大大高于初始可燃液体的沸点，液体表层的成分是不均匀的，且已不同于原来的组分。这一点可用式(1-21)的条件来保证实现。

(1-21)

式中　可燃液体表层散热速率，kJ/(m2·s)；

火焰向可燃液体液面辐射的热流强度，kJ/(m2·s)；

τ灭——灭火时间，s；

可燃液体受热层内部的比热量(或换算热量)，kJ/m2，可用可燃液体受热层的物理参数来表达。

(1-22)

式中　c可，液——可燃液体的比热容，kg/(kg·℃)；

ρ可，液——可燃液体的密度，kg/m3；

t(x)——可燃液体受热层中温度场分布函数。

假定t(x)为线性函数，代入式(1-22)可写成：

(1-23)

式中　可燃液体受热层厚度，m(如果储罐火灾时其液体中不生成稳定的高温层，如图1-11所示，≈0.05)。

以上为采用冷却法研究扑救易燃、可燃液体火灾的条件。

③ 熄灭固体可燃材料的扩散燃烧。靠冷却受热层以阻止热解产物进入燃烧区的方法，熄灭固体可燃材料的扩散燃烧，即为要完全熄灭燃烧所必须的条件是：

(1-24)

式中　固体可燃材料表层温度(一般在扑救初期时，如果火灾充分发展，固体可燃材料受热层的最高温度约为700℃)；

开始热解的温度(多数固体可燃材料开始热解的温度值约为200℃)。

自固体可燃材料燃烧表面以下的散热速率来保证实现这个条件，其散热速率为：

(1-25)

式中　——固体可燃材料受热层的散热速率，kJ/(m2·s)；

火焰向固体可燃材料表面辐射的热流量和对流的热流量；

固体可燃材料表层储备的热量，表层温度高于开始热解的温度，其热量可用厚度为受热层的换算热焓来表达。

(1-26)

式中　c固——固体可燃材料局部热解层的比热容，kJ/(kg·℃)(与热解层的温度和分解程度有关)；

ρ固——固体可燃材料局部热解层的密度，kg/m3(与热解层的温度和分解程度有关)；

t(x)——固体可燃材料受热层中温度场函数(见图1-12)。

式(1-19)、式(1-21)、式(1-25)为熄灭燃烧所需要的充分条件，可看出，在三种情况下，扑灭火灾的条件都是保证燃烧区散热有一定的速率，或者将可燃物的温度降至一定的数值，达此条件可完全熄灭燃烧，如果τ灭值最小时，是灭火的最佳工况。分析所有情况值的表达式证明，其值同可燃物的种类、燃烧工况和灭火时间有关，而且该值越低，灭火时间τ灭就越短。但是，灭火时间的最低值，在第一种情况下取决于燃烧区的体积数值(其线性尺寸达70～100m)，而在其余情况下取决于可燃材料的物理参数：热扩散系数和可燃物受热层厚度δ热层(如图1-11、图1-12所示)。