第二章　燃烧基本特性实验

第一节　可燃物燃烧基本特性概述

一、燃烧特征及本质

根据《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）定义：“燃烧（combustion）是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）烟气的现象。”一般来说，放热、发光和烟气及生产新物质是燃烧的三个主要特征。凡是燃烧反应都是放热反应。大部分燃烧都伴有发光和烟气的现象，但也有少数燃烧只发烟不发光。燃烧发光的主要原因是燃烧时，火焰中有白炽的炭粒等固体粒子和某些不稳定的中间物质生成。燃烧是一种氧化反应，而氧化反应不一定是燃烧；能够被氧化的物质不一定都能燃烧，而能燃烧的物质一定能被氧化。简言之，氧化反应包括燃烧，而燃烧是氧化反应的一种。

可燃物的燃烧特性可用于火灾的分类。GB/T 4968—2008《火灾分类》 中，根据可燃物的类型和燃烧特性将火灾定义为六个不同的类别，对选用灭火方式，特别是对选用灭火器灭火具有指导作用。

A类火灾：固体物质火灾。这种物质通常具有有机物性质，一般在燃烧时能产生灼热的余烬。

B类火灾：液体或可熔化的固体物质火灾。

C类火灾：气体火灾。

D类火灾：金属火灾。

E类火灾：带电火灾。物体带电燃烧的火灾。

F类火灾：烹饪器具内的烹饪物（如动植物油脂）火灾。

二、燃烧条件（燃烧三要素）

燃烧必须同时具备三个要素，即可燃物、氧化剂、点火源。

1.可燃物

其是指在火源作用下能被点燃，且当火源移去后能继续燃烧直至燃尽的物质。一般而言，凡能与氧化剂（包括氧气和其他氧化剂）相互作用，发生燃烧反应的物质都可称为可燃物，否则称为不燃物。严格讲，可燃物和不燃物没有明显界限。如铁和铜在特定条件下也能燃烧，但一般把这种在常温常压下不能燃烧的物质视为不燃物；还有一些聚合物如聚氯乙烯，在强烈火焰中燃烧，离火自熄，这类物质称为难燃物。

物质可被分为可燃物、难燃物和不燃物。可燃物种类繁多，按其状态不同可分为气态、液态和固态三类；按其组成不同可分为无机可燃物和有机可燃物。大多可燃物为有机可燃物，少数为无机物，如一氧化碳、氢气、某些金属单质如生产中常见的铝、镁、钠、钾，以及某些非金属单质如碳、磷、硫等。

2.氧化剂

凡是能和可燃物发生反应并导致燃烧的物质，都可称为氧化剂。氧化剂种类很多，氧气是一种最常见的氧化剂，空气中约含有21%的氧，一般可燃物都能在空气中燃烧。人们的生产和生活空间，随处存在这种氧化剂。其他常见氧化剂有卤族元素（氟、氯、溴、碘）、硝酸盐、氯酸盐、高锰酸盐、过氧化氢、金属过氧化物、重铬酸盐等，它们在热、摩擦或机械等作用下，能使可燃物发生氧化燃烧。

3.点火源

其是指具有一定能量的能源，或能引起可燃物燃烧的能源，也叫着火源。点火源种类很多，生产和生活中很多热源都能转化为点火源。包括明火；化学能转化为化合热、分解热、聚合热、自燃热；电能转化的电阻热、电火花、电弧、感应发热、静电、雷击等；机械能转化的摩擦、压缩、撞击等；光能转化的热能以及核能转化的热能，日晒，这些能源还可能转化为高温表面等。

可燃物、氧化剂和点火源是构成燃烧的三个要素（燃烧三要素），缺一不可。但这是“质”的条件，还需要有“量”才能发生“质变”。燃烧的充分条件（燃烧四面体），即可燃物的数量一定，足够数量的氧化剂，加之具有一定能量的点火源。其中任何一个不够，燃烧也不能发生。具备燃烧的充分条件，量变积累到一定程度，必然引起质变，燃烧才能够发生。燃烧发生要持续进行，则燃烧反应释放的反馈热足以引发未燃的可燃物进行燃烧反应，这是燃烧得以持续的又一条件（燃烧的持续条件）。

燃烧三要素燃烧四面体燃烧的持续

量变质变持续的积累量变质变……

三、不同状态物质的燃烧过程

自然界的一切物质，在一定温度和压力下都以一定的状态存在，固态、液态或气态。不同状态的物质燃烧特点是不同的。图2-1是不同状态物质燃烧历程示意图。

1.气体燃烧

气体燃烧比较简单。由于气体在燃烧时所需要的热量仅仅限于将其氧化或分解以及加热到燃点，因此一般来说，气体比较容易燃烧，而且燃烧速度较快。

2.液体燃烧

多数液体经历蒸发过程呈气相燃烧。液体在点火源或加热作用下，通常首先蒸发成气态，而后蒸气氧化分解，开始燃烧。只由液体产生的蒸气进行的燃烧叫作蒸发燃烧，而由液体热分解产生可燃气体再分解的叫分解燃烧。二者都属于气相燃烧。

3.固体燃烧

多数固体呈气相燃烧，有些固体则是气相和固相同时燃烧。不同化学组成的固体燃烧过程不同。有些固体，如硫、磷、石蜡等，受热时首先熔化为液体，然后蒸发、燃烧。而有些组成较为复杂的固体，如木材、沥青、合成塑料等是受热后首先发生分解，生成气态和液态产物，而后足够的气态和液态产物的蒸气着火燃烧，属于气相燃烧。在蒸发、分解过程中会留下一些不分解、不挥发的固体，燃烧可在气-固两相界面进行，即为固相燃烧。

四、燃烧类型

燃烧类型包括闪燃、点燃、自燃。相应的表征参数为闪点、燃点、自燃点。

1.闪燃和闪点

（1）闪燃和闪点的定义　可燃液体的温度越高，蒸发出的蒸气也越多。可燃性液体挥发的蒸气与空气混合达到一定浓度或者可燃性固体加热到一定温度后，遇到明火发生一闪即灭的燃烧，称闪燃[《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）]。除可燃液体外，某些能蒸发出蒸气的固体，如石蜡、樟脑、萘等，与明火接触，也能出现闪燃现象。

可燃液体蒸发出的可燃蒸气足以与空气构成一种混合物，并在与火源接触时发生闪燃的最低温度，即为该液体的闪点。根据《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）规定，闪点（flash point）：在规定的实验条件下，可燃性液体或固体表面产生的蒸气在实验火焰作用下发生闪燃的最低温度。

（2）闪燃和闪点的重要性　闪点越低，则火灾危险性越大。如煤油的闪点为28～45℃，乙醚闪点为-45℃，从闪点值来说，乙醚的火灾危险性远大于煤油的火灾危险性，且乙醚还具有低温火灾危险性。

可燃液体之所以发生闪燃现象，是因为在闪点温度下，可燃液体蒸发速度较慢，所蒸发出来的蒸气仅能维持短时间的燃烧，未燃烧的可燃液体来不及提供足够的蒸气补充维持进一步的稳定的燃烧。

闪燃是可燃液体着火的前奏，是危险的警告。因此研究可燃液体火灾危险性时，闪燃作为可燃液体重要的燃烧类型被加以关注，具有十分重要的实际应用意义。

根据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014） 的规定，对生产和储存火灾危险性分类如表2-1和表2-2所示。

《石油天然气工程设计防火规范》[暂缓实施] （GB 50183—2015）中，有关常用储存物品的火灾危险性分类及举例如表2-3所示。

（3）闪点的测定方法　测定闪点的基本方法有两类：开口杯法和闭口杯法。对闪点较高的可燃性液体，一般采用开口杯法，可参见国家标准《石油产品闪点和燃点测定 克利夫兰开口杯法》（GB/T 3536—2008）或《石油产品闪点与燃点测定法（开口杯法）》（GB 267—1988）；对闪点较低的液体，一般采用闭口杯法，可参见《闪点的测定 宾斯基-马丁闭口杯法》（GB/T 261—2008），《危险品 易燃液体闭杯闪点试验方法》（GB/T 21615—2008），《闪点的测定 闭杯平衡法》（GB/T 21775—2008），《石油产品和其他液体闪点的测定 阿贝尔闭口杯法》（GB/T 21789—2008），《泰格闭口杯闪点测定法》（GB/T 21929—2008），《用泰格闭杯装置测定稀释沥青闪点的试验方法》[ASTM D 56—2005（2010）]等。

（4）可燃液体闪点与化学组成和结构的关系　单一组分可燃液体闪点高低与其化学组成和结构有关。有机同系物的可燃液体闪点变化遵循以下规律。

① 同系物可燃液体的闪点随其分子量增加而升高；

② 同系物可燃液体的闪点随其沸点升高而升高；

③ 同系物可燃液体的闪点随其密度增大而升高；

④ 同系物可燃液体的闪点随其蒸气压降低而升高；

⑤ 同系物可燃液体中，正构体的闪点高于相应异构体的闪点。

多组分可燃液体的闪点可分为两种情况，两种完全互溶的可燃液体和可燃液体与不燃液体的混合物。

两种完全互溶可燃液体的闪点值，一般低于各组分闪点的算术平均值，并且接近于含量大的组分的闪点。如表2-4所示。图2-2和图2-3分别为甲醇与丁醇混合溶液的闪点和甲醇与乙酸戊酯混合溶液的闪点。

可燃液体与不可燃液体（水）混合后的闪点，随不可燃液体含量的增加而升高，当不可燃液体含量超过一定值后，混合液体不再发生闪燃。醇水溶液闪点如表2-5所示。

2.点燃与燃点

点燃，又叫强制着火（ignition）：在常温下，可燃物在火源作用下所产生的燃烧，移去火源后仍能保持持续燃烧的现象。

燃点，又叫着火点（fire point，ignition point）：在规定的实验条件下，物质在外部引火源作用下表面起火并持续燃烧一定时间所需的最低温度[《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）]。

可燃物先是局部被强烈加热，首先达到引燃温度，产生火焰，发生燃烧反应的区域逐渐扩大传播到可燃物的其他部分或整个反应空间。可燃液体燃点的测定方法参见《石油产品闪点和燃点测定法 克利夫兰开口杯法》（GB/T 3536—2008）或《石油产品闪点与燃点测定法（开口杯法）》（GB 267—1988）；可燃粉尘的测定方法参见《粉尘云最低着火温度测定方法》（GB/T 16429—1996）。

3.自燃与自燃点

（1）自燃与自燃点定义　自燃：可燃物在没有外部火源的作用时，因受热或自身发热并蓄热所产生的燃烧[《消防词汇 第1部分：通用术语》（GB/T 5907.1—2014）]。

自燃点：在规定条件下，可燃物产生自燃的最低温度。

（2）自燃现象与自燃种类　自燃点越低，火灾危险性越大。可燃物质与空气接触，并在热源作用下被加热，温度升高，先是缓慢氧化并放出热量，该热量可提高可燃物的温度，促使氧化反应速度加快，与此同时也存在向周围的散热损失，因此存在散热速率和生热速率两种。当可燃物氧化产生热量小于散热时，氧化反应速率小，生热少，周围散热条件较好，可燃物的温度就不能自行上升达到自燃点，就不能自行燃烧；若可燃物被加热到较高温度，反应速率快，或由于散热不良，氧化产生的热量不断聚积，温度升高而加快氧化速度，此时生热大于散热，反应速率不断加快使温度不断升高，直至达到自燃点，发生自燃现象。

自燃可分为受热自燃和本身自燃两种。

① 受热自燃是可燃物由于外界加热，使整体温度升高达到自燃点，未与明火接触而自行燃烧的现象。如火焰隔锅加热引起锅内油的自燃。受热自燃是引起火灾事故的重要原因之一。生产过程中发生受热自燃的原因主要有以下几点。

⟡ 可燃物靠近或接触热量大温度高的物体时，通过热传递效应，有可能使可燃物升温达到自燃点而引起自燃（例如可燃物靠近加热炉、电热器、烟囱、暖气片等）。

⟡ 熬炼或热处理过程，温度过高达到自燃点引起着火（例如炼油、熬沥青）。

⟡ 生产设备的轴承或加工可燃物的设备的相对运动部件，由于缺乏润滑油或其他原因，摩擦力增大，产生局部过热，引发自燃（例如纺织品厂火灾，棉花加工厂火灾）。

⟡ 放热反应释放大量的热，有可能引发周围可燃物的受热自燃（例如工地上生石灰遇水放热，引发周边放置的可燃建筑材料自燃着火）。

⟡ 气体高压下突然压缩生热，热量来不及对外释放，温度骤增，引发可燃物受热自燃；或可燃混合气绝热压缩，产生高温导致爆炸。

⟡ 温度超过自燃点的高温可燃物接触空气，也会自行着火。

② 本身自燃是可燃物由于自身发生化学反应、物理或生物作用等产生的热量，使温度升高至自燃点而发生自行着火的现象。

本身自燃和受热自燃都是在不接触明火的情况下自行发生的燃烧，区别在于热源的不同。本身自燃是来自可燃物本身的热效应，受热自燃的热来自于外部加热，因此它们的起火特点也不同。一般来说本身自燃从内向外延烧，受热自燃往往从外向内延烧。

自燃点是判断、评价可燃物火灾危险性的重要指标之一。自燃点能够相对性地反映不同物质自燃着火的难易程度。可燃液体和气体引燃温度（自燃点）的实验方法，可参见《可燃液体和气体引燃温度试验方法》（GB/T 5332—2007），易燃固体自燃点的测定尚无国家标准。

（3）自燃点与可燃物化学组成和结构的关系　自燃点与可燃物的化学组成和化学结构有关。可燃液体有机同系物自燃点的变化遵循以下规律。

① 同系物的自燃点随分子量增大而降低。

② 正构体自燃点比其异构体自燃点低。

③ 饱和烃自燃点比相应不饱和烃的高。

④ 烃的含氧衍生物自燃点低于分子中相同碳原子数烷烃自燃点。

⑤ 环烷烃自燃点高于相应烷烃自燃点。

（4）自燃点的影响因素　可燃物发生自燃现象，受本身状态和外界条件的影响。

① 压力　压力越高，自燃点越低。如表2-6所示为压力作用下的自燃点的变化。

② 浓度　当可燃气体或液体与空气混合浓度为化学当量浓度值时，自燃点最低。低于或高于这个浓度，自燃点都升高。如表2-7所示为甲烷在不同浓度下的自燃点。

③ 催化剂　活性催化剂（铁、钒、钴、镍等氧化物）能降低某些物质的自燃点，钝性催化剂则提高自燃点（如汽油钝化剂四乙基铅）。

④ 容器的材质及直径、容积　盛装可燃物的容器材质不同，自燃点有所影响。如表2-8所示。

容器直径越小，盛装的可燃物自燃点越高。

容器容积越大，盛装的可燃物自燃点越低。

⑤ 氧含量　可燃物自燃点在氧浓度高时比在氧浓度低时的自燃点低，纯氧条件下比空气浓度中的自燃点低。

⑥ 易燃固体　受热升华的易燃固体自燃点变化规律与可燃气体相同；受热分解出可燃气体的易燃固体，所含挥发成分越多，自燃点越低；某些纤维物质如木材，受热时间长，自燃点会降低；可燃粉尘粒度越小，自燃点越低。