第三節(jié)　燃燒產(chǎn)物

　　燃燒產(chǎn)生的物質(zhì)，其成分取決于可燃物的組成和燃燒條件。大部分可燃物屬于有機(jī)化合物，它們主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成，燃燒生成的氣體一般有一氧化碳、二氧化碳、丙烯醛、氯化氫、二氧化硫等。

　　【習(xí)題·單選】

　　燃燒生成氣體一般指(　)、二氧化碳、二氧化硫等。

　　A.氧氣

　　B.一氧化碳

　　C.氮?dú)?/P>

　　D.氨氣

　　『正確答案』B

　　『答案解析』燃燒生成的氣體一般有一氧化碳、二氧化碳、丙烯醛、氯化氫、二氧化硫等。

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　　一、燃燒產(chǎn)物的概念

　　由燃燒或熱解作用產(chǎn)生的全部物質(zhì)稱為燃燒產(chǎn)物，有完全燃燒產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之分。完全燃燒產(chǎn)物是指可燃物中的C被氧化生成的CO2(氣)、H被氧化生成的H2O(液)、S被氧化生成的SO2(氣)等;而CO、NH3、醇類、醛類、醚類等是不完全燃燒產(chǎn)物。燃燒產(chǎn)物的數(shù)量、組成等隨物質(zhì)的化學(xué)組成及溫度、空氣的供給情況等的變化而不同。

　　完全燃燒產(chǎn)物注釋：一般單質(zhì)在空氣中完全燃燒，其產(chǎn)物為該單質(zhì)元素的氧化物。例如：碳、氫、磷、硫等燃燒生成二氧化碳、水、五氧化二磷及二氧化硫等產(chǎn)物。這些產(chǎn)物不能再發(fā)生燃燒，稱為完全燃燒產(chǎn)物。

　　燃燒產(chǎn)物中的煙主要是燃燒或熱解作用所產(chǎn)生的懸浮于大氣中能被人們看到的直徑一般在10-7～10-4cm之間的極小的炭黑粒子;大直徑的粒子容易由煙中落下來，稱為煙塵或炭黑。炭粒子的形成過程比較復(fù)雜。例如碳?xì)淇扇嘉镌谌紵�過程中，會(huì)因受熱裂解產(chǎn)生一系列中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物還會(huì)進(jìn)一步裂解成更小的碎片，這些小碎片會(huì)發(fā)生脫氫、聚合、環(huán)化等反應(yīng)，最后形成石墨化碳粒子，構(gòu)成了煙。

　　二、幾類典型物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物

　　不同類型可燃物的燃燒特性及其燃燒產(chǎn)物是有差別的，以下介紹三類常見材料的燃燒產(chǎn)物。

　　(一)高聚物的燃燒產(chǎn)物

　　有機(jī)高分子化合物(簡稱高聚物)，主要是以煤、石油、天然氣為原料制得的，如塑料、橡膠、合成纖維、薄膜、膠粘劑和涂料等。其中，塑料、橡膠和纖維是人們熟知的三大合成有機(jī)高分子化合物，其應(yīng)用廣泛而且容易燃燒。

　　高聚物的燃燒過程十分復(fù)雜，包括一系列的物理和化學(xué)變化，主要分為受熱軟化熔融、熱分解、著火燃燒等階段。其中，熱分解是其燃燒的關(guān)鍵階段，高聚物的燃燒主要是分解產(chǎn)物中的可燃性氣體的燃燒。高聚物的燃燒與熱源溫度、物質(zhì)的理化特性和環(huán)境氧濃度等因素密切相關(guān)。不同高聚物著火燃燒的難易程度有很大差別。

　　從總體上講，其燃燒具有發(fā)熱量較高、燃燒速度較快、發(fā)煙量較大等特點(diǎn)，并且會(huì)在燃燒(或分解)過程中產(chǎn)生CO、NOx(氮氧化物)、HCI(氯化氫也叫鹽酸)、HF(鉿)、SO2(二氧化硫)及COCI2(光氣)等有害氣體，危害性較大。不同類型的高聚物在燃燒(或分解)過程中會(huì)產(chǎn)生不同類別的產(chǎn)物。只含碳和氫的高聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯燃燒時(shí)有熔滴，易產(chǎn)生CO氣體。

　　含有氧的高聚物，如有機(jī)玻璃、賽璐珞等，燃燒時(shí)變軟、無熔滴，同樣產(chǎn)生CO氣體。含有氮的高聚物，如三聚氰胺甲醛樹脂、尼龍等，燃燒情況比較復(fù)雜、但在燃燒時(shí)有熔滴，會(huì)產(chǎn)生CO、NO(一氧化氮)、HCN(氰化氫)等有毒氣體。含有氯的高聚物，如聚氯乙烯等，燃燒時(shí)無熔滴，有炭瘤，并產(chǎn)生HCl(氯化氫)氣體，有毒且溶于水后有腐蝕性。有木粉填料的酚醛樹脂燃料則會(huì)放出有毒的酚蒸氣。

　　(二)木材和煤的燃燒產(chǎn)物

　　木材、煤等是典型的固體可燃物質(zhì)。它們是由多種元素組成的、復(fù)雜天然高聚物的混合物，成分不單一，并且是非均質(zhì)的。

　　均質(zhì)含義：

　　均質(zhì)也稱勻漿，是使懸浮液(或乳化液)體系中的分散物微粒化、均勻化的處理過程，這種處理同時(shí)起降低分散物尺度和提高分散物分布均勻性的作用。

　　均質(zhì)是食品或化工行業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要運(yùn)用的一項(xiàng)技術(shù)。食品加工中的均質(zhì)就是指物料的料液在擠壓，強(qiáng)沖擊與失壓膨脹的三重作用下使物料細(xì)化，從而使物料能更均勻地相互混合，比如奶制品加工中使用均質(zhì)機(jī)使牛奶中的脂肪破碎的更加細(xì)小，從而使整個(gè)產(chǎn)品體系更加穩(wěn)定。牛奶會(huì)看起來更加潔白。均質(zhì)主要通過均質(zhì)機(jī)來進(jìn)行，是食品、乳品、飲料等行業(yè)的重要加工設(shè)備。

　　木材的非均質(zhì)性：

　　樹木的生長不是均勻的，在自然界，樹木的生長是周期性的，分為生長期和休眠期。所以木材是非均質(zhì)的。在自然界，樹木的生長是各向異性的：朝向太陽一面生長較快、背向太陽一面生長較慢，而太陽是運(yùn)動(dòng)的。所以木材是各向異性的。

　　煤的儲(chǔ)層非均質(zhì)性(reservoir heterogeneity)：儲(chǔ)層的各種性質(zhì)隨其空間位置而變化的屬性。

　　1.木材的燃燒產(chǎn)物

　　木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，由碳、氧、氫和氮等元素組成。木材的燃燒存在兩個(gè)比較明顯的階段：一是有焰燃燒階段，即木材的熱分解產(chǎn)物的燃燒;二是無焰燃燒階段，即木炭的表面燃燒。單個(gè)木材的燃燒行為受到多種自身因素的影響，如紋理結(jié)構(gòu)、密度、含水量、比表面積等，木垛的燃燒還取決于通風(fēng)狀況，與木垛堆放的緊密程度有關(guān)。

　　木材中的主要成分在不同溫度下分解并釋放揮發(fā)分，一般為：半纖維素200～260℃分解;纖維素240～350℃分解;木質(zhì)素280～500℃分解。當(dāng)木材接觸火源時(shí)，加熱到約110℃時(shí)就被干燥并蒸發(fā)出極少量的樹脂;加熱到130℃時(shí)開始分解，產(chǎn)物主要是水蒸氣和二氧化碳;

　　加熱到220～250℃時(shí)開始變色并碳化，分解產(chǎn)物主要是一氧化碳、氫氣和碳?xì)浠�合�?加熱到300℃以上，有形結(jié)構(gòu)開始斷裂，在木材表面垂直于紋理方向上木炭層出現(xiàn)小裂紋，這就使揮發(fā)物容易通過碳化層表面逸出。隨著碳化深度的增加，裂縫逐漸加寬，結(jié)果產(chǎn)生“龜裂”現(xiàn)象。此時(shí)木材發(fā)生劇烈的熱分解。

　　主要產(chǎn)物：二氧化碳、一氧化碳、氫氣和碳?xì)浠�合�?/P>

　　2.煤的燃燒產(chǎn)物

　　煤主要由碳、氫、氧、氮和硫等元素組成。煤的燃燒過程幾乎同時(shí)存在有焰燃燒和無焰燃燒，主要受炭化程度、顆粒度、巖石學(xué)組成、受風(fēng)化情況及含水量等多種因素影響。

　　一般情況下，煤受熱時(shí)，低于105℃，主要析出其中的吸留氣體和水分;200～300℃時(shí)開始析出氣態(tài)產(chǎn)物如CO、CO2等，煤粒變軟成為塑性狀態(tài);300～550℃時(shí)開始析出焦油和CH4及其同系物、不飽和烴及CO、CO2等氣體;在500～750℃時(shí)，半焦開始熱解，并析出大量含氫較多的氣體;

　　760～1000℃時(shí)，半焦繼續(xù)熱解，析出少量以氫為主的氣體，半焦變成高溫焦炭。煤熱分解產(chǎn)生揮發(fā)分的組分及其含量主要取決于煤的炭化程度和溫度。炭化程度加深，揮發(fā)分析出量減少，但其中可燃組分含量卻增多;加熱溫度越高，揮發(fā)分逸出量就越多。

　　主要產(chǎn)物：一氧化碳和二氧化碳甲烷及其同系物、不飽和烴等氣體。

　　(三)金屬的燃燒產(chǎn)物

　　金屬燃燒通常熱值大、溫度高，某些金屬燃燒時(shí)火焰具有特征顏色，見表1-1-5。金屬燃燒的難易程度與比表面積關(guān)系極大，其燃燒能力還取決于金屬本身及其氧化物的物理、化學(xué)性質(zhì)，其中金屬及其氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)對其燃燒能力的影響比較顯著。根據(jù)熔點(diǎn)和沸點(diǎn)不同，通常將金屬分為揮發(fā)金屬和不揮發(fā)金屬。

　　表1-1-5 某些金屬燃燒時(shí)的火焰顏色

　　揮發(fā)金屬(如Li、Na、K、Mg、Ca等)在空氣中容易著火燃燒，熔融成金屬液體，它們的沸點(diǎn)一般低于其氧化物的熔點(diǎn)(K除外)，因此在其表面能夠生成固體氧化物。由于金屬氧化物的多孔性，金屬繼續(xù)被氧化和加熱，經(jīng)過一段時(shí)間后，金屬被熔化并開始蒸發(fā)，蒸發(fā)出的蒸氣通過多孔的固體氧化物擴(kuò)散進(jìn)入空氣中。

　　不揮發(fā)金屬(如Al、Ti、Zr等)因其氧化物的熔點(diǎn)低于金屬的沸點(diǎn)，則在燃燒時(shí)熔融金屬表面上形成一層氧化物。這層氧化物在很大程度上阻礙了金屬和空氣中氧的接觸，從而減緩了金屬被氧化。但這類金屬在粉末狀、氣溶膠狀、刨花狀時(shí)在空氣中燃燒進(jìn)行得很激烈，并且不生成煙。

　　三、燃燒產(chǎn)物的危害性

　　統(tǒng)計(jì)資料表明，火災(zāi)中死亡人數(shù)大約75%是由于吸入毒性氣體而致死的。燃燒產(chǎn)物中含有大量的有毒成分，如CO、HCN、SO2、NO2等。這些氣體均對人體有不同程度的危害。

　　常見的有害氣體的來源、生理作用及致死濃度

　　二氧化碳和一氧化碳是燃燒產(chǎn)生的兩種主要燃燒產(chǎn)物。其中，二氧化碳雖然無毒，但當(dāng)達(dá)到一定的濃度時(shí)，會(huì)刺激人的呼吸中樞，導(dǎo)致呼吸急促、煙氣吸入量增加，并且還會(huì)引起頭痛、神志不清等癥狀。

　　而一氧化碳是火災(zāi)中致死的主要燃燒產(chǎn)物之一，其毒性在于對血液中血紅蛋白的高親和性，其對血紅蛋白的親和力比氧氣高出250倍，因而，它能夠阻礙人體血液中氧氣的輸送，引起頭痛、虛脫、神志不清等癥狀和肌肉調(diào)節(jié)障礙等。一氧化碳對人的影響見表1-1-7。

　　一氧化碳對人的影響

　　除毒性之外，燃燒產(chǎn)生的煙氣還具有一定的減光性。通常可見光波長(λ)為0.4～0.7微米，一般火災(zāi)煙氣中的煙粒子粒徑(d)為幾微米到幾十微米，由于d>2λ，煙粒子對可見光是不透明的。煙氣在火場上彌漫，會(huì)嚴(yán)重影響人們的視線，使人們難以辨別火勢發(fā)展方向和尋找安全疏散路線。同時(shí)，煙氣中有些氣體對人的眼睛有極大的刺激性，降低能見度。

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