[科普中国]-非均相燃烧

固体的非均相燃烧

固体可燃物由于其分子结构的复杂性、物理性质的不同，其燃烧方式也不相同。主要有蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧、阴燃四种。蒸发燃烧和分解燃烧都是有火焰的均相燃烧，只是可燃气体的来源不同。蒸发燃烧的可燃气体是相变产物，分解燃烧的可燃气体来自固体的热分解。固体的表面燃烧和阴燃，都是发生在固体表面与空气的界面上，呈无火焰的非均相燃烧。阴燃和表面燃烧的区别，就在于表面燃烧的过程中固体不发生分解。1

表面燃烧可燃物受热不发生热分解和相变，可燃物质在被加热的表面上吸附氧，从表面开始呈余烬的燃烧状态叫表面燃烧(也叫无火焰的非均相燃烧)。这类燃烧的典型例子，如焦炭、木炭和不挥发金属等的燃烧。表面燃烧速度取决于氧气扩散到固体表面的速度，并受表面上化学反应速度的影响。焦炭、木炭为多孔性结构的简单固体，即使在高温下也不会熔融、升华或分解产生可燃气体。氧扩散到固体物质的表面，被高温表面吸附，发生气固非均相燃烧，反应的产物从固体表面解吸扩散，带着热量离开固体表面。整个燃烧过程中固体表面呈高温炽热发光而无火焰，燃烧速度小于蒸发速度。

铝、铁等不挥发金属的燃烧也为表面燃烧。不挥发金属的氧化物熔点低于该金属的沸点。燃烧的高温尚未达到金属沸点且无大量高热金属蒸气产生时，其表面的氧化物层已熔化退去，使金属直接与氧气接触，发生无火焰的表面燃烧。由于金属氧化物的熔化消耗了一部分热量，减缓了金属被氧化，致使燃烧速度不快，固体表面呈炽热发光。这类金属在粉末状、气熔胶状、刨花状时，燃烧进行得很激烈，且无烟生成。

阴燃阴燃是指物质无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温度升高的迹象。这种燃烧看不见火苗，可持续数天甚至数十天，不易发现。

（1）容易发生阴燃的状况

一些固体可燃物在空气不流通、加热温度较低或湿度较大的条件下发生干馏分解，产生的挥发成分未能发生有焰燃烧；固体材料受热分解，必须能产生刚性结构多孔性炭化材料。常见易发生阴燃物质，如成捆堆放的棉、麻、纸张及大量堆放的煤、杂草、湿木材、布匹等。

（2）阴燃和有焰分解燃烧的相互转化

在缺氧或湿度较大条件下发生火灾，由于燃烧消耗氧气及水蒸气的蒸发耗能，使燃烧体系氧气浓度和温度均降低，燃烧速度减慢，固体分解出的气体量减少，火焰逐渐熄灭，由有焰燃烧转为阴燃。如果通风条件改变，当持续的阴燃完全穿透固体材料时，由于对流的加强，会使空气流人量相对增大，供氧量增加，或可燃物中水分蒸发到一定程度，也可能由阴燃转变为有火焰的分解燃烧甚至爆燃。火场上的复燃现象和由于固体阴燃引起的火灾等，都是阴燃在一定条件下转化为有焰分解燃烧的例子。

液体燃料的非均相燃烧从燃油燃烧过程的图解（下图）中可看到燃油的燃烧与燃油的性质和燃烧条件(温度、氧气)有关，燃油的燃烧既有非均相燃烧，也有部分非均相燃烧。在低温情况下，燃油蒸发产生油蒸气，发生热解与裂化反应时，碳粒产生了非均相燃烧；在高温环境，燃油不能与氧气接触时，发生裂化反应，此时燃油中较重的分子仍呈固态，进行非均相燃烧。

燃油燃烧有如下特点：

(1)燃油的燃烧实际上是在蒸气状态下进行的，也即是燃油蒸气和空气混合物的燃烧。

(2)燃油燃烧时需要进行特殊的破碎——雾化处理。由于燃油的燃烧速度取决于其蒸发速度，而蒸发速度除了与燃油性质和热交换情况有关外，在很大程度上与燃油的蒸发表面积有关，雾化是增大燃油表面积的最有效方法。由于油滴的燃尽时问与油滴直径的平方成正比，所以雾化质量对燃油的燃烧有重大影响。

(3)燃油经雾化后，其燃烧具有气体燃料扩散燃烧的特点。燃油经雾化后被喷入燃烧室，由于急剧加热油滴蒸发分解，形成可燃气体，这些可燃气体要迅速燃烧必须有充足的氧气。油滴的蒸发和分解速度很快，化学反应速度也很快，油滴燃烧时问就取决于氧气向油滴的扩散时间，所以这种燃烧就与气体燃料的扩散燃烧相似。

(4)燃油在不同条件下燃烧时，热分解特性不同。如果燃油在氧气充足的情况下被加热和蒸发，则碳氢化合物会被预先氧化成甲醛等，为完全燃烧创造了有利条件，也不会在燃烧过程中产生难以着火燃尽的重碳氢化合物和炭黑。

如果空气供应不足或油滴和空气混合不均匀，那么部分高分子碳氢化合物在高温缺氧下会发生裂解产生炭黑。而炭黑的化学性质不活泼，燃烧缓慢，不易燃尽。因此，在燃油燃烧时必须供应燃烧所需空气，并强化均匀混合，以减少高温缺氧时油滴的裂解。

另外，燃油在500～600℃进行热裂解时，碳氢化合物的分解产物为易于着火燃尽的轻质碳氢化合物，而在650℃以上热裂解时，分解产物除氢和轻质碳氢化合物外，还会有难于着火的重质碳氢化合物甚至炭黑产生。因此，在燃油燃烧的初始阶段，应当把足够的空气送入火焰的根部，这样既可保证其有充足的氧气，又可适当降低温度，保证热裂解时不产生重质碳氢化合物和炭黑。

非均相反应速度以碳为例，在燃烧过程中，碳的反应包括初次反应(碳与氧的反应)和二次反应(碳与CO2的反应及CO与氧的反应)。C与O2的反应及C与CO2的反应属于在相界上进行的异相反应。

碳的异相反应可以在碳的外表面进行，也可以在碳的内部孔隙或裂缝的所谓内表面上进行。异相反应进行得愈强烈，则反应愈容易集中在外表面上；反之，则容易向内部发展。

所谓异相反应速度，指的是在单位时间内和单位反应表面上完成反应的物质的数量。其单位是克/厘米2·秒或克分子/厘米2·秒。异相反应一般包括以下几个阶段：

(1)气相反应介质向反应表面的传递；
(2)气体被反应表面吸附； ，
(3)表面化学反应；
(4)反应物质的脱附；
(5)气相反应产物从反应表面的排离。
整个异相反应的总速度决定于其中最慢阶段的速度。2