二、室内火灾燃烧基础理论
一、教学目的
通过学习，使学员了解掌握室内火灾燃烧要素、特性、发展阶段和火场模型，夯实室内烟火特性理论基础。
二、燃烧的基础理论
（一）燃烧的概念
燃烧俗称着火，火是物质燃烧过程中所进行的强烈氧化反应，伴随着光和热的释放。火的可见部分称为焰，火焰的颜色和亮度取决于燃烧的物质及其纯度。纯度既包括燃烧物质本身的纯度，也包括燃烧过程的纯度。比如高纯度甲醇燃烧时，燃烧更充分，产生的碳离子更少，因此火光呈蓝色，白天几乎无法用肉眼看到，但往甲醇中注水，降低甲醇的纯度，则火光转变为红色，白天也能看见；常见的木材、蜡烛、纸张在猛烈燃烧时多为明亮的黄色火光，因为其燃烧过程相对充分，燃烧产生的碳离子在800℃以上的高温的作用下会散发出亮黄色的光芒。而上述可燃物在阴燃状态下，很可能出现红色的火光，因此此时的燃烧不充分，燃烧过程的纯度不高。
燃烧是指可燃物与助燃物（氧化剂）相互作用，发生具有火焰、发光、发热、发烟等基本特征的氧化还原反应。燃烧的本质是氧化还原反应。广义上只要有氧气参与，任何发光、发热、剧烈的氧化还原反应，都可以称为燃烧。比如我们日常看到有明火的火灾属于燃烧，几乎看不到火焰的阴燃也属于燃烧，例如木炭的燃烧，就是一种阴燃，只有红色的火光，而没有明显的火焰。
火只是燃烧过程中的一种表现形式，燃烧除了生成火焰以外，还会发光发热，并生成烟雾。所以我们日常所说的发生了火灾，看到了明火，只是燃烧的一种表现形式，而不是燃烧的全部。实际上，在火灾现场，除了最为直观的火以外，还有燃烧产生的热量以及有毒烟气、可燃烟气对于被困人员与救援人员的潜在危害。
（二）燃烧要素模型
燃烧需要三要素，即可燃物、助燃物和点火源。
可燃物指凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧反应的物质，可以是固体、液体或气体，如木材、塑胶、石油气等，固体和液体燃料需要经过热解作用而释放出可燃气体。这些气体中的可燃成分（例如：一氧化碳）如果遇到氧气及热量便会燃烧。理论上，绝大部分的物质当其到达本身所需的着火点时，皆可以在空气中燃烧。然而由于某些物质的着火点极高，一般情况下温度不能上升至该等物质的着火点，故此这类物质通常称为不可燃物质，如石、铁等。包括一切可以燃烧的物品。
助燃物是指凡是能与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质。日常中，我们接触得最多的助燃物就是空气，空气是由多种气体混合而成，其中氮气（79%）与氧气（21%）构成主要成分。当空气中的含氧量少于15%时，便不足以支持燃烧。氧气本身并不可以燃烧，但却是主要的助燃气体，大多数的物质在氧气不足的环境下是不能燃烧的。除氧气外，空气内的其他气体成分皆不能助燃。
点火源，是指凡是能引起物质燃烧的点燃能源。常见的点火源有明火、化学反应热、热辐射、高温表面、摩擦和撞击等，这些点火源必须具有足够的温度，才能点燃可燃物。
但仅有这三要素并不能完全发生燃烧。还需要三者之间相互作用，形成链式反应，这就是我们常说的燃烧四面体，即燃烧三要素+链式反应。在燃烧的过程中，高温引发氧分子与燃料分子分解并产生游离基，而游离基会引发可燃物、助燃物和点火源之间形成链式反应，促使燃烧持续进行。所以控制燃烧，最简单的做法就是控制链式反应，即隔离法、窒息法、冷却法和化学抑制。例如，我们将可燃物移走，燃烧就无法持续。如果用盖子盖住蜡烛使其隔绝空气，燃烧也会停止。如果我们射水灭火消除热量，也可以控制燃烧。除此之外，也可以用化学抑制的方式，切断游离基链式反应，例如喷射干粉灭火剂。常见的ABC干粉灭火剂成分为磷酸铵盐，其在高温作用下可以抑制燃烧过程中产生的游离基，降低活性游离基或产生稳定分子，起到灭火目的。
（三）燃烧极限
燃烧极限是指可燃气体在空气中被点燃并持续燃烧的浓度范围，只有在这个范围可燃气体才能稳定燃烧。可燃气体与空气适量进行混合，燃烧才会进行。如果可燃气体的浓度过高或者过低，燃烧都不会发生。可燃气体与空气的最高及最低比率，对应的就是燃烧上限和燃烧下限。燃烧上限指的是在空气中可燃气体维持燃烧的最高浓度。保持可燃气体浓度低于燃烧上限是非常重要的，以确保燃烧过程的稳定性。燃烧下限指的是在空气中可燃气体维持燃烧的最低浓度。为了实现稳定的燃烧，可燃气体的浓度必须达到或高于燃烧下限。以一氧化碳燃烧限率进行介绍，当浓度低于12.5%时，不会发生燃烧，当一氧化碳与空气的比率在12.5%—74%时，可以进行稳定燃烧，当一氧化碳浓度超过74%时，也不会发生燃烧。最佳混合比率是可燃气体与空气中的氧气以最佳浓度进行燃烧的混合比率，在最佳混合比率产生的燃烧会释放出最大的能量。
从定义上来看，燃烧极限似乎和我们过去所认知的爆炸极限有所相似。事实上，也的确如此。我们来看一下爆炸极限的定义。爆炸极限是指可燃气体或蒸气与空气混合后，在遇到足够能量的点火源时能够发生爆炸的浓度范围。
所以，我们从发生爆炸与稳定燃烧的环境进行对比思考，我们可以发现，事实上，在绝大多数情况下，如果处于开放空间环境，可燃气体的浓度处于爆炸极限范围内，遇到点火源通常也不会发生爆炸，而是会出现气体燃烧，此时可燃气体的爆炸极限就是燃烧极限。相反，若在密闭空间或有限空间环境，可燃气体的浓度处于燃烧极限范围内，遇到点火源则会发生爆炸，此时可燃气体的燃烧极限就是爆炸极限。
当我们了解了燃烧极限的概念后，我们回过头来看上面实验，我们就能明白，瓶口的可燃气体能够被点燃，这是因为此时瓶口的可燃气体的浓度处于燃烧极限范围内，此时可燃气体与空气中的氧气（助燃物）充分混合，在点火源的作用下，链式反应形成，处于稳定燃烧状态。而瓶底的可燃气体浓度过高，已经超过燃烧极限的范围，且氧气（助燃物）含量不足，因此链式反应无法形成，所以瓶底的可燃气体无法点燃。
假设火场烟气层中，含有大量的可燃气体，我们来看一下，最有可能发生烟气燃烧的区域位于烟气层的何处。
那我们还可以进行假设，如果着火区域的烟气通过门窗孔洞，蔓延至一个非燃烧区域的房间内，此时房间是相对密闭的空间，而此时烟气中的可燃气体的浓度刚好处于燃烧极限范围内，且与室内的空气充分混合。如果随着时间的推移，火势蔓延到这个房间，则这个房间的烟气将被瞬间点燃，由于房间相对密闭，这种快速燃烧就会转变为爆炸。这就是我们在极端火灾现象中所说的烟气爆炸。
我们现在再回过头来看上面的视频实验。视频中玻璃瓶中的可燃物（木材）不断被加热，木材内部释放出了可燃气体，这种现象就叫做热解作用，即可燃物在高温下分解的过程，液体或固体物质受热后会分解变成气体分子并离开物质的本身。例如图中的燃油、家具、木柴，被加热到一定程度后会分解出可燃气体。
热解过程不涉及氧气及催化，热解作用通常于80°C开始产生(木料会于150°C至200°C开始热解)，热解气体一般包括氰化氢、一氧化碳、氨气、二氧化碳、二氧化氮等，固体受热分解后产生可燃气体，与空气混合，当达到自燃温度且在燃烧极限之内时，就会引发起火反应。
如视频实验一样，可燃物一边受热分解，分解产生的可燃烟气一边与瓶口的空气（助燃物）混合，这种燃烧的过程我们称之为扩散燃烧，即燃料和氧化剂（一般是空气）边混合边燃烧。
而对于刚才我们所说的烟气爆炸，则是可燃物的热解烟气进入室内，提前与内部的空气充分混合，当烟气被点燃时，则会发生快速燃烧或是爆炸，这种燃烧的过程我们称之为预混燃烧，即燃料和氧化剂在燃烧之前提前达到混合状态的燃烧。对比两种燃烧过程我们可以发现，相对来说，预混燃烧的效率相对较高，燃烧更加充分，燃烧速度更快，燃烧温度更高，更容易发生爆燃或是爆炸等极端现象。
同时，物质燃烧时，会产生燃烧产物。这些产物包括烟雾、气体、蒸汽和黑烟灰等。例如一氧化碳、二氧化碳、氮气和水蒸气等。这些燃烧产物与热解烟气共同组成了火场的烟气层。由于烟气层中含有大量可燃气体，因此火场烟气也是可燃物。
随着燃烧的持续发展，火场烟气集聚并开始分层，热烟气在上层，冷空气在下层。在火灾场景中，烟气层是十分常见的现象，对于火灾现场的安全评估和救援行动起着重要的指导作用。
谈到烟气分层，就不得不提中性面这个概念。中性面是室内热烟气与室外冷空气的“分界线”。在它上方，热烟气往外跑，因为上方呈现正压；在它下方，室外冷空气往屋里流，因为下方呈现负压，而中性面的位置趋于压力平衡。同时，中性面的位置也会因室内外温差、通风情况、火势大小等因素而改变。
高的中性面通常表明火灾处于初期阶段，低的中性面表明极可能会发生回燃。
中性面突然上升一般表明现场通风条件得到改善，中性面逐步降低通常表示可燃烟气积聚，火灾向“轰燃”发展，中性面突然降低意味着火灾发生激烈变化等。
在火场侦察中，无论是烟气分层还是中性面，都只是我们现场用来综合评估我们作业环境及火灾发展的一个指标，在条件允许的情况下，要保持或提升室内高温烟气层的高度，为消防员和被困人员提供温度更低、含氧量更高的环境。通过有效的通风排烟战术，结合出水控火，可以有效提升热烟气层的高度。这是因为：降温可以减缓上层热烟气的形成速度，当我们用水枪对上层烟气进行射水时，会导致上层烟气温度下降，体积收缩，从而使上层烟气变“薄”。在这种环境下，消防员作业更为安全也更有效率，被困人员生存环境也能得到改善。
（四）热传递方式
热量的传递方式主要有热对流、热辐射、热传导三种方式。
热对流只发生于液体及气体，流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的现象；这个流体指的是气体、液体都可以，需要与流体接触进行热传递，受热的分子会膨胀而密度变轻上升，未受热的分子下沉补充其空间，热能因此输送。比如，一楼发生火灾，高温烟气从一楼蔓延至二楼，导致二楼也起火燃烧。
热传导可发生于固体及液体，当物质内的分子受热后，便会产生振动，撞击其邻近的分子并将热力同时转移给后者，此现象持续发生，直至热量传至物质的末端。比如，将冷的勺子放入热汤中，不一会握着勺子的手指头就能感受到汤的热量。
热辐射是指物体热量通过电磁波来传递能量。热辐射在向各个方向移动时都会加热接触到的各种物体。只要物体被加热，并且引起了分子运动，电磁辐射的能量就变成了热能。比如，晒晒太阳，能够感受到阳光的温暖。火场中的热辐射源主要为火点和热烟气。
图中是模拟消防员在火灾场面临的火灾热传递的三种情形。这里也指导了我们在较大且可燃烟雾较浓的火场中需要低姿行进，当我们站起来时，是热烟气通过导热来传递热量，会迅速加热我们的战斗服；当我们低姿行进时，接触的热是地面的热量、烟气的热辐射，而这些热量大部分会被战斗服隔绝。
三、火灾发展进程
火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧。室内火灾的发展一般分为三个阶段，即初期阶段、发展阶段、衰减阶段。也可以分为四个阶段，即初期阶段、发展阶段、全面发展阶段、衰减阶段。
（一）火灾发展阶段
初期阶段，在室内火灾的初期增长阶段，火源点燃后，火焰体积相对较小，火势以较为缓慢的速度蔓延，此时火灾的燃烧发展状况很大程度上取决于空气的含氧量。
当火灾燃烧所需的氧气比较充足，燃烧速率主要是由可燃物本身性质所决定时，一般称之为燃料主导型火灾。此时，火焰体积逐渐增大，室内温度急速上升，烟气开始在天花板上积聚，随着燃烧的继续，可燃物继续热分解释放可燃气体，积聚于天花板的浓烟及可燃气体会沿着水平方向蔓延，而燃烧所发出的热辐射会向四面扩散，并使室内其他物体进行热分解。当室内温度上升至约600℃时，可发生轰燃，室内所有物质同时燃烧，此时地板所承受的辐射热能为20千瓦/平方米。
发展阶段，在这个阶段，火势在室内急剧蔓延，并且燃烧强度持续增加，使热释放速率逐渐达到顶峰。由于大量可燃物质开始燃烧，室内温度迅速上升，可能超过1000℃。由于火场受到燃料主导，燃烧会产生大量的可燃气体，高温火焰和可燃气体会从起火室迅速扩散，使火势蔓延到附近区域，甚至一部分的火焰可能会从门窗中冒出，延伸到室外。
充分发展阶段的火场可以持续很长时间，有时甚至能够持续几个小时，主要取决于室内可燃物的储量。但若室内通风受限，火灾的热释放速率及发展速度受到火场供氧量的限制，火势会逐渐减弱，如果实施通风（如打开窗户，门口等）增加火场氧气含量，火势便会增大，此时为通风主导型火场。
衰减阶段，室内火场由于全面燃烧而耗尽燃料，因此火势逐渐减弱，室内温度也逐渐下降，进入火灾下降阶段。在这个阶段，火场中的火焰已逐渐消失，而室内的可燃物在燃烧后会留下灰烬，以固体炭的形式进行无焰燃烧。此时火焰燃烧的速率相当缓慢，常伴有阴燃现象发生。这一阶段可能会持续很长时间，直到火场完全回到燃料主导的状态。通常情况下，火灾衰减阶段从室内平均温度降到其峰值的80%时开始。
（二）火场类型的划分
按照主导火场的因素，我们将火场分为燃料控制型火场和通风控制型火场，这两类火场也在火灾发展进程中可以一一对应。
燃料主导型火场。定义：氧气（空气）充足，火灾的热释放速率及发展速度取决于燃料的数量及几何结构。在初期燃烧阶段，火势的发展不受现场环境（例如：现场的大小、通风口的大小）的影响如果继续增加燃料，火势便会增大，相反，如果燃料被移除，火势便会减弱。
通风主导型火场。定义：通风受限，火灾的热释放速率及发展速度受到火场供氧量的限制。在发展或全面燃烧阶段，火场内的可燃气体大量增加，室内的氧气不足，此时火场氧气的含量直接主导火势的发展。若增加通风（如开启门窗等），火势便会增大。相反，若减少通风（如关闭门窗等），火势便会减弱。
火灾的发展阶段不是一成不变，无论是三个还是四个阶段，都只能说是实验室总结出来的一般性规律，实际上，火灾的变化发展远远比想象中复杂。以下这个图就是实际中我们的建筑物火灾，往往经历几次发展，经历几次衰减，归根到底都是取决于可燃物（包括燃烧产生的可燃烟气）及氧气的量。所以在火场上，根据现场情况评估预判才最为关键！
