Материал: Теория горения и взрыва. Возникновение и распространение горения. Оценка пожарозрывоопасности веществ и материалов. Однолько А.А., Колодяжный С.А

Механизм окисления оксида углерода СО на границе зоны горения и предпламенной зоны может быть приближенно описан следующими реакциями:

В связи с многостадийностью реакций горения в состав продуктов горения входят не только продукты полного горения СО₂, НО₂, N₂, Р₂О₅ и т.д., но и продукты неполного горения и термоокислительного разложения: радикалы ОН˙, О˙, атомов Н, молекул монооксида углерода СО. Последние являются не только горючими, но и наиболее токсичными веществами.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой горение с позиции электронной теории?

2. Опишите горение с позиции молекулярно-кинетической теории строения материи. Что больше по значению – энергия активации или энергия горения? Какое вещество более пожаровзрывоопасно – с меньшей или большей по значению энергией активации?

3. Какие процессы могут управлять скоростью реакции горения?

4. Почему уравнение реакции горения называют брутто-уравнением?

5. Опишите стадии сгорания органических соединений на примере углерода.

1.2. Классификация процессов горения. Пламя. Продукты горения

1.2.1. Классификация процессов горения

Процессы горения классифицируют:

1. в зависимости от механизма распределения зоны химической реакции – дефлаграционное и детонационное;

2. в зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя непосредственно в зоне протекания химической реакции – гомогенное и гетерогенное;

3. в зависимости от условий смесеобразования, от соотношения скорости химической реакции горения и скорости смесеобразования различают следующие виды горения – кинетическое и диффузионное;

4. по газодинамическому состоянию компонентов – ламинарное и турбулентное;

5. по составу продуктов горения (по полноте горения) – полное и неполное.

Рассмотрим указанные виды горения подробнее [11, 13, 16].

1. В зависимости от механизма распределения зоны химической реакции.

Дефлаграционное горение характеризуется сравнительно медленной скоростью распространения зоны химической реакции – фронта пламени, порядка 0,5-50 м/с. В большинстве случаев газопаровоздушные смеси горят со сравнительно низкой скоростью – порядка нескольких метров в секунду.

В режиме дефлаграции протекает подавляющее большинство случаев горения в быту, на производстве и при пожарах.

Нужно подчеркнуть, что дефлаграционное горение может протекать с образованием повышенного давления в замкнутых объемах (0,6–0,8 МПа¹) за счет теплового расширения газа, приводящего к разрушениям и жертвам. При этом ударная волна и ускорение реакции горения в зоне ее прохождения не образуются.

Если образуется ударная волна, скорость распространения которой порядка сотни метров в секунду, то говорят о дефлаграционном взрыве. Разрушительное действие дефлаграционного взрыва, обусловленное возникновением проходящей и отраженной ударной волны, как правило, превышает разрушительное действие указанного выше дефлаграционного горения с образованием повышенного давления.

Детонационное горение распространяется со скоростью ударной волны от сотен м/с и до 1–5 км/с, т. е. скорости звука.

Главное отличие детонации от дефлаграционного горения и дефлаграционного взрыва заключается в очень высокой скорости распространения (порядка скорости звука и выше; при скорости горения, меньшей 45 м/с, возбуждение детонации не наблюдалось), а также в механизме распространения зоны горения.

Детонацией называют разновидность взрыва, при котором возникает мощная, самоподдерживающаяся, сверхзвуковая ударная волна, сжимающая горючую смесь до такой степени, что в месте ее прохождения, еще до подхода пламени, мгновенно начинается самоускоряющееся горение, сопровождающееся выделением значительного количества энергии¹.

На пожаре встречается, в основном, дефлаграционное горение.

Ударная волна, возникающая при детонации, не требует препятствий для своего развития. Детонация характеризуется очень сильными разрушениями, так как давление проходящей ударной волны достигает 2 МПа, а в отраженной ударной волне – до 10 МПа. Для сравнения отметим, что при избыточном давлении (т.е. превышающем атмосферное, равное 101,3 кПа) ударной волны 50 кПа наблюдается 50 %-е разрушение зданий. При избыточном давлении ударной волны порядка 100 кПа происходит 100 %-е разрушение зданий.

Детонация – достаточно редкое явление на пожаре и может возникнуть при взрыве газопаровоздушных смесей при выполнении ряда условий (возникновение ударной волны, приводящей к возбуждению детонации; высокая скорость выделения энергии возбудителя детонации; ускорение и турбулизация пламени, приводящие к увеличению площади его поверхности и т.д.). Случаи детонации фиксировались в газопроводах, при разливах легковоспламеняющихся жидкостей, штольнях угольных шахт. В целом природа детонации еще нуждается в изучении.

Детонация чаще наблюдается при взрыве различного рода взрывчатых веществ. К ним относятся, в частности, инициирующие (азид свинца, гремучая ртуть), бризантные (динамиты, тротил, гексоген, централит), метательные (пороха, смесевые ракетные топлива – смесь перхлората аммония и органического связующего) взрывчатые вещества.

2. В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя непосредственно в зоне протекания химической реакции различают следующие виды горения.

Гомогенное – горючее и окислитель в зоне горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. Пример: метан и кислород воздуха, пары бензина и кислород воздуха, горючие газы и пары, выделившиеся при разложении древесины и кислород воздуха;

Гетерогенное – беспламенное горение или тление (горючее и окислитель находятся в разных агрегатных состояниях: древесный уголь и кислород воздуха, кокс и кислород воздуха, антрацит и кислород воздуха). В этом случае горючее вещество не газифицируется и остается в твердом состоянии, а окисление протекает по его поверхности.

На пожаре наблюдается преимущественно гомогенное горение, хотя начинаться и заканчиваться пожар может гетерогенным горением (тлением).

3. В зависимости от условий смесеобразования, от соотношения скорости химической реакции горения и скорости смесеобразования различают следующие виды горения.

Кинетическое горение – горючая смесь существует до начала воспламенения, скорость горения определяется практически скоростью протекания химической реакции. Известно, что время горения составляет

_гор= _хр +_фв, (1.1)

где _хр – время химической реакции;

_фв – время физического взаимодействия.

Так как _фв при кинетическом горении очень мало, им можно пренебречь. Поэтому для кинетического горения _гор = _хр, и этот вид горения очень быстрый.

Если кинетическое горение протекает в замкнутом (ограниченном) объеме, то оно воспринимается в виде взрыва, т.к. быстро выделяющаяся энергия не успевает отводиться за пределы объема, давление возрастает и приводит к разрушению конструкций. Такой вид горения может наблюдаться при воспламенении газовоздушной смеси при утечке, например, природного газа из газопровода, газовой плиты, газового нагревательного прибора и т.д.

Примером спокойного кинетического горения является горение газовоздушной смеси на конфорках кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пламя имеет равномерную сине-голубую окраску. Появление желто-оранжевых зон пламени – признак недостатка воздуха, плохого смешения, образования продуктов неполного сгорания, в том числе светящихся желтым светом сажистых частиц.

Диффузионное горение – смесь готовится непосредственно перед зоной горения или в самой зоне в процессе горения – свеча, костер и т.д.

Время горения в этом случае составит _{гор =} _хр +_фв, и так как _хр  _фв, то _гор  _фв, т.е. скорость диффузионного горения определяется скоростью смешения смеси.

На пожаре чаще всего встречается диффузионное горение, хотя может начинаться с кинетического (например, пожар в квартире может начаться с взрыва природного газа на кухне). При пожаре газового фонтана при истечении газа под большим давлением смесеобразование перед факелом будет таким равномерным, что пламя будет практически кинетическим. При наличии в горючем газе конденсата оно будет диффузионно-кинетическим, а при горении фонтанирующей нефти и при пожарах в резервуарах с горючими жидкостями режим горения будет диффузионным.

4. По газодинамическому состоянию компонентов различают следующие виды горения.

Ламинарное (lamina – слой), компоненты поступают спокойно, наблюдается плавный переход от зоны смесеобразования к зоне горения – зоне формирования потока продуктов горения.

При этом численное значение критерия Рейнольдса значительно меньше критического Re  2300.

Турбулентное горение (turbulens – вихрь), компоненты поступают быстро, происходит потеря газодинамической устойчивости, слоистости газовых потоков в зоне реакции, ускорение газовых потоков в результате расширения при нагревании в зоне горения.

Численное значение критерия Рейнольдса в этом случае близко к критическому (2300  Re  10000).

Степень турбулентности в зонах горения может быть различной. Непосредственно перед зоной горения она будет сравнительно небольшой, в зоне горения – уже более заметной, а в зоне продуктов горения в верхней части пламени – еще более интенсивной.

На пожаре чаще всего наблюдается турбулентный режим горения (вихреобразное пляшущее пламя костра, отрывы клубящихся зон горения от основного факела).

5. По составу продуктов горения (по полноте горения) различают полное и неполное горение.

Полное горение – в его результате получаются полные оксиды: CО_2, H₂О, N₂, на пожарах практически не встречается. К такому режиму горения стремятся конструкторы в двигателях внутреннего сгорания, печах и т.д.

Неполное горение – в результате выделяются соответственно продукты неполного горения (монооксид углерода СО, сажа С, оксиды азота NO, NO₂, NO₃).

Вопросы для самоконтроля

1. По каким признакам классифицируют горение?

2. Перечислите виды процессов горения.

3. Чем отличается дефлаграционное горение от детонационного, диффузионное от кинетического, гомогенное от гетерогенного, ламинарное от турбулентного, полное от неполного? Какие виды горения встречаются на пожаре?

1.2.2. Пламя. Процессы, протекающие в пламени

Горение газообразных, жидких и большинства твердых веществ протекает с образованием пламени. Пламя образуется тогда, когда при нагревании горючего вещества выделяются газообразные горючие вещества.

Пламя (факел) – часть пространства, в котором сгорают пары и газы (где начинаются и заканчиваются пламенные реакции).

Значительная часть энергии пламени расходуется на излучение (порядка 10–30 % для разных веществ)¹. Пламя является источником зажигания для свежей горючей смеси при установившемся горении. Важная особенность пламени – способность к самораспространению.

Без пламени горят кокс и антрацит, графит, сажа, древесный уголь, магний, железо. Если нет твердых частиц, то пламя незаметно (водород).

Пламя бывает:

• кинетическим (смесь паров заранее подготовлена – пламя газовой плиты, сварочных горелок);

• диффузионное (смесь паров образуется в процессе горения – пламя свечи).

По характеру потока диффузионное пламя бывает:

• ламинарное (небольшая скорость, малое сечение);

• турбулентное (большая скорость, большое сечение выходного отверстия, не имеет четких очертаний факела).

Строение пламени.

В пламени можно выделить 3 зоны (рис. 1.4):

• зону горючих паров;

• зону химической реакции (пламенных реакций);

• зону продуктов гоpения. В этой зоне находятся СО₂, N₂, пары Н₂О, несгоревшие продукты термоокислительного разложения: оксид углерода СО, атомы Н, радикалы ОН˙, О˙.

Рис. 1.4. Строение ламинарного диффузионного пламени

Температура пламени

Различные вещества имеют разную температуру пламени. Например, температура пламени:

магния Mg t_пл = 3000 ^C;

газов – порядка 1350 – 1400С и выше. Так, ацетилен С₂Н₂ имеет в кислороде температуру пламени порядка 2100 – 2300 С;

жидкостей – порядка 1200 – 1300 С, (так, температура пламени бензин – 1200 С);

твердых горючих веществ, t_пл – порядка 1100 – 1200 С (древесина – 700 – 1200 С, торф – 780 С и т.д.).

Пламя неоднородно по температуре. В зоне паров температура достигает 600 С, в части пламени, примыкающей к зоне паров, – 800 С, в части пламени, примыкающей к зоне продуктов горения, – 1100 – 1400 С. Также неоднородна температура пламени по высоте: в нижней части его охлаждает подходящий извне холодный воздух, в верхней части – продукты горения.

Свечение пламени зависит от наличия углерода, трех атомных газов и твердых частичек. Атомы углерода С поступают в зону горения, нагреваются и светятся. Поэтому яркое светящееся пламя имеют вещества, в составе которых более 60 % углерода (например, нефтепродукты, резиновые изделия, углеводородные топлива). Поскольку частицы сажи обусловливают сильное свечение, диффузионное пламя факелов, лучин, свечей, керосиновых ламп в старину использовали для освещения.

Несветящееся пламя наблюдается в том случае, когда содержание кислорода О₂ составляет более 50 % (оксид углерода СО, метиловый спирт СН₃ОН).

Присутствие частиц сажи в пламени повышает теплоотдачу, поэтому, чем больше сажи в пламени, тем меньше его температура. Несветящееся пламя, образующееся при горении метанола, имеет среднюю температуру порядка 1200 С, а светящееся пламя керосина и бензола ‑ соответственно 990 С и 920С.