Горение. Общие сведения.. Горение. В iv веке до н э. древнегреческий философ
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
1.5. Основные процессы, происходящие при горении. Виды горения Для возникновения процессов горения необходимо наличие горючего вещества и окислителя. Для инициирования возникновения горения необходимо наличие источника тепловыделения (зажигания). Иногда горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение и самовозгорание). Для возникновения горения должны быть соблюдены следующие условия: непосредственный контакт горючего и окислителя; горючее и окислитель должны находиться в определенных количественных соотношениях; источник зажигания должен обладать достаточной энергией. При температурах, характерных для горячих пламен, а именно они возникают в подавляющем большинстве случаев на реальных пожарах, скорость химической реакции окисления при горении потенциально может быть очень высокой. Это вызвано тем, что как было показано выше согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 100 скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Но скорость процесса горения в целом, зачастую, лимитируется ограниченной скоростью того или иного физического процесса, сопровождающего горение. Основные физические процессы при горении – это тепло- и массообмен с окружающей средой за счет конвекции, диффузии и излучения. При горении органических веществ образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты горения: СО2, Н2О, СО и др. При горении некоторых неорганических веществ, например, некоторых металлов могут образовываться наряду с летучими и нелетучие продукты горения. Плотность летучих продуктов горения в 3-5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов горения, сопровождающийся всасыванием свежего воздуха снизу к очагу горения. Эти процессы обуславливают массообмен (газообмен) и теплообмен очага горения с окружающей средой. Кроме того, теплообмен с окружающей средой осуществляется за счет теплового (невидимого инфракрасного) светового изучения, Лучистый поток распространятся во все стороны от зоны горения, в том числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов, которые, смешиваясь с воздухом, поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени. Пламя - это часть газового пространства, где протекают все физико-химические процессы, связанные с горением. Пламя, как правило, излучает свет, лишь в редких случаях оно невидимо, например, при горении водорода. Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной или фронтом пламени. В газообразных горючих системах все подготовительные и, собственно, процессы горения протекают в пламени. Поэтому для них понятия горение и пламя часто отождествляют и используют как синонимы. При горении конденсированных систем (жидких и твердых) подготовительные процессы (нагревание, плавление, испарение, термическое разложение) протекают вне пламени непосредственно на поверхности горящего вещества. Следует отметить, что горение может происходить и за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего вещества. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение подразделяется на два вида: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное горение - это процесс взаимодействия горючего и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Оно бывает кинетическим и диффузионным в зависимости от однородности горючей смеси. Однородной смесью называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем. Скорость ее горения определяется только кинетикой окислительных реакций. Поэтому процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси называется также кинетическим горением (пламенем). В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) поступает в пламя из окружающей среды преимущественно за счет процессов диффузии. Диффузионное горение (пламя) - это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени. Более подробно виды и режимы горения будут рассмотрены ниже. Наиболее широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе, последние могут быть предварительно перемешаны или же нет. Гомогенное горение характерно для всех газообразных и большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пламени над поверхностью конденсированного горючего вещества. Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих веществ или после ликвидации пожара переходит в гетерогенное горение (догорание) карбонизированных остатков (угля) и в ряде случаев (при определенных условиях) может снова привести к открытому горению, через стадию возникновения повторных очагов горения. Гетерогенное горение - это горение твердых горючих материалов на границе раздела фаз, т.е. горение происходит практически непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью гетерогенного горения является небольшая высота (до 2 мм) пламени или его отсутствие. Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением. Тление - особый вид гетерогенного (беспламенного) горения. Данному виду горения подвержены только пористые вещества и материалы, образующие твердый углистый остаток при нагревании, а также в ряде случаев горючие жидкости, пропитавшие твердые пористые материалы. Примерами его являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов. В связи с тем, что при гетерогенном горении (тлении) образуются высокотоксичные продукты неполного горения, которые к тому же при определенных условиях способны привести к пламенному горению и/или взрыву данный вид горения будет более подробно рассмотрен в главе посвященной горению твердых веществ и материалов. 1.6. Опасные факторы пожара Тяжелые последствия пожаров связаны с действием протекающих на нем явлений. При внимательном анализе алгоритма пожара оказывается, что материальные тела и процессы в очаге пожара теснейшим образом взаимосвязаны и взаимозависимы. Так, например, при достаточной мощности пожара в здании конвективный и лучистый тепловые потоки будут нагревать негорючие ограждающие конструкции вплоть до их обрушения, будут воспламенять удаленные от зоны горения предметы и конструкции из горючих материалов и тем самым способствовать распространению пожара в смежные помещения, выше расположенные этажи и т.д. Если же горит достаточно большая постройка, например, из древесины (деревянный дом 6х6 м), то очень часто возникают мощные конвективные потоки продуктов горения, которые способны разносить далеко по округе искры, угли, горящие куски кровли и даже крупные головни. Падая на удаленные постройки (до 3-х км ), они могут вызывать быстрое распространение пожара, например, на весь квартал города, всю улицу и даже на соседние улицы деревни, села и т.д. Опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности, являются: пламя и искры; повышенная температура окружающей среды (безопасной для человека считается температура не выше 70 °С); токсичные продукты горения и термического разложения (предельные значения концентраций - 0,1% СО; 6,0 % об. С02 и т.д.); дым (происходит резкое снижение видимости); пониженная концентрация кислорода (пороговая - 17 % об.);. К вторичным проявлениям опасных факторов пожара, воздействующим на людей и материальные ценности, относятся: осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций; радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок; электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов; опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара (согласно ГОСТ 12.1.010 - ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение; пламя; обрушивающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания и сооружения и их разлетающиеся части; образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества, содержание которых в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации); огнетушащие вещества. Задания для самоконтроля 1. Дайте определение пожара и назовите необходимые и достаточные условия горения. 2. Приведите примеры простых и сложных веществ: а) горючих и негорючих; б) негорючих, представляющих пожарную опасность; в) представляющих опасность при взаимодействии с водой; г) оксилителей; д) восстановителей; е) огнетушащих веществ. 3. Перечислите первичные и вторичные опасные факторы пожара. 4. Что называется горючей средой. В чем особенность образования горючей среды для жидкостей и твердых горючих материалов? 5. Приведите примеры источников тепловыделения различной природы. 6. Какие факторы влияют на скорость реакции горения? 7. Что является основной причиной увеличения скорости реакции при повышении температуры? 8. Вычислите коэффициент горючести для С6Н5NHNHCSNNC6H5. 2. ПЛАМЯ, ЕГО СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ 2.1 Структура пламени Пламя возникает в результате сложного взаимодействия химических и физических процессов. В литературе нет общепринятого определения пламени. На наш взгляд, с точки зрения специалистов противопожарной службы, наиболее подходят следующие определения пламени. Пламя –определенный объем газового пространства, в котором протекают все физико-химические процессы горения. Как уже отмечалось выше, возникновение пламени характерно для гомогенного горения. Различают два режима гомогенного горения: кинетический и диффузионный. При гомогенном горении горючие газы или пары могут быть предварительно перемешаны с воздухом перед входом в зону горения (как, например, в горелке Бунзена). Предварительно перемешанная смесь называется однородной. Горение однородной смеси протекает во всем объеме пламени, а скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции. Такой режим горения называется кинетическим. При горении однородных смесей при достаточном количестве окислителя происходит, как правило, полное сгорание горючего газа или пара с образованием летучих продуктов горения СО2, Н2О и др. В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) из окружающей среды и горючие газы поступают в зону непосредственного взаимодействия преимущественно за счет процесса диффузии. Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают в тонком поверхностном слое ограничивающем пламя физико-химические окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной или фронтом пламени. Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей милиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель. Диффузионное горение – это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии горючих газов и паров и окислителя во фронт пламени. При диффузионном горении возможно неполное сгорание горючего газа или пара с образованием продуктов горения СО2, Н2О, СО, С и др. По газодинамическим параметрам различают ламинарный и турбулентный режимы горения. Ламинарным (от лат. lamina - слой, пластина) называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы. Турбулентным (от лат. turbulenze - вихрь) называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы. Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):  × (для запоминания: "ведро молока") (2.1)где: v - линейная скорость газового потока, м/с; d - характерный размер потока, м; r - плотность газа, кг/м3; m - динамический коэффициент вязкости, Н×с/м2 Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при 2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 - турбулентный. Во всех случаях толщина d зоны горения (фронта) пламени dлам < dпepex < dтyp. Из-за ограничений, налагаемых скоростью диффузии, горючие газы и пары зачастую не успевают прореагировать с кислородом воздуха полностью и продукты горения помимо летучих газов и паров содержат мелкие раскаленные конденсированные частички несгоревшего углерода органических веществ в виде сажи, которые также излучают свет и тепло Излучение пламени определяется излучением продуктов горения в различном агрегатном состоянии. По этому признаку все пламена можно разделить на две группы: серое пламя, в котором основными излучателями являются конденсированные продукты горения; спектральное пламя, в котором основными излучателями являются газообразные продукты горения. Иногда при рассмотрении источников излучения выделяют пламенна по наибольшему излучению в данной области спектра: пламя ИК-излучения, пламя УФ-излучения, осветительное пламя, цветные пламена. Рассмотрим диффузионное пламя газовой горелки, например, пропана с воздухом. Экспериментами доказано, что в пределах слабо светящегося факела имеется ярко очерченный конус. Видимая толщина стенки конуса – фронта пламени,- составляет 0,4 мм. В пределах этого расстояния горючая смесь успевает нагреться и прореагировать с выделением тепла и излучения. Нормальная скорость распространения фронта пламени пропана составляет 40 см/с. Следовательно в течение времени реакции 10 -3 с топливо сгорает до конечных продуктов СО2 и Н2О. На участке фронта пламени пропан-воздушной смеси площадью 1 см2 сгорает ежесекундно 40 см3 горючей смеси, т.е. в объеме 0,4 см3 за это время выделяется 210 Дж тепла. В расчете на 1 м3 тепловыделение составит 1,9 1010 кДж. Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10-3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10-3 –10-6 с. Структура ламинарного пламени в газовой горелке показана на рис. 2.1.  Рис. 2.1. Ламинарное пламя в горелке Бунзена стехиометрической смеси пропана с воздухом Область пламени, следующая за фронтом пламени, называется внешним конусом. Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К. Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 2.2. Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно. Главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.  Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами. Собственно окислительные процессы протекают только во фронте пламени. Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (СО = 0) и в окружающем воздухе (начальная СО = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при процессах горения в замкнутых объемах. Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения. Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении процессов горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.  В горелке Бунзена, где истечение газа происходит снизу поверхность пламени (фронта пламени) имеет коническую форму. Высота пламени может быть рассчитана по формуле:  (2.2)где:  - осевая (максимальная) скорость течения газа;R – радиус трубки;  - краевая скорость движения газа;u - нормальная скорость распространения фронта пламени. Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени. Скорость потока оказывает влияние и на угол образующегося конуса пламени. При изменении скорости потока угол конуса меняется в соответствии с расходом (рис.2.3).  При некоторой критической низкой скорости течения пламя неожиданно приобретает «пуговичную» форму. Если в пламя для подавления конической формы поместить плоское препятствие со стороны горючих газов, то можно получить увеличенное плоское пламя. Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:  (2.3)где:  - скорость потока; - диаметр струи; -коэффициент диффузии.Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени. Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса. Для пламен, когда происходит выделение значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени. Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение. |