Диффузионное горение. Диффузионное горение Гомогенное и гетерогенное горение

Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород - основные компоненты газовоздушной смеси, участвующие в реакции го­рения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300°С.

Физико-химические основы горения заключаются в термическом раз­ложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, кото­рые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздейст­вие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

Воспламенение представляет собой процесс распространение пламе­ни по газопаровоздушной смеси. При скорости истечения горючих паров и газов с поверхности вещества равной скорости распространения пламе­ни по ним наблюдается устойчивое пламенное горение. Если же скорость пламени больше скорости истечения паров и газов, то происходит выго­рание газопаровоздушной смеси и самозатухание пламени, т.е. вспышка.

В зависимости от скорости истечения газов и скорости распростра­нения пламени по ним можно наблюдать:

горение на поверхности материала, когда скорость выделения горючей сме­си с поверхности материала равна скорости распространения огня по ней;

горение с отрывом от поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси больше скорости распространения пламени по ней.

Горение газопаровоздушной смеси подразделяется на диффузион­ное или кинетическое.

Кинетическое горение представляет собой горение предварительно перемешанных горючих газов и окислителя (кислорода воздуха). На пожа­рах этот вид горения встречается крайне редко. Однако он часто встреча­ется в технологических процессах: в газовой сварке, резке и т.п.

При диффузионном горении окислитель поступает в зону горения извне. Поступает он, как правило, снизу пламени вследствие разрежения, которое создается у его основания. В верхней части пламени, выделяющее­ся в процессе горения тепло, создает давление. Основная реакция горения (окисления) происходит на границе пламени, поскольку истекающие с поверхности вещества газовые смеси препятствуют проникновению окис­лителя вглубь пламени (вытесняют воздух). Большая часть горючей смеси в центре пламени, не вступившая в реакцию окисления с кислородом, пред­ставляет собой продукты неполного горения (СО, СН4, углерод и пр.).

Диффузионное горение, в свою очередь, бывает ламинарным (спо­койным) и турбулентным (неравномерным во времени и пространстве). Ламинарное горение характерно при равенстве скоростей истечения го­рючей смеси с поверхности материала и скорости распространения пла­мени по ней. Турбулентное горение наступает, когда скорость выхода го-

рючей смеси значительно превышает скорость распространения пламени. В этом случае граница пламени становится неустойчивой вследствие боль­шой диффузии воздуха в зону горения. Неустойчивость вначале возникает у вершины пламени, а затем перемещается к основанию. Такое горение встречается на пожарах при объемном его развитии (см. ниже).

Горение веществ и материалов возможно только при определенном количестве кислорода в воздухе. Содержание кислорода, при котором ис­ключается возможность горения различных веществ и материалов, устанав­ливается опытным путем. Так, для картона и хлопка самозатухание наступает при 14% (об.) кислорода, а полиэфирной ваты - при 16% (об.) .

Исключение окислителя (кислорода воздуха) является одной из мер пожарной профилактики. Поэтому хранение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, карбида кальция, щелочных металлов, фосфора долж­но осуществляться в плотно закрытой таре.

7.3.2. Источники зажигания

Необходимым условием воспламенения горючей смеси являются источники зажигания. Источники зажигания подразделяются на откры­тый огонь, тепло нагревательных элементов и приборов, электрическую энергию, энергию механических искр, разрядов статического электриче­ства и молнии, энергию процессов саморазогревания веществ и материа­лов (самовозгорание) и т.п. Выявлению имеющихся на производстве источников зажигания должно быть уделено особое внимание.

Характерные параметры источников зажигания принимаются по :

Температура канала молнии - 30000°С при сипе тока 200000 А и времени действия около 100 мкс. Энергия искрового разряда вторичного воздействия молнии превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих материалов с мини­мальной энергией зажигания до 0,25 Дж. Энергия искровых разрядов при заносе вы­сокого потенциала в здание по металлическим коммуникациям достигает значений 100 Дж и более, что достаточно для воспламенения всех горючих материалов.

Поливинипхлоридная изоляция электрического кабеля (провода) воспла­меняется при кратности тока короткого замыкания более 2,5.

Температура сварочных частиц и никелевых частиц ламп накаливания достигает 2100°С. Температура капель при резке металла 1500°С. Температура дуги при сварке и резке достигает 4000°С.

Зона разлета частиц при коротком замыкании при высоте расположения провода 10 м колеблется от 5 (вероятность попадания 92%) до 9 (вероятность попадания 6%) м; при расположении провода на высоте 3 м - от 4 (96%) до 8 м (1%); при расположении на высоте 1 м - от 3 (99%) до 6 м (6%).

Максимальная температура, °С, на колбе электрической лампочки нака­ливания зависит от мощности, Вт: 25 Вт - 100°С; 40 Вт - 150°С; 75 Вт - 250°С; 100 Вт - 300°С; 150 Вт - 340°С; 200 Вт - 320°С; 750 Вт - 370°С.

Искры статического электричества, образующегося при работе людей с движущимися диэлектрическими материалами, достигают величин от 2,5 до 7,5 мДж.

Температура пламени (тления) и время горения (тления), °С (мин), неко­торых малокалорийных источников тепла: тлеющая папироса - 320-410 (2-2,5); тлеющая сигарета - 420-460 (26-30); горящая спичка - 620-640 (0,33).

Для искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также

других машин, костров установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм - 800°С, диаметром 5 мм - 600°С.

1.3.3. Самовозгорание

Самовозгорание присуще многим горючим веществам и материалам. Это отличительная особенность данной группы материалов.

Самовозгорание бывает следующих видов: тепловое, химическое, микробиологическое.

Тепловое самовозгорание выражается в аккумуляции материалом тепла, в процессе которого происходит самонагревание материала. Тем­пература самонагревания вещества или материала является показателем его пожароопасности. Для большинства горючих материалов этот показа­тель лежит в пределах от 80 до 150°С : бумага - 100°С; войлок строи­тельный - 80°С; дерматин - 40°С; древесина: сосновая - 80, дубовая - 100, еловая - 120°С; хлопок-сырец - 60°С.

Продолжительное тление до начала пламенного горения является отличительной характеристикой процессов теплового самовозгорания. Дан­ные процессы обнаруживаются по длительному и устойчивому запаху тлею­щего материала.

В случае, когда через горелку подается только газ , горение происходит за счет взаимодействия газа с кислородом из окружающего воздуха. Поскольку горение происходит в процессе взаимной диффузии горючего и окислителя, подобное горение называется диффузионным горение . Скорость горения определяется интенсивностью процесса смешения горючего и окислителя. В зависимости от характера смешения различают ламинарное и турбулентное диффузионное горение.

Ламинарное диффузионное горение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении . Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, так и внутри факела. Структура диффузионного ламинарного факела при сжигании водорода показана на рис. 3.19. Концентрация горючего падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода возрастает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов Н 2 О и температура Т максимальны во фронте пламени.

Рисунок 3.19 - Структура диффузионного ламинарного пламени при сжигании водорода

В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения . Вытекающий из горелки газ нагревается за счет тепла, переносимого теплопроводностью и диффузией до поступления в зону горения.

В случае сжигания углеводородов их нагрев приводит к термическому разложению с образованием сажи и водорода . Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свободного углерода, раскалившись, вызывают свечение пламени . Диффузионное горение частиц сажи протекает сравнительно медленно, в результате чего может возникнуть недожог топлива .

Высота ламинарного диффузионного пламени может быть рассчитана по формуле

где W – скорость истечения газа;

R – радиус соплового отверстия;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности образования смеси.

Для промышленных условий более важным является способ турбулентного диффузионного горения , поскольку массообмен в пламени интенсивнее. С увеличением скорости размеры факела растут, достигая максимума. Одновременно теряется правильность очертаний и стабильность его вершины, начинается турбулизация факела , захватывающая все большую его длину. По мере приближения турбулентного фронта к корню факела высота его несколько снижается , оставаясь дальше постоянной. По достижении критической скорости газовой струи весь факел становится турбулентным, и в дальнейшем при увеличении скорости высота факела не изменяется. Относительная высота турбулентного диффузионного факела рассчитывается по формуле

где h – длина факела;

d – диаметр устья горелки;

Процесс горения зависит от множества условий, главнейшим из которых являются:

· состав горючей смеси;

· давление в зоне горения;

· температура реакции;

· геометрические размеры системы;

· агрегатное состояние горючего и окислителя и др.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают следующие виды горения:

· гомогенное;

· гетерогенное;

· горение ВВ.

Гомогенное горение происходит в газо- или парообразных горючих системах (рис. 1.1) (горючее и окислитель равномерно перемешаны друг с другом).

Так как парциальное давление кислорода в зоне горения (равно) близко к нулю – кислород довольно свободно проникает к зоне горения (практически он находится в ней), поэтому скорость горения определяется главным образом скоростью протекания химической реакции, увеличивающейся с ростом температуры. Такое горение (или горение таких систем) называется кинетическим.

Рис.1.1. Схема процесса горения паров или газов

Полное время сгорания в общем случае определяется по формуле

t р = t Ф + t Х,

где t Ф – время физической стадии процесса (диффузии О 2 к очагу через слой); t Х – время протекания химической стадии (реакции).

При горении однородных систем (смеси паров, газов с воздухом) время физической стадии процесса несоизмеримо меньше скорости протекания химической реакций, поэтому t Р » t Х – скорость определяется кинетикой химической реакции и горение называется кинетическим.

При горении химически неоднородных систем время проникновения О 2 к горючему веществу сквозь продукты сгорания (диффузия) несоизмеримо больше времени протекания химической реакции, таким образом определяет общую скорость процесса, т.е. t Р » t Ф. Такое горение называется диффузионным.

Примерами диффузионного горения (рис. 1.2) является горение каменного угля, кокса (продукты горения препятствуют диффузии кислорода в зону горения)

Рис.1.2. Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества

(гетерогенное горение)

Концентрация кислорода в объеме воздуха С 1 значительно больше его концентрации вблизи зоны горения С 0 . При отсутствии достаточного количество О 2 в зоне горения химическая реакция тормозится (и определяется скоростью диффузии).

Если продолжительность химической реакции и физической стадии процесса соизмеримы, то горение протекает в промежуточной области (на скорость горения влияют как физические, так и химические факторы).

При низких температурах скорость реакции слабо зависит от температуры (кривая медленно поднимается вверх). При высоких температурах скорость реакции сильно увеличивается (т.е. скорость реакции в кинетической области зависит главным образом от температуры реагирующих веществ).

Скорость реакции окисления (горения) в диффузионной области определяется скоростью диффузии и очень мало зависит от температуры. Точка А – переход из кинетической в диффузионную область (рис.1.3).

Процесс горения всех веществ и материалов независимо от их агрегатного состояния происходит, как правило, в газовой фазе (жидкость – испаряется, твердые горючие вещества выделяют летучие продукты). Но горение твердых веществ имеет многостадийный характер. Под воздействием тепла – нагрев твердой фазы – разложение и выделение газообразных продуктов (деструкция, летучие вещества) – сгорание – тепло нагревает поверхность твердого вещества – поступление новой порции горючих газов (продуктов деструкции) – горение.

Рис. 1.3. Зависимость скорости V кинетического (1)

и диффузионного (2) от температуры. Точка А – переход

из кинетической области в диффузионную

Многие твердые горючие вещества (древесина, хлопок, солома, полимеры) в своем составе имеют кислород. Поэтому для их сгорания требуется меньший объем кислорода воздуха. А горение взрывчатого вещества (ВВ) практически вообще не нуждается во внешнем окислителе.

Таким образом, горение ВВ – это самораспространение зоны экзотермической реакции его разложения или взаимодействие его компонентов путем передачи тепла от слоя к слою.

В процессе горения наблюдаются две стадии: создание молекулярного контакта между горючим и окислителем (физическая) и взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химическая). Вторая стадия наступает только при условии достижения молекулами энергетически или химически возбужденного (активного) состояния. Возбуждение, или активизация молекул при горении происходит за счет их нагревания.

Время полного сгорания единицы массы любого вещества t г складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха t ф (в случае гомогенного горения величина t ф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного – временем диффузии кислорода из воздуха к твердой поверхности горения) и времени протекания самой химической реакции горения t х , то есть t г =t ф +t х . В зависимости от соотношения t ф и t х различают диффузионное и кинетическое горение.

При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу и затем вступает с ним в химическую реакцию. Время t ф значительно больше t х и практически t г @ t ф. Такое горение называется диффузионным.

Если время t ф <, то можно принять t г @ t х . Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода равномерно перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование.