ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Твердые вещества и материалы широко распространены. Среди них значительную часть занимают материалы синтетического происхождения. Твердые материалы находят широкое применение в различных областях промышленности, строительстве, сельскохозяйственном производстве и т.д. И хотя интенсивно ведутся работы по огнезащите синтетических и искусственных твердых материалов, основная их масса относится к горючим. И это является одной из причин увеличения количества пожаров и увеличения размеров ущерба от них. Большой проблемой для органов и подразделений по чрезвычайным ситуациям являются лесные и торфяные пожары.

Поэтому знание механизмов возникновения и горения твердых веществ и материалов является необходимым условием подготовки специалистов в области пожаротушения.

Отличительные особенности горения веществ в различных агрегатных состояниях

Большинство твердых материалов также горят в диффузионном гомогенном режиме. Превращение горючего вещества в продукты горения в этом случае, как и для жидких и газообразных веществ, происходит вследствие химической реакции в газовой зоне: при этом скорость превращения лимитируется физическим процессом смешения газообразных продуктов термического разложения твердой фазы с воздухом.

Зажигание образца ТГМ происходит при образовании над его поверхностью газовоздушной смеси с концентрацией выше нижнего концентрационного предела воспламенения. Распространение пламени и выгорание, как и в случае горения жидкостей, протекает за счет воздействия потока тепла от высокотемпературной зоны пламени.

Особенности, характерные для горения только твердых горючих материалов:

1 - жидкости горят, как и газы, по гомогенному режиму. ТГМ могут гореть по гомогенному, гомогенно-гетерогенному или только гетерогенному режиму;

2 - при нагревании жидкости испаряются, образуя с воздухом горючие смеси. В случае ТГМ происходят более сложные процессы:

а) переход из твердой фазы в газообразную через жидкую (плавление):

- без разложения (парафин, стеарин и др.);

- с разложением (каучуки натуральные, искусственные).

Схема процесса:Т® Ж ®Г.

б) переход из твердой фазы в газообразную, минуя жидкое состояние:

- без разложения (возгонка: нафталин, уротропин и т. д.);

- с разложением и образованием твердого остатка (древесина, торф, сланцы и т.д.).

Схема процесса:Т®Г.

При горении жидкостей тепловой поток, поступающий к поверхности от зоны пламени, расходуется на нагрев и испарение, для твердых веществ, кроме того, часть тепла тратится на плавление и разложение.

Переход Ж ® Г эндотермический. Для большинства ТГМ так оно и есть. Но встречаются случаи, когда разложение сопровождается выделением тепла (например, возгорание опилок при длительном хранении при t=100 ^o С).

Кроме того, следует отметить, что процессы горения ТГМ более сложные.

8.1. Термическое разложение, пиролиз твердых веществ

При повышении температуры ТГМ происходит разрыв химических связей с образованием более простых компонентов (твердых, жидких и газообразных). Термическое разложение (или пиролиз) представляет собой особый класс химических реакций, кинетика которых описывается уравнением Аррениуса, согласно которому скорость реакции возрастает экспоненциально с увеличением температуры. Закономерности разложения зависят не только от вида горючего, но и от температуры пиролиза, скорости ее изменения, размеров образца, его формы, степени распада и т. д.

Процесс разложения рассмотрим на примере наиболее распространенного ТГМ - древесины.

Древесина представляет собой смесь большого количества веществ различного строения и свойств. Основными ее компонентами являются:

- гемицеллюлоза - 25%, целлюлоза - 50%, лигнин - 25%.

Гемицеллюлоза состоит из смеси пентозанов (С₅Н₈О₄), гексозанов (С₆Н₁₀О₅), полиуронидов.

Лигнин имеет ароматическую природу и содержит связанные с ароматическими кольцами углеводы.

В среднем древесина содержит около 50% С, 6% Н, 44% О. Это пористый материал, объем пор в котором достигает 50-75%.

Наименее термостойким компонентом древесины является гемицеллюлоза (220-250⁰С), наиболее - лигнин (интенсивное его разложение наблюдается при температуре 350-450⁰С).

Рассмотрим процесс разложения древесины, несколько его упростив:

Аналогично древесине протекает пиролиз каменного угля, торфа. Однако максимальный выход летучих у них паблюдается при других температурах.

8.2. Распространение пламени по поверхности твердых веществ

После воспламенения ТГМ в месте воздействия высокотемпературного ИЗ происходит перемещение фронта пламени по поверхности, которое характеризуется линейной скоростью.

Процесс распространения пламени по поверхности ТГМ происходит за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала путем лучеиспускания, конвекции и теплопроводностью. Прогрев участков поверхности тепловым потоком от пламени приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов пиролиза, которые, смешиваясь с воздухом, образуют гомогенную систему. При превышении концентрации горючего выше НКПВ смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме.

Процесс распространения пламени по ТГМ, как и по жидкостям, характеризуется двумя существенными признаками:

- скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей смеси выше НКПВ над поверхностью материала;

- горение на передней кромке пламени всегда протекает в кинетическом режиме, т.е. горит предварительно перемешанная смесь горючего и окислителя.

Влияние условий горения на скорость распространения пламени

1) Влажность материала.

При содержании влаги в сосне более 14% горение прекращается. С увеличением влажности ТГМ скорость распространения уменьшается, т.к. часть тепла теряется на испарение; образующиеся пары воды оказывают кроме того флегматизирующее действие на горючую смесь.

2) Влияние ориентации образца в пространстве.

При отрицательных углах наклона (направление движение пламени сверху вниз) скорость распространения пламени или не изменяется или же слабо уменьшается. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10-15⁰ скорость распространения пламени резко возрастает.

3) Влияние скорости и направления воздушных потоков.

С увеличением скорости попутного ветра улучшается газообмен, уменьшается угол наклона пламени к образцу. Скорость распространения возрастает.

Поток воздуха, направленный против направления движения пламени, оказывает двоякое влияние на скорость распространения пламени.

В результате аэродинамического торможения и охлаждения прогретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени снижается. С другой стороны, поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности, и это ускоряет распространение пламени.

4) Влияние геометрических размеров образца.

Различают термически толстые и термически тонкие образцы.

Термическая толщина - это толщина слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности.

5) Влияние материала подложки.

Если горючий материал соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические свойства которого отличаются от воздуха, то это также будет влиять на скорость распространения пламени (наклеенная бумага, изоляция проводов и т.п.). Если l_подл > l_{гор. мат.}, то тепло будет интенсивно отводиться от образца, и скорость распространения будет меньше, чем в случае отсутствия подложки.

6) Влияние содержания кислорода в окружающей среде.

С увеличением содержания кислорода в окружающей среде скорость распространения пламени увеличивается.

7. Влияние начальной температуры образца.

Для древесины увеличение начальной температуры до 230–250^оС (температурная область пиролиза) приводит к резкому увеличению u_л.

8.3. Выгорание твердых материалов

Одновременно с распространением пламени по поверхности материала начинается процесс его выгорания. Закономерности выгорания твердых материалов существенно зависят от характера превращения твердой фазы в газообразные продукты.

Если разложение твердой фазы протекает в узком приповерхностном слое без образования углистого слоя, то в этом случае горение протекает с постоянной скоростью. На поверхности твердой фазы после воспламенения устанавливается постоянная температура, равная температуре кипения или возгонки вещества.

Механизм горения твердых веществ, протекающий с образованием углистого остатка на поверхности горения, более сложен. Так горят практически все вещества растительного происхождения, некоторые пластмассы, содержащие в своем составе негорючие или трудногорючие наполнители (тальк, сажу и т.п.). К наиболее распространенным горючим веществам растительного происхождения такого типа относится древесина. В момент воспламенения за счет теплового потока от зоны пламени температура поверхностного слоя древесины быстро возрастает до 450-500^оС. Происходит интенсивное разложение веществ с образованием летучих продуктов и древесного угля, при этом температура на поверхности повышается до 600^оС.

По глубине горящей древесины имеют место области с различными физическими и физико-химическими характеристиками. Условно их можно разделить на 4 зоны:

I - древесный уголь, состоящий на 99% из углерода;

II - древесина с различной степенью пиролизованности;

III - непиролизованная, сухая древесина;

IV - исходная древесина.

По мере выделения летучих продуктов из твердой фазы при горении древесины протекает переугливание материала на все большую глубину. Рост толщины углистого слоя обусловливает повышение его термического сопротивления и, следовательно, снижает скорость прогрева и пиролиза еще не разложившихся слоев древесины, и скорость пламенного горения постепенно снижается. Пламенное горение древесины прекращается при снижении массовой скорости выделения летучих до 5 г/(м²·с). Толщина слоя угля при этом достигает 15-20 мм.

Прекращение пламенного горения древесины открывает доступ кислорода воздуха к нагретому до температуры 650-700^оС углю. Начинается второй этап горения древесины - гетерогенное окисление углистого слоя в основном по реакции С + О₂ ® СО₂ + 33000 кДж/кг, температура углистого слоя возрастает до 800^оС, и процесс гетерогенного горения угля еще более интенсифицируется.

Реальная картина перехода гомогенного горения в гетерогенное несколько отличается от приведенной.

Основным количественным параметром, характеризующим процесс выгорания твердых материалов, является массовая скорость выгорания, которая представляет собой один из параметров, обусловливающих динамику пожара.

Приведенная массовая скорость выгорания представляет собой количество вещества, выгорающего в единицу времени с единицы площади пожара.

8.4. Горение металлов

По характеру горения металлы делятся на две группы: летучие и нелетучие.

Летучие металлы имеют Т_пл < 1000 К, Т_кип < 1500 К. К ним относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций).

Нелетучие металлы имеют Т_пл >1000 К, Т_кип >2500 К. Механизм горения во многом определяется свойствами оксида металла. Т_пл летучих металлов ниже Т_пл их оксидов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.

При поднесении ИЗ к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла передается металлу и он нагревается до Т_кип. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую оксидную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение оксидной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (оксиды металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки оксида, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная оксидная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной оксидсидной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление, особенно часто наблюдающееся при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под оксидной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.

8.5. Горение пылей

Пыль - это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды (воздух и т.д.) и твердой дисперсной фазы (мука, сахар, древесина, уголь и т.д.).

Факторы, влияющие на скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям:

1) Концентрация пыли.

Как и в случае горения гомогенной газовоздушной смеси, максимальная скорость распространения пламени имеет место для смесей несколько выше стехиометрического состава. Для торфяной пыли это 1,0-1,5 кг/м³.

2) Зольность.

При увеличении зольности уменьшается концентрация горючего компонента и, соответственно, уменьшается скорость распространения пламени.

3) Содержание кислорода в окружающей среде.

С уменьшением содержания кислорода скорость распространения пламени снижается.

Классификация пылей по взрывопожарной опасности.

По взрывопожарной опасности пыли делятся на классы:

I класс - наиболее взрывоопасная - j_н до 15 г/м³;

II класс - взрывоопасная - 15 г/м³< j_н< 65 г/м³;

III класс - наиболее пожароопасная - j_н > 65 г/м³; Т_св до 250^оС;

IV класс - пожароопасная - j_н > 65 г/м³; Т_св > 250^оС.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 2629; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!