Горение твердых веществ

Оглавление
Введение 3
1. Воспламенение твердых веществ и материалов 4
2. Механизм распространения пламени по поверхности твердых веществ и материалов 7
3. Выгорание твёрдых веществ и материалов 8
4. Горение металлов 14
Заключение 17
Список литературы 18

Введение
Твердые вещества и материалы являются наиболее распространенными в производстве и быту. В настоящее время наряду с материалами естественного происхождения весьма широкое применение находят твердые вещества, получаемые синтетически. Мировое производство полимеров удваивается через каждые пять лет. При этом в строительстве используется 20—25% от производимого количества полимерных материалов.
Несмотря на большую работу по огнезащите естественных и особенно искусственных материалов, основная их масса относится к группе горючих. Это обстоятельство является одной из причин, неуклонного увеличения количества пожаров твердых материалов и ущерба от них. Большой проблемой в настоящее время являются и пожары естественных материалов. Так, еще в 50-х годах на всех континентах возникало около 200 тысяч лесных пожаров в год. Поэтому изучение механизмов возникновения и развития горения твердых веществ и материалов является необходимым условием для целенаправленной деятельности органов пожарной охраны по предотвращению и ликвидации пожаров с наименьшим ущербом для народного хозяйства. Большое значение эти знания имеют при решении очень сложной проблемы создания негорючих или трудногорючих полимерных материалов.
Воспламенение твердых веществ и материаловПри контакте твердых горючих веществ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен. В реальных условиях могут иметь место все три вида теплообмена: конвекция, излучение, кондукция. При этом, как правило, один из них является доминирующим. При воспламенении, например, от открытого пламени (горящая спичка, газовая горелка и т. п.) превалирует теплообмен конвекцией, нагретая спираль, не имеющая непосредственного контакта с горючим материалом, воспламеняет последний за счет лучистого тепла. Воспламенение от тлеющих частиц (искр) протекает, главным образом, за счет теплообмена теплопроводностью (кондукция).
Механизм воспламенения твердых материалов во многом сходен с воспламенением жидкости, однако имеет и ряд существенных отличительных особенностей. При воздействии теплового потока от высокотемпературного источника зажигания горючий материал нагревается, затем в некотором интервале температур (для веществ растительного происхождения 50-150°С) из него испаряется влага. После испарения влаги материал вновь нагревается как инертное тело до температуры начала разложения, которая для растительных материалов составляет 2500C. Процесс разложения сопровождается выделением в окружающую атмосферу летучих продуктов. Параллельно с этим протекает смешению летучих с окислителем и образование парогазовоздушной смеси. Если мощность источника зажигания достаточна, то при достижении горючими продуктами разложения концентрации, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, произойдет зажигание парогазовой смеси с появлением пламенного горения.
Если же по каким-либо причинам парогазовая смесь не воспламеняется, твердое тело будет нагреваться с выделением продуктов пиролиза. Если горючее вещество в процессе пиролиза образует углистый остаток (вещества растительного происхождения), то скорость термического распада по мере выхода летучих продуктов будет снижаться. При определенных условиях может возникнуть гетерогенное горение (тление) углистого слоя вследствие его взаимодействия с кислородом окружающей среды и с продуктами разложения твердой фазы. В свою очередь, при благоприятных условиях, а именно: если концентрация парогазовой смеси будет находиться в области воспламенения, может произойти ее зажигание от раскаленного углистого слоя.
Таблица 1
-38106604000
Таким образом, общая продолжительность процесса воспламенения складывается из стадий нагрева влажного материала, сушки, нагрева сухого материала, газификации и стадии нагрева углеродистого остатка в случае появления гетерогенного воспламенения. Ориентировочные оценки показывают, что для материалов растительного происхождения наиболее продолжительными являются стадии сушки влажного и нагрева сухого материала, которые составляют соответственно 55% и 25% от общей продолжи­тельности процесса воспламенения.
Одним из источников воспламенения, приводящим к возникновению пожара, является лучистый тепловой поток от тех или других высокотемпературных тел. С увеличением интенсивности излучения время воспламенения снижается. В качестве источника зажигания выделяющихся продуктов пиролиза применялось диффузионное пламя бытового газа, находящееся на расстоянии 10-12мм от поверхности образца.
Зависимость времени появления пламенного горения от интенсивности излучения для различных пород древесины:
5200652730500
τв – время воспламенения, с;
q - интенсивность теплового потока, кВт·м-2;
А, n - эмпирические контакты.
Значения параметров А, n показаны в таблице 2.
Таблица 2
0170180
Из табл. 2 следует, что температура на поверхности древесины в момент воспламенения почти не зависит от породы древесины и несколько снижается с увеличением интенсивности излучения. В отсутствие зажигающего пламени наступает гетерогенное воспламенение (тление) образующегося при пиролизе углистого слоя.
τг.в - время гетерогенного воспламенения древесины, с;
q - интенсивность теплового потока, под воздействие» которого происходит нагрев поверхности, кВт·м-2.
Температура гетерогенного воспламенения древесины непостоянна и зависит от интенсивности теплового потока. При воздействии потока интенсивностью 13 кВт·м-2 появление гетерогенного горения на поверхности древесины сосны наступает при 3800С при увеличении его значения до 20 кВт·м-2 при 430°С.
Появление гетерогенного горения вновь интенсифицирует процесс разложения материала, поскольку часть тепла, выделяющегося при гетерогенном горении угля, затрачивается на нагрев конденсированной фазы. Определено, что дополнительный тепловой поток от гетерогенного горения углистого слоя в среднем составляет 13 кВт·м-2. При дальнейшем разложении скорость выделения летучих начинает снижаться, так как возрастает толщина углистого слоя и, следовательно, увеличивается его термическое сопротивление. Это приводит к снижению скорости прогрева более глубоких слоев твердой фазы, что и вызывает замедление скорости пиролиза.
Механизм распространения пламени по поверхности твердых веществ и материалов.После воспламенения твердого материала в месте воздействия высокотемпературного источника происходит перемещение фронта пламени по его поверхности. Количественной характеристикой процесса распространения пламени по поверхности твердых веществ, как и в случае горения жидкостей, является линейная скорость распространения пламени, представляющая собой путь, пройденный фронтом пламени в единицу времени. Процесс распространения пламени по поверхности твердых веществ протекает за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала. Передача тепла от факела пламени осуществляется за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Это обстоятельство и является одной из главных причин зависимости скорости распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов от условий горения.
Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом пламени, за счет теплопровода излучением, конвекцией и кондицией приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов (рис.1). Выделяющиеся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему. При превышении концентрации горючих компонентов нижнего предела их воспламенения смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме. Таким образом, процесс распространения пламени по твердым материалам (как и по жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками:
2533656096000
Рис.1. Схема распространения пламени по поверхности твердого материала: 1 – исходный образец; 2- зона диффузионного горения; 3 – зона кинетического пламени; 4 – зона газификации твердого материала; 5 – зона газообразных продуктов разложения; 6 – зона разложения твердого материала перед фронтом пламени; 7 – продукты горения.
Скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей (выше нижнего концентрационного предела выше нижнего концентрационного предела воспламенения) смеси над поверхностью материала. Горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, т. е. горит предварительно перемешанная смесь горючего и окислителя. По мнению большинства исследователей, условия теплообмена между носиком пламени и поверхностью твердого материала в основном и определяет скорость распространения пламени по горизонтальным и вертикальным (сверху вниз) образцам.
Следует отметать, что до настоящего времени нет четких и однозначных представлений об относительном влиянии излучения, конвекции и кондукции на величину скорости распространения пламени по твердым материалам. Приводятся данные, согласно которым при горении горизонтального слоя сосновой хвои доля излучения составляет около 24% от общего потока тепла, поступающего на поверхность материала.
Выгорание твёрдых веществ и материалов76200171259500Закономерности 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. Прогрев твердой фазы по глубине описывается уравнением Михельсона:
Тх - температура на глубине х от поверхности горения. К;
Тп, То - соответственно температура поверхности и начальная температура образца, К;
uл - линейная скорость выгорания, м·с-1;
а - коэффициент температуропроводности твердой фазы, м2·с-1.
Из формулы следует, что чем меньше скорость выгорания одного и того же материала, тем больше толщина прогретого слоя.
В зависимости от внешних факторов в твердой фазе устанавливается определенное поле температур, которое в процессе выгорания не изменяется. Скорость выгорания также остается постоянной. Изменение внешних условий, приводящее к изменению скорости выгорания, неизбежно отражается на характере распределения температуры в твердой фазе и, следовательно, на величине приведенного теплосодержания.
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 него горючие 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°С. Происходит интенсивное разложение веществ с образованием летучих продуктов и древесного угля, при этом температура на поверхности повышается до 600°С.
Таким образом, температура в твердой фазе древесины при ее горении изменяется от 600 до 20°С. Поскольку древесина является сложным веществом с различной термической устойчивостью составляющих ее компонентов, то ее разложение протекает не только с поверхности, но и по глубине прогретых слоев твердой фазы.
В условиях горения температура начала разложения древесины в среднем составляет 220°С. При температуре 330°С устанавливается максимальная скорость выхода летучих продуктов пиролиза, а при достижении температуры 380°С происходит амортизация древесины, т. е. потеря материалом волокнистой структуры.
В табл. 5 приведены приближенные значения некоторых характерных для горения древесины температур.
Таким образом, по глубине горящей древесины имеют место области с различными физическими и физико-химическими характеристиками. Условно их можно разделить на четыре зоны.
I - древесный уголь, состоящий на 99% из углерода;
II - древесина с различной степенью пиролизованности;
III - непиролизованная, сухая древесина;
IV - исходная древесина.
Таблица 5.
0167640
По мере выделения летучих продуктов из твердой фазы при горении древесины протекает переучивание материала на все большую глубину. Рост толщины углистого слоя обусловливает повышение его термического сопротивления и, следовательно, снижается скорость прогрева и пиролиза еще не разложившихся слоев древесины и скорость пламенного горения постепенно снижается. Сказанное вытекает также и из соотношения (6). Для большей наглядности представим его в виде:
03683000
В процессе выгорания древесины возрастает теплосодержание прогретого слоя за счет нагрева углистого остатка и снижается (коэффициент теплопроводности древесного угля составляет 25% от теплопроводности древесины) и, следовательно, уменьшается скорость выгорания. Это подтверждается и экспериментальными данными.
При диффузионном горении твердых материалов, жидкостей и газов размер и форма пламени определяются соотношением между скоростью поступления в зону пламени горючих газообразных компонентов термического разложения твердой фазы и скоростью их превращения в конечные продукты. При этом, если скорость доставки летучих продуктов по каким-либо причинам станет ниже скорости их диффузионного горения, пламенное горение прекращается. Согласно экспериментальным данным, пламенное горение древесины прекращается при снижении массовой скорости выделения летучих до 0,005 кг·м-2·с-1. Толщина слоя угля при этом достигает 15-20 мм. Прекращение пламенного горения древесины открывает доступ кислорода воздуха к нагретому до температуры 650—700°С углю. Начинается второй этап горения древесины - гетерогенное окисление углистого слоя в основном по реакции С + О2 = СО2. В результате протекания этой реакции выделяется тепло в количестве 33·103 кДж на 1кг углерода, температура углистого слоя возрастает до 800°С и процесс гетерогенного горения угля еще более интенсифицируется.
Реальная картина перехода гомогенного горения в гетерогенное несколько отличается от вышеприведенной. При горении древесины углистый слой растрескивается и выход летучих продуктов разложения твердой фазы происходит преимущественно через образовавшиеся трещины: наступает так называемый смешанный или гомогенно-гетерогенный режим, когда пламя теряет сплошность, разбиваясь на отдельные очаги. Над поверхностью трещин протекает гомогенное горение, остальная часть поверхности окисляется по гетерогенному механизму. Этот режим является переходным от гомогенного к гетерогенному. В результате реакции гетерогенного окисления углерода уменьшается толщина углистого слоя и возрастает доля тепла от поверхности окисления, поступающая теплопроводностью вглубь твердой фазы. При определенных условиях это может интенсифицировать дальнейшее разложение твердой фазы, т.е. скорость выделения летучих продуктов разложения, которые при смешении с воздухом над поверхностью образуют горючую смесь, способную вновь воспламениться. При этом источником зажигания может явиться раскаленный углистый слой. Так может вновь возникнуть гомогенное повторное горение древесины.
Основным количественным параметром, характеризующим процесс выгорания твердых материалов, является массовая скорость выгорания. Важность этого параметра заключается, прежде всего, в том, что он является одним из параметров, обусловливающих динамику пожара. Скорость выгорания определяет тепловой режим пожара, т. е. величину и скорость изменения температуры пожара. В свою очередь, это определяет допустимое время эвакуации, фактическую огнестойкость конструкций и, кроме того, влияет на скорость распространения пламени, а следовательно, на изменение площади пожара. Как и в случае горения жидкостей, различают массовую и линейную скорости выгорания ТГМ. Однако для твердых материалов в практике пожрано-технических расчетов (расчет сил и средств, необходимых для тушения, расчет продолжительности пожара и т. п.) чаще используют приведенную массовую скорость выгорания. Приведенная массовая скорость выгорания представляет собой количество вещества, выгорающего в единицу времени с единицы площади пожара.
Связь между приведенной и действительной скоростями выгорания выражается следующим соотношением:
mпр=m·Kп
где mпр - приведенная массовая скорость, выгорания, кг·м-2·с-1;
m - удельная массовая скорость выгорания (с единицы поверхности горения), кг·м-2·с-1;
Кп - коэффициент поверхности горения;
533407810500
где Fп.г. – поверхность горения, м2;
Fп - площадь пожара, м2
Например, при горении образца твердого материала в виде куба, лежащего на одной из граней, Кп =5.
Как и линейная скорость распространения пламени по поверхности материала, массовая скорость выгорания не является константой горючего и даже не остается постоянной в процессе пожара, а существенно зависит от условий, в которых протекает горение. По физической сущности скорость выгорания эквивалентна скорости пиролиза материала, приведенной к единице поверхности, под влиянием теплового потока той или иной интенсивности. Этот тепловой поток формируется от собственного пламени горящего образца и от внешних источников. В принципе, скорость пиролиза определяется тепловым состоянием твердой фазы, т. е. эпюрой температур. Это обстоятельство приводит к тому, что, несмотря на различный физический смысл скорости распространения пламени и скорости выгорания, качественно они одинаково зависят от тех или иных условий горения (влажности и толщины образцов, пространственной ориентации и др.), которые доста­точно подробно были рассмотрены выше.
36766536576000Таблица 6
346075339661500
На практике наиболее распространенным в настоящее время лабораторным методом определения скорости выгорания твердых материалов является установка «камера-весы». Она представляет собой модель помещения, пол которого соединен с платформой весов. Испытуемый материал загружают на пол камеры, перед зажиганием равномерно смачивают керосином и в процессе горения фиксируют, потери массы во времени. Производная кривой потери массы горючего, отнесенная к площади пола камеры, во времени представляет собой приведенную массовую скорость выгорания.
В табл.6 приведены массовые скорости выгорания некоторых веществ и материалов, полученные по данному методу.
Массовая скорость выгорания на внутренних пожарах существенно зависит от условий газообмена, который определяется главным образом относительной площадью проема (отношение площади проема, через который осуществляется газообмен, к площади пожара). В таблице 6 приведены результаты для относительной площади проема, равной 0,16. При ее изменении от 0,085 до 0,25 массовая скорость выгорания может быть определена по эмпирической формуле
mf = 6,25fрп m
где fрп - относительная площадь проема;
mf - скорость выгорания при fi относительной площади проема, кг·м-2·с-1;
m - скорость выгорания при f = 0,16, кг·м-2·с-1 (табл. 6).
Горение металловПо характеру горения металлов их делят на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода — температура плавления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода невезучих металлов значительно выше. Температура плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения — больше 2500 К (табл. 1).
Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов значительно ниже температуры плавления их окислов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.
При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.
Таблица 1
0158750
У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с по­ерхностью 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 окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения. Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла tг пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия tг ~do1,5÷1,8, магния tг ~do2,6, а для титана ­ tг ~do1,59.
Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ÷ 66) 10-3мм в атмосфере, содержащей 23% кислорода, сгорают за 12,7·10-3с, а при повышении концентрации окислителя до 60% — за 4,5·10-3с. Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость распространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окислителе.
В табл.2 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгорания взвеси частиц диаметрами менее 10-2мм и 3·10-2мм алюминия в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.
Таблица 2
0158750
Анализ данных табл.2 позволяет сделать следующие выводы.
1. С увеличением размера частиц горючего в воздухе скорость распространения пламени уменьшается.
2. При приближении состава горючей смеси (металл—воздух) к стехиометрической (α=1) скорость распространения пламени возрастает.
3. Скорость горения взвеси частиц металла в воздухе одного порядка с нормальной скоростью распространения пламени по стехиометрическим смесям предельных углеводородов в воздухе — 0,4 м/с (табл. 2).
Горение металлов возможно не только в окислительной среде, но и в продуктах горения органических веществ. В этом случае горение протекает за счет экзотермической реакции восстановления воды до водорода, а двуокиси углерода до его окисла по реакции:
2Al +3Н20 = Al2O3+ ЗН2 + 1389,4 кДж/моль;
2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3СО + 1345,3 кДж/моль.
Заключение

Горение представляет собой химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. Оно возможно при сочетании следующих трех условий:
- присутствие горючего материала;
- наличие теплоты, достаточной для воспламенения горючего материала и поддержания процесса горения;
- присутствие кислорода (воздуха) в количествах, необходимых для горения.
С началом процесса горения начинается распространение теплоты, которое может происходить теплопроводностью, излучением и конвекцией.
После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14-15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.
Список литературы
Вильямс Ф.А., Теория горения. - М.: Наука, 2001
Зельдович Я.Б., Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 2000.
Расследование пожаров. Учебник. /Под ред. Г.Н. Кириллова, М.А. Галишева, С.А. Кондратьева. - СПб.: СПБ университет ГПС МЧС России, 2007 – 544с.
Мегорский Б.В. Методика установления причин пожаров, - М.: Стройиздат, 1966.
Федотов А.Ж. и др. Пожарно-техническая экспертиза, - М., 1986.