9.3. Распространение горения в пылевых смесях

При воспламенении в одной точке пламя с определенной скоростью будет распространяться по всему объему, занятому пылевоздушной смесью. Процесс горения происходит в тонком слое, который называется фронтом пламени (рис. 9.1). Пылевоздушная смесь перед фронтом пламени нагревается из зоны горения с температурой Т_г за счет передачи тепла из нее путем теплопроводности и излучения. В зоне прогрева происходит нагревание пыли, ее разложение или испарение и медленное окисление. Скорость распространения фронта пламени в пылевоздушной смеси зависит от дисперсности частиц. Чем крупнее частицы пыли, тем меньше скорость нагрева смеси, так как удельная поверхность аэрозольной системы при этом невелика. Это ведет к уменьшению выделения газообразных (летучих) веществ и, соответственно, скорости горения.

Принято считать, что скорость горения пыли обратно пропорциональна квадрату размера частицы (u D^–2). Например, для угольной пыли с диаметром частиц более (100175) мкм, пламя по смеси не распространяется. Таким образом, добавление крупных частиц в пыль может повысить ее взрывобезопасность.

Рис. 9.1. Схема фронта пламени пылевоздушной смеси

Скорость распространения пламени зависит от концентрации пыли. Наибольшая скорость наблюдается, если состав пылевоздушной смеси превышает стехиометрический. На рис. 9.2 приведена зависимость скорости распространения пламени от концентрации торфяной пыли.

Рис. 9.2. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации торфяной пыли

Как видно из приведенного графика, скорость распространения пламени достигает значений u = (1626) м/с при значениях массовой концентрации пыли С_m = (1.2÷2.8) кг/м³ (стехиометрическая концентрация С_m=0.2 кг/м³). Для каменноугольной пыли максимальная скорость распространения пламени u = (1015) м/с достигается при С_m = (0.5÷0.6) кг/м³ (стехиометрическая концентрация С_m = 0.125 кг/м³).

В большинстве случаев не происходит полного сгорания пыли; в процессе горения принимает участие только (20÷40)% вещества пыли. При взрыве пыли сгорают в основном газообразные продукты, выделившиеся при разложении горючего вещества, а твердый остаток (каркас) сгорать не успевает.

Скорость распространения пламени в пылевоздушном облаке зависит также от концентрации кислорода в воздухе (рис. 9.3). При нормальных условиях в воздухе содержится 21% кислорода. Скорость пламени резко снижается при уменьшении содержания кислорода, и при его содержании менее 16% пламя не распространяется и взрыва не происходит.

Рис. 9.3. Зависимость скорости распространения пламени от содержания окислителя (кислорода)

9.4. Пределы взрыва

Воспламенение и распространение горения возможно только при определенной концентрации пыли в воздухе, которая характеризуется нижним пределом взрыва. Нижний предел взрыва – это минимальная концентрация пыли, при которой она может воспламеняться и гореть. Эта величина характеризует степень опасности пыли в отношении взрыва. В табл. 9.2 приведены значения нижнего предела взрыва (г/м³) для некоторых пылей.

Таблица 9.2

Нижний предел взрыва для некоторых пылей

Тип пыли	Алюминий	Пыль пшеничного элеватора	Мука	Сахар	Каменно- угольная пыль
Нижний предел взрыва, г/м3	7.0	10.3	1840	22.0	120380

Следует отметить, что концентрации пыли, соответствующие нижнему пределу взрыва, являются достаточно большими. При таких концентрациях пыли дальность видения предметов не превышает (3÷4) м. Обычно такие концентрации возможны только в аппаратах, установках или в непосредственной близости от них. В производственных помещениях концентрация пыли обычно значительно меньше нижнего предела взрыва.