6.2. Теория горения аэровзвесей
Аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газовоздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газовоздушные смеси:
- нижним концентрационным пределом воспламенения,
- минимальным взрывоопасным содержанием кислорода,
- минимальной энергией зажигания,
- максимальным давлением взрыва и скоростью нарастания давления.
Процесс воспламенения аэровзвеси протекает в соответствии с тепловой или цепной теорией самовоспламенения. Для большинства органических пылей характерно протекание под воздействием источника зажигания подготовительных процессов, как и для твердых веществ. Затем начинается окисление, достигается температура самонагревания и происходит самовоспламенение.
Образовавшийся фронт пламени распространяется по аэровзвеси с определенной скоростью, которая зависит от ряда факторов
где — коэффициент Стефана — Больцмана, Вт/(мг • К4) ; Тв — эквивалентная температура излучения; С0 — объемная теплоемкость аэрозоля, Дж/(м2 К); Тв — температура воспламенения частиц, К; Т0 — начальная температура аэрозоля, К.
Скорость распространения фронта пламени возрастает с уменьшением объемной теплоемкости аэровзвеси и повышением ее начальной температуры.
Скорость распространения фронта пламени обратно пропорциональна диаметру частиц аэровзвеси.
Давление при взрыве и скорость его нарастания уменьшаются с увеличением размера пылинок. При крупности пылинок 40—50 мкм
нижний концентрационный предел воспламенения и скорость распрост- ранения пламени мало зависят от диаметра, но с увеличением крупности частиц резко возрастает нижний концентрационный предел воспламене- ния и уменьшается скорость распространения пламени.
Скорость распространения фронта пламени зависит от концентрации пыли. Минимальная скорость распространения пламени достигается при концентрации пыли, на много большей стехиометрической. Это свидетельст- вует о том, что процесс горения пыли несовершенен; сгорают наиболее мелкие частицы пыли, крупные — не успевают разложиться и лишь обугливаются с поверхности.
Скорость распространения пламени при горении пыли зависит от концентрации кислорода в воздухе. С увеличением концентрации О2 скорость распространения пламени возрастает. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается в чистом кислороде.
Исследование процесса распространения пламени в аэровзвесях угольной пыли показали, что в трубах или штольнях значительной протяженности возникает ударная волна. Установлено, что при горении каменноугольной пыли скорость распространения ударной волны равна 338 м/с, скорость движения воздуха за ударной волной 30 м/с, скорость пламени 7 м/с, скорость сгоревших газов позади пламени 5 м/с. Этот режим быстрого распространения пламени, до некоторой степени приближающийся к режиму детонации, обусловлен не теплопроводностью или излучением, а сжатием прилегающих к фронту пламени слоев газа и связанным с ним резким повышением температуры. В этом случае процесс распространения взрыва, очевидно, будет определяться свойствами газовой фазы, образовавшейся при сгорании аэровзвесей.
При возникновении даже самой небольшой локальной вспышки аэрогель быстро переходит во взвешенное состояние, что приводит к образованию вторичного, более сильного взрыва пыли. Взрывная ударная волна опережает фронт пламени, переводя во взвешенное состояние по пути своего движения все большие и большие количества пыли, подготавливая среду для распространения пламени и таким образом усиливает взрывной эффект.
При горении аэровзвесей некоторых веществ газообразные продукты не образуются (например, при горении алюминия), и объем газообразных продуктов после взрыва равен объему газообразных веществ до реакции. В этом случае увеличение давления при взрыве объясняется лишь нагреванием.
Давление, возникающее при взрыве аэровзвеси, сопровождается волной сжатия, скорость распространения которой в окружающей среде может изменяться от нескольких сантиметров в секунду до нескольких сотен метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения и повреждения оборудования.
Пыль-аэрогель можно представить как твердое вещество в состоянии тонкого измельчения. При ее нагревании возникает окисление, которое при определенной скорости реакции переходит в самовоспламенение и горе- ние. Температура самовоспламенения пыли-аэрогеля и процесс горения ее практически не отличаются от температуры самовоспламенения и характера горения твердого вещества.