1.2. Диффузионное пламя

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т.д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени.

Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя занимает почти весь объем пламени. Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму.

Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении.

Распределение концентраций газов и паров в ламинарном диффузионном пламени и окружающей его среде отражает процессы диффузии, происходящие в пламени. Образующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в воздух, так и в горючие пары и газы. В пламени малого размера продукты сгорания находятся во всем объеме зоны паров и газов, а в пламени большого размера только в слое, прилегающем к зоне горения. Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие этого кислород в зону паров диффундировать не может, и горение в ней отсутствует.

Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200—1300 °С.

3. Расход воздуха на горение

Минимальное количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается V^о_в.

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение.

Для таких горючих веществ независимо от их агрегатного состояния теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции горения. На m кмоль горючего вещества приходится п кмоль кислорода и азота из уравнения реакции горения. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, численно равную молекулярной массе его, через М, составляют пропорцию

тМ кг— п 22,4 м³

1 кг — V^о_в м³,

где 22,4 — объем 1 кмоль газов (при О °С и 101325 Па).

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кг вещества равен (из пропорции)

V^о_в = (1),

Если объем воздуха, полученный по формуле (1), необходимо привести к иным условиям, то пользуются формулой

V_в = (2)

где Т — заданная температура газов, К;

р — заданное давление, Па.

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 м³ горючих газов определяется по формуле

V^о_в= (3)

Горючее вещество — сложная смесь химических соединений.

Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь и др. Для определения теоретически необходимого объема воздуха нужно знать элементный состав горючего вещества, выраженный в массовых процентах, т. е. содержание С, Н, О, S, N, золы (А), влаги (W). Элементный состав вещества определяют в аналитической лаборатории. Чтобы рассчитать V^о_в, запишем уравнение реакции горения углерода, водорода и серы и массовое соотношение реагирующих веществ

С + О₂ = СО₂ 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О S + О₂ = SО₂

12 + 32 = 44 4 + 32 = 36 32 + 32 = 64

Если для сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, то для 0,01 кг углерода, т. е. 1% (масс.) его потребуется кислорода 0,01·32/12 = 0,01 · 8/3 кг, для водорода соответственно потребуется 0,01·32/4 = 0,01· 8 кг и для серы 0,01· 32/32 = 0,01 · 1 кг кислорода.

Для полного сгорания 1 кг горючего вещества потребуется кислорода (в кг)

[С] + 8· 0,01 [Н] + 0,01 [S] — 0,01 [О]

где [С], [Н], [S], [О] — содержание углерода, водорода, серы в кислорода в горючем веществе, % (масс.).

На вычисленное количество кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет массу воздуха L^o_в (в кг), необходимую для горения 1 кг вещества

L^o_в =

После преобразования получим

L^o_в = 0,3478 (4)

Чтобы выразить количество воздуха в объемных единицах, нужно правую часть выражения (4) разделить на массу 1 м³ воздуха при нормальных условиях, т. е. на 1,293 кг/м³. В результате получим

V^о_в = 0,269 (5)

Горючее вещество — смесь газов.

К этой группе веществ относятся горючие газы, например природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином количестве содержат СО, СН₄, Н₂, Н₂S, С₂Н₄ и др. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах. Для вывода формулы расчета V^о_в напишем уравнение реакции горения наиболее распространенных газов:

СН₄ + 2О₂ = С0₂ + 2Н₂О Н₂S + 1,5О₂ = Н₂О + S0₂

2СО + 0₂ = 2СО₂ 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Если для сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, как это видно из уравнения, то для сгорания 0,01 м³ метана, т. е. 1% (об.) потребуется 0,01·2 м³ кислорода. Для сгорания 1 м³ оксида углерода потребуется 0,01/2 м³ кислорода, такое же количество кислорода потребуется для сгорания 1 м³ водорода, а для сгорания сероводорода необходимо 0,01·1,5 м³ кислорода.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребуется кислорода (в м³)

0,01·2[СН₄] +

где [СН₄], [Н₂], [СО], [Н₂S] и [0₂] — содержание метана, водорода, оксида углерода, сероводорода и кислорода, % (об.).

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа

V^о_в =

После преобразования получим

V^о_в = (6)

Как видно из уравнения (6), числа в его числителе есть коэффициенты при кислороде в уравнениях реакций горения. Поэтому если в составе газа будут другие горючие компоненты, они могут быть поставлены в уравнение (6) с коэффициентами, взятыми из их уравнений горения.

Практически при горении во время пожара расходуется воздуха значительно больше теоретически необходимого. Разность между количеством воздуха, практически расходуемым на горение, и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Отношение же количества воздуха, практически расходуемого на горение (V_в.пр), к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается

(7)

Учитывая, что концентрация кислорода в воздухе составляет 21 % (об.), а процентное содержание свободного кислорода в продуктах сгорания определится из анализа, можно легко найти коэффициент избытка воздуха

(8)