2.1.1.4. Горение твердых веществ

Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации. Горение в среде газообразного окислителя чаще всего происходит в результате воспламенения летучих продуктов пиролиза. Превращение твердого горючего вещества в продукты горения не сосредоточено только в зоне пламени.

Горение твердых веществ имеет многостадийный характер. Под воздействием внешнего тепла происходит нагрев твердой фазы, сопровождающийся разложением и выделением газообразных продуктов. Затем эти продукты воспламеняются и сгорают. Тепло от образовавшегося факела воздействует на поверхность твердого вещества, вызывая поступление в зону горения новых порций горючих газов.

Модель горения твердого вещества, изображенная на рис.1.7, предполагает наличие следующих зон:

• зоны прогрева конденсированной фазы. У термопластичных веществ в этой зоне происходит плавление. Толщина зоны прогрева определяется соотношением коэффициентов температуропроводности и скорости горения и составляет около 3 мм;

• зоны пиролиза, или реакционной зоны в конденсированной фазе, в которой образуются газообразные горючие вещества;

• зоны предпламенной в газовой фазе, в которой происходит образование горючей смеси;

• зоны пламени, или реакционной зоны, в газовой фазе, в которой происходит превращение продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

• зоны продуктов горения.

Интенсивность реакций, протекающих в поверхностном слое твердого вещества, и условия теплообмена газообразных продуктов разложения с окружающей средой определяют режимы про­текания процессов горения самовоспламенение или зажигание.

В режиме самовоспламенения тепло, поступающее к поверхности твердого вещества от источника нагрева, равномерно распределяется по всей толщине приповерхностного слоя, соответствующей характерному размеру материала. В режиме вынужденного зажигания внешним источником является толщина прогретого слоя, в котором протекает гетерогенная реакция, существенно меньше характерного размера материала.

Рис.1.7.Модель горения твердого вещества

2.1.1.5. Горение пылей

Процесс горения газовзвесей в существенной степени определяется механизмом теплопередачи во фронте пламени. Существует несколько теорий, объясняющих закономерности распространения пламени по газовзвесям с позиций кондуктивной, радиационной и кондуктивно-радиационной теплопередачи из зоны горения в свежую смесь. Для органических систем теплопередача осуществляется в основном путем кондуктивно-конвективного теплообмена. Вследствие низких температур газификации горючего, а также узких зон горения преобладающим механизмом теплопередачи является теплопроводность по газу. Влияние гравитации на горение газовзвесей проявляется в оседании частиц под действием силы тяжести, что приводит к появлению относительной скорости фаз в свежей смеси; разогретые продукты горения испытывают действие архимедовой силы. Модель фронта пламени в этом случае в первом приближении выглядит следующим образом. Под воздействием теплового потока из высокотемпературной зоны горящего пылевого облака частицы успевают испариться до воспла­менения. Фронт пламени распространяется по однородной газообразной смеси паров горючего с воздухом. Реакция взаимодействия горючего с окислителем протекает в кинетической области, подчиняясь известным из тепловой теории закономерностям.

Движение фронта пламени приводит к частичному рассеянию свежей смеси вблизи ведущих точек пламени. При этом газовая фаза (окислитель) рассеивается в большей степени, чем конденсированная (горючее), в результате чего фазы приобретают относительную скорость и соответственно изменяется соотношение горючее — окислитель во фронте пламени. Увеличение концентрации горючего сопровождается ростом скорости пламени в этих областях, что вызывает дальнейший рост выпуклых участков фронта пламени и отставание вогнутых областей.

Проявление описанного эффекта приводит к тому, что пламя способно распространяться по аэровзвеси со средней концентрацией горючего ниже концентрационного предела распростране­ния пламени плоского фронта пламени газовой смеси. Ориентировочные оценки показывают, что НКПР газовзвесей примерно в два раза ниже НКПР газовых смесей этих же веществ. Это свойство газовзвесей органических веществ проявляется, начиная с диаметра частиц 10 мкм.

Твердые природные топлива отличаются от большинства химических веществ наличием трех составляющих: летучей части, кокса и золы. Процессы воспламенения и распространения пламени каждой из этих частей имеют определенные особенности. Летучая часть топлива – это газообразные компоненты, выделяющиеся из топлива при нагреве без участия окислителя. Кокс по составу близок к углероду. Скорость горения кокса во много раз ниже скорости горения летучих. В связи с этим участие кокса в пылевых взрывах натуральных топлив незначительно. В золе, составляющей минеральную часть топлива, содержится ряд компонентов, которые могут принимать участие в горении (щелочные металлы, пириты и колчеданы). Но тем не менее зола в целом играет роль инертного материала.

Взрывы газовзвесей твердых топлив – это типичные тепловые взрывы. Распространение фронта пламени по взвеси происходит в результате передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь Тепло может передаваться по различным механизмам в зависимости от размеров частиц, их концентрации, состава и параметров газовой среды и других факторов. В отличие от горения газовых смесей процессы в газовзвесях природных топлив усложняются из-за длительности прогрева частиц и возможности протекания реакции окисления горючего как в кинетической, так и в диффузионной области. Температура частиц в общем случае отличается от температуры окружающего газа как в зоне химического взаимодействия, так и в зоне подогрева