6.2.3. Механизм горения аэрозолей и аэрогелей

Механизм горения у аэрозолей и аэрогелей несколько различен.

Аэрогель можно представить как ТГВМ в измельченном и осевшем состоянии, поэтому горение аэрогеля аналогично горению ТГВМ (см. пп. 6.1.3).

Стадии воспламенения аэрогеля:

1) нагрев влажного материала;

2) сушка, удаление физической воды;

3) удаление химической воды, нагрев сухого материала;

4а) начало газификации (выделение летучих), t = 120-150 ^оС. Для растительных веществ при 250 ^оС концентрация летучих превышает их нижний КПРП, т.е. при наличии источника зажигания происходит воспламенение летучих (t_воспл);

4б) интенсивный пиролиз (выделение летучих под действием температуры). Особенность пыли – не все летучие выделяются, частичка не сгорает полностью;

5) нагрев углеродистого остатка и его горение.

Теплообмен при распространении горения осуществляется, в основном, теплопроводностью и излучением, однако он затруднен в связи со значительным расстоянием между частичками. Кроме этого затруднен доступ воздух в глубину аэрогеля, меньше выделяется летучих (частички сгорают не полностью), поэтому аэрогель горит менее интенсивно, чем ТГВМ, чаще в виде тления.

Необходимо учитывать, что аэрогель легко переходит во взвешенное состояние (при толчке, хлопке, попадании компактной водяной струи), что может привести к взрыву.

Механизм возникновения и распространения горения по аэрозолю аналогичен газовым смесям, однако существует особенность: необходимость подготовки частички к горению (5 стадий) и выделяются не все летучие – поэтому горение менее интенсивное.

Передача тепла при горении аэрозоля происходит излучением и теплопроводностью, частички нагреваются, сушатся, газифицируются, окисляются, концентрация паров достигает нижнего КПРП и происходит воспламенение, затем фронт пламени распространяется по смеси.

Скорость распространения достаточно высокая, возможно образование ударной волны.

Скорость горения аэрозоля (а следовательно, и давление взрыва) зависит:

• от вида пыли (состава продуктов пиролиза);

• от размера частичек (очень мелкие и очень крупные частички – не горят);

• от концентрации пыли (максимальная скорость горения наблюдается при концентрации пыли, превышающей стехиометрическую);

• от влажности (что можно использовать для снижения пожаровзрывоопасности).

Скорость распространения фронта пламени по аэрогелю описывается формулой Тодеса (действительна для диаметров 0,1 – 1 мкм):

(6.5)

где  – коэффициент Стефана-Больцмана;

T – температура излучения, К;

С_о – объемная теплоемкость Дж/(м^2.К);

T_в – температура воспламенения аэрогеля;

Т_о – начальная температура.

В угольных шахтах, на мукомольных предприятиях иногда наблюдается так называемые циклические взрывы. Горение пылей может перейти в детонацию (когда ударная волна опережает фронт пламени, взвешивая пылинки). Однако скорости по рассмотренным нами выше причинам меньшие, чем при детонации газов.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и охарактеризуйте стадии воспламенения аэрогелей. В чем состоит особенность пиролиза аэрогеля в условиях реального горения?

2. Перечислите отличия горения аэрогелей от ТГВМ?

3. В чем отличие горения аэровзвесей от горения газов?

4. Перечислите способы передачи тепла при горении аэрогеля и аэрозоля.

5. Какие факторы влияют на давление взрыва аэровзвесей?