Характеристика основных видов горения

Структура пламени диффузного горения

Структура пламени диффузионного горе- ния состоит из трех зон.

В 1-ой зоне находятся газы или пары.

Горение в этой зоне не происходит. Темпера- тура не превышает 500°С. При этом происхо- дит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения. Пиролиз – это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение (расщеп- ление) сложных соединений на более прос- тые газобразные, которые воспламеняются и сгорают во второй зоне.

Во 2-ой зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и происходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

CnHm + 02 —► СО + С02 + Н20; 2СО = СО + С.

В 3-ей внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны из-за поступления в большом количестве кислорода и наблюдается максимальная темпера- тура пламени:

2СО + 02 = 2С02 ; C+O2 = CO2 .

Наличие сажи в дыму свидетельствует о неполном сгорании.

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Термины и понятия для оценки процесса горения

Максимальная скорость процесса горения достигается при стехиометрической концентрации, т.е. при концентрации, которая точно соответствует количествен- ному содержанию веществ, соединяемых друге другом при реакции горения.

Температурой воспламенения называется наименьшее значение температуры жидкости, при котором интенсивность испарения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение.

Температура самовоспламенения – это самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотерических реакций, заканчивающихся горением.

Температура воспламенения используется при расчетах допустимых концентра- ций горючих веществ и газов внутри технологических аппаратов, систем рекупера- ции тепла и вентиляции, а также при работе с применением искрящего инстру- мента.

Концентрационные пределы распространения пламени нижние или верхние - это минимальное или максимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Концентрационные преде- лы могут быть выражены через температуру (при атмосферном давлении возду- ха).

Значения температуры жидкости, при которых концентрация насыщенных паров в воздухе над жидкостью равна концентрационным пределам распространения пламени, называются температурными пределами распространения пламени (воспламенения) нижним и верхним соответственно обозначаются, как НТПРП и ВТПРП.

Интервал температур между нижним и верхним концентрационными пределами называется областью воспламенения.

В соответствии с ГОСТ 12.1.044 температурой вспышки называется наимень- шая температура конденсированного вещества, которая может привести к вспыхи- ванию в воздухе от источника зажигания и она соответствует НТПРП.

Самовозгорание как источник пожаров и взрывов

Самовозгорание - резкое увеличение скорости экзотермических процессов в веществе, приводящее к возникновению очага горения. Оно является результатом самонагревания веществ, заканчивающегося тлением или пламенным горением. Процесс самонагревания веществ может быть вызван различными причинами. Это могут быть микробиологические процессы в соответствующей питательной среде, воздействие высокой температуры на вещество, выделение тепла в результате химических реакций.

Микробиологические процессы окисления - основная причина самовозгорания веществ растительного происхождения, например недосушенных сена, опилок, листьев. Микробиологическими же процессами объясняется самовозгорание фре- зерного торфа, жизнедеятельность бактерий и грибков в котором может начаться уже при 10-18 °С и заканчивается при 70 °С. Питательной средой для бактерий служат водорастворимые вещества, образующиеся в результате распада растений.

Тепловое самовозгорание присуще дисперсным веществам, обладающим сильно развитой поверхностью, способным адсорбировать кислород и вступать с ним в реакцию, а теплообмен веществ с внешней средой не является интенсивным. К тепловому самовозгоранию склонны ископаемые угли (бурый и каменный), хранящиеся в кучах или штабелях. Причины самовозгорания - способность углей окисляться и адсорбировать пары и газы при низких температурах. Самовозго- ранию углей способствует степень их измельчения, а также наличие в них примесей - пирита и влаги.

При химическом самовозгорании большое значение имеет скорость химической реакции. Недостаточный теплоотвод способствует нагреву материала в результате окислительных процессов и соответственно достижению критических условий возникновения горения или тления.

Самовозгорающие химические вещества можно разделить на три основные группы:

- вещества, самовозгорающиеся при взаимодействии с воздухом;

- вещества, самовозгорающиеся при взаимодействии с водой;

- вещества, самовозгорающиеся при взаимодействии друг с другом.

Особенности самовозгорания химических

веществ при взаимодействии с воздухом

Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), окисляясь на воздухе, самовозгораются с образованием надпероксидов металлов с выделением значительных объемов тепла.

Сульфиды щелочных (например, калия) и щелочноземельных металлов (например, кальция), окисляясь на воздухе могут самовозгораться. Гидроксиды металлов с кислородом воздуха образуют пероксиды водорода. Негорючий гидросульфит натрия в этих условиях образует серу, способную к воспламенению. К характерным представителям этой группы относятся белый и красный фосфор. Легко самовозгораются на воздухе, особенно в присутствии влаги, аэрогели алюминия и цинка. Взрывчатые смеси образуют на воздухе алюминиевая и магниевая пудра. Диэтиловый эфир способен самовозгораться на воздухе, что связано с образованием пероксидов.

Самовозгорание олиф, растительных масел (льняного, подсолнечного и др.) связано с их химическим строением, так как они представляют собой смесь глицеридов жирных кислот, в том числе и непредельных - олеиновой, линолевой, линоленовой. Наличие в молекулах двойных связей и является причиной окисления указанных кислот при обычных температурах. Кроме того, самовозгоранию способствует полимеризация глицеридов непредельных кислот — экзотермический процесс, происходящий при низких температурах.

В связи со способностью масел и жиров самовозгораться большую опас- ность представляют промасленная одежда и обтирочные материалы, загрязненные растительными маслами. При большой поверхности загряз- нения резко ускоряются реакции окисления и полимеризации. Подобные процессы нагревания начинаются при 10-15 °С и продолжаются 2-3 часа.

Особенности самовозгорания веществ при

взаимодействии друг с другом

Источниками кислорода в условиях пожара могут быть твердые и жидкие окислители, например пероксиды водорода, натрия, калия, хлораты и перхлораты, нитраты и др. Значи- тельный экзотермический эффект, сопровождающий разложение пероксида водорода, вызы- вает интенсивный разогрев парогазовой смеси.

Пероксид водорода разлагается диоксидами марганца, хрома и цинка. В присутствии концент- рированного пероксида водорода спирты, кетоны, ароматические углеводороды и другие вещества самовозгораются либо становятся чувствительными к нагреванию.

Концентрированная азотная кислота вызывает самовозгорание многих горючих веществ. В присутствии серной кислоты ее окисляющее действие усиливается. Концентрированная азотная кислота при взаимодействии со многими металлами восстанавливается до диоксида азота, разбавленная до оксинитрида азота, которые, в свою очередь, химически активны. Известно, что продукты взаимодействия азотной кислоты с органическими веществами обладают более пожароопасными свойствами. Например, взаимодействие азотной кислоты с гликолями и глицеринами приводит к образованию взрывчатых веществ - сложных эфиров.

Сильным окислителем является серная кислота. Разбавленная кислота растворяет металлы и при этом выделяется водород, а взаимодействие ее со щелочными и щелочноземельными металлами сопровождается самовозгоранием. Концентрированная кислота, взаимодействуя с металлами, может образовывать диоксид серы, серу, сульфид водорода. Большая часть органических веществ в присутствии этой кислоты обугливается. Присутствие кислоты усиливает пожароопасные свойства таких окислителей, как перманганат калия, хлорат калия, нитраты и др.

Сильными газообразными окислителями являются фтор, бериллий и ряд их соединений. Фтор вызывает самовозгорание всех органических веществ. При нагревании во фторе горят практически все металлы, песок, стеклянная вата, асбест, бетон. В среде фтора самовозго- раются бром, йод, сера, теллур, фосфор, мышьяк, сурьма, щелочные и щелочноземельные металлы и др.

В атмосфере хлора горят многие органические вещества, металлы и др. При взаимодействии хлора с органическими жидкостями выделение большого количества тепла способствует испарению жидкости и образованию взрывоопасных смесей. Жидкий хлор более опасен, чем газообразный. Бром уступает по активности фтору и хлору. Пары брома вызывают самовоз- горание некоторых органических веществ.

К неорганическим окислителям относятся перхлораты, хлораты, нитраты, перманганаты, дихроматы, хроматы, гипохлориты натрия, калия, кальция, пероксиды и надпероксиды, многие другие химические соединения.

Что такое взрыв?

Взрыв - быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу (ГОСТ 12.1.010).

При взрывном горении продукты горения могут нагреваться до 1500-3000 °С, а давление образовавшееся газовоздушной смеси в закрытых системах увеличи- ваться до 0,6-0,9 МПа.

В условиях промышленного производства под взрывом следует понимать быстрое неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором расстоянии от источника.. Взрыв связан с интенсивным ростом давления в окружающей среде. При этом происходят («хлопки»), сопровождающиеся сильным звуковым эффектом

Ударная волна обладает разрушительной способностью, если избыточное давление в ней превышает 15 кПа. Она распространяется в газовой среде перед фронтом пламени со скоростью звука - 330 м/с. Разрушающее давление порядка 30 кПа достигается при скорости распространения пламени 150-200 м/с.

Взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость звука и достигает 1-5 км/с.

Детонация - это процесс химического превращения системы окислитель - восстановитель, представляющий собой совокупность ударной волны, распространяющейся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука, и следующей за фронтом зоны химических превращений исходных веществ.

При детонационном режиме горения парогазовоздушной смеси большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну.

При взрывном горении переход энергии в ударную волну составляет около 30%.

Пиковое давление, создаваемое при детонации, достигает 200 кПа.

Большинство современных промышленных зданий разрушается при давлениях 25-30 кПа при внешних взрывах и 20-25 кПа - при внутренних.

Термины и понятия применяемые при оценке

эффекта взрыва

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (окислителя) -

такая его концентрация в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становятся невозможными при любой концентрации горю- чего в смеси, разбавленной данным флегматизатором.

Склонность к взрыву и детонации – это чувствительность к механи- ческому воздействию (удару или трению).

Взрывоопасной средой являются: смеси веществ (газов, паров, пылей) с воздухом и другими окислителями (кислород, озон, хлор, окислы азота и др.), способные к взрывчатому превращению, а также индивидуальные вещества, склонные к взрывному разложению (ацетилен, озон, гидразин, аммиачная селитра и др.).

Основными параметрами, характеризующими опасность взрыва,

являются следующие:

- максимальное давление взрыва — наибольшее давление, возникающее при дефлаграционном взрыве газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа;

- скорость нарастания давления при взрыве - это производная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва газо-, паро-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде от времени.

Минимальная энергия зажигания — наименьшее значение энергии электрического разряда, способного воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли с воздухом.

Оценка взрывоопасности газо- и

паровоздушных смесей

В нормативных документах МЧС РБ применяется понятие – критический зазор (диаметр). С ним связано определение категории взрывоопасной смеси, которая характеризует способность газопаровоздушной смеси передавать взрыв через узкие щели и фланцевые зазоры.

В соответствии с ГОСТ 30852.11-2002 взрывоопасные смеси газов и паров подразделяются на категории взрывоопасности в зависимости от величины безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ) и значения соотношения минимального тока воспламенения испытуемого газа или пара к минимальному току воспламенения метана (МТВ).

Сущность показателя БЭМЗ — это максимальный зазор, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду при любой концентрации горючего в воздухе. Он определяется экспериментальным путем.

Согласно нормативным документам дается оценка двух видов взрывоопасных смесей с использованием маркировкой:

- 1 – метан на подземных горных работах;

- 11- газы и пары за исключением метана на горных работах.

В таблице приведены категории взрывоопасности смесей в зависимости от величины БЭМЗ и МТВ.