Особенности горения твердых веществ и пылей
Химический состав твердых горючих веществ очень разнообразен. Большинство из них относится к классу органических веществ, состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органических веществ входят также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Значительно меньшее количество твердых горючих веществ относится к классу неорганических веществ. Среди них металлы (калий, натрий, магний, алюминий, титан и др.), металлоиды (сера, фосфор, кремний), а также их соединения.
Твердые органические вещества в зависимости от характера горения можно разбить на три группы: углеродные (кокс, сажа, древесный уголь), целлюлозные (древесина, торф, бумага, хлопок, хлопчатобумажные ткани и др.), полимерные материалы на основе углеводородов и их производных (каучук, резина, пластмассы, химические волокна и др.).
Целлюлозные материалы содержат 40—45% кислорода, который участвует в процессе горения так же, как и кислород воздуха.
Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием паров, газов и углеродистого остатка. Количество образующихся при этом газообразных (летучих) продуктов и их состав (водяной пар, двуокись и окись углерода, метан и др.) зависят от температуры и режима нагревания горючих веществ. Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при малой скорости теплоотвода возможно их самонагревание и самовозгорание.
Полимерные материалы отличаются высоким содержанием углерода; большинство из них не содержат кислорода или содержат его в небольшом количестве. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10—12 м3/кг); горение их происходит с образованием продукта неполного сгорания—сажи. Т1ри нагревании большинство полимерных материалов плавится с образованием на поверхности горения жидкого слоя. При дальнейшем нагревании расплавленной массы на воздухе происходит термоокислительная деструкция с образованием горючих и часто ядовитых паров и газов (двуокиси и окиси углерода, непредельных углеводородов, органических кислот, эфиров, альдегидов и др.). За исключением двуокиси углерода, все продукты термической деструкции являются горючими и поэтому -когда концентрация их ;в воздухе достигает некоторого предельного значения, происходит воспламенение полимерных материалов от источника воспламенения.
В свою очередь удельная поверхность пыли зависит от ее дисперсности, т. е. от размеров ее частиц. Как правило, пыль, особенно полученная в реальных технологических процессах (при дроблении, ссыпке, транспортировании, шлифовке различных твердых продуктов), содержит частицы различных размеров. Дисперсность пыли, полученной даже в одних и тех же процессах, непостоянна, и зависит от различных факторов: влажности сырья и воздуха, скорости движения воздуха и др. Дисперсность аэровзвесей существенно влияет на ее пожарную опасность. Чем больше дисперсность аэровзвеси, тем сильнее развита ее поверхность, выше химическая активность, ниже температура самовоспламенения и шире температурный интервал, в котором возможен взрыв. Скорость горения высокодисперсной аэровзвеси приближается к скорости горения газов, и процес с горения протекает наиболее полно.
Химическая активность пыли определяет ее способность вступать в реакции с различными веществами, в том числе и в реакции окисления и горения. Химическая активность пыли определяется природой вещества, из которого она образована (качественный и количественный состав и строение молекул вещества) и в большой степени зависит от дисперсности. Это объясняется тем, что химическая реакция между твердым веществом (пылинками) и газообразным окислителем протекает на поверхности твердого вещества. Скорость реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а так как с увеличением дисперсности увеличивается удельная поверхность, химическая активность возрастает.
Твердые частицы пыли в процессе размола, транспортирования по пылепроводам и движения в воздухе способны электризоваться — на их поверхности возникает заряд статического электричества. Частицы пыли могут заряжаться в результате ударов и трения одна о другую и о воздух, трения о твердую поверхность (например, при размоле на вальцах, при транспортировании по трубам), а также вследствие адсорбции ионов из газовой среды. Потенциал зарядов при электризации пыли во время ее движения зависит от концентрации, размеров частиц (дисперсности), скорости движения пылевой смеси, влажности атмосферы и других факторов.
Горение осевшей пыли (аэрогеля) по своему характеру не отличается от горения твердых веществ, но протекает более энергично. Горение же аэровзвесей подчиняется многим законам горения газовых смесей, но по сравнению с ними протекает более медленно и неполно. Скорость распространения пламени в аэро-взвесях зависит от концентрации и дисперсности частиц. Максимальная скорость фронта пламени достигается при концентрациях частиц, много больших (иногда в 5—10 раз), чем стехпометрические. Но мере уменьшении размеров частиц скорость распространения пламени резко уменьшается, и если размер частиц окажется меньше некоторой критической величины, то пламя распространяться не будет.
На скорость распространения пламени аэровзвеси оказывает влияние содержание в пыли летучих веществ и золы (негорючих компонентов пыли). Увеличение содержания летучих компонентов и уменьшение зольности пыли приводят к увеличению скорости распространения пламени.
Лекция № 6.Динамика развития пожаров на открытом пространстве
Цель занятия:ознакомление пожарами возникающие на открытом пространстве
Рассматриваемые вопросы:
1. Открытые пожары и их отличительные особенности
2. Динамика развития пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах.
3. Динамика развития лесных пожаров
Открытые пожары и их отличительные особенности.К открытым пожарам относятся пожары газовых и нефтяных фонтанов; пожары складов древесины, хлопка, караванов торфа и других горючих веществ и материалов; пожары горючих жидкостей в резервуарах, сжиженных газов в газгольдерах; пожары на технологических установках, таких, как ректификационные колонны, сорбционные башни, этажерки и технологические установки на объектах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой промышленности. К открытым пожарам относятся также лесные и степные пожары, пожары на торфополях, открытых складах каменного угля, сланца и других горючих материалов. В открытые пожары могут перейти и обычные внутренние пожары в зданиях и сооружениях V степени огнестойкости.
Особенностью всех этих пожаров являются условия тепло- и газообмена. На этих пожарах не происходит «накопления» тепла в газовом пространстве зоны горения. Горение происходит в более естественных условиях, не ограниченных строительными конструкциями. Теплообмен осуществляется практически с неограниченным окружающим пространством. Поэтому за температуру таких пожаров, как правило, принимают температуру пламени, так как она несколько выше температуры внутренних пожаров, где за температуру пожара принимают среднюю температуру газовой среды в помещении.
Газообмен на открытых пожарах также отличается от газообмена на внутренних пожарах. На открытых пожарах он не ограничен конструктивными элементами зданий и сооружений и, следовательно, более интенсивен.
Поэтому он в большей степени зависит от естественных внешних газовых потоков: интенсивности и направления ветра. Интенсивность и направление ветра оказывают большое влияние на процесс горения на открытых пожарах и на зоны пожара.
Зона горения определяется, главным образом, распределением горючих веществ в пространстве, и формирующими ее конвективными газовыми потоками. Зона теплового воздействия определяется преимущественно лучистым тепловым потоком, так как конвективные тепловые потоки уходят вверх в неограниченное пространство и почти не влияют на зону теплового воздействия на поверхности земли; поэтому они чаще всего не препятствуют ведению тактико-технических действий на пожаре. Мощные восходящие конвективные газовые потоки у основания очага горения создают разрежение. Например, у основания газового фонтана горящего резервуара эти потоки создают столь интенсивный обдув свежим воздухом, что намного снижают тепловое воздействие.
Соответственно изменяется и характер зоны задымления. За исключением горения торфа на больших площадях и леса в безветренную влажную (сырую) погоду, зона задымления, как правило, не создает затруднений по борьбе с открытыми пожарами, как на внутренних пожарах. Эти особенности открытых пожаров в значительной степени определяют и специфику методов борьбы с ними, особенности применяемых приемов и способов и характер тактико-технических действий подразделений пожарной охраны. При открытом пожаре скорость его распространения (возгорание смежных с горящим зданием объектов) зависит от условий теплообмена излучением т. е. площади, теплофизических свойств излучающей и облучаемой поверхностей, а также их взаимного расположения в пространстве.
В процессе развития открытого пожара лучистый тепловой поток от факела пламени падает на окружающие строения или горючие материалы. Необходимое и достаточное условие возгорания какой-либо поверхности горючего материала выражается соотношением qП≥ qКР (qП - падающий поток на поверхность облучаемого материала, Вт/м2; qКР- критический тепловой поток, вызывающий возгорание поверхности данного вида горючего материала, Вт/м2). Согласно законам лучистого теплообмена, возгорание может произойти, если коэффициент облученности и расстояние между излучающей и тепловоспринимающей поверхностями будут такими, при которых падающий тепловой поток станет не менее критического. Излучение факела ослабляется атмосферой в зависимости от степени ее прозрачности (тумана, дождя, дымки и т. п.) и скорости ветра.
При открытом пожаре огонь может распространиться на окружающие строения под действием теплового излучении пламени.
Высота пламени при открытых пожарах изменяется пропорционально скорости выгорания материалов и характерному линейному размеру (диаметру, протяженности или ширине) площади пожара. При пожарах прямоугольной формы характерный линейный размер ранен корню квадратному из площади пожара, а при круговой или близкой к ней форме - диаметру окружности. С увеличением этих параметров высота пламени и площадь излучающей его поверхности растут. С увеличением площади основания пламени над ее центральной частью, где происходит тепловая газификация топлива при недостатке кислорода, высота пламени будет максимальной.
На практике пользуются формулой для определения геометрических размеров факела пламени пожара:
LФ= 16,4 (VM · dФ)2/3
где: LФ- средняя величина длины факела пламени, м, VM- массовая скорость выгорания материала, кг/(м2с), dФ- характерный линейный размер основания факела пламени, м.
Динамика развития пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах. Пожары фонтанов условно разделяют на три группы: газовые, газонефтяные и нефтяные. Газовыми считаются фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе, газонефтяными - газа более 50% и нефти менее 50% по массе, а нефтяными - фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе. Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту ) на слабые - с дебитом газа до 2 млн. м3/сутки, средние от 2 до 5 млн. м3/сутки и мощные - свыше 5 млн. м3/сутки.
При авариях на скважинах истечение газа из фонтанной арматуры происходит при высоких перепадах давления, значительно превышающих критические, т. е. на срезе трубы устанавливается скорость истечения, равная скорости звука. Для метана скорость звука равна приблизительно 400 м/с.
Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.
Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий - ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.
Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Re (число Рейнольдса) > 2300). то характер изменения поля скоростей и концентраций газа вдоль струи и в поперечных сечениях (отстоящих на различных расстояниях от места истечения) будут определяться основными закономерностями турбулентной газовой струи.
Рассматривая факелы газонефтяных фонтанов, можно пользоваться (с некоторыми поправками) основными закономерностями турбулентных газовых струй, так как при соотношении массы жидкой фазы (нефти) к массе газа около единицы отношение объемов газа и нефти будет около тысячи. По мере удаления от среза трубы (за счет массообмена струи с окружающим воздухом) это соотношение будет увеличиваться в десятки раз. Скорость движения капелек нефти в струе будет приблизительно равна скорости движения газовой фазы. Поэтому такую двухфазную струю можно рассматривать как свободную затопленную турбулентную струю.
Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».
Проведенными исследованиями установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины. Для практических расчетов с точностью ± 5% может быть использована формула:
QФ= 0,0025 Н2Ф (6.1)
где QФ - дебит фонтана млн. м3/сутки.
Зная дебит фонтана, можно предположить, что высота факела фонтана составит:
НФ~ 20√QФ (6.2.)
Исследованиями установлено, что с увеличением расхода газа высота факела пламени растет медленно, причем на нее не оказывает существенного влияния диаметр насадка. Так, при расходе газа 2,2 млн. м3/сутки высота факела для устья фонтана диаметром 150 и 250 мм, составляет 33 м.
Высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых. Нефтяные фонтаны с большим дебитом нефти и незначительным содержанием газа имеют небольшую высоту факела пламени, примерно 20- 30 м. Пламя газового фонтана имеет светло-желтую окраску. При пожарах газонефтяных фонтанов вся нефть, как правило, сгорает в факеле пожара, пламя имеет оранжевый цвет, иногда горение сопровождается клубами черного дыма. При пожарах нефтяных фонтанов только незначительная часть нефти успевает испариться и сгореть в воздухе, а большая ее часть выпадает на землю, разливается вокруг устья скважины и продолжает гореть. Нефтяной фонтан горит темным оранжевым пламенем с большим выделением черного дыма.
Одним из факторов, препятствующих ликвидации пожаров газовых фонтанов, является высокая интенсивность теплового излучения факела пламени. Поэтому при тушении газового фонтана большие расходы воды необходимо предусматривать на орошение поверхности земли вокруг скважины в радиусе 10-15 м для снижения температуры в этой зоне, а также на защиту от теплового излучения личного состава и техники, принимающих участие в ликвидации пожара.