теория горения аэровзвесей

Теория горения аэровзвесей

Аэрогели и аэровзвеси являются гетерогенными системами. Однако аэровзвеси по своим свойствам занимают промежуточное место между аэро­гелями и гомогенными газо- и паровоздушными смеся­ми. Аэровзвеси сходны с аэрогелями тем, что  обе  эти системы являются гетерогенными, дисперсными система­ми с одинаковой твердой фазой и поведение их опреде­ляется физико-химическими свойствами твердой фазы.

Воспламенение, горение и взрыв пылевоздушных смесей представляют собой комплекс взаимосвязанных физико-химических процессов. Горение сопровождается выделением тепла, появлением пламени и образованием газообразных продуктов сгорания. Скорость распространения пламени не превышает скорости звука. Если при горении пылевоздушной смеси с дозвуковой скоростью распространения пламени образуются сжатые газы, способные совершать механическую работу, то такое горение называется взрывным. Под действием источника зажигания происходит воспламенение пыли в элементарном объеме, из которого образуется фронт пламени. После того как образуется фронт пламени, протекает вторая стадия - собственно горение аэровзвеси.

Пламенное горение пылей обусловлено тем, что они выделяют горючие пары или газы в количестве не ниже нижнего концентрационного предела воспламенения.

Образовавшийся фронт пламени распространяется по аэровзвеси с определенной скоростью, которая зависит от ряда факторов.

Скорость распространения фронта пламени возраста­ет с уменьшением объемной теплоемкости аэровзвеси и повышением ее начальной температуры.

Скорость распространения фронта пламени обратно пропорциональна диаметру частиц аэровзвеси.

Давление при взрыве и скорость его нарастания уменьшаются с увеличением размера пылинок. 

С уве­личением концентрации О₂ скорость распространения пламени возрастает. Максимальная скорость распрост­ранения пламени наблюдается в чистом кислороде.

Скорость распространения фронта пламени зависит от концентрации пыли. Максимальная скорость распространения пламени достигается при концентрации пыли намного большей стехиометрической. Это свидетельст­вует о том, что процесс горения пыли несовершенен; сгорают наиболее мелкие частицы пыли, крупные — не успевают разложиться и лишь обугливаются с поверхно­сти. 

Воспламенение аэровзвеси и распространение по ней пламени происходит только при определенных концентрациях взвешенной пыли в воздухе.
         Наименьшая концентрация пыли в воздухе (в г/м³ или в кг/м³), при которой смесь способна воспламеняться от постороннего источника зажигания с последующим распространением пламени на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени аэровзвеси (НКПР). 

Если в помещении создается концентрация пыли, равная НКПВ, то на расстоянии 3-4 м предметы различить невозможно.

 Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется. Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

НКПР пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются:

1.     мощность ИЗ;

2.     влажность пыли;

3.     зольность материала;

4.     содержание летучих компонентов;

5.     содержание негорючих газов;

6.     дисперсность пыли. 

Согласно теории Н.Н. Семёнова, при взрыве все твёрдые вещества сгорают в газовой фазе. Таким образом, по своей природе, по механизму распространения пламени процесс горения газопылевоздушных и пылевоздушных смесей приближается к горению газовоздушных смесей. Но у них имеются и важные отличия. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на горение пылевоздушных и газопылевоздушных смесей, является выход летучих веществ. Горение аэрозоли органической пыли, являющееся основой взрыва, происходит следующим образом. При воспламенении аэрозоли пылинки, находящиеся вблизи источника воспламенения, нагреваются до температуры распада, происходит их газификация. Образовавшиеся продукты газификации, нагреваясь до температуры воспламенения, сгорают, тепло в результате излучения, теплопроводности и конвекции из зоны воспламенения передается прилегающим к ней негорящим частицам, которые, воспламеняясь, становятся источниками возгорания последующих слоев смеси. Так возникают условия для развития цепного, лавинообразного процесса горения пылевоздушной смеси. По своим свойствам аэровзвесь приближается к гомогенной горючей смеси.

Так как аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям, то их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПРП, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва.

Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением, испускаемым фронтом пламени. 

Пыль, содержащаяся в воздухе, оседает на стенах, полах, оборудовании и строительных конструкциях, образуя легко взвихриваемый аэрогель. Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения.

В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние. При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материалом, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления. Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку 

1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое;

2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли.

Тление относится к особому его виду гетерогенного горения, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности гомогенное пламя. Режим горения в виде тления занимает промежуточное положение между режимами сугубо гетерогенного и обычного диффузионного горения. Основным внешним условием горения в виде тления является недостаток поступающего к горящему материалу кислорода. Тление обычно характеризуется менее полным окислением топлива, более низкими температурами и много меньшей скоростью распространения. Все эти характеристики тления изменяются в зависимости от доступа кислорода. Особенности тления обусловливают особые сложности при ликвидации этого вида горения

Тление – это горение твердых веществ (материалов), характеризующееся отсутствием пламени, сравнительно низкими скоростями распространения пламени по веществу и температурами 400-600°С, часто сопровождающееся выделением дыма и др. продуктов неполного сгорания. Тление – это процесс окисления, протекающий неинтенсивно из-за недостатка окислителя в зоне горения и (или) активно рассеивающейся из этой зоны теплоты. Тление может быть переходной стадией после прекращения пламенного горения материала или удаления внешнего источника зажигания. Такое тление называют остаточным.

Температура тления – температура вещества, при которой происходит  резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин пожаров, выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов, оценке пожарной опасности полимерных материалов и разработке рецептур материалов, не склонных к тлению.Тление характерно для материалов с развитой поверхностью (хлопок, опилки, зернопродукты, уголь); зарождается при скоплении (хранении) больших масс. Для обнаружения очагов тления в толще материала используют специальные приборы – тепловизоры, термоэлектрические преобразователи (термощупы), или же судят по показаниям газоанализаторов, фиксирующих повышенное содержание оксида углерода (иногда – метана, водорода).

Пыль одного и того же вещества в зависимости от состояния имеет две температуры самовоспламенения: для аэрозоля и аэрогеля. Так, температура самовоспламенения древесной муки во взвешенном состоянии (аэрозоль) равна 775°С, а в осажденном (аэрогель) будет в 2,8 раза ниже (275°С).

Вполне очевидно, что осевшая пыль более опасна с точки зрения ее воспламенения, поскольку у нее значительно ниже температура самовоспламенения. 

Условия для взрыва пылевоздушной смеси возникают при концентрации пыли между нижним и верхним пределами воспламенения. 

При горении аэрозоля в замкнутом объеме взрывное давление достигает максимального уровня. Если взрывное горение аэрозоля происходит в полузамкнутом объеме, то давление будет зависеть от величины вскрытых сечений, через которые происходит истечение газообразных продуктов взрыва. В обоих случаях давление взрыва может стать значительным и привести к разрушению аппарата или сооружения, в объеме которого произошел взрыв.

Факторами, способствующими развитию и распространению первоначального взрыва к серии взрывов пылевоздушной смеси, являются: повышенная запыленность помещений; наличие связи между отдельными технологическими аппаратами, помещениями и зданиями; присутствие мелкодисперсного продукта в магистралях. При содержании кислорода в пылевом аэрозоле ниже 6 % не только взрыв, но и горение пыли невозможно (даже особо опасная пыль серы требует 8,5 % кислорода).

Основными способами предупреждения взрывов пыли являются:

- уборка пыли, осевшей в производственных помещениях;

- орошение осевшей пыли водой и водными растворами поверхностно-активных веществ (угольная пыль с влажностью 17 % считается невзрывчатой);

- добавка в пыль инертных и флегматизирующих материалов, снижающих ей взрывчатость.