Общие закономерности горения парогазовых смесей

На пожаре в основном происходит диффузионное горение, при котором, как правило, окислитель в результате диффузии поступает в зону горения, взаимодействует с горючим газом и формирует фронт пламени.

Фронт пламени — объем, в котором протекает химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне образуются продукты горения, выделяется теплота сгорания и температура повышается до температуры горения.

Скорость горения при диффузионном горении, определяется скоростью массообмена. В случае избытка горючего в области реакции, образуются продукты неполного сгорания, и образовавшийся в результате этого углерод обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени.

Если уже имеется готовая смесь, состоящая из горючего газа и окислителя, то горение классифицируют как кинетическое. Скорость процесса горения при этом зависит от скорости протекания химической реакции между горючим и окислителем и, следовательно, от кинетики соответствующей реакции горения. Наиболее часто кинетическое горение наблюдается при пожарах технологического оборудования и в быту на стадии возникновения горения (при самовоспламенении или зажигании накопившихся в помещении газов), а также при распространении горения.

Виды кинетического горения

При относительно небольших скоростях распространения горения воспламенение холодной газовой смеси, соприкасающейся с фронтом пламени, происходит послойно за счет нагрева от зоны горения теплопроводностью. Такой механизм распространения горения называется дефлаграционным.

Распространение горения может происходить и в результате нагревания горючей системы быстрым адиабатическим сжатием. Такой механизм распространения горения называется детонацией.

Если горение происходит в замкнутом объеме или с большой скоростью, то оно сопровождается повышением давления. На практике, различают такие явления как «вспышка», «хлопок» и «взрыв».

При «вспышке» увеличение давления продуктов сгорания практически не происходит.

При «хлопке» повышение давления вызывает звуковые эффекты, но разрушений при этом не наблюдается.

«Взрыв» отличается от «хлопка» большей скоростью распространения фронта пламени и резким возрастанием давления, которое может стать причиной разрушения технологического оборудования и строительных конструкций.

Взрыв — это быстрое экзотермическое сгорание горючей системы, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.

При взрыве стехиометрической смеси горючего вещества и окислителя температура горения имеет наибольшее значение, следовательно, и давление при взрыве будет максимальным.

Зависимость давления взрыва Р_взр от концентрации горючего вещества φ_гв в смеси схематически изображена на рисунке.

Давление при взрыве является одним из параметров, характеризующим пожарную опасность веществ и материалов. Так давление взрыва учитывают при пожарной профилактике в строительстве при расчете площади легкосбрасываемых конструкций, или при профилактике в технологии производств при категорировании промышленных объектов.

Концентрационные пределы распространения пламени

Теория дефлаграционного горения не накладывает ограничений на возможность уменьшения скорости распространения горения. Однако опыт показывает, что величина скорости распространения горения не может быть меньше определенного критического значения. Распространение пламени в смесях горючего и окислителя возможно только в определенном диапазоне их концентраций. При зажигании смеси, состав которой выходит за эти пределы, стойкое горение не возникает.

Для горючих смесей различают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) — наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который уже возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) — наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который еще возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) — одна из важнейших характеристик взрывоопасности горючих газов и паров. Область концентрации горючего вещества, которая лежит между нижним и верхним КПРП, характеризуется возможностью загорания и устойчивого горения смеси и называется областью взрывоопасных концентраций. Если концентрация горючего вещества выходит за концентрационные пределы, горючая смесь становится взрывобезопасной. Так если концентрация горючего вещества меньшее нижнего КПРП, то горение вообще не возможно. Если концентрация горючего вещества больше ВКПРП, то возможно диффузионное горение такой газовой смеси при выходе ее в окружающее пространство и наличии источника зажигания.

Максимальная скорость реакции и распространения фронта пламени наблюдается при стехиометрическом соотношении компонентов (концентрации горючего равной стехиометрической φ_гв = φ_смк). При отклонении от стехиометрического соотношения скорость горения, а следовательно и скорость тепловыделения будут снижаться. Так, при φ_гв < φ_стм скорость тепловыделения уменьшается в результате нехватки горючего, и нагревании излишка окислителя, что приводит к дополнительным тепловым потерям. При φ_гв > φ_смк снижение тепловыделения происходит в результате нехватки окислителя, и затратам на нагревание избытка топлива, не принимающего участия в химической реакции. Таким образом, для парогазових смесей можно выделить как минимальную (нижнюю) φ_н, так и максимальную (верхнюю) φ_н концентрацию горючего, при которой наступают критические условия распространения фронта пламени.

Учитывая, что концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться при изменении внешних условий, для обеспечения пожарной безопасности при работе с горючими веществами определяют не только концентрационные пределы, но и безопасные концентрации φ _нб и φ_вб, ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. Безопасные концентрации можно рассчитать по формулам:

φ_нб < 0,9(φ_н – 0,21), %

φ_вб ≥ 1,1(φ_в + 0,42), %

где φ_н, φ_в — НКПРП и ВКПРП, %;

Расположение областей возможных концентраций горючего отображено на рисунке.

Концентрационные пределы распространения пламя могут сильно изменяться при изменении внешних условий. Изменения КПРП объясняются с точки зрения баланса тепловыделения и теплоотдачи в системе. Все факторы, изменение которых приведет к увеличению тепловыделения, будут расширять КПРП (снижать нижний КПРП и повышать верхний КПРП). Факторы, увеличивающие теплоотдачу, будут суживать КПРП (увеличивать нижний КПРП и уменьшать верхний КПРП). Наибольшее влияние на КПРП оказывают:

• концентрация окислителя в окислительной среде (содержание кислорода в воздухе);
• концентрация инертных газов (флегматизаторов);
• температура и давление смеси;
• мощность источника зажигания;

Практическое значение КПРП

КПРП применяют в следующих случаях:

1. Для сравнительной оценки пожарной опасности веществ. Например, концентрационные пределы

• бутана С₄Н₁₀ 1,8—9%;
• бутена С₄Н₈ 1,6—10%;
• винилацетилена С₄Н₄ 1,8—53,2%.

Наиболее пожароопасным из них является винилацетилен, поскольку в более широком диапазоне концентраций образует взрывоопасные смеси.

2. Для оценки пожарной опасности фактической концентрации парогазових систем. Например, для того чтобы определить степень пожарной опасности паровоздушной смеси бензола с концентрацией 4%, необходимо сравнить данную фактическую концентрацию с КПРП бензола. У бензола КПРП составляют 1,4—7,1%, следовательно фактическая концентрация является взрывоопасной.

3. Для определения взрывобезопасной концентрации паров и газов внутри технологического оборудования (ниже φ_нб и выше φ_вб).

4. Для расчета предельно допустимых концентраций газов при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности вентиляционных систем.

Для практического определения концентрации паров и газов в воздухе служат различные газоанализаторы и сигнализаторы предельнодопустимых концентраций периодического и постоянного действия типа СТХ-5, СТХ-6, ЭТХ-1 и др.