Горение твердых материалов

Горение твердых материалов в отличие от газов характеризуется наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. В среде воздуха они горят в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Это диффузионное горение, происходящее в основном в газовой фазе, а не на границе раздела фаз.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 1):

- Зона без реакции - зона прогрева конденсированной фазы (твердого материала).
Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента темпера­туропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина
этой зоны составляет около 3 мм.

- Зона пиролиза — реакционная зона в конденсированной фазе, в
которой происходит разложение твердого материала на газообразные
продукты.

- Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты пиролиза дополнительно разлагаются.

- Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне
протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла
и наблюдается максимальная температура.

-Зона продуктов сгорания.

Таким образом, характерной особенностью горения твердых мате­риалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии:

-поглощение твердым материалом тепловой энергии от источника зажигания;

-разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов;

-воспламенение газообразных продуктов пиролиза;

-горение газообразных продуктов пиролиза.
Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и термическое разложение твердого материала. Первичное пламя возникает в результате зажигания и разогрева локального участка твердого материала до высокой температу­ры открытым пламенем, электрической искрой или накаленным телом. В ре­зультате такого воздействия над поверхностью твердого материала возни­кает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть близка к температуре поверхности при стационарном горении. Переход от зажигания к стационарному режиму горения твердого материала возможен с момента по­явления пламени.

Здесь мы рассмотрели воспламенение твердого материала с точки зрения разложения его на газы и последующего их воспламенения. Но процесс горения может начинаться и вследствие гетерогенной реакции взаимодей­ствия кислорода с поверхностным слоем.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горю­чих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами явля­ются Н₂О, СО₂ и галоидоводороды. Горючая часть состоит из Н₂, СО, на­сыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиро­лиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пи­ролиза, температуры разложения.

Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигнет нижнего концентрационного предела распространения пламени. Это ус­ловие является необходимым, но недостаточным для возникновения ус­тойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло необходимо пере­дать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточного количества горючих га­зообразных веществ.

После воспламенения твердого материала начинается процесс пере­мещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характе­ристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени - расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени.

Перемещение фронта пламени осуществляется за счет передачи час­ти тепла, выделяющегося в зоне горения. Передача тепла от факела пла­мени к поверхности твердого материала осуществляется радиацией, кон­векцией и теплопроводностью. В зависимости от условий горения доля тепла, поступающего к поверхности материала по тому или иному меха­низму, может быть различной. Поэтому значение скорости горения для одного и того же материала в зависимости от условий горения может измяться в значительных пределах.

В отличие от жидкостей, поверхность которых всегда горизонталь­на, распространение пламени по твердым материалам может происходить при различной их ориентации в пространстве: горизонтальной, вертикальной или промежуточной. В зависимости от ориентации поверхности изменяется скорость распространения пламени: она максимальна при распространении пламени снизу вверх для вертикальной поверхности и минимальна, если пламя идет сверху вниз. В остальных случаях скорости имеют промежуточное значение.

Рис.2. Схема распространения фронта пламени по поверхности твердого материала

1 - твердый материал, 2 - зона диффузионного горения,

3 - передняя кромка пламени, 4 - зона пиролиза,

5 - зона газообразных продуктов разложения,

6 - зона начала разложения твердого материала перед фронтом пламени,

7 - газообразные продукты горения.