6885

УДК 614.841

ББК 38.96

Рецензенты

Бодров В.И. - доктор технических наук, проф. (ННГАСУ)

Карташов В.Р. - доктор хим. наук, проф. (ННГТУ им. Р.Е. Алексеева).

Яблоков В.А., Митрофанова С.В.

Я 71 Теория горения и взрыва [Текст]: учебное пособие/В.А. Яблоков, С.В. Митрофанова, Нижегород. гос. архитектур. - строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2012. – 102 с.

В учебном пособии изложены физико-химические аспекты процессов горения и взрыва. Рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, тепловой и цепной взрыв, а также экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива и способами снижения вредных выбросов. Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Безопасность жизнедеятельности» и «Теплогазоснабжение».

ББК 38.96

ВВЕДЕНИЕ

Горение – один из главных источников получения энергии в форме теплоты, работы, электричества при сжигании различных видов топлива (природный газ, мазут, бензин, керосин, дизельное топливо, каменный уголь и др.). В ряде производств горение является не только источником энергии, но и непосредственным участником технологического процесса, как это происходит, например, в металлургической промышленности.

Изучение теоретических основ горения связано с широким распространением этих процессов, с необходимостью повышения эффективности генерирования энергии, регулирования и оценки условий протекания горения, сопровождающегося в некоторых случаях цепным или тепловым взрывом.

Описание механизма горения сталкивается с трудностями выявления элементарных стадий реакции с участием атомов, молекул и радикалов. Сложные дифференциальные уравнения, описывающие скорости реакций, часто не имеют точного решения. Приходится применять приближенные методы, которые снижающие точность расчетов. К тому же применяемое топливо представляет собой смесь индивидуальных веществ. Его состав разнообразен и зависит от способа переработки.

Большое влияние на скорость горения оказывают физические процессы: испарение топлива, взаимная диффузия окислителя и восстановителя, отвод продуктов из сферы реакции, теплоотвод, перемешивание и ряд других факторов. Поэтому скорость горения относится к совокупности значительного количества параллельно и последовательно протекающих элементарных реакций.

При горении в конкретных топочных устройствах возникают сложные вихревые движения, описывающиеся сложными аэродинамическими уравнениями. Это также влияет на протекание процесса и определяется, прежде всего, конструкцией горел-

3

ки. При этом в пламени возникают различные неоднородности давлений, температур, концентраций в разных участках.

В учебном пособии изложены физико-химические аспекты процессов горения и взрыва. Рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, тепловой и цепной взрыв, а также экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива, и способам снижения вредных выбросов.

Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлению «Теплогазоснабжение» и «Безопасность жизнедеятельности».

4

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Горение

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света.

Обычно рассматривают химические реакции газообразных, жидких и твердых горючих веществ с кислородом воздуха.

Горение природного газа используется в паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения, двигателях автомобилей, кухонных газовых горелках и в других теплогенерирующих установках. Реакция горения природного газа, содержащего до 98 об.% метана, сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН4(г) + 2О2(г) 2Н2О(ж) + СО2(г); ∆rН = 890.3 кДж/моль.

Горение жидких углеводородов широко используется в двигателях внутреннего сгорания, например, сгорание смеси углеводородов в составе бензина, керосина, дизельного топлива или мазута. Так, при сгорании одного из компонентов топлива – изооктана (2,2,4-триметилпентан) выделяется количество энергии, равное ∆rН = 5463 кДж/моль:

С(СН3)3СН2СН(СН3)2(ж)+12.5О2(г) 9Н2О(ж)+8СО2(г).

Среди твердых горючих веществ особое место занимает каменный уголь – невозобновляемый источник энергии, хранящийся в недрах земли, применяющийся в топочных устройствах, металлургии и других сферах хозяйственной деятельности человека. В каменном угле содержится от 75 до 90 мас.% углерода:

С(т) + О2(г) СО2(г); ∆rН = 393.5 кДж/моль.

5

Горение представляет собой окислительновосстановительную реакцию, сопровождающуюся изменением степени окисления элементов. Так происходит при горении водорода в среде кислорода:

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(ж) или

2Н20 + О20 = 2Н2+1О-2.

Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.

Отступление. Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.

Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н2О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.

Другой пример – горение оксида углерода:

2С+2О-2 + О20 = 2С+4О2-2.

В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:

Н2(г) + Cl2(г) = 2НCl(г)

или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).

Для жидких и твердых веществ горению предшествует окислительно-восстановительная реакция, которая сразу же прекращается (это вспышка).

Вспышка

Вспышка – быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением.

При этом сгорание смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом происходит без загорания жидкости или твердого тела. Фактически вспышка соответствует процессу

6

неустойчивого, быстро прекращающегося горения. Такой процесс происходит потому, что скорость поступления горючей газопаровой смеси над поверхностью жидкого или твердого материала существенно ниже скорости окислительновосстановительной реакции. Создается ситуация, когда окислитель, например, кислород воздуха над поверхностью есть, но нет окисляемого вещества (восстановителя).

При достижении условий, когда нагретый жидкий или твердый горючий материал поставляет в газовую фазу пары со скоростью, равной скорости окислительно-восстановительной реакции, происходит воспламенение.

Воспламенение

Воспламенение – пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Вслед за воспламенением развивается устойчивое, непрекращающееся горение.

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают

7

очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

При воспламенении накаленными телами чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Установлено, что метановоздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200°С.

Трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:

Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; Н = 853,5 кДж/моль,

вызывающая нагрев места трения.

Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т.п.).

Различная воспламеняющая способность различных фи- зико-химических процессов связана с энергией, которая выделя-

8

ется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения.

Пламя всегда является эффективным источником воспламенения.

Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.

9

Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.

Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения.

Гомогенное и гетерогенное горение

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные системы). В гомогенных системах степень раздробленности веществ атомная, ионная, молекулярная. В таких смесях нет поверхности раздела фаз для индивидуальных веществ, т.е. нет ни капелек жидкости, ни твердых частичек. При гомо-

10