Горение: условия его возникновения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Горение: условия его возникновения

Содержание

Введение

1. Развитие теории горения

2. Тепловое, микробиологическое, химическое самовозгорание. Температура и время самонагревания

3. Теория горения газовых смесей. Фронт пламени. Линейная скорость перемещения фронта пламени по газовой смеси. Давление при взрыве

4. Поведение твердых веществ при нагревании, процессы образования летучих веществ. Пиролиз древесины и других органических материалов, его основные стадии, состав продуктов пиролиза. Горение металлов

Заключение

Список литературы

Введение

Характерной особенностью процессов горения является их большая скорость; она обусловлена протеканием реакций в пламени при высокой температуре и сильной зависимостью от температуры скоростей большинства химических процессов. В ряде случаев, когда реагирующая среда неоднородна, результирующая скорость превращения зависит в первую очередь от скорости доставки компонентов в зону реакции, а скорость собственно химического процесса становится несущественной. В такой ситуации решающее значение имеет физическое состояние реагирующих компонентов. В неоднородной среде, например, на границе раздела фаз, горение протекает обычно гораздо медленнее, чем в однородной смеси.

Наиболее важным видом горения является горение газов. Большинство твердых и жидких продуктов, участвующих в горении, перед вступлением в основную реакцию либо испаряется, либо разлагается с частичным превращением в газообразные продукты (газифицируется), которые затем реагируют в газовой фазе. Это происходит в результате прогрева соответствующего компонента (обычно горючего), обусловленного теплопередачей из зоны пламени. Лишь нелетучие горючие, например, кокс, твердые продукты пиролиза каменного угля, некоторые металлы, сгорают собственно гетерогенно, на границе раздела фаз. Поэтому закономерности горения газов представляют наибольший интерес.

В повседневной практике принято связывать процесс горения с окислением кислородом различных горючих - угля, газообразных углеводородов, нефтепродуктов и др.

В горючих системах различают горючее и окислитель. В современной технике часто встречаются системы, в которых окислителем служат оксиды азота, галоиды, озон. В ряде случаев в горении участвует только один исходный продукт - эндотермическое соединение, способное к быстрому распаду, полимеризации или самоокислению (взрывчатые вещества и пороха) со значительным тепловыделением. Все же горючие системы, в которых окислителем служит кислород воздуха, наиболее распространены.

Для того чтобы могли протекать реакции горения, необходимо создать условия для воспламенения смеси топлива и окислителя.

1. Развитие теории горения

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением.

В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Для процесса горения необходимо:

- наличие горючей среды, состоящей из горючего вещества и окислителя;

- источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения.

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

- полное -горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

- неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

- гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение взрывчатых веществ и порохов;

- гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель».

Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени(горения):

- нормальный режим горения;

- дефлеграционное горение;

- детонация.

Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным).

Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит.

В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 - 320м/сек)происходит взрывное (дефлеграционное) горение.

При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1.5 - 3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.6 - 0.9МПа.

Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 - 0.3сек, пыли ~0.5 сек.

Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 - 100 кПа.

В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 - 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.

При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны, сжатой быстрореагирующей(самовоспламеняющейся) смеси.

Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.

Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.

Таким образом, горение сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся превращением исходных компонентов реакционноспособной смеси в продукты горения и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света.

2. Тепловое, микробиологическое, химическое самовозгорание. Температура и время самонагревания

Самовозгоранием называется процесс возникновения горения при отсутствии постороннего источника зажигания. Происходит это при резком увеличении скорости экзотермических реакций в определенном объеме вещества, когда скорость выделения тепла превышает скорость теплоотвода в окружающую среду. К самовозгорающимся относятся вещества, у которых температура самонагревания ниже температуры самовоспламенения.

В зависимости от первичного импульса, запускающего механизм саморазогрева материала, различают следующие виды самовозгорания:

- тепловое;

- химическое;

- микробиологическое.

Тепловое самовозгорание - это экзотермический процесс окисления материала кислородом воздуха может быть инициирован предварительным подогревом этого материала до определенной температуры. Происходить это может при контакте с нагретыми поверхностями или газовой средой в процессе изготовления материала, его хранения или эксплуатации.

При подозрении на тепловое самовозгорание, кроме вышеперечисленных сведений, необходимо выяснить:

- были ли источники дополнительного подогрева материала (печи, трубы отопления, другие нагретые поверхности);

- какая температура этих источников, масса, поверхность нагрева, длительность действия, расстояние до материала;

- имелись ли условия для аккумуляции тепла.

Самонагревание древесины начинается при температуре 130-150°С.,однако, при длительном нагреве древесина может переходить в так называемое «пирофорное» состояние и загораться при температуре 90-110°С.

Возможна ситуация, когда склонный к самовозгоранию материал, после нагрева в процессе производства, складируется или транспортируется неохлажденным, в результате чего возникает самовозгорание. Характерным признаком самовозгорания при этом является расположение очагав объеме, а не на его поверхности. Данное обстоятельство, если оно выявлено, обязательно должно быть отражено в протоколе осмотра.

Расположение очага в объеме материала, ближе к центру массива, где наилучшие условия для аккумуляции тепла, а тепло потери наименьшие, является важным квалификационным признаком процесса самовозгорания, причем не только теплового, но и микробиологического.

Самовозгораются отложения краски в окрасочных камерах и их системах вентиляции.

Возможно самовозгорание угля в кучах и штабелях. При подозрении на такого рода причину, необходимо выяснить:

- марку складированного угля;

- размеры кучи или штабеля;

- возможное увлажнение до пожара;

- степень измельчения (кусковой, пыль).

Химическое самовозгорание является результатом взаимодействия двух веществ друг с другом или с окружающей средой (водой, кислородом воздуха), происходящего с выделением достаточного количества тепла.

На воздухе самовозгораются, например, желтый и белый фосфор, щелочные металлы (литий, калий, натрий), карбиды щелочных металлов (во влажном воздухе разлагаются с выделением ацетилена). Вследствие окисления на воздухе самовозгораются металлические порошки и пудры (алюминия, цинка, кобальта и др.).

Склонны к самовозгоранию растительные и животные масла, скипидар и некоторые другие вещества, содержащие химически активные непредельные С-С связи. Натуральная олифа, которая изготавливается из льняного масла, еще более склонна к самовозгоранию, нежели льняное масло, т.к. в него введены сиккативы, ускоряющие окисление и полимеризацию масла, что приводит к его высыханию.

Минеральные (нефтяного происхождения) масла склонны к самовозгоранию только загрязненные.

Необходимо иметь в виду, что самовозгорание масел и других жидкостей невозможно в сосуде или при их розливе в виде лужи или пленки по какой-либо поверхности. Самовозгораются только пропитанные жидкостью тряпки, вата, шерсть, опилки и другие пористые материалы, на развитой поверхности которых возможен хороший контакт масла с кислородом воздуха. Для самовозгорания нужно оптимальное количество масла на поверхности пористого материала (немного, но и не мало) и условия аккумуляции тепла. Ускоряют самовозгорание соли кобальта, марганца, свинца, некоторых других металлов.

Наименьшая температура, при которой наблюдалось самовозгорание такого рода10 - 15 °С, Период индукции - от нескольких часов до нескольких дней.

При подозрении на самовозгорание масла и подобных материалов необходимо выяснить:

- тип, вид масла, жира;

- что могло быть пропитано, в каком количестве, сколько времени пролежало до пожара;

- наличие условий для аккумуляции тепла.

Химическое самовозгорание возможно и при контакте пары веществ (материалов), одно из которых является сильным окислителем, другое -легко окисляемым веществом.

К первым относятся соли азотной кислоты (селитры), перманганат калия и натрия, хлораты, перхлораты, бихроматы, хромовый ангидрид, концентрированная серная (более 95%) и азотная кислоты, перекись водорода, органические перекиси и т.д.

Ко вторым - жидкие органические вещества (двух и трехатомные спирты, некоторые углеводороды) и мелкодисперсные твердые органические вещества (например, опилки, сахарный песок и пудра и т.д.), указанные выше порошки металлов.

При подозрении на химическое самовозгорание, связанное с экзотермическим взаимодействием двух веществ, необходимо в обязательном порядке затребовать сведения о веществах, которые могли находиться (храниться, транспортироваться) на объекте, где произошел пожар.

При осмотре места пожара необходимо:

- исследовать окружающие конструкции и предметы для выявления зоны длительного низкотемпературного пиролиза. Как правило, при самовозгорании (химическом, в частности) выделяющегося тепла не хватает для обеспечения мгновенного развития пламенного горения.Процесс обычно на начальном этапе протекает в форме тления, в зонах, где имеются условиядля аккумуляции тепла и лишь через какое-то время переходит в пламенное горение. Поэтому надо пытаться выявить и зафиксировать подобные зоны тления.

- отобрать пробы угля с целью установления температуры и длительности пиролиза. Это необходимо, в частности, для подтверждения режима горения в исследуемой зоне (тление или не тление).

- отобрать пробы для последующих инструментальных исследований с целью обнаружения в очаговой зоне остатков реагировавших между собой веществ.

Микробиологическое самовозгорание характерно для органических дисперсных и волокнистых материалов, внутри которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов (сена, соломы, овощей, зерна, фрезерного торфа и др.).

При отработке версии о микробиологическом самовозгорании по возможности необходимо получить следующие сведения:

- о влажности сена на момент пожара (известно, что для микробиологического самовозгорания влажность должна быть не менее 16%;

- время, прошедшее после закладки (опасность самовозгорания сохраняется до 3 - 4 месяцев; наиболее оно вероятно в течение 10 - 30 суток);

- размеры стога сена (по теоретической теплофизической оценке они должны быть не менее 2х2х2 метра; при меньших габаритах стог не способен загореться, т.к. слишком велики теплопотерив окружающую среду).

Важно также выяснить условия хранения и сушки сена. Возможно очаговое возникновение процесса в результате попадания в стог более увлажненного сена или увлажнения отдельных участков через дырявую крышу сенохранилища. «Пластовое» самовозгорание может начаться при миграции влаги в массе сена из-за перепада температур, например, при неравномерном обогреве или охлаждении, при этом в периферийных слоях, вблизи поверхности, образуется конденсационная влага.

Квалификационные признаки микробиологического самовозгорания, выявляемые при осмотре места пожара:

- очаг расположен в центре стога или массива другого, склонного к микробиологическому самовозгоранию материала, а не снаружи. Если копна сена имеет поверхностное обугливание (обгорание), а внутри нет следов горения, то это не самовозгорание, а горение, возникшее от внешнего источника открытого огня, искры и т.д.

- наличие неразвившихся очагов, в том числе в отдельных кипах. Они представляют собой локальные спекшиеся агломераты сена различной степени термодеструкции.

3. Теория горения газовых смесей. Фронт пламени. Линейная скорость перемещения фронта пламени по газовой смеси. Давление при взрыве

Исследование процессов горения горючих смесей российскими и зарубежными учеными дало возможность теоретически обосновать многие явления, сопровождающие процесс горения, в том числе и скорость распространения пламени. Изучение скорости распространения пламени в газовых смесях позволяет определять безопасные скорости газовоздушных потоков в трубопроводах вентиляционных, аспирационных и в трубопроводах других установок, по которым транспортируются газо- и пылевоздушные смеси.

В 1942 г. советский ученый Я.Б. Зельдович сформулировал положения теории горения и детонации газов. Теория горения дает ответ на основные вопросы: будет ли смесь данного состава горючей, какова будет скорость горения взрывоопасной смеси, каких особенностей и форм пламени следует ожидать. Теория утверждает, что, взрыв газо- или паровоздушной смеси - явление не мгновенное. При внесении источника зажигания в горючую смесь начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума - возникает горение. Горение на границе элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы. Толщина фронта пламени, по вычислениям Я.Б. Зельдовича, равна 1 - 100 мкм. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако достаточна для протекания реакции горения. Температура фронта пламени за счет тепла реакции горения составляет 1000 - 3000⁰С и зависит от состава горючей смеси. Вблизи фронта пламени температура смеси также повышается, что обусловлено передачей тепла теплопроводностью, диффузией нагретых молекул и излучением. На наружной поверхности фронта пламени эта температура равна температуре самовоспламенения горючей смеси. После воспламенения горючей смеси сферическая форма пламени очень быстро искажается и все более вытягивается в сторону еще не воспламененной смеси. Вытягивание фронта пламени и быстрое увеличение его поверхности сопровождается увеличением скорости движения центральной части пламени. Это ускорение длится до тех пор, пока пламя не коснется стенок труб или, во всяком случае, не приблизится близко к стенке трубы. В этот момент размер пламени резко уменьшается, и от пламени остается только небольшая его часть, перекрывающая все сечение трубы. Вытягивание фронта пламени и его интенсивное ускорение сразу после зажигания искрой, когда пламя еще не достигло стенок трубы, вызываются увеличением объема продуктов сгорания. Таким образом, в начальной стадии процесса образования фронта пламени, независимо от степени горючести газовой смеси, возникает ускорение и последующее торможение пламени, причем это торможение будет тем больше, чем больше скорость пламени.

На процесс развития последующих стадий горения оказывает влияние длина трубы. Удлинение трубы приводит к появлению вибраций и образованию ячеистой структуры пламени, ударной и детонационных волн.

Линейная скорость перемещения фронта пламени не постоянна, она изменяется в зависимости от составов смеси и примеси инертных (негорючих) газов, температуры смеси, диаметра труб и др. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрической концентрации смеси, а в смеси с избытком горючего. При введении в горючую смесь инертных газов скорость распространения пламени снижается. Объясняется это снижением температуры горения смеси, так как часть тепла расходуется на нагрев не участвующих в реакции инертных примесей. На скорость распространения пламени влияет теплоемкость инертного газа. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше он снижает температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распространения пламени.

При предварительном подогреве смеси скорость распространения пламени возрастает. Установлено, что скорость распространения пламени пропорциональна квадрату начальной температуры смеси.

С увеличением диаметра труб скорость распространения пламени растет неравномерно.

При увеличении диаметра труб до 0,10 - 0,15 м скорость растет довольно быстро; при дальнейшем увеличении диаметра труб она продолжает увеличиваться, но в меньшей степени. Увеличение температуры происходит до тех пор, пока диаметр не достигнет некоторого предельного диаметра, выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки трубы.

Следовательно, чтобы прекратить распространение пламени в горючей смеси, необходимо тем или иным способом понизить температуру смеси, охлаждая сосуд извне или разбавляя смесь холодным инертным газом.

Нормальная скорость распространения пламени сравнительно невелика (не более десятков метров в секунду), но в некоторых условиях пламя в трубах распространяется с огромной скоростью (от 2 до 5 км/с), превышающей скорость звука в данной среде. Это явление назвали детонацией. Отличительные особенности детонации, следующие: постоянная скорость горения независимо от диаметра трубы; высокое давление пламени, вызванное детонационной волной, которое может превышать 50 МПа в зависимости от химической природы горючей смеси и начального давления; причем вследствие большой скорости горения развиваемое давление не зависит от формы, емкости и герметичности сосуда (или трубы).

Горючие газовые смеси имеют две теоретические температуры горения - при постоянном объеме и при постоянном давлении, причем первая всегда выше второй.

По температуре взрыва находят давление взрыва. Давление при взрыве газовоздушной смеси в закрытом объеме зависит от температуры взрыва и отношения числа молекул продуктов горения к числу молекул по взрывчатой смеси. При взрыве газовоздушной смеси давление обычно не превышает 1,0 МПа, если первоначальное давление смеси было нормальным. При замене воздуха во взрывчатой смеси кислородом резко увеличивается давление взрыва, поскольку увеличивается температура горения.

При взрыве даже стехиометрической газовоздушной смеси значительное количество тепла затрачивается на нагревание азота, находящегося в смеси, поэтому температура взрыва таких смесей намного ниже температуры взрыва смесей с кислородом.

Максимальное давление взрыва используют в расчетах взрывоустойчивости аппаратуры, а также в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования.

4. Поведение твердых веществ при нагревании, процессы образования летучих веществ. Пиролиз древесины и других органических материалов, его основные стадии, состав продуктов пиролиза. Горение металлов

Особенность горения твердых горючих веществ состоит в том, что при нагреве они частично разлагаются, образуя парогазовую горючую систему. Эту часть горючих веществ называют летучей.

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых веществ, происходит не только их выгорание, но и распространение пламени по еще не горящей поверхности. Горение твердых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твердого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. При быстром нагревании частиц топлива (для частиц малого диаметра) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается четкая стадийность начального этапа горения - сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твердого, так называемого коксового остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива - золу.

Пожарная опасность твердых веществ и материалов характеризуется их склонностью к возгоранию и самовозгоранию. К возгоранию относятся случаи возникновения горения при воздействии внешних источников зажигания с температурой выше температуры самовозгорания. К самовозгоранию относятся случаи горения, возникающие при температуре окружающей среды.

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 друг с другом.

В условиях большинства пожаров горят твердые вещества, которые широко используются в народном хозяйстве и быту. К ним в первую очередь относятся материалы, изготовленные на основе целлюлозы.

Целлюлозные материалы содержат кислород, который участвует в процессе горения так же, как кислород воздуха. В связи с этим объем воздуха, теоретически необходимый для их горения, значительно меньше, чем для горения горючих веществ, в состав которых кислород не входит. Этим же объясняется низкая теплота сгорания целлюлозных материалов и способность их к тлению. Полости и поры волокнистых и пористых целлюлозных материалов, кроме того, заполнены воздухом, что способствует их горению. Горение таких веществ происходит без образования сажи.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием паров, газов и углеродистого остатка. Количество образующихся при этом газообразных продуктов (летучих) и их состав зависят от температуры и режима нагревания горючих веществ. Торф начинает разлагаться уже при температуре от 100 до 105 °С, заметное разложение протекает при 150 °С. Медленное разложение древесины начинается при температуре от 160 до 170 °С, а заметный выход газообразных продуктов происходит при температуре от 250 до 300 °С.

При начальной температуре разложения твердых веществ скорость образования газообразных продуктов небольшая, с повышением температуры она увеличивается. При дальнейшем повышении температуры скорость выделения газообразных продуктов уменьшается, приближаясь к некоторому минимальному значению. Таким образом, газообразные продукты при нагревании твердых веществ образуются в определенном интервале температур и с переменной скоростью, причем при разложении разных горючих материалов выделяется различное количество газообразных продуктов.

Состав газообразных продуктов разложения не постоянен, он изменяется в зависимости от температуры разложения твердых веществ. При низких температурах преобладает двуокись углерода и водяной пар, при более высоких образуются горючие газы: водород, метан и др.

Пиролиз древесины (сухая перегонка древесины) это разложение древесины при ее нагревании до температуры 450 °C без доступа кислорода. В результате данного процесса образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола смолы) продукты, а также твердый остаток - древесный уголь.

В основе процесса пиролиза древесины лежат различные свободнорадикальные реакции термодеструкции целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз, протекающие при температурах от 200 до 400°C. Пиролиз древесины -- это экзотермический процесс, при котором образуется довольно большое количество теплоты (около 1150кДж/кг).

При термическом распаде древесины образуются древесный уголь, жидкие и газообразные продукты. Жидкие продукты выходят из горячей зоны частично в капельной фазе, частично в парах, образуя вместе с неконденсирующимися газами парогазовую смесь.

Процесс пиролиза обычно включает четыре стадии.

1. Сушка древесины: температура не выше 150 °С; процесс эндотермический; состав древесины почти не изменяется.

2. Начальная стадия распада древесины: температура от 150 до 270-275 °С; процесс эндотермический; начинается разложение гемицеллюлоз и отдельных фрагментов лигнина; образуются низкомолекулярные продукты (вода, оксиды углерода, метанол, уксусная кислота и др.).

3. Стадия собственно пиролиза: температура от 270 - 275 °С до 450 °С; процесс экзотермический; происходит интенсивный распад целлюлозы и лигнина с образованием основной массы продуктов распада и формирование структуры угольного остатка.

4. Прокалка угля: температура в зависимости от типа аппарата лежит в диапазоне 450 - 600 °С; происходит отщепление остаточных функциональных групп от углеродного скелета; эндотермические и экзотермические реакции идут параллельно, суммарный баланс стадии - эндотермический.

Самой продолжительной и энергоемкой стадией из всех перечисленных выше является сушка древесины до влажности 15%.

Для осуществления процесса пиролиза древесины обычно применяют лиственные породы, но иногда используют и древесину хвойных пород. Современные технологии пиролиза позволяют получить из древесины березы:

- древесный уголь - 24-25% древесного угля;

- жидкие отходы (так называемая жижка) - 50-55%;

- газообразные продукты - 22-23%

Газообразные продукты пиролиза древесины (неконденсирующиеся газы) включают в себя:

- диоксид углерода CO2 (примерно 45-55%);

- оксид углерода CO (28-32%);

- водород H2 (1-2%);

- метан CH4 (8-21%);

- другие углеводороды (1,5-3,0%).

Состав газообразных продуктов пиролиза древесины зависит от температуры пиролиза, скорости и от способа нагрева. Теплота сгорания газообразных продуктов колеблется в диапазоне величин от 3,05 до 15,2 МДж/мі. Все перечисленные выше факторы, а также порода древесины, ее качество и влажность определяют конечный выход продуктов пиролиза.

С увеличением температуры возрастает выход древесной смолы и газообразных продуктов, но снижается выход древесного угля, спиртовых продуктов и уксусной кислоты. Уголь в результате увеличения температуры образуется с более высоким процентным содержанием углерода. Средний выход главных продуктов пиролиза древесины составляет (из расчета на сухую древесину):древесный уголь - 23-24%, древесная смола - 10-14%, уксусная кислота - 5-7%

Техника пиролиза древесины достаточно разнообразна, однако большинство используемых в мировой практике устройств безнадежно устарело и не отвечает всем современным требованиям.

Почти все металлы, металлоиды и их соединения при нагревании плавятся и образуют над поверхностью слой паров. Горение металлов во многом зависит от их температуры плавления и кипения, а также температуры плавления и кипения их окислов. По характеру горения металлы делятся на две группы: летучие и нелетучие.

Летучие металлы (Li, Na, K, Mg, Ca)имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура их кипения (кроме калия) ниже температуры плавления окислов, поэтому на жидком металле могут находиться твердые окислы.

При контакте металлов с источником воспламенения, например, пламенем, они нагреваются и окисляются. Окислы всех металлов пористые и не способны изолировать поверхность металла от дальнейшего окисления, а, следовательно, и нагревания. Через некоторое время металл расплавляется и начинает испаряться. Пары его диффундируют сквозь пористый твердый окисел в воздух. Когда концентрация паров в воздухе достигнет нижнего предела воспламенения, возникает горение. Зона диффузионного горения устанавливается вблизи поверхности окисла, и большая часть теплоты реакции передается металлу, в результате чего он нагревается до температуры кипения. Кипение металла вызывает разрыв корки окисла и более интенсивное горение.

Так как температура горения летучих металлов превышает температуру кипения их окислов, последние находятся в зоне горения в газообразном состоянии. Из зоны горения пары окислов диффундируют как в твердую корку окислов, так и в воздух, где они, охлаждаясь, конденсируются и превращаются затем в мельчайшие твердые частицы окисла - дым. Образование белого плотного дыма является одним из признаков горения летучих металлов.

Нелетучие металлы (Al, Be, Тi) имеют свои особенности горения. Окислы нелетучих металлов часто имеют температуру плавления ниже температуры кипения металлов, поэтому они могут находиться на поверхности металла в жидком состоянии. В связи с этим окислы в значительной степени замедляют окисление металлов. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоянии порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма.

Титан способен образовывать твердый раствор окисла в металле, поэтому у него отсутствует отчетливая поверхность раздела между окислом и металлом. Кислород воздуха имеет возможность диффундировать через окисел, в результате чего горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердой окиси. Температура горения титана около 3000 °С, т. е. ниже, чем температура кипения его окисла. В связи с этим в зоне горения окись титана находится в жидком состоянии, поэтому при горении титана плотного белого дыма также не образуется.

Многие металлы и сплавы способны загораться. Отдельные металлы, которые обычно считаются негорючими, воспламеняются и горят в мелко раздробленном состоянии. Аэрогели и аэрозоли многих металлов пожаро- и взрывоопасны, известны разрушительные промышленные взрывы металлической пыли.

В связи с применением металлов в высокотемпературных и коррозионных средах, в реактивных двигателях, в качестве ракетного топлива потребовались более глубокие исследования горения металлов.

Горение металла - это экзотермический гетерогенный процесс, при котором одно из реагирующих веществ - металл (сплав) - находится в твёрдой фазе, а другое - окислитель - в окружающей среде. Продукты реакции могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

Скорость гетерогенного химического процесса не может возрастать неограниченно, она определяется как истинной скоростью протекания химической реакции на поверхности металла, так и скоростью подвода реагирующих веществ к этой поверхности благодаря диффузии. При низких температурах, когда скорость реакции мала по сравнению со скоростью диффузии (кинетическая область), суммарная скорость процесса определяется истиной кинетикой на поверхности металла и экспоненциально возрастает с повышением температуры (согласно закону Аррениуса) до тех пор, пока скорость химической реакции не станет сравнимой со скоростью диффузии. После этого процесс переходит в диффузионную область, и скорость его определяется скоростью диффузии, весьма слабо возрастая с повышением температуры.

Металлы отличаются от других твердых горючих веществ тем, что на их поверхности в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту реагирующих веществ. Опыты по возгоранию металлов показали, что некоторые из них (Fe, Al, Zn, Sn) в компактном состоянии способны гореть только в виде кусочков, проволочек, фольги, ленты. В виде же порошка они способны даже самовозгораться и гореть в большой массе. Другие металлы (К, Na, Li) способны возгораться и гореть в компактном состоянии и в большой массе.

Заключение

Для осуществления горения необходимо выполнение определенных условий, без которых горение невозможно. Первое условие состоит в том, что все процессы горения протекают исключительно в парогазовой фазе. Вторым условием осуществления горения является наличие трех компонент:

* горючего газа или пара в определенной концентрации с определенной областью воспламенения;

* окислителя, способного в определенных условиях вступать в химическую реакцию с реагирующим горючим газом;

* источника воспламенения с достаточной энергией для поджигания и осуществления химической реакции воспламенения горючей смеси.

Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения.

Особенность горения твердых горючих веществ состоит в том, что при нагреве они частично разлагаются, образуя парогазовую горючую систему. Горение металлов во многом зависит от их температуры плавления и кипения, а также температуры плавления и кипения их окислов.

Список литературы

горение пиролиз самовозгорание

1. Бегишев И.Р., Бобков С.А., Исаев Л.К. Теоретические основы процессов горения. М.: Академия, 2001. 109 с.

2. Вильямс Ф.А. Теория горения. М.: Наука, 2001. 615 с.

3. Зельдович Я.Б. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 2000. 478 с.

4. Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва. М.; Пожнаука, 2007. 266 с.

5. Хитрин Л.Н., Физика горения и взрыва. М.: ИНФРА-М, 2007. 428 с.

6. Чешко И.Д., Юн Н.В., Плотников В.Г. Осмотр места пожара: Методическое пособие М.: ВНИИПО, 2004. 503 с.

Размещено на Allbest.ru

...