Условия возникновения и развития процессов горения

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.

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.

Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным. Под самовоспламенением понимается такое прогрессирующее самоускорение химической реакции, в результате которого медленно протекающий в начальной стадии процесс достигает больших скоростей и на завершающей стадии протекает мгновенно.

Вынужденное воспламенение (зажигание) обусловлено внесением в реагирующую смесь источника теплоты, температура которого выше ее температуры воспламенения. Газо-воздушная смесь, не воспламеняющаяся при низкой температуре, может воспламениться при повышенной температуре, когда создаются благоприятные условия для возникновения активных центров в результате потери устойчивости сложных исходных молекул веществ.

Процесс воспламенения характеризуется тем, что имеются определенные границы (пределы), вне которых воспламенение не наступает ни при каких условиях. Известно, что газо-воздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. При незначительном содержании газа количество теплоты, выделившейся при горении, недостаточно для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения, т. е. для распространения пламени. То же наблюдается и при слишком большом содержании газа в газо-воздушной смеси. Недостаток кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в результате чего соседние слои смеси не нагреваются до температуры воспламенения. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости. Для метана нижний предел воспламеняемости в воздухе составляет 5,3%, верхний — 14,0%. Смесь метана с кислородом имеет нижний предел 5,1%, а верхний — 61%. Поэтому кроме перемешивания газа с воздухом в определенных пропорциях должны быть созданы начальные условия для воспламенения смеси.

Температура воспламенения газа зависит от ряда факторов, в том числе от содержания горючего газа в газо-воздушной смеси, давления, способа нагрева смеси и т. д., и поэтому не является однозначным параметром. Температура воспламенения метана в воздухе составляет от 545 до 850 °C.

В практике используются оба способа воспламенения горючих смесей: самовоспламенение и зажигание. При самовоспламенении весь объем горючей газо-воздушной смеси постепенно путем подвода теплоты или повышения давления доводится до температуры воспламенения, после чего смесь воспламеняется уже без внешнего теплового воздействия. В технике широко применяется второй способ, именуемый зажиганием. При этом способе не требуется нагревать всю газо-воздушную смесь до температуры воспламенения, достаточно зажечь холодную смесь в одной точке объема каким-нибудь высокотемпературным источником (искра, накаленное тело, дежурное пламя и т. д.). В результате воспламенение передается па весь объем смеси самопроизвольно путем распространения пламени, происходящего не мгновенно, а с определенной пространственной скоростью. Эта скорость называется скоростью распространения пламени в газо-воздушной смеси и является важнейшей характеристикой, определяющей условия протекания и стабилизации горения.

Пределы воспламенения газо-воздушных смесей расширяются с повышением температуры, влияние же давления носит более сложный характер. Повышение давления выше атмосферного для некоторых смесей (например, водорода с воздухом) сужает пределы воспламенения, а для других (смесь метана с воздухом) — расширяет. При давлении ниже атмосферного верхний и нижний пределы сближаются, т. е. концентрационные пределы воспламенения сужаются.

Условиями осуществления вынужденного воспламенения являются наличие эффективного источника зажигания и способность образовавшегося фронта пламени самопроизвольно перемещаться (распространяться) в объеме газовоздушной смеси. Этот процесс носит название распространения пламени.

Различают два режима стационарного распространения пламени: в покоящейся или ламинарно движущейся среде и в турбулентном потоке. Первый носит название нормального распространения пламени, а второй — турбулентного.

Рассмотрим явления, происходящие в холодной горючей среде при ее локальном поджигании, которое заключается в быстром разогреве малого объема горючей среды до весьма высокой температуры. Полагаем, что она достаточна для того, чтобы в разогретой области практически мгновенно закончились возможные химические реакции и установилось состояние равновесия, поскольку скорость реакции сильно зависит от температуры. К такому локальному нагреванию обычно приводит газовый разряд либо пережигание тонкой короткой металлической нити током короткого замыкания.

Если реакция в разогретом газе экзотермическая, как это всегда имеет место при горении, то происходит разогрев соседнего слоя газа, обусловленный теплопроводностью. В этом слое в свою очередь произойдут химическое превращение и сопровождающее его выделение тепла Так возникает процесс послойной передачи импульса, инициирующего реакцию и выделение тепла по всему объему, заполненному горючей средой. Зона интенсивной реакции, или зона горения, перемещается в пространстве — происходит распространение пламени.

Реакция в пламени — самоускоряющаяся, обычно до практически полного ее завершения: тепловыделение и химический процесс взаимно ускоряют друг друга. Скорость перемещения пламени определяет интенсивность процесса горения и является его важнейшей характеристикой. Распространение пламени по однородной горючей среде, при котором зона самоускоряющейся реакции движется вследствие послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов превращения, называют нормальным горением или дефлаграцией. Изложенные качественные представления о механизме горения были развиты одним из основоположников теории горения В. А. Михельсоном.

Зону изменения температуры и состава от начальных, соответствующих холодной горючей среде, до конечных, которые имеют продукты реакции, называют фронтом пламени. Опыт показывает, что эти величины изменяются во фронте пламени очень резко; ширина фронта пламени, границы которого, естественно, строго не фиксированы, при нормальном атмосферном давлении обычно не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому во многих случаях можно рассматривать фронт пламени как поверхность, разделяющую холодную горючую среду и нагретые продукты сгорания. Такой прием облегчает установление ряда общих закономерностей, не связанных со спецификой реакций в пламени. При этом скорость реакции и скорость тепловыделения мы будем рассматривать не как объемные, а как поверхностные характеристики и будем относить их к единице поверхности фронта пламени.