Теория горения аэровзвесей

 

Аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газовоздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газовоздушные смеси:

- нижним концентрационным пределом воспламенения,

- минимальным взрывоопасным содержанием кислорода,

- минимальной энергией зажигания,

- максимальным давлением взрыва и скоростью нарастания давления.

Процесс воспламенения аэровзвеси протекает в соответствии с тепловой или цепной теорией самовоспламенения. Для большинства органических пылей характерно протекание под воздействием источника зажигания подготовительных процессов, как и для твердых веществ. Затем начинается окисление, достигается температура самонагревания и происходит самовоспламенение.

Образовавшийся фронт пламени распространяется по аэровзвеси с определенной скоростью, которая зависит от ряда факторов

 

где — коэффициент Стефана — Больцмана, Вт/(м^г • К⁴) ; Т_в — эквивалентная температура излучения; С₀ — объемная теплоемкость аэрозоля, Дж/(м² К); Т_в — температура воспламенения частиц, К; Т₀ — начальная температура аэрозоля, К.

Скорость распространения фронта пламени возрастает с уменьшением объемной теплоемкости аэровзвеси и повышением ее начальной температуры.

Скорость распространения фронта пламени обратно пропорциональна диаметру частиц аэровзвеси.

Давление при взрыве и скорость его нарастания уменьшаются с увеличением размера пылинок. При крупности пылинок 40—50 мкм

нижний концентрационный предел воспламенения и скорость распрост-
ранения пламени мало зависят от диаметра, но с увеличением крупности
частиц резко возрастает нижний концентрационный предел воспламене-
ния и уменьшается скорость распространения пламени.

Скорость распространения фронта пламени зависит от концентрации пыли. Минимальная скорость распространения пламени достигается при концентрации пыли, на много большей стехиометрической. Это свидетельст-
вует о том, что процесс горения пыли несовершенен; сгорают наиболее мелкие частицы пыли, крупные — не успевают разложиться и лишь обугливаются с поверхности.

Скорость распространения пламени при горении пыли зависит от концентрации кислорода в воздухе. С увеличением концентрации О₂ скорость распространения пламени возрастает. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается в чистом кислороде.

Исследование процесса распространения пламени в аэровзвесях угольной пыли показали, что в трубах или штольнях значительной протяженности возникает ударная волна. Установлено, что при горении каменноугольной пыли скорость распространения ударной волны равна 338 м/с, скорость движения воздуха за ударной волной 30 м/с, скорость пламени 7 м/с, скорость сгоревших газов позади пламени 5 м/с. Этот режим быстрого распространения пламени, до некоторой степени приближающийся к режиму детонации, обусловлен не теплопроводностью или излучением, а сжатием прилегающих к фронту пламени слоев газа и связанным с ним резким повышением температуры. В этом случае процесс распространения взрыва, очевидно, будет определяться свойствами газовой фазы, образовавшейся при сгорании аэровзвесей.

При возникновении даже самой небольшой локальной вспышки аэрогель быстро переходит во взвешенное состояние, что приводит к образованию вторичного, более сильного взрыва пыли. Взрывная ударная волна опережает фронт пламени, переводя во взвешенное состояние по пути своего движения все большие и большие количества пыли, подготавливая среду для распространения пламени и таким образом усиливает взрывной эффект.

При горении аэровзвесей некоторых веществ газообразные продукты не образуются (например, при горении алюминия), и объем газообразных продуктов после взрыва равен объему газообразных веществ до реакции. В этом случае увеличение давления при взрыве объясняется лишь нагреванием.

Давление, возникающее при взрыве аэровзвеси, сопровождается волной сжатия, скорость распространения которой в окружающей среде может изменяться от нескольких сантиметров в секунду до нескольких сотен
метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения и повреждения оборудования.

Пыль-аэрогель можно представить как твердое вещество в состоянии тонкого измельчения. При ее нагревании возникает окисление, которое при определенной скорости реакции переходит в самовоспламенение и горе-
ние. Температура самовоспламенения пыли-аэрогеля и процесс горения ее практически не отличаются от температуры самовоспламенения и характера горения твердого вещества.