Горение твердого топлива

 7.1. Физические и химические явления в процессе горения частиц твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, испарение влаги (подсушка топлива), выделение (возгонка) летучих веществ, образование кокса, воспламенение и горение летучих веществ и кокса. Горение летучих веществ – гомогенный процесс, протекающий в объеме топочной камеры, а горение углерода кокса – гетерогенный, протекающий на поверхности частицы кокса. Основной горючей составляющей твердого топлива является углерод коксового остатка. Его доля в общем тепловыделении составляет 70-95% - для каменных углей и антрацитов и 50-70% - для бурых углей и торфа. Продолжительность горения углерода коксового остатка составляет около 90% полного времени пребывания частицы в топке. Следовательно, горение углерода является определяющей стадией процесса горения твердого топлива.

При горении твердого топлива самой химической реакции предшествует процесс подвода кислорода к реагирующей поверхности. Поэтому процесс горения твердого топлива является сложным гетерогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух стадий: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекулярной диффузией и химической реакции на ней.

Углерод кокса так же, как и графит, имеет аморфную структуру, состоящую из хаотически расположенных кристаллов. Его поверхность неоднородна и шероховата, изрезана порами и трещинами, которыеобразуют ее внутреннюю поверхность. Если кислород проникает в поры частицы кокса, то химические процессы протекают не только на ее внешней поверхности, но и на внутренней.

Между углеродом коксового остатка и кислородом возможны две первичные гетерогенные реакции окисления:

 

                                    С +О₂ = СО₂ + 409,1 кДж/моль;

 

                                    2С + О₂ = 2СО + 2∙123,3 кДж/моль.

 

 При повышении температуры выход СО увеличивается. Установлено, что на горение углерода коксового остатка зола не оказывает существенного влияния.

Кроме реакций окисления углерода коксового остатка возможно протекание вторичных реакций между продуктами первичных реакций, углеродом и избытком кислорода, содержащимся в продуктах сгорания. Полученный оксид углерода реагирует с избытком кислорода (гомогенная реакция):

                                 СО + О₂ = СО₂ + 285,8 кДж/моль,

 

а диоксид углерода при высокой температуре может реагировать с углеродом коксового остатка:

 

                                  О₂ + С = 2СО – 162,5 кДж/моль.

 

Эта эндотермическая (с поглощением тепла) реакция является окислительной для углерода и восстановительной для СО₂.

  В процессе горения изменяется температура частиц и газовой среды, причем температура частиц может значительно превышать температуру среды. В случае крупных частиц при малых скоростях обтекания летучие и оксид углерода, образовавшийся в первичном реагировании, сгорают у поверхности, а при больших скоростях уносятся потоком и сгорают за тыльной стороной частиц, образуя газовый факел. В случае же мелкой пыли вследствие интенсивного массообмена летучие уносятся и сгорают в газовой среде. Следовательно можно считать, что горение летучих и кокса происходит в виде последовательных стадий.

Различают кинетический и диффузионный режимы гетерогенного горения частиц топлива. При кинетическом режиме горения скорость протекания химических реакций на поверхности частицы углерода значительно ниже скорости протекания диффузионного массопереноса кислорода к реакционной поверхности. Этот режим гетерогенного горения обычно имеет место в области сравнительно низких температур (менее 1000^оС) или при очень высокой скорости обдувания частицы воздушным потоком.

При диффузионном режиме гетерогенного горения частиц углерода скорость протекания химических реакций на поверхности частицы значительно превышает скорость диффузионного массообмена. Этот режим горения частиц углерода имеет место в области высоких температур (более 1300^оС) и низких значений скоростей обдувания частицы воздухом.

 

 

          7.2.Горение пылевидного топлива в факеле

  Пылевидный способ сжигания твердых топлив в факеле имеет определенные преимущества перед другими способами (например, слоевым), так как позволяет сжигать многозольные и высоковлажные топлива, полностью механизировать и автоматизировать подачу и сжигание топлива, удаление шлаков и золы. При подготовке исходного топлива существующими методами (дробление, размол) в факеле горят частицы, размеры которых отличаются друг от друга на один-два порядка, то есть в топочной камере сжигается полифракционная пыль.

             Горение угольной пыли происходит во взвешенном состоянии в газовоздушных потоках при движении их через топочную камеру. Поэтому протекание горения ограничивается топочным пространством и чрезвычайно коротким временем пребывания частиц в топке, составляющим 1-3 с. За такое короткое время должны произойти все стадии горения частицы топлива (нагревание, выделение влаги и летучих веществ, воспламенение и горение летучих веществ и углерода коксового остатка). Наиболее длительной является стадия горения углерода коксового остатка. Продолжительность этой стадии определяется размером частиц и содержанием углерода в частице кокса, величина которого зависит от выхода летучих веществ из топлива.

  Угольная пылинка, обычно имеющая продолговатую форму и шероховатую поверхность, имеет большую парусность. Пылевидные частицы при установившемся движении парят в высокотемпературной газовоздушной среде и практически следуют вместе с газовоздушным потоком с той же скоростью. При малой относительной скорости движения частиц в потоке, практически равной нулю, уменьшается интенсивность обмена газов на их поверхности. Однако значительное увеличение поверхности пыли при тонком размоле и молекулярной диффузии обусловливает высокую интенсивность пылевидного сжигания.

При факельном сжигании твердого топлива применяют пыль тонкого помола с размером частиц от 50-60 мкм (антрацит, тощие угли) до 150-200 мкм (бурые угли, торф). Как видно, оптимальный размер частиц тем меньше, чем меньше выход летучих веществ.

Для подсушки топлива, повышения температурного уровня в топке и интенсификации процесса сжигания применяют подогрев воздуха, идущего на горение. Так при сжигании высоковлажных бурых углей, а также антрацита и тощих углей осуществляют подогрев воздуха до 350-400^оС. При сжигании сухих каменных углей подогревают воздух до 250-300^оС.

При очень малом времени пребывания частиц угольной пыли в факельной топке продолжительность выделения и горения летучих соизмерима с продолжительностью горения коксового остатка. Горение летучих затягивается почти на весь период горения пыли в факеле. При очень малой относительной скорости движения частицы в газовоздушном потоке горение летучих происходит непосредственно вблизи поверхности частицы кокса и выделяемая при этом теплота влияет на прогрев и воспламенение частицы кокса. Следовательно, чем выше выход летучих веществ из топлива, тем их горение интенсивнее влияет на горение частицы кокса.

Угольная пыль отличается полифракционным составом с частицами различных размеров. Горение угольной пыли в факеле начинается с мелких фракций. Выделяемая при этом теплота ускоряет прогрев более крупных фракций, но их горение завершается в зоне, где значительная часть кислорода уже израсходована. Поэтому горение крупных фракций

сопровождается потерями теплоты от механического недожога частиц кокса, уносимых из топки дымовыми газами.

Стадия подготовки топлива к горению, предшествующая воспламенению летучих горючих и кокса, завершается на начальном участке факела протяженностью не более 0,6-1 м. Далее в условиях высокой концентрации горючего и окислителя и при повышенной турбулентности потока, создаваемой горелкой, протекают процессы активного горения летучих веществ и кокса. На этом участке факела в основном завершается выгорание топлива и происходит интенсивное выделение теплоты. Зона топочной камеры, в пределах которой горение топлива практически завершается и выделяется 85-90% теплоты топлива, а также устанавливается наиболее высокая температура, называется зоной ядра горения. Она занимает 20-30% объема топочной камеры.

  В остальной части топки в условиях пониженной концентрации горючего и окислителя и слабой турбулизации газового потока происходит догорание частиц кокса. С целью повышения интенсивности горения в этой зоне создают такой аэродинамический режим, при котором турбулизация газового потока будет распространяться на весь объем топочной камеры. В зоне догорания тепловыделение, как правило, ниже отвода теплоты в среду, окружающую факел (экраны топки котлоагрегата, нагреваемые материалы и изделия огнетехнических установок, наружные ограждения топки), поэтому температура газов в зоне догорания понижается.

В зоне ядра факела горение протекает при высокой температуре (1400-1600^оС). Кинетическое уравнение гетерогенного горения частицы кокса имеет вид

                                          W = Со₂⁰ / (1/α_д + 1/k),

 

где W – скорость реакции гетерогенного горения (количество кислорода, потребляемое единицей реакционной поверхности за единицу времени), моль/(м²∙с);

  Со₂⁰ – концентрация кислорода в объеме, окружающем частицу, кмоль/м³;

   α_д - коэффициент диффузионного массообмена, м/с;      

    k – константа скорости химической реакции, м/c.

Константа скорости химической реакции, имеющая экспоненциальную зависимость от температуры (см. уравнение Аррениуса в разделе 2), при высокой температуре в зоне ядра факела горения, достигающей 1400-1600^ОС, приобретает очень высокое значение. В этой же зоне вследствие высокой концентрации горючего и

окислителя и повышенной турбулизации потока коэффициент диффузионного массообмена α_д также будет максимальным. Учитывая низкую относительную скорость движения частиц в потоке, его абсолютная величина будет сравнительно невелика и α_д >> k. Таким образом, в зоне ядра факела диффузионные процессы являются определяющими для горения пылеугольного факела.

При переходе из зоны ядра факела в зону догорания и охлаждения происходит изменение как кинетических, так и диффузионных условий горения. Константа скорости химической реакции k уменьшается вследствие понижения температуры, а коэффициент диффузионного массообмена α_д – вследствие уменьшения турбулентности газового потока. В зависимости от конкретных условий в зоне дожигания и охлаждения могут наблюдаться различные условия реагирования.

 Например, при значительном понижении температуры горение происходит в промежуточной области. Если же в зоне догорания температура остается достаточно высокой, то горение может перейти в диффузионную область реагирования. Таким образом, для всего факела в целом определяющим фактором горения являются процессы диффузионного массообмена на поверхности частицы кокса. При слабой турбулентности газового потока в факеле горение может не завершиться в пределах топочной камеры, что вызовет увеличение потерь теплоты с механической неполнотой горения топлива.

Для полного горения важное значение имеет раннее устойчивое воспламенение частиц топлива, подаваемых в топку вместе с воздухом. Чтобы ускорить прогревание пылевоздушной струи, разделяют воздух на первичный и вторичный. Кроме того, обеспечивают рециркуляцию топочных газов в корень факела. При сжигании угольной пыли для раскрытия потоков топлива и воздуха в корне факела кроме горелки с лопаточным аппаратом применяют также горелки с закручиванием в улиточном аппарате и с конусом-рассекателем. В двухулиточной горелке (рис.7.1, а) завихривание первичной пылевоздушной смеси происходит с помощью улитки 1, а вторичного воздуха – при помощи улитки 2. В прямоточно-улиточной горелке (рис.7.1, б) аэропыль подается по прямоточному каналу и разделяется в стороны рассекателем 5, а вторичный воздух закручивается в улиточном аппарате. Таким образом, смесь топлива с воздухом выходит в топку в виде завихренного полого конуса, в котором максимальная концентрация пыли будет на его внутренней поверхности, куда подмешивается осевой поток рециркулируемых топочных газов 4, обеспечивая прогрев и воспламенение пыли. Периферийный поток 3 прогревает факел снаружи.

Вследствие низкой концентрации пыли в факеле, около 20-30 г в 1 м³, запас топлива в топке ничтожный, поэтому пылеугольные топки малоинерционны и управление ими хорошо поддается автоматизации.Пылеугольные топки допускают работу с небольшими избытками воздухаи, неограничивая подогрев воздуха, позволяют иметь температуру на выходе из топочной камеры, приемлемую по условиям надежности работы и экономичности.

 

                 

 

  Рис. 7.1. Схемы вихревых пылеугольных горелок:

   а – двухулиточная; б – прямоточно-улиточная

 

К недостаткам камерных топок относятся: расход энергии на приготовление пыли, значительный унос золы газами в конвективные газоходы, вызывающий износ хвостовых поверхностей нагрева и необходимость установки золоуловителей.

 

 

                   7.3. Горение твердого топлива в слое

    Слоевой метод сжигания твердого топлива занимает видное место в технологии сжигания наряду с факельными методами. Слоевые топки и аппараты для сжигания топлива широко применяются в энергетике, металлургии и химическом производстве. Высокая стабильность процесса горения в широком диапазоне форсировок, возможность сжигания топлив с различной влажностью, отсутствие сложной и энергоемкой системы пылеприготовления, простота в управлении – все эти обстоятельства делают слоевые топочные устройства в установках сравнительно небольшой производительности предпочтительными.

      В слоевых топках имеется значительный запас топлива, соизмеримый с его часовым расходом. Наличие значительного количества горящего топлива стабилизирует процесс горения. В слое при повышенных скоростях обтекания частиц топлива горение обычно протекает в диффузионной области. Поэтому слоевой процесс интенсифицируется форсировкой воздушного потока, а топливо подают в зависимости от изменения скорости горения. Форсировка дутья, а следовательно, и интенсификация сжигания ограничивается аэродинамической устойчивостью слоя и появлением значительного уноса штыбовых фракций. Для слоевого сжигания оптимальными являются куски величиной 20-30 мм, так называемый сорт «орешек», при которых обеспечивается достаточно устойчивое залегание частиц в слое и достаточно развитая поверхность реагирования.

При слоевом процессе сжигания куски топлива образуют слой, через который проходит воздух, необходимый для горения. Влага и летучие вещества из свежего топлива выделяются сравнительно быстро, а горение летучих веществ протекает главным образом в объеме вне слоя. Поэтому слой в основном состоит из частиц кокса, горение которых и определяет слоевой процесс.

В слое частицы кокса различного размера и формы образуют сложную систему каналов, включающих сравнительно просторные полости и узкие щели (рис.7.2). Движение потока воздуха и продуктов сгорания внутри слоя имеет сложный характкр. В узких щелях воздух и газ движутся по сложному извилистому пути с достаточно высокими скоростями. Скорость движения газа резко понижается при переходе в сравнительно просторные полости, струи отрываются от «стенок» расширяющейся полости и образуются местные зоны завихрения и циркуляции газовоздушного потока. При таком характере движения создаются благоприятные условия для интенсивного обдувания поверхности коксовых частиц газовоздушными струями и тщательного их перемешивания.

 

                       Рис. 7.2. Структура слоя частиц топлива:

                                      1 – щели; 2 – полости

 

Каналы в слое топлива можно рассматривать как газовые микрогорелки, в которых протекает не только горение газа, но и его образование.

 В слое топлива в зависимости от его толщины, скорости дутья и температурного режима устанавливаются различные зоны горения и газификации топлива. Участок слоя, в котором имеется свободный, еще не израсходованный кислород, называется кислородной зоной. В этой зоне протекают первичные реакции окисления углерода с образованием оксида углерода СО, диоксида углерода СО₂ и вторичные реакции горения СО.

В результате израсходования кислорода на экзотермические реакции горения углерода и оксида углерода в кислородной зоне содержание СО₂, температура слоя и продуктов сгорания непрерывно возрастают. При этом окисление углерода возможно как кислородом, так и СО₂, образующимся в результате горения СО.

В щелях между частичками за счет большой скорости движения газовоздушных струй с поверхности частицы сдуваются продукты первичных реакций. Поэтому кислород, находящийся в газовоздушном потоке, получает возможность контакта с углеродной поверхностью.

Высота кислородной зоны практически не зависит от скорости дутья. Она пропорциональна размеру частиц и составляет около 2-3 диаметров частиц.

В топках, предназначенных для сжигания топлива с целью выделения теплоты, высота слоя топлива должна быть меньше высоты кислородной зоны. Высота слоя выбирается с таким расчетом, чтобы избытка кислорода, выходящего из слоя, было достаточно для окисления оксида углерода СО, образующегося в кислородной зоне коксового слоя. В объеме над слоем в результате горения оксида углерода его концентрация будет уменьшаться, а концентрация диоксида углерода СО₂ и температура газов увеличиваться.

При сжигании топлива избыток кислорода должен обеспечить также полное горение летучих веществ, выделяющихся из топлива при его термическом разложении. Если кислорода, выходящего из слоя, недостаточно для полного горения СО и летучих веществ, то непосредственно в топочный объем вводится дополнительное количество воздуха.В этом случае воздух, подаваемый в слой, называется первичным, а в объем топки – вторичным.

Летучие вещества в своем составе содержат газообразные и парообразные углеводороды С_mH_n, которые при недостаточно тщательном перемешивании с воздухом подвергаются термическому разложению с образованием частиц сажи. Сажа в объеме топочной камеры полностью не сгорает, что является причиной значительных потерь теплоты топлива. Поэтому при сжигании топлив с высоким выходом летучих веществ, необходимо обеспечить тщательное перемешивание воздуха с продуктами, выделяемыми из слоя. С этой целью применяют подачу вторичного воздуха в виде струй с высокой скоростью, пронизывающих все сечение объема топки. Такая подача воздуха называется острым дутьем.

Высокая температура в кислородной зоне коксового слоя (1700-1900^оС) создает условия для быстрого протекания химических реакций. Поэтому скорость горения в коксовом слое в основном определяется интенсивностью массообмена и горение протекает в диффузионной области.

 

 

                              Контрольные вопросы

1. Напишите первичные и вторичные реакции окисления углерода.
2. Как влияет температура на процесс горения углерода?
3. Что такое диффузионный и кинетический режимы горения углерода?
4. Какие особенности слоевого горения твердого топлива?
5. Какие особенности горения пылевидного топлива в факеле?
6. Укажите основные способы стабилизации воспламенения пылеугольного факела.
7. Какие способы применяют для интенсификации горения пылеугольного факела?

 

      8. Горение и загрязнение атмосферы

      Основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. Тепловые электрические станции и котельные, потребляя большое количество органического топлива (твердого, жидкого или газообразного), оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна. Типичными токсичными выбросами в атмосферу для тепловых электрических станций и промышленных предприятий являются твердые частицы (пыль, зола), оксиды серы и азота, монооксид углерода, оксиды металлов, бенз(а)пирен.

    Министерством здравоохранения России установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ПДК называется такая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека, которая не оказывает на его организм прямого или косвенного воздействия, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие. ПДК служит основным критерием санитарно-гигиенической оценки качества атмосферного воздуха. Значения ПДК для основных загрязняющих веществ, выбрасываемых энергетическими предприятиями, приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Загрязняющее вещество	Предельно допустимая концентрация*, мг/м3
	максимальная разовая	средне- суточная
Оксид азота NO	0,4	0,06
Диоксид азота NO2	0,085	0,04
Сернистый ангидрид SO2	0,5	0,05
Пыль (зола) нетоксичная	0,5	0,15
Летучая зола (при массовой доле СаО≥35%)	0,05	0,02
Монооксид углерода СО	5	3
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Сероводород Н2S	0,008	-
Аммиак NH3	0,2	0,04
Бенз(а)пирен С20Н12	-	0,1∙10-5

 *Максимальная разовая концентрация определяется по пробам, отобранным в течение 20 минут, среднесуточная – за сутки.

 

    Для каждого выбрасываемого в атмосферу вредного вещества должно соблюдаться условие

 

                                С_i ≤ ПДК_i или С_i/ПДК_i ≤ 1,

 

где С_i, ПДК_i – приземные и предельно допустимые концентрации вредных веществ.

Кроме того, Министерством здравоохранения России установлено,

что совместное содержание в атмосфере некоторых веществ (веществ однонаправленного действия) может усиливать их токсичность. При одновременном наличии в атмосферном воздухе вредных веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие

                                            n

                                            ∑ C_i /ПДК_i ≤ 1.

                                          i = 1

Установлен перечень вредных веществ однонаправленного действия. В энергетике к таким веществам относятся диоксиды азота и серы.

Оксиды азота оказывают раздражающее действие на органы дыхания, особенно на легкие. В больших концентрациях они вызывают отек легких. Основными источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются транспортные двигатели внутреннего сгорания, промышленные печи и котлы, тепловые электростанции, отопительные и другие бытовые приборы. При сжигании любого вида топлива оксиды азота образуются из-за того, что при определенных условиях часть азота воздуха соединяется с кислородом. Главный фактор, от которого зависит возможность образования окислов азота – температура в топке. Значительное содержание оксидов азота обнаруживается в продуктах горения при температуре в топке около 2000^оС и выше. Повышение температуры в зоне горения увеличивает интенсивность расщепления молекул кислорода с образованием атомарного кислорода. Атомарный кислород может вступать в реакции с азотом топлива и воздуха, подаваемого в зону горения. При этом образуются оксиды азота:

 

                                        О + N₂  ↔ NO + N;

 

                                        N + О₂ ↔ NO + O.

 

Так как в топливе содержится незначительное количество азота, то концентрации образовавшихся оксидов азота в продуктах сгорания мало зависят от вида топлива. В продуктах сгорания практически всех видов топлив оксиды азота представлены, как правило, только одним NO.

Максимальный выход NO получается при горении смеси с составом, близким к стехиометрической смеси. После выхода из дымовой трубы в атмосфере основная часть NO в сравнительно короткий промежуток времени при воздействии кислорода окружающего воздуха переходит в NО₂    по реакции:

 

                                    2NO +   О₂ = 2NО₂   + 188 МДж/моль.  

            

         Образование оксидов серы возможно только при наличии в сжигаемом топливе серосодержащих соеднений. Сера твердого топлива подразделяется на органическую_, пиритную и сульфатную. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Пиритная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS₂). Органическая и пиритная сера участвуют в горении_. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов СаSО₄ и FеSО₄ и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сера в жидком топливе содержится в виде сераорганических соединений, элементарной серы и сероводорода Н₂S. Все они участвуют в горении. Сера в газовомтопливе содержится в основном в виде сероводорода. В процессе сжигания сернистого топлива сера (сернистые соединения) окисляется до диоксида серы по реакциям:

 

                                                S + О₂  = SО₂ ,

 

                                      2Н₂S + 3О₂  = 2SО₂ + 2Н₂О.

 

При высокой температуре в зоне горения атомарный кислород может вступать в реакцию с диоксидом серы с образованием серного ангидрида SО_3. В свою очередь, серный ангидрид вступает в реакцию с водяным паром, содержащимся в продуктах сгорания, с образованием паров серной кислоты:

                                         SО₃ + Н₂О = Н₂SО₄. 

 

Оксиды серы и пары серной кислоты оказывают губительное действие на животный и растительный мир, вызывают интенсивную сернокислотную коррозию металла, в частности низкотемпературных поверхностей нагрева котельных агрегатов и в первую очередь воздухоподогревателя.                                  

 Сажа С, оксид углерода СО и углеводороды С_mH_n относятся к продуктам незавершенного (неполного) горения топлива и обнаруживаются либо при отсутствии окислителя, либо при его недостатке в зоне горения, а также при неудовлетворительном смешении топлива и окислителя.  

       Процесс сажеобразования в топочном устройстве тесно связан с конструкцией топки, видом сжигаемого топлива и режимом горения. При диффузионном горении всегда протекают как реакции полного окисления и восстановления, так и реакции термического разложения углеводородов, приводящие к появлению в пламени мелкодисперсных сажистых частиц, которые абсорбируют ряд других продуктов неполного горения (в том числе и канцерогенных углеводородов). Раскаляясь в пламени, эти частицы придают ему ярко-желтую окраску. Процесс горения сажистых частиц является сравнительно медленным, так как эти частицы перемещаются со скоростью потока и их контакт с окислителем осуществляется только за счет медленной молекулярной диффузии. Это приводит к тому, что выгорание сажистых частиц затягивается и может прекратиться полностью при выходе в низкотемпературную область факела.

Оксид углерода образуется при неполном сгорании всех видов топлива. Он равномерно распространяется в воздухе помещений, так как плотность его почти равна плотности воздуха. Оксид углерода является отравляющим газом нарушая питание организма кислородом. Большинство несчастных случаев при использовании топлива в быту происходит от отравления оксидом углерода. На образование оксида углерода в топочном устройстве влияет неудовлетворительное смешение топлива с воздухом, недостаток кислорода воздуха и охлаждение зоны горения.

Полициклические ароматические углеводороды, многие из которых являются канцерогенными, образуются в высокотемпературной зоне топки в результате термического разложения углеводородов. В дальнейшем при недостатке окислителя часть этих полициклических ароматических углеводородов не сгорает и уходит с дымовыми газами, в частности, абсорбируясь в сажистые частицы. В организм человека наиболее сильнодействующий бенз(а)пирен может попасть с вдыхаемым воздухом, Поэтому уменьшение его содержания в уходящих газах приводит к снижению злокачественных заболеваний.

 

                                 Контрольные вопросы

1. Какие токсичные вещества образуются при горении топлива?
2. Опишите условия, при которых образуются оксиды азота при горении.
3. Опишите механизм появления оксидов серы в продуктах сгорания.
4. Назовите факторы, влияющие на повышенный выход оксидов азота при горении.
5. Опишите механизм появления частичек сажи в продуктах сгорания.
6. Каким образом появляется оксид углерода в продуктах сгорания?
7. Опишите условия, при которых образуются канцерогенные углеводороды в продуктах сгорания.

                                               

 

 

     9.Общая характеристика взрывных явлений

       Взрывом называется процесс выделения энергии в ограниченном объеме за весьма малый промежуток времени. В результате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит освобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ с очень высоким давлением. Этот газ с большой силой воздействует на окружающую среду, вызывая ее движение. При взрыве в атмосфере имеет место звуковой эффект. Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением.

Порожденное взрывом движение среды называют взрывной волной. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущенная среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передается от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная взрывной волной, быстро расширяется. На фронте расширяющейся области среда скачком переходит из исходного невозмущенного состояния в состояние движения с более высоким давлением, плотностью и температурой, Происходящее скачком изменение состояния среды – ударная волна – распространяется со сверхзвуковой скоростью.

  Приводящие к разрушениям взрывы могут происходить в воздухе, в воде и в земле. Причем большинство подводных и подземных взрывов являются запланированными и используются в военных и мирных целях, например для проведения взрывных работ. Взрыв может быть вызван: детонацией конденсированного (твердого или жидкого) взрывчатого вещества (ВВ); быстрым сгоранием воспламеняющегося облака газа, пара или горючей пыли; внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д. Таблица 9.1 содержит перечень источников взрыва, включая природные, преднамеренные и случайные взрывы. Перечень составлен с учетом различных способов энерговыделения.

В том случае, когда газообразные продукты горения могут свободно оттекать от горячего заряда, горение взрывчатых веществ, в отличие от их детонации, обычно не сопровождается значительным повышени давления и не принимает характер взрыва.

 

Таблица 9.1

Классификация взрывов

Природные взрывы	Преднамеренные взрывы	Случайные взрывы
Молнии - мощные электрические разряды в атмосфере во время грозы	Взрывы конденсированных ВВ: промышленных ВВ; военных ВВ; пиротехнических ВВ.	Взрывы конденсированных ВВ: в непрочной оболочке или без нее; в прочной оболочке.
Внезапное извержение вулканов	Взрывы топливовоздушных облаков	Взрывы при горении в замкнутом объеме без избыточного давления: газов и паров; пылевзвесей.
Падение на поверхность Земли крупных метеоритов	Ружейные и пушечные взрывы	Взрывы емкостей с газом под давлением: при простых авариях (нереагирующие газы); при горении; с последующим горением; при выходе из-под конт- роля химической реакции; при выходе из-под конт- роля ядерного реактора.
	Ядерные взрывы	Взрывы емкостей с перегретой жидкостью: при внешнем нагреве: с горением после аварии; без горения после аварии; при выходе из-под конт- роля химической реакции: с горением после аварии; без горения после аварии
	Взрывы в цилиндрах внутреннего сгорания	Взрывы неограниченного облака паров
	Электрические искры	Физические взрывы

В зависимости от вида энергоносителя и условий энерговыделения источниками энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы.

 

            9.1. Источники энергии взрывов и их параметры

Разнообразные виды взрывов различаются физической природой источника энергии и способом ее освобождения.

 Источником энергии химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями (горение) или термического разложения нестабильных соединений (детонация).

Источники энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние – это электрическая энергия, используемая для сжатия газов и нагнетания жидкостей; теплоносители, в том числе электрические, обеспечивающие нагрев жидкостей и газов в замкнутых объемах. К внутренним источникам относятся энергия экзотермических физико-химических и тепломассообменных процессов в замкнутом объеме, приводящих к интенсивному испарению жидких сред или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.

Энергоносители химических взрывов могут быть твердыми, жидкими или газообразными веществами, а также аэровзвесями горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде (чаще всего в воздухе).

  Твердые и жидкие энергоносители относятся в большинстве случаев к классу конденсированных взрывчатых веществ. В состав этих веществ или их смесей входят восстановители и окислители или другие химически нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции химического разложения, при которых энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты.

  Для взрывчатых веществ характерно увеличение скорости химического разложения при повышении температуры. При сравнительно низкой температуре химическое разложение протекает очень медленно, так что взрывчатое вещество в течение длительного времени может не претерпевать заметного изменения в своем состоянии. В этом случае между взрывчатым веществом и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие, при котором непрерывно выделяющиеся небольшие количества теплоты отводятся за пределы вещества посредством теплопроводности. Если создаются условия, при

которых выделяющаяся теплота не успевает отводиться за пределы взрывчатого вещества, то благодаря повышению температуры развивается самоускоряющийся процесс химического разложения, который называется тепловым взрывом. В связи с тем, что теплота отводится через внешнюю поверхность взрывчатого вещества, а ее выделение происходит во всем объеме вещества, тепловое равновесие может быть нарушено при увеличении общей массы взрывчатого вещества. Это обстоятельство учитывается при хранении взрывчатых веществ.

Во взрывной технике в основном применяются конденсированные взрывчатые вещества, преимущество которых заключается в заначительной концентрации энергии в единице объема. В сочетании с большой скоростью процесса это позволяет получать при взрыве огромные мощности. Так, по заряду из 1 кг гексогена, объем которого 0,6 литра, а теплота взрыва 5,4 МДж (1300 ккал), детонация может пройти за 10 микросекунд (1∙10^-5 с), что соответствует мощности 500 млн. кВт (в десятки раз больше, чем мощность самой крупной электростанции). Реакция при детонации идет так быстро, что образовавшиеся газообразные продукты с температурой в несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объеме, близком к исходному объему заряда, до давлений в десятки гигопаскалей (сотни тысяч кгс/м²). Резко расширяясь, сжатый газ наносит по окружающей среде удар огромной силы. Происходит взрыв.

Газообразные энергоносители представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями – воздухом, кислородом, хлором и др., либо нестабильные газообразные соединения, такие как ацетилен С₂Н₂ и этилен С₂Н₄, склонные к термическому разложению в отсутствие окислителей. Источником энергии взрывов газовых смесей являются экзотермические реакции окисления горючего вещества или реакции разложения нестабильных соединений. Так, при взрывном разложении ацетилена С₂Н₂ в отсутствие кислорода О₂ выделяется 8,7 МДж/кг энергии, которой достаточно,чтобы разогреть продукты реакции до 2800^оС. Этилен разлагается на метан СН₄  и углерод С.

Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли) в окислительной среде, в основном в воздухе. Источником энергии их взрывов также является тепло сгорания этих веществ.

К основным параметрам источников взрыва, которые определяют амплитуду, продолжительность и другие характеристики взрывной волны, относятся энергия взрыва Е, удельная теплота взрыва (энергосодержание единицы массы) и скорость энерговыделения, то есть удельную мощность (количество энергии, выделяемой в единицу времени на единицу объема).

Энергию взрыва парогазовых сред определяют по теплотам сгорания горючих веществ в смеси с воздухом (окислителем); конденсированных взрывчатых веществ – по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения; при физических взрывах систем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями – по энергиям адиабатического расширения парогазовых сред и перегрева жидкости.

Удельную мощность при химических взрывах можно определить по скоростям распространения детонации или пламени в газовой среде. Скорость распространения детонации в твердом или жидком взрывчатом веществе приблизительно соответствует скорости звука в веществе и находится в интервале 2-9 км/с; при газовых химических и физических взрывах волны сжатия двигаются со скоростью, близкой к скорости звука в воздухе (330 м/с).

Сила физических взрывов сосудов со сжатым или сжиженным газом (паром) характеризуется внутренним давлением, а разрушения вызываются ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара.

Кроме того, физические взрывы возникают при смешивании горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например при выливании расплавленного металла в воду). Испарение в этом случае протекает взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи от них и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в ряде случаев сотен МПа.

В таблице 9.2 приведены характеристики некоторых конденсированных взрывчатых веществ. Как видно, удельная теплота взрыва конденсированных взрывчатых веществ характеризуется значениями от 1,5 до 7,5 МДж/кг. Наибольшей удельной теплотой взрыва (но и очень низкой стабильностью) обладает стехиометрическая смесь жидкого водорода и жидкого кислорода – 16,7 МДж/кг.

 

 

Таблица 9.2

Характеристики некоторых конденсированных взрывчатых веществ

Взрывчатое вещество	Удельная теплота взрыва, кДж/кг	Удель-ный тро-тиловый эквива-лент	Плот-ность, г/см3	Ско-рость детона-ци, км/с	Давле- ние дето-нации, ГПа
Гексоген	5360	1,185	1,65	8,70	34,0
Азид свинца	1540	0,340	3,80	5,50	-
Нитроглице-рин (жидкость)	6700	1,481	1,59	-	-
Тротил (ТНТ)	4520	1,000	1,60	6,73	21,0
Тритонал (80% ТНТ + 20% алюминия)	7410	1,639	1,72	-	-
Пластическое ВВ (91% нит- роглицерина + 7,9% нитро- целлюлозы + 0,9% щелочи + 0,2% Н2О)	4520	1,000	1,30	-	-
60%-ный нит-роглицерино-вый динамит	2710	0,600	1,30	-	-

                                                                                                                   

       Для оценки случайных и преднамеренных взрывов широко применяется метод адекватности разрушений, вызванных различными взрывчатыми веществами. Объясняется это тем, что взрывная волна имеет тенденцию к быстрой утрате особенностей, обусловленных природой взрыва, так что ее последующее движение в основном определяется лишь величиной энергии, передаваемой окружающей среде. Благодаря этому обстоятельству взрывные волны, порожденные в одной и той же среде взрывами разного типа, в основных чертах оказываются подобными, что позволяет ввести для характеристики взрывов так называемый тротиловый эквивалент, то есть определяют массу тротила (тринитротолуола, ТНТ), которая требуется, чтобы вызвать данный уровень разрушений. Если взрывчатое вещество известно, то тротиловый эквивалент – это масса заряда тротила,энергия взрывчатого разложения которого равна энергии, выделяемой при взрыве известного заряда. Удельные тротиловые эквиваленты взрыва известных конденсированных взрывчатых веществ, найденные по теплоте взрыва тротила (4520 кДж/кг), находятся в пределах от 0,340 до

1,667, а смеси жидких водорода и кислорода – составляют 3,7.

      

               9.2. Взрывные волны и их характеристики

При взрывах как конденсированных, так и парогазовых сред и аэровзвесей в воздухе происходит быстрое изменение давления, плотности, температуры и массовой скорости. При этом наиболее достоверно определяются характеристики невозмущенных каким-либо препятствием взрывных волн в воздухе. Такие волны называются падающими или проходящими.

В результате больших значений плотности заряда (1,3-5 г/cм³) и энергосодержания единицы массы конденсированных взрывчатых веществ выделение всей энергии при взрыве происходит практически мгновенно в небольшом объеме при плотности продуктов взрыва 1,4- 1,6 г/см³, что способствует образованию сильных ударных волн.

Взрывы большинства конденсированных взрывчатых веществ протекают в режиме детонации, при котором взрывная волна распространяется с постоянной скоростью при данных плотности и форме заряда. Значения скоростей детонации находятся в пределах от 1 км/с для некоторых промышленных взрывчатых веществ до 8 км/с для мощных типичных взрывчатых веществ. При этом давления взрывов достигают 20-38 ГПа.

Взрывные волны, генерируемые взрывами парогазовых и дисперсных сред, вследствие малых плотности и удельной объемной энергоемкости и других особенностей процессов горения характеризуются более низкими параметрами.

При спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении, когда продолжительность химической реакции мала, скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Пожары в большинстве случаев – это диффузионное горение, при котором в незамкнутых объемах взрыва не происходит.

В перемешанных газовых смесях, аэровзвесях и других смесях, в которых могут протекать гомогенные экзотермические реакции, при определенных условиях взрывные волны распространяются в виде самоподдерживающейся волны горения (пламени) с звуковой скоростью.

В реальных условиях горения парогазовых смесей скорости распространения пламени достигают десятки и сотни метров в секунду, но не превышают скорость распространения звука в данной среде. В этом случае происходит взрывное, или дефлаграционное, горение.

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

В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1-5 км/с. Это происходит часто вследствие турбулизации материальных потоков, которая вызывает сильное искривление и большое увеличение поверхности фронта пламени. При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышаются плотность, давление и температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горючего вещества возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой, быстро реагирующей (самовоспламеняющейся смеси). Важно отметить, что скорость распространения детонационной волны и давление в ней не зависят от скорости реакции в пламени, а определяются ее тепловым эффектом и теплоемкостью продуктов сгорания.

В процессах взрыва и детонации парогазовых сред взрывные волны достигают высоких параметров, характеризующих их разрушающую способность. Так, избыточное давление в пределах детонирующего облака составляет несколько МПа. Большинство же промышленных зданий разрушается от значительно меньших давлений: 25-30 кПа при внешних и 20-25 кПа при внутренних взрывах. Разрушающая способность взрывов парогазовых смесей и аэровзвесей при определенных условиях в промышленности оказывается сопоставимой со взрывами типичных взрывчатых веществ, применяемых в военных целях, поскольку по теплоте сгорания большинство углеводородов в 10 раз превосходит тротил.

Следует иметь в виду, что при детонационном режиме горения парогазового облака большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну. При дефлаграционном горении со скоростью распространения пламени около 200 м/с переход энергии в ударную волну составляет около 30%, в то же время максимальный КПД энергии взрыва парогазовых сред составляет около 40%.

К основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны, относятся избыточное давление и импульс взрыва. На рис. 9.1 представлена структура невозмущенной каким-либо препятствием взрывной волны в воздухе.

                           

 

   Рис. 9.1. Структура идеальной взрывной волны:

                 1-положительная фаза;

                 2 – отрицательная фаза (волна разрежения)

             

Здесь p_о – давление окружающей среды до прихода взрывной волны. В момент t_а прихода взрывной волны давление резко повышается до максимального p_s⁺ + p_о. Затем давление падает до давления окружающей среды за время t⁺ и продолжает снижаться до величины p_о – p_s^-, возвращаясь впоследствии к исходному давлению p_о за общее время

                                              t = t_а + t⁺ + t^-.

 

Величина p_s⁺ представляет собой максимальное невозмущенное избыточное давление или просто как амплитуда избыточного давления. Область взрывной волны, давление в которой превышает давление окружающей среды, называют положительной фазой, ее продолжительность t⁺. А область, где давление меньше исходного, называется отрицательной фазой или фазой разрежения с продолжительностью t^- и амплитудой p_s^-.

Важнейшими параметрами взрывной волны являются положительные i_s⁺ и отрицательные i_s^- удельные импульсы, определяемые как функции времени амплитуд избыточного давления, отнесенного к единице поверхности:

                                           ^{tа + t+}

                                  i_s⁺ = ∫ [p(t) – p_о] dt,

                                          _tа

 

                                           ^{tа + t++t-}

                                   i_s^- = ∫ p_о– p(t)] dt.

                                           _{tа +t+}

 

В большинстве случаев определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной фазой. Однако иногда (например, при взрывах сосудов со сжатыми газами) параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и важны при оценке разрушающей способности взрывной волны.

В области положительной фазы используются другие параметры ударных волн, наиболее важными из которых являются плотность ρ и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны v, динамическое давление q = ρu²/2. Последний показатель наиболее важен для оценки разрушающей способности ударной волны.

В момент взрыва потенциальная энергия источника переходит как в тепловую и кинетическую энергию различных областей и фрагментов системы, так и в энергию излучения. Энергия взрывной волны как движущейся части газовой среды складывается из тепловой энергии

 

                                         Е_т = ∫_vρс(t – t_o)

 и кинетической энергии

                                          Е_к = 1/2 ∫_vρu²dV,

где ρ – плотность;

  с – теплоемкость;

  t₀ и t – начальная и конечная температура;

  V – объем волны.

На поздней стадии развития процесса суммарная энергия ударной волны Е = Е_т + Е_к оказывается величиной постоянной и не изменяется во времени.

Переход энергии взрыва в энергию излучения существенен и учитывается только при атомных взрывах.

По уравнению энергетического баланса ударной волны с учетом конкретных условий определяют реально возможный тротиловый эквивалент.

Для определения радиусов R_i зон интенсивности воздействия ударной волны (расстояние до объекта с соответствующим уровнем разрушения) при взрыве пользуются формулой, приведенной в общих правилах взрывобезопасности:

 

                          R_i = К_i / [1 + (3180/W)²]^1/6,

 

где W – тротиловый эквивалент, кг;

   К_i – коэффициент пропорциональности, соответствующий определенной зоне интенсивности ударной волны (таблица 9.3).

 

                                                                                                Таблица 9.3

Зо- на	Кi	Избыточное давление на фронте удар- ной волны, кПа	Степень разрушения сооружений и зданий	Травмирую щее воздей- ствие на людей
1	3,8	≥100	Полное разрушение	Смертельное
2	5,6	70	Частичное разрушение	Смертельное
3	9,6	28	Здания непригодны для обитания	Тяжелое
4	28,0	14	Разрушение остекления, дверных и оконных переплетов	Средней тяжести
5	56,0	2	Разрушение до 5% остекления	Легкое

                                

Контрольные вопросы

  1. Какие взрывы относятся к преднамеренным, а какие к     

       случайным?

1. Что является источником энергии химического взрыва?
2. Перечислите источники энергии физических взрывов сосудов, содержащих сжатые газы (пары).
3. В каком агрегатном состоянии могут быть конденсированные взрывчатые вещества?
4. При каких условиях хранения взрывчатого вещества возможен случайный тепловой взрыв?
5. Что является источником энергии взрывов горючих газовых смесей и двухфазных горючих аэросмесей?
6. Перечислите основные параметры источников взрыва охарактеризуйте их.
7. В каких пределах находятся удельные теплоты взрыва конденсированных взрывчатых веществ?
8. Для чего вводится тротиловый эквивалент и как он определяется?
9. От чего зависит скорость распространения детонационной волны во взрывчатом веществе и каких значений она достигает?
10. Что относится к основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны?
11. По какой формуле определяют расстояние до объекта с соответствующим уровнем разрушения от воздействия ударной волны?