Механизм горения твердых горючих материалов

Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, вотличие от газов характеризуются наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе. Истинно гетерогенными является горение нелетучих металлов.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 5.3):

Рис. 5.3. Модель горения твердых материалов

Зона без реакции – зона прогрева конденсированной фазы.
У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента температуропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.

Зона пиролиза – реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.

Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диффундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.

Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура.

Зона продуктов сгорания содержит предельные оксиды, образующиеся при полном сгорании.

Таким образом, характерной особенностью горения твердых мате­риалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии: поглощение твердым материалом тепловой энергии от ИЗ; разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов икарбонизированного остатка; воспламенение газообразных продуктов пиролиза; горение газообразных продуктов пиролиза.

Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и термическое разложение твердого материала. Первичное возникновение пламени рассматривается как процесс зажигания. Зажигание является сложным нестационарным процессом, который заключается в быстром разогреве локального участка твердого материала до высокой температу­ры открытым пламенем, электрической искрой, накаленным телом. В ре­зультате такого воздействия над поверхностью твердого материала возни­кает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть доведена до температуры, близкой к температуре поверхности при горении в условиях стационарного процесса. Переход от зажигания к ста­ционарному режиму горения твердого материала возможен с момента по­явления пламени.

Воспламенение твердых материалов в воздухе рассматривается с по­зиций теории воспламенения газов. Однако возможны условия, когда процесс горения начинается вследствие гетерогенной реакции взаимодей­ствия кислорода с поверхностным слоем.

Характер переноса тепла к твердому материалу для его нагрева и воспламенения зависит от вида ИЗ и условий воздейст­вия теплового потока на поверхность. В условиях пожара твердые мате­риалы разогреваются в основном за счет конвективного и радиационного переноса тепла от пламени. Поглощение тепла твердым материалом при излучении зависит от спектральных характеристик материала и источника теплового потока.

В нагретом под действием потока тепла поверхностном слое происхо­дит пиролиз твердых материалов. При этом основную роль играет термо­окислительная деструкция. Однако преобладание термической или термо­окислительной деструкции в процессе газификации твердых материалов при горении зависит от природы материала, механизма его разложения, температуры пиролиза, зависящей от температуры поверхности горящего материла, а также от условий диффузии кислорода к горящей поверхности.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горючих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами являются Н₂О, СО₂ и галогенводороды. Горючая часть состоит из Н₂, СО, насыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиролиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пиролиза, температуры разложения.

Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигает НКПРП. Это условие является необходимым, но недостаточным для возникновения устойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло, необходимо передать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточного количества горючих газообразных веществ.

После воспламенения твердого материала начинается процесс перемещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характеристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени – расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема распространения фронта пламени по поверхности твердого материала: 1 – твердый материал, 2 – зона диффузионного горения, 3 – передняя кромка пламени, 4 – зона пиролиза, 5 – зона газообразных продуктов разложения, 6 – зона начала разложения твердого материала перед фронтом пламени, 7 – газообразные продукты горения

Перемещение фронта пламени осуществляется за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне горения. Передача тепла от факела пламени к поверхности твердого материала осуществляется радиацией, конвекцией и теплопроводностью. В зависимости от условий горения доля тепла, поступающего к поверхности материала по тому или иному механизму, может быть различной. Поэтому значение скорости горения для одного и того же материала в зависимости от условий горения может изменяться в значительных пределах.

Прогрев участков поверхности твердого материала перед фронтом пламени сопровождается термическим разложением с образованием летучих продуктов. Поэтому распространение пламени происходит, по существу, по газовой фазе.

В отличие от жидкостей, поверхность которых всегда горизонтальна, распространение пламени по твердым материалам может происходить при различной их ориентации в пространстве: горизонтальной, вертикальной или промежуточной. В зависимости от ориентации поверхности изменяется скорость распространения пламени: она максимальна для ус­ловий распространения пламени снизу вверх для вертикальной поверхно­сти и минимальна для распространения пламени сверху вниз. В остальных случаях скорости имеют промежуточное значение (см. рис. 5.2).

Существенное влияние на скорость распространения пламени ока­зывает толщина материала. При оценке условий распространения пламени различают термически толстые и термически тонкие материалы. Такое разделение основано на сравнении реальной толщины материала с терми­ческой – толщиной слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры (см. рис. 5.5).

На схеме показано распределение температуры в материале не­посредственно перед фронтом пламени, при горении термически толстого (рис. 5.5, а) и термически тонкого (рис. 5.5, б) материала. Если реальная толщина превышает термическую толщину, материал называют термиче­ски толстым, если наоборот – термически тонким.

Из представленной схемы видно, что температура поверхности тер­мически толстого материала, противоположной поверхности горения, равна начальной, а в случае термически тонкого материала – значительно выше.

Рис. 5.5. Поля температур при распространении пламени по твердым материалам а) термически толстый материал; б) термический тонкий материал; d_реальн – фактическая толщина материала, d_терм – термическая толщина материала, Т₀ – начальная температура, Т_пов – температура поверхности при горении

Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке условий распространения пламени по отделочным материалам, покрывающим строительные конструкции. Если материал конструкции обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем у отделочного материала, то при горении последнего интенсифицируется отток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. При этом, чем меньше толщина горючего материала, тем выше скорость теплоотвода от поверхности. Такой процесс замедляет повышение температуры поверхностного слоя и, соответственно, уменьшает скорость распространения фронта пламени. При некоторой минимальной толщине горючие покрытия уже не распространяют горение. Из рассмотренной схемы следует вывод: чем выше теплопроводность подложки, тем интенсивнее теплоотвод от поверхности горючего отделочного материала, и тем при большей его толщине прекращается процесс распространения пламени.

Одновременно с распространением пламени по поверхности твердого материала происходит процесс распространения горения вглубь материала – процесс выгорания. Интенсивность выгорания существенно зависит от закономерностей превращения твердой фазы в газообразные продукты.

Основной количественной характеристикой процесса выгорания является массовая скорость выгорания, используемая при расчетах температурного режима пожара, допустимого времени эвакуации людей при пожаре, требуемого предела огнестойкости строительных конструкций.

В практике используется величина приведенной массовой скорости выгорания, которая представляет собой количество вещества, выгораю­щего в единицу времени с единицы площади пожара. Связь между массо­вой и приведенной скоростями выгорания выражается соотношением:

V_пр = К_п^.V_выг, (5.1)

где V_пр – приведенная скорость выгорания, кг/м^2.сек;

V_выг – удельная массовая скорость выгорания, кг/м^2.сек;

К_п–коэффициент поверхности горения.

, (5.2)

где F_ПГ–площадь поверхности горения, м²;

F_пож –площадь пожара, м².

Например, для случая горения твердого материала в виде куба, ле­жащего на одной из граней, К_п = 5.

Массовая скорость выгорания твердых материалов не является по­стоянной величиной. Она существенно зависит от условий горения.