233

Таблица 11.6.

Сравнительная таблица приведенных скоростей выгорания твердых горючих материалов и жидкостей

Горючее	Приведенная скорость выгорания, umпр,
	кг/м2 мин
Древесина в изделиях	1,11
Каучук синтетический	0,72
Органическое стекло	1,14
Полистирол	1,14
Ацетон	2,83
Бензин	2,93
Керосин	2,30

11.4. Гетерогенное горение

Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих веществ переходит в гетерогенное догорание карбонизованных остатков (угля).

Тление - особый вид гетерогенного (беспламенного) горения, а именно экзотермический процесс низкотемпературного гетерогенного горения карбонизированного остатка.

Такой вид горения характерен для волокнистых материалов растительного происхождения. Наблюдается также часто внутри достаточно больших масс сыпучих материалов (в штабелях торфа, в кучах опилок, зерна, в скирдах соломы, копнах и стогах сена, в мешках с рыбной мукой и др.).

Тление от пламенного горения отличается тем, что не требует большого количества кислорода. Для его поддержания достаточно бывает воздуха, содержащегося внутри сыпучего или волокнистого материала между его частицами или волокнами.

234

Тление - очень опасный вид горения, поскольку может возникнуть, например, в хлопке даже от невидимых глазу фрикционных искр или искр глушителей двигателей автотракторной техники. Известны случаи возгорания кип хлопка, перевязанных стальной лентой, при транспортировке их волоком по асфальтовому или железоб етонному покрытию причалов в морских и речных портах и т.д. Тление может продолжаться часами, сутками, неделями, месяцами и даже годами. Очаги тления чаще всего скрыты от глаз, поэтому их очень трудно обнаружить и потушить. В определенных условиях, часто при выходе наружу, тление может перейти в пламенное горение. В большинстве случаев пламенное горение твердых веществ заканчивается тлением углей.

Главным требованием к материалу подверженному тлению, является то, что при его нагревании образовывался жесткий углистый остаток. Материалы, которые при интенсивном нагреве образуют нежесткий углистый остаток или смолистые жидкие продукты, не склонны к тлению. Это наводит на мысль о том, что главным в определении характера поведения материала, связанного с тлением, является строение молекулы вещества и форма разложения исходного материала. Хотя тление чаще всего связано с целлюлозными материалами, чистая целлюлоза обладает низкой склонностью к тлению или вовсе ею не обладает. Это можно сопоставить с тем фактом, что чистая целлюлоза дает мало углистого остатка при нагреве по сравнению с хлопком и вискозой, относительно которых известно, что они тлеют. Разницу в их поведении можно объяснить каталитической активностью неорганических примесей, которые способствуют реакции образования углистого остатка

Зарождение тлеющего горения

Известно, что тление может начаться вслед за пламенным горением многих целлюлозосодержащих материалов, если пламя погаснет, а также при условии, что тлеющий источник, например сигарета, может действовать в качестве источника воспламенения. Для зарождения тления основным является требование о наличии источника тепла, который приведет к образованию уг-

235

листого остатка и начале его окисления. Значимость таких факторов, как температура источника и (или) интенсивность теплового потока (например, от радиатора), для разных материалов различна.

К тлеющему горению могут привести следующие ситуации:

-соприкосновение с тлеющим материалом;

-равномерный подогрев (самовоспламенение внутри материала);

-несимметричный подогрев (мелкодисперсный материал на раскаленной поверхности, материал подвергается воздействию теплового потока с одной стороны);

-развитие тления из горячей точки внутри массы материала.

Этот процесс способен самостоятельно распространяться по пористому телу за счет тепла, выделившегося при реакции окисления.

К пористым материалам, образующим при горении углистый остаток, и склонным к тлению относятся:

-каменный и бурый уголь, сажа, торф;

-дерево и древесноволокнистые материалы, древесный уголь, пробковый порошок, мелкодисперсные органические материалы;

-сено, клевер, трава, солод и солодовые ростки, зерно и отруби, хмель, вайда, табак, сильные корма и их смеси;

-шерсть, хлопок, шёлк, лён, конопля, джут, пакля

-некоторые виды полимерных материалов (в основном термореактопласты), кожи изготовленные по методу хромового дубления; латексные резины; определенные сорта пенофенопластов; пенополиуретаны.

Для реализации механизма горения необходимо, чтобы окисление поверхности твердой фазы углистого остатка генерировало количество тепла, которого было бы достаточно для того, чтобы вызвать обугливание не прогретой еще пылевоздушной смеси, которая в свою очередь начнет окисляться. Пламенное горение кучи древесной муки, например, может прекратиться само по себе или быть потушено. Однако после тушения остается тлеющее пламя, которое будет развиваться внутри кучи.

236

Тление включает в себя процесс поверхностного окисления углистого остатка, чем обеспечивается тепловая энергия, необходимая для продолжения процесса термического разложения соседнего слоя горючего материала. Для успешного распространения этого процесса требуется последовательное удаление летучих продуктов из зоны активного горения, что в свою очередь обнажит свежий углистый остаток, который после этого загорится.

Интенсивность тлеющего горения зависит, в основном, от реакционной способности карбонизированного остатка и условий тепломассопереноса в системе.

Зона тления в материалах с высокой газопроницаемостью и пористостью (к ним относятся хлопок, отложения промышленной пыли, сено и ряд других материалов) способна распространяться сквозь массу горючего.

В материалах с низкой газопроницаемостью зона тления ограничена поверхностью горючего и проникает в его массу только по мере потребления внешних слоев.

Критические условия тления

Для устойчивости любых режимов диффузионного горения должны быть выполнены как минимум два условия: достаточно высокая скорость подвода окислителя из окружающей атмосферы к зоне реакции и не слишком большие теплопотери из зоны реакции .

Первое из них не может быть определяющим для закрытых систем, а второе для любых тонкослойных систем. Действительно, для закрытых систем подвод кислорода лимитируется скоростью фильтрации через рыхлый слой горючего (в случае встречного потока воздуха) или через слой золы, остающейся за волной тления (в случае попутного потока воздуха). Роль теплопотерь может быть относительно малой для тонкослойных систем, однако она быстро возрастает по мере уменьшения толщины слоя горючего.

237

Следовательно, для рассматриваемых режимов должны существовать нижние пределы по концентрации окислителя С*н и толщине образца ∆*н, а также верхний предел по пористости слоя горючего П*в, т.е. процесс устойчив лишь при условии

С > С*н, ∆ > ∆*н и П < П*в .

Кроме того, имеются верхний и нижний пределы по скорости окислителя V, т.е. тление будет устойчиво лишь при Vн<V<Vв. Температура в зоне реакции не должна быть слишком низкой, т.е. существует нижний предел по начальной температуре образца и воздуха Т*н. Аналогичный смысл имеет верхний предел по скорости потока воздуха: при чрезмерной скорости обдува температура в зоне реакции нарастает до критического условия.

Очень важно подчеркнуть, что критические условия тления взаимосвязаны. Кроме того, для ряда горючих веществ отмечаются переходы от тления к горению и наоборот. Тем самым возникает связь между критическими условиями тления и пламенного горения.

Установлено, что ряд веществ могут выступать в роли катализаторов гетерогенных процессов горения древесноволокнистых материалов.

Так, к примеру, железо и никель являются активными катализаторами, влияющими на одну из стадий возникновения гетерогенного горения - процесса разложения углеводородов при более низкой температуре, к числу таких же катализаторов относятся хлориды железа, сульфиды цинка и меди.

Вот уже более столетия ведутся многочисленные попытки каталитической активации процессов горения твёрдого топлива. Установлено, что в присутствии хлористых солей железа реакционная способность кокса повышается примерно вдвое. Каталитической активностью обладают соли и оксиды алюминия, кобальта, марганца, ванадия, железа, никеля, хрома и меди, калия, магния и кальция.