Гомогенный и гетерогенный режим горения древесины
Механизм медленного терморазложения древесины при постоянном и равномерном прогреве массы образца
При нагревании до температуры 120 — 150°С происходит выделение физически связанной воды (сушка).
При температуре 150 — 180°С происходит выделение внутрикапиллярной и химически связанной воды, разложение наименее термически стойких компонентов (луминовой кислоты) с выделением СО2, Н2О.
При температуре 250°С происходит пиролиз древесины (в основном гемицеллюлозы) с выделением СО, СН4, Н2, СО2, Н2О. Образующаяся газовая смесь способна воспламеняться от источника зажигания.
При температуре 350 — 450°С происходит интенсивный пиролиз древесины и выделяется основная масса горючих газов, до 40% от максимально возможного количества. Выделяющаяся в этой температурной области газообразная смесь состоит из 25% Н2 и 40% предельных и непредельных углеводородов. В этой области интенсивно протекают реакции окисления между продуктами первичного разложения – кислотами, альдегидами, сопровождающиеся выделением значительного количества тепла, составляющие 5 — 6 % (750 — 900 кДж/кг) от низшей теплоты сгорания равной 15000 кДж/кг.
При температуре 500 — 550°С скорость термического разложения древесины резко снижается и уменьшается выход летучих продуктов.
При температуре 600°С разложение древесины на газообразные продукты и углеродный остаток прекращается.
После воспламенения древесины температура верхнего слоя повышается за счёт тепла, излучаемого пламенем, до 290 — 300°С. В результате разложения верхний слой превращается в древесный уголь, который не вступает в реакцию горения, так как весь кислород вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля в это время достигает 500 — 700°С. По мере выгорания и обугливания верхнего слоя нижележащий слой древесины прогревается до 300°С и разлагается. Рост слоя угля уменьшает выход газообразных продуктов разложения, что приводит к пламенному горению только у трещин угля. Кислород достигает поверхности угля, и начинается его горение (тление), одновременно продолжается горение продуктов разложения. Одновременное горение продолжается до тех пор, пока вся древесина не превратится в уголь.
Таким образом, процесс горения древесины состоит из двух стадий.
1. Пламенное горение (гомогенный режим). Стадия заканчивается исчезновением пламени.
Нагрев → Термическое разложение → Газификация летучих компонентов → Воспламенение → Горение
2. Беспламенное горение угля (тление, гетерогенный режим):
2С + О2 → 2 СО – при недостатке кислорода;
2СО + О2 → 2СО2 – при достаточном количестве кислорода.
Между этими фазами наблюдается промежуточная фаза, характеризуемая одновременным протеканием указанных фаз.
Механизм распространения пламени по поверхности твёрдых веществ и факторы, на него влияющие
Рис. 7.1. Схема распространения пламени по поверхности твердого материала.
1 — исходный образец; 2 — зона диффузионного горения; 3 — зона кинетического пламени (носик); 4 — зона газификации твердого материала; 5 — зона газообразных продуктов разложения; 6 — зона разложения твердого материала перед фронтом пламени; 7 — продукты горения.
Распространение пламени можно представить как процесс непрерывного последовательного поджигания все новых и новых участков поверхности материала теплом, выделяющимся в зоне горения.
Скорость распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов зависит от многих факторов.
1. Вид материала. На скорость распространения пламени оказывают влияние физико-химические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость, критическая температура терморазложения, тепловой эффект пиролиза и др.).
2. Влажность материала. С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, и при достижении влажности 14% горение прекращается.
3. Ориентация образца в пространстве. При отрицательных углах наклона (направление движения пламени сверху вниз) скорость распространения пламени не изменяется или же слабо уменьшается. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10 — 15° скорость распространения пламени резко возрастает, так как направление скорости распространения пламени совпадает с конвективными потоками и, следовательно, горючий материал прогревается более интенсивно. При этом имеет место эффект дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего вещества.
1. Скорость и направление воздушных потоков (ветра). При увеличении скорости ветра в направлении распространения пламени скорость возрастает линейно. Механизм влияния ветра аналогичен механизму влияния угла наклона образца.
2. Состав атмосферы. С увеличением в атмосфере концентрации кислорода горючие материалы легче зажигаются, пламя распространяется быстрее, процесс горения протекает энергичнее. Это происходит потому, что пламя в обогащенной кислородом атмосфере будет иметь более высокую температуру, будет располагаться ближе к поверхности горючего, увеличивая интенсивность теплопередачи.
3. Температура горючего. Увеличение температуры горючего приводит к увеличению скорости распространения пламени. Чем выше первоначальная температура горючего, тем меньше тепла потребуется для подъема температуры свежего горючего до температуры воспламенения.
4. Геометрические размеры горючего образца. Основное влияние на скорость распространения пламени оказывает толщина образца. Различают термически толстые и термически тонкие образцы. Такое деление основано на сравнении геометрической или физической толщины с термической толщиной. Под этой величиной понимают толщину слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности. Если физическая толщина превышает термическую, такой образец называют термически толстым, если наоборот — термически тонким. При увеличении толщины в пределах термически тонких образцов снижение скорости распространения пламени происходит за счёт увеличения теплопотерь от поверхности горения, связанных с прогревом материала вглубь. Для термически толстых образцов скорость распространения пламени не зависит от их толщины.