Теория горения и взрыва.Часть 2

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» В.Д. Катин ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник лекций В 2 частях Часть 2 2-е издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2013 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК [662.611 + 544.45] (075.8) ББК Г 543я73 К 294 Рецензенты: Кафедра «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного университета путей сообщения (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор Т.С. Титова) Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Дальневосточного федерального университета профессор А.И. Агошков К 294 Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : сб. лекций. В 2 ч. Ч. 2 / В.Д. Катин. – 2-е изд., перераб. и доп. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. – 82 с. Сборник лекций соответствует ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров 280700.62 «Техносферная безопасность» и подготовки специалистов 280705.65 «Пожарная безопасность». Во второй части рассмотрены теоретические вопросы основ кинетического и диффузионного горения, проанализированы современные механизмы образования основных загрязняющих веществ при горении, приведены примеры оценки взрывобезопасности на объектах экономики и железнодорожного транспорта. Предназначен для студентов 2-го и 3-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплину «Теория горения и взрыва», может быть полезен аспирантам вузов, занимающимся проблемой повышения экологичности сжигания газообразных топлив. УДК [662.611 + 544.45] (075.8) ББК Г 543я73 © ДВГУПС, 2003 © ДВГУПС, 2013 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ВВЕДЕНИЕ «Теория горения и взрыва» является важнейшей учебной дисциплиной базовой части математического и естественно-научного цикла. Необходимость более глубокого понимания процесса горения, а также приобретение практических навыков расчетов горения на разных его стадиях требуют детального изучения курса теории горения и взрыва студентами различных специальностей направления подготовки 280700 «Техносферная безопасность». Следует отметить, что вопросы теории горения и взрыва подробно изложены в научно-технической и учебной литературе. Однако, несмотря на довольно обширную литературу по вопросам горения, до сих пор существует недостаточно учебников и учебных пособий, позволяющих в доступной форме студентам закрепить теоретические знания. Во второй части пособия, призванной восполнить этот пробел, рассмотрены теоретические основы кинетического и диффузионного горения, приведены современные механизмы образования основных загрязняющих веществ при горении, описаны методы, снижающие их образование в процессе горения; представлена оценка взрывобезопасности и ее расчет применительно к объектам железнодорожного транспорта. В то же время, касаясь сложных вопросов теории горения и взрыва, автор стремился к возможно более популярному их изложению, отдавая предпочтение описанию физической картины явлений и избегая громоздких математических формул и зависимостей. Данный сборник лекций состоит из двух частей. Для закрепления изученного материала после каждой лекции приводится ряд контрольных вопросов, а в приложении даны тесты для контроля уровня знаний студентов по дисциплине. Автор считает необходимым выразить благодарность заведующему кафедрой «Техносферная и экологическая безопасность» ПГУПС д.т.н., профессору Т.С. Титовой и заведующему кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» ДВФУ д.т.н., профессору А.И. Агошкову за большой труд по рецензированию рукописи учебного пособия и ценные советы при подготовке ее к изданию. 3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЛЕКЦИЯ 6 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДИФФУЗИОННОГО И КИНЕТИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ План лекции 6.1. Особенности топочного процесса горения. 6.2. Определение времени сгорания и среднего времени пребывания продуктов горения. 6.3. Определение безразмерного времени горения. 6.4. Математическое описание процесса горения газов. 6.1. Особенности топочного процесса горения В общей классификации химических реакций процесс горения может рассматриваться как окислительно-восстановительная реакция, которой присущи дополнительно следующие особенности [10, 40, 44, 48, 53]. • Чрезвычайно малая длительность времени пребывания газов в топке (0,01–0,1 с) и соответственно малое время на образование смеси, способной реагировать. За короткое время должно осуществиться образование горючей смеси путем перемешивания до молекулярного уровня молей реагентов (воздух и топливо), расстояние между которыми имеет приблизительно такой же порядок, что и масштаб потока (например, для камер сгорания ГТУ 0,15–1,35 м). • Существование нижнего и верхнего концентрационных пределов, без которых реакция горения не может иметь место (например, 5–15 % для метана). • Существование минимальной температуры, ниже которой горение не может начаться (750 °С для метана). • Высокая температура реакции горения (1350–2000 °С), значительно превышающая температуру, допускаемую для современных металлов и сплавов, в связи с чем возникает проблема тепловой защиты стенок топочной камеры. • Необходимость существования зоны прямой стабилизации, в которой скорость потока примерно равна нормальной скорости распространения пламени (–0,3 м/с для метана). В противном случае пламя будет снесено по потоку вперед или назад. Конструкция топочного устройства должна обеспечить авторегулируемый коэффициент несмешения. Если бы на всех режимах в топочном устройстве осуществлялось одинаковое и полное смешение топлива с воздухом, то работа его была бы устойчивой при увеличении избытка воздуха только до α = 1,35, как это имеет место, например, в инжекционных горелках. В конкретных условиях различных химических производств это приво4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com дило бы к частым погасаниям факела. Конструкция топочного устройства, например теплогенератора, должна обеспечить устойчивое горение при больших избытках воздуха в зоне горения. Реакция горения сопровождается выделением лучистой энергии, которая зависит от механизма горения, состава и состояния промежуточных и конечных продуктов реакции и др., в связи с чем расчет лучистых потоков необходим как для определения температуры стенок, так и для расчета процесса горения. Топочный процесс из-за сложной аэродинамики, многостадийности и многоканальности химических реакций, высоких температур и быстротечности трудно поддается экспериментальному исследованию. Конечно, значение для топочного процесса перечисленных особенностей и степень их изученности разные. Самой важной, на наш взгляд, и самой сложной задачей в создании математического описания топочного процесса является объяснение механизма образования горючей смеси и расчет времени горения. Самой сложной задачей в области конструирования является создание топочного устройства – реактора, который бы оптимальным образом удовлетворял требованиям, предъявляемым к химическим реакторам, и перечисленным особенностям, которые кратко сводятся к обеспечению [40]: а) возможности осуществления высокотемпературного процесса; б) полного выгорания; в) необходимых концентрационных пределов горючего; г) нагрева горючей смеси до температуры воспламенения; д) стабилизации фронта горения; е) авторегулируемого коэффициента несмешения в огневой зоне. Описание процесса горения топлив во всех промышленных аппаратах носит качественный характер. Инженерные методы расчета фактически отсутствуют. Топочные устройства (камеры сгорания ГТУ, топки паровых котлов, технологические топки и др.) в разных отраслях техники создаются опытным путем. Причинами такого положения являются сложность процесса турбулентного движения и тем более турбулентного движения с горением, многоканальность и сложность путей химического реагирования и др. Появление электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и персональных компьютеров (ПК) сулит большие перспективы и в области расчета топочного процесса, однако для расчета процесса горения на уровне смешения микромолей, размер которых составляет доли миллиметров, емкость даже самых крупных современных ЭВМ, по заключению специалистов [44, 50], недостаточна. Рациональные алгоритмы расчета топок пока отсутствуют. В середине 1950-х гг., возможно, впервые в технической литературе по топкам был предложен другой путь, заключавшийся в том, что зависимость ηг = f(E(τ)) представлялась в терминах времени, а величина ηг – как 5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com функция от двух времен – от располагаемого времени пребывания τп и от времени τг, расходуемого на образование и сгорание частицы горючей смеси [4, 9]. Это направление получило здесь дальнейшее развитие. Методы вычисления времени пребывания, смешения и сгорания основаны на новейших достижениях теории турбулентности и теории химических реакторов, что обеспечило хорошее совпадение расчетных и опытных данных. Рассмотрим выражение ηг = f(τп, τг) сначала с качественной стороны, затем построим аналитическую зависимость между величинами, которые в него входят. Основную трудность в разработке метода расчета топочного процесса представляет расчет времени горения τг, поскольку он связан с общей теорией турбулентности и теорией турбулентного горения. Традиционно теорию процесса турбулентного горения рассматривают для случая предварительно подготовленной гомогенной смеси, поскольку такой подход считается менее сложным, чем расчет предварительно не перемешанной (неподготовленной) смеси. В данной работе показана целесообразность противоположного подхода. Процесс горения в предварительно подготовленной смеси может начаться в любой точке огневого пространства, где смесь уже подогрета до температуры воспламенения, независимо от аэродинамических и турбулентных характеристик потока в этой точке. Если смесь предварительно не подготовлена, то горение может начаться только после смешения, которое в ограниченное время может произойти лишь при определенных характеристиках турбулентности. Именно эта определенность, на наш взгляд, облегчает математическое описание процесса. Доказано, что на основе идей Л. Прандтля, К. Тейлора и А.П. Колмогорова о существовании некоторых внутренних масштабов турбулентности можно определить эти масштабы и вычислить полное время подготовки горючей смеси, а это с точностью до константы равнозначно определению времени горения и расчету процесса горения в целом [40]. Как же в действительности происходит процесс подготовки горючей смеси для сгорания и за какое время? Для ответа на поставленный вопрос прежде всего обратимся к опытным данным. В основу предлагаемой модели процесса диффузионного горения в турбулентном потоке положены следующие допущения [40]. Факт выделения теплоты при раздельной подаче воздуха и топлива в пламенную трубу. Факт существования одного и того же предела по теплопроизводительности теплогенератора при сжигании газов с разной теплотой сгорания независимо от состава и расхода газа или значения теплоты сгорания. Опытное значение коэффициента молекулярной диффузии топлива (метана) в воздухе очень малó и составляет Dm = 0,22 см2/с. 6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Факт наличия почти горизонтального плато на опытной кривой зависимости коэффициента корреляции R от масштаба турбулентности l (в зоне малых) при R→1,0. Рассмотрим эти данные подробнее. Факт выделения теплоты в огневом пространстве топок при раздельной подаче в него топлива и воздуха говорит о том, что произошла химическая реакция, которой предшествовало смешение топлива и воздуха. Так как частицы турбулентной жидкости – моли – представляют собой коллективы молекул, то независимо от степени турбулизации потока и способности его к последовательному дроблению размеры частиц турбулентной жидкости не могут стать меньше, чем длина свободного пробега молекул того же газа при тех же условиях, характеризующая акты столкновения молекул реагентов. Сближение молекул предварительно не перемешанных газов на расстояние порядка α можно осуществить только молекулярной диффузией, а поэтому для осуществления химической реакции при диффузионном горении в турбулентном потоке должен иметь место процесс молекулярного переноса. Действительное время пробивания газов в зоне горения, например в пламенной трубе камеры сгорания, составляющее tп 0,01–0,1 с, несравненно меньше того времени τ, которое потребовалось бы, если смешение в зоне горения, например диаметром 0,4 м, шло бы только по механизму молекулярной диффузии. Это время можно оценить из соображения размерности по формуле [40] τ = L2 / D , где L – путь смешения, м; D – коэффициент диффузии (в данном случае коэффициент молекулярной диффузии Dm), м2/с. Несложные расчеты показывают, что τ = 4100 с, а это намного превышает τп = 0,1 с, тем не менее топливо в топках сгорает полностью. Отсюда, как следствие, вытекает необходимость предположения о существовании еще одного механизма смешения – такого, при котором молекулярной диффузией перед сгоранием перемешивались частицы размерами не более li = τDm = 01 , ⋅0 ,22 = 015 , см. Размеры газовых частиц такого порядка свойственны турбулентному потоку [40]. Перемешивание до неоднородности менее li осуществляется турбулентным движением. Другими словами, образование горючей смеси осуществляется двумя видами смешения – грубым и тонким по механизму турбулентной и молекулярной диффузии. 7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Время молекулярного смешения может быть меньше, чем это следует из формулы, поскольку известно, что молекулярная диффузия в турбулентном потоке может усилиться. Если же смешение идет параллельно с процессом горения, то может иметь место дальнейшее усиление процесса молекулярного переноса в связи с возникающими градиентами температур и концентраций, однако коэффициенты турбулентного переноса настолько превосходят коэффициенты молекулярного переноса, что указанные усиления молекулярной диффузии характера явления не меняют. В микрочастицах движение остается ламинарным. В дальнейшем в качестве масштаба молекулярного переноса для процессов, сопровождающихся горением, принято табличное значение нормальной скорости распространения пламени для смесей аналогичного состава. Факт постоянства максимальной теплопроизводительности, например бесфутеровочного топочного теплогенератора при сжигании в нем горючих газов с разной удельной теплотой сгорания (в наших опытах сланцевого, природного и сжиженного газов), позволяет качественно оценить длительность каждого вида смешения. Лимитирующей стадией в изучаемом процессе является процесс молекулярного смешения горючего с кислородом. Об этом говорят возможности системы к грубому (турбулентному) смешению практически любых количеств топливного газа при добавлении к нему балластного газа. Стоит, однако, в этом газе увеличить количество горючих элементов, требующих для сгорания большего количества кислорода, как полнота сгорания начинает уменьшаться. Именно равенство количества прореагировавшего кислорода при сжигании разных газов говорит о равенстве максимальной теплопроизводительности теплогенератора для этих случаев. Это подтверждается правилом Вельтера – Бертье [46]. Таким образом, опыты с газами разной теплоты сгорания не только подтверждают ступенчатый характер смешения, но и позволяют заключить, что по крайней мере в бесфутеровочных теплогенераторах процесс сгорания лимитируется микросмешением. В последнее время появились работы [10, 17, 20, 35], которые, как представляется, не косвенно, а прямым путем доказывают влияние нормальной скорости распространения пламени на процесс горения в промышленных топочных устройствах. В настоящей работе на основе значительных теоретических и опытных данных показано, что применением небольшого дугового плазмотрона (с расходом воздуха порядка 0,001 кг/с) можно увеличить полноту выгорания топлива в камере сгорания судового, газотурбинного двигателя на 1–4 %. Каков же механизм взаимодействия низкотемпературной плазмы с потоком в пламенной трубе? Разумеется, нельзя предположить, что поток из плазмотрона, количество движения которого ничтожно по сравнению с количеством движения потока первичного воздуха в пламенной трубе, усиливает турбулентное перемешивание. Интенсификация процесса горения в пламенной трубе плазмой объясняется 8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com именно увеличением нормальной скорости распространения пламени благодаря радикалам, обломкам молекул и активным частицам, образующимся в плазме при высоких температурах [40]. Вышеизложенное подтверждает предлагаемый механизм процесса диффузионного горения. Химические факторы продолжают влиять на полноту выгорания топлива в условиях, при которых ранее это влияние отрицалось (в хорошо перемешанном потоке при высоких температурах). 6.2. Определение времени сгорания и среднего времени пребывания продуктов горения в топочном объеме Из вышеизложенного ясно, что при диффузионном горении процессы макро- и микросмешения протекают во времени последовательно. Определим эти времена. Время макросмешения. Так как нас интересует полное время τ смешения молей всех размеров, то для вычисления τ следует принять наибольший масштаб турбулентности. Такой величиной является масштаб турбулентности Прандтля, который математически определяется как максимальное расстояние между частицами, у которых еще сохраняется корреляция: ∞ l П = ∫ R ( x ) dx. Время макросмешения можно определить по формуле [40] τT = c1 l П2 / Dm , где l П – масштаб Прандтля м; Dm – коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; c1 – опытный коэффициент пропорциональности. Время микросмешения. Корреляционный анализ пульсации в турбулентном потоке показывает, что, начиная с определенного малого расстояния между двумя частицами (точками) и до самого их сближения, коэффициент корреляции R становится равным единице. На этом расстоянии исчезают градиенты скорости, а вместе с ними и турбулентное перемешивание. Все процессы переноса в этих частицах осуществляются в основном по механизму молекулярной диффузии. Тейлор определил этот размер как минимальный масштаб турбулентности, который вычисляется по формуле [40] lT = ( L / Re 0 ,5 ) const , где L – характерный масштаб потока; Re – число Рейнольдса потока. 9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Время микросмешения таких частиц может быть вычислено по известной формуле [40] τ M = lT2 / DM , где lТ – масштаб Тейлора; DM – коэффициент молекулярной диффузии. Таким образом, при диффузионном горении турбулентными пульсациями топливо и воздух не могут приблизиться друг к другу ближе, чем на расстояние lТ. В предварительно подготовленной смеси масштаб Тейлора не является характерным и не лимитирует подготовку горючей смеси к сгоранию. Сгорание предварительно подготовленной смеси лимитируется только процессом нагрева до температуры воспламенения, который осуществляется несколькими разными путями и значительно быстрее процесса смешения. Тем не менее и здесь, на опыте, не наблюдается прямой пропорциональности между скоростью воздуха и скоростью горения, как это имело бы место, если процесс нагрева (смешения) осуществлялся бы только по механизму турбулентной диффузии (например, в открытом факеле). Скорость сгорания в этом случае лимитируется минимальным масштабом турбулентности, каким является масштаб Колмогорова, который значительно меньше масштаба Тейлора и вычисляется по формуле [40] l K = L / Re 0 ,75 . Время микросмешения в предварительно подготовленной для сгорания смеси целесообразно определять по формуле [40] τ M = l K /(2U H ), поскольку скорость микросмешения в ламинарном потоке, равная скорости нагрева перед фронтом горения, соответствует скорости нормального распространения пламени. Процесс горения, как уже упоминалось, нарушает однородность предварительно подготовленной смеси, появляются градиенты концентрации и температуры. В результате действительное значение DM и в случае диффузионного горения будет отличаться от табличного. Логично и в этом случае не уточнять значение DM, а в качестве масштаба молекулярных процессов в горящем потоке использовать нормальную скорость распространения пламени для смесей аналогичного состава и вычислить время молекулярного смешения с заменой колмогоровского масштаба на масштаб Тейлора. Рассмотрим теперь время пребывания. Тот факт, что частицы, попавшие в топку в один и тот же момент, находятся в ней различное время, позволяет сделать следующее заключение: время пребывания в топочном 10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com объеме является случайной величиной, которую можно характеризовать функцией распределения. В теории химических реакторов хорошо обоснованы простые экспериментальные методы определения функции распределения времени пребывания (ФРВП) Е(τ) [40]. Было найдено целесообразным использовать эти методы при исследовании топочных устройств. Впервые для топочных устройств ФРВП были определены для регистровых камер сгорания (рис. 6.1). Рис. 6.1. Функция распределения времени пребывания для регистровых камер сгорания: 1–5 – Dк – 80 мм (1 – Re = 340, 2 – Re = 760, 3 – Re = 1090, 4 – Re = 2430, 5 – Re = 3930); 6–8 – Dк = 160 мм (6 – Re = 1580, 7 – Re = 3060, 8 – Re = 4100); 9–11 – Dк = 240 мм (9 – Re = 2340, 10 – Re = 2780, 11 – Re = 3400) Вышеизложенное позволяет для расчета топочного процесса использовать готовый математический аппарат и способы определения ФРВП, разработанные в теории химических реакторов. Таким образом, в наших расчетах топочного процесса время пребывания не является одним и тем же средним для всех частиц, как это предполагалось ранее [44, 48], а уточнено с помощью конкретных (опытных) кривых распределения. Уместно отметить, что известной «компенсацией» отсутствия ФРВП в ранее выполненных исследованиях явилась гипотеза о том, что размеры турбулентных молей в пламенной трубе распределяются по статистическому закону, например по закону Розина – Pамлера [40]. 11 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com τп / τ г Рис. 6.2. Зависимость полноты выгорания от времени пребывания τп/τг: 1 – кинетическое горение; 2 – диффузионное горение; 3 – расчетная кривая Это позволило получить кривую выгорания, близкую к опытной (рис. 6.2, кривая 3), и разработать практически удовлетворительный метод расчета процесса горения распыленного жидкого топлива (соляр) в камерах сгорания судовых газотурбогенераторов. Для газового топлива, где время испарения равно нулю, этот метод оказался неудовлетворительным. Среднее значение времени пребывания определяется по формуле [40] τ п =VТ / υc , где VТ – объем топочного пространства; υc – секундный объемный расход газов через топку (зона горения). 6.3. Определение безразмерного времени горения Таким образом, перемешивание в топке осуществляется в два этапа: макросмешение турбулентной диффузией и микросмешение молекулярной диффузией. Одновременно с последним процессом протекает горение. Скорость нормального горения принята в качестве масштаба молекулярных процессов. Ею же учитывается и химизм процесса. Обработка опытных данных, о которой сказано ниже, показала, что нормальная скорость является хорошим масштабом для обобщения результатов испытаний. Можно утверждать, что моли минимальных масштабов выгорают с поверхности со скоростью нормального распространения пламени или со скоростью, пропорциональной ей. Суммарное время сгорания складывается из времени макро- и микросмешения и определяется по формуле [40] τ r = τT + τ M . В безразмерной форме для отдельных видов горения можно получить τr ln2 1 lT 1 τ r.n = = k1 + k2 τn DT τ n 2 u H max τ n ; – для диффузионного горения τr ln2 1 lk 1 τ r .n = = k1 + k2 τn DT τ n 2 uH ( a ) τ n 12 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ; – для кинетического горения τr ln2 1 d k2 1 τ r .n = = k1 + k2 τn DT τ n kH τn ; – для сжигания капель при τr /τп > τм /τп. При этом следует иметь в виду следующие обстоятельства. 1. При обобщении опытных данных с полнотой сгорания ηr = 1,0 при условии, что расход топлива в каждом опыте доводился до максимального (Bmах), используется соотношение τT / τ n + τ M / τ n =1,0. 2. При обобщении опытных данных, полученных при испытании геометрически подобных топочных устройств, последнее уравнение упрощается, поскольку соотношение τТ /τn является постоянным для всего семейства. Для доказательства справедливости этого утверждения определим отношение τТ /τn. Как известно, коэффициент турбулентной диффузии в автомодельной области течения вычисляется по формуле [40], м2/с, DT = const ω' l П , где ω' – пульсационная скорость; l П – масштаб Прандтля. Полагая, что обычно принимается w' ~ w и lП ~ dn.m, где dn.m – характерный линейный размер, например диаметр пламенной трубы, получаем d П2 .Т d П .Т d П .Т l П2 = = const = const τT = . DT const ω' d П .Т ω' ω Для вычисления среднего времени пребывания τП выразим секундный объемный расход Uc через среднюю скорость воздуха ω и площадь сечения пламенной трубы, м3/с, т. е. 2 υC =ωπ d П .Т / 4 . Поскольку в геометрически подобных конструкциях LП.Т/dП.Т = const, где LП.Т – длина пламенной трубы, можно получить, м3, V= π d П2 .Т 4 l П .Т const = 3 π dП .Т 4 13 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com const . Время пребывания τП вычислим по формуле [40] 3 d П .Т πd П V 4 1 .Т const const . τП = = = 2 υC ω ω 4 πd П .Т Искомое отношение получим делением τТ на τП: d П .Т τT ω const = const. = τП ω d П .Т Именно этим отношением объясняется постоянство длины турбулентных газовых факелов при изменении скорости потока, т. е. получим τ M / τ n = const = M . После определения значения М можно рассчитать топочное устройство, подобное выбранному прототипу для ηГ = 1,0. В практике создания камер сгорания для газовых турбин подобное соотношение получено эмпирически и названо погрузочным параметром. Разными авторами для разных камер сгорания получались подобные по структуре, но отличающиеся между собой значения нагрузочных параметров. Эти значения использовались для решения разных конкретных задач проектирования, доводки и предсказания натурных значений некоторых параметров по результатам испытаний моделей. Однако возможности использования эмпирических соотношений ограничены. Предлагаемый метод расчета процесса горения раскрывает физический смысл параметра τмп = τм /τп и дает его теоретическое значение. Еще большую помощь в проектировании, расчете и доводке топочных устройств окажет кривая выгорания, поскольку она позволяет не только сохранить в натуре такую же полноту сгорания, как в модели (прототипе), но и спроектировать натуру на наперед заданную полноту сгорания. С помощью кривых выгорания можно предвычислить минимальный объем огневого пространства, обеспечивающий при данных условиях полноту сгорания η→1,0 [40]. 6.4. Математическое описание процесса горения газов Полнота сгорания газового топлива с учетом функции распределения времени пребывания определяется по формуле [40] η =1− ∫C (τ ) E (τ ) dτ , 14 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com где С(τ) – концентрация топлива в частице, время пребывания которой в топке находится в пределах от τ до τ+dτ. Выражение для С(τ) должно учитывать взаимное влияние смешения и химического реагирования; Е(τ) – функция распределения времени пребывания; τ =τi/τn – безразмерное время. Процессы горения в топках можно условно схематизировать, выделив в них ряд таких «элементарных» процессов, как испарение в случае сжигания жидкого топлива, смешение и, наконец, собственно горение (химическое реагирование). При этом модель процесса должна отразить особенности упомянутых выше процессов с учетом реальной структуры потока в аппарате. Рассмотрим два предельных наиболее характерных вида горения – кинетическое и диффузионное [40]. Горение протекает в кинетической области. Так как для протекания химической реакции необходимо, чтобы смешение произошло на молекулярном уровне, то процессу химического реагирования должен предшествовать процесс образования горючей смеси, включающий в себя процессы испарения (в случае жидкого топлива), смешения и нагрева. Таким образом, этот случай соответствует последовательному протеканию процессов смесеобразования и горения. Обозначим продолжительность стадии образования горючей смеси на макроуровне τ T , продолжительность стадии химического реагирования – τ M . Вторым допущением, которое применяется в этой схеме, является предположение о том, что во второй стадии происходит горение микромолей одного и того же размера l с одной и той же скоростью. Время второй стадии τ M = l/(2uн). Окончательно можно записать, что общее время горения τ r =τ T +τ M . В течение первой стадии, т. е. от момента поступления некоторой фиксированной порции топлива в топочное устройство до момента времени τ = τ T , происходит образование горючей смеси без горения. Следовательно, относительная концентрация данной порции топлива в топке равна l. В течение второй стадии, продолжительность которой составляет τ M , происходит горение горючей смеси. Учитывая, что в начальный момент горения (при τ = τ T ) размер моля горючей смеси был l, а скорость горения – uн, можно записать выражение для текущего значения относительной концентрации: C (τ ) = ([l − 2u H (τ −τ T ) ] / l )3 . 15 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com В безразмерных величинах зависимость относительной концентрации топлива от времени примет следующий вид: C (τ ) =1 0 ≤τ ≤τ T ;   C (τ ) = 1− (τ −τ T ) 3 / τ M  τ T ≤τ ≤τ T +τ M ;    C (τ ) = 0 τ fτ T +τ M .  С учетом ФРВП молей горючей смеси Е(t) средняя концентрация несгоревшего топлива в топке ∞ CCP = ∫ C (τ ) E (τ ) dτ . Переходя от CCP к коэффициенту полноты сгорания ηr, получаем ∞ η r =1− ∫ C (τ ) E (τ ) dτ , или τr τ T +τ M  3 τ −τ T  η r =1− ∫ E (τ ) dτ − ∫ 1−  E (τ ) dτ . τ τT  M  Полученное уравнение позволяет выделить два рода потерь, вносящих вклад в неполноту горения. Во-первых, второй член правой части уравнения зависит от аэродинамической обстановки в топке и учитывает количество топлива, которое выносится из топки, не успев воспламениться. Вовторых, третий член правой части уравнения учитывает количество топлива, не успевшего полностью сгореть. Горение происходит в диффузионной области. Эта схема соответствует случаю, когда смешение и химическое реагирование идут параллельно, но определяющим является перемешивание. Случай, когда определяющим является химическое реагирование, сводится к первой схеме. При этом процессу собственно горения (протекающему уже в диффузионной области) может в случае сжигания жидкого топлива предшествовать стадия испарения. Обозначим продолжительность первой стадии τТ и стадии собственно горения τм. Как и ранее, будем предполагать, что моли имеют один и тот же размер. Фактически этот размер является масштабом неоднородности. 16 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Из соображений размерности можно получить, согласно [40], τ T =σ 2 / DT , где σ – характерная для процесса смешения опытная величина размерности длины (размер моля, масштаб неоднородности); DТ – коэффициент турбулентной диффузии, м2/с. Аналогично тому, как это было сделано при рассмотрении первой схемы, выражение для определения концентрации топлива можно записать в виде C (τ ) =1 0 ≤τ pτ T ;   3/2 C (τ ) = [1− (τ −τ T ) /τ M ] τ T ≤τ pτ T +τ M ;  C (τ ) = 0 τ fτ T +τ M .  Окончательная формула для расчета полноты сгорания имеет следующий вид: τr τ T +τ M  τ −τ T  η r =1− ∫ E (τ ) dτ − ∫ 1−  τM  τT  3/2 E (τ ) dτ . Второй и третий члены правой части этого уравнения имеют тот же смысл, что и соответствующие члены выражения, полученного ранее в первой схеме. Для того чтобы применить полученные результаты к анализу процессов в конкретных устройствах, необходимо иметь соотношения для определения τТ, δ, DТ, E(τ), τ м (см. рис. 6.2). На основе сравнения кривых выгорания 1, 2 и 3 (рис. 6.2) можно сделать вывод, что предположение о статистическом законе распределения турбулентных молей в известной мере компенсирует отсутствие ФРВП во втором случае и что величина η может служить критерием для классификации типов реакторов. Кривые 1, 2 и 3 не исключают, а дополняют друг друга, что должно способствовать более полному толкованию физической сути исследуемого процесса. Видим, что на основе теории турбулентности Л. Прандтля, К. Тейлора и А.Н. Колмогорова, теории нормального распространения пламени и теории химических реакторов предложен метод расчета топочного процесса и получено уравнение, которое связывает полноту выгорания топлива с основными геометрическими и режимными параметрами топочных устройств. Это уравнение как математическое описание топочного процесса может быть использовано для его оптимизации, проектирования новых топочных устройств и улучшения работы существующих. 17 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Контрольные вопросы и задания 1. Перечислите основные особенности топочного процесса. 2. Как определить время макросмешения? 3. Как вычислить время микросмешения? 4. Как рассчитать суммарное время сгорания? 5. Каким выражением описывается полнота сгорания газообразного топлива? 6. Какие ученые внесли вклад в развитие теории диффузионного и кинетического горения? 7. Опишите математические процессы кинетического и диффузионного горения. ЛЕКЦИЯ 7 ГОРЕНИЕ ГАЗОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ План лекции 7.1. Экологические проблемы при горении газов. 7.2. Оксид углерода в продуктах горения. 7.3. Канцерогенные углеводороды в продуктах горения. 7.1. Экологические проблемы при горении газов Состояние воздушного бассейна городов и населенных пунктов значительно зависит от структуры топливного баланса и перевода топливоиспользующих установок с твердого и жидкого топлива на природный газ. Можно проследить это на примере Москвы. Многие годы основным котельным топливом в городе был бурый уголь. Сжигание его сопровождалось большими выбросами в воздух золы и других вредных частиц. Для улучшения состояния воздуха бурый уголь был заменен сначала антрацитом (снизилось количество дымовых выбросов), затем мазутом и, наконец, природным газом. В результате воздух в Москве за последние 10–12 лет стал чище в три-четыре раза, и сейчас вряд ли можно найти на нашей планете другой город такой же величины, который по чистоте воздуха мог бы с ней конкурировать [11, 12]. Применение природного газа в качестве основного вида топлива в городах и населенных пунктах позволяет уменьшить загрязнение атмосферы окислами серы, твердыми частицами и в некоторой степени окисью углерода. Однако и при использовании газа в атмосферу поступает большое количество окислов азота, окиси углерода и канцерогенных веществ. Так, в дымовых газах котлов содержится от 0,2 до 2 г/м3 оксидов азота (в пере18 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com счете на NО2). Правильная организация горения в топках газоиспользующих установок, выбор рациональных способов сжигания газа позволяют свести к минимуму образование вредных составляющих и выделение их в воздушный бассейн [21, 26, 30, 31, 39]. Использование природного газа позволяет вести не только пассивную, но и активную борьбу за чистоту воздушного бассейна. Так, можно широко применять установки для дожигания (при сгорании совместно с природным газом) органических веществ и некоторых других вредностей, содержащихся в выбросных газах предприятий химической и нефтехимической промышленности. При этом вредные органические вещества догорают, превращаясь в нейтральные продукты сгорания – углекислый газ и водяные пары. При достаточном содержании кислорода выбросные газы можно полностью или частично использовать для подачи в газовые горелки вместо соответствующего количества воздуха. При указанных методах обезвреживания выбросных газов решается также и побочная задача – экономия топлива за счет использования теплоты сгорания органических веществ, содержащихся в выбросных газах. В настоящее время интенсивно ведутся исследования, выявляющие связь между условиями сжигания газа и содержанием в продуктах горения вредных составляющих. Особенно следует отметить работы, выполненные Н.В. Лавровым и сотрудниками во ВНИИпромгаз (Москва); В.Ф. Копытовым, И.Я. Сигалом, Н.Л. Стаскевичем и Г.П. Коминой, И.А. Шуром и др. в Промэнергогазе совместно с НИИ онкологии им. профессора Н.Н. Петрова [31, 32, 45, 46, 51]. Остановимся более подробно на трех основных вредных составляющих, которые могут содержаться в продуктах горения газовоздушных смесей, – оксида углерода, оксидов азота и канцерогенных углеводородов. 7.2 Оксид углерода в продуктах горения Оксид углерода СО (угарный газ) имеет молекулярную массу М = 28,01, плотность при нормальных условиях ро = 1,250 кг/м3, не имеет запаха и цвета, плохо растворяется в воде и не поглощается активированным углем. Оксид углерода содержится в качестве одного из основных компонентов в искусственных газах и, кроме того, образуется при неполном сгорании всех видов топлива. Он равномерно распространяется в воздухе помещений, так как плотность его почти равна плотности воздуха, является отравляющим газом, поскольку нарушает питание организма кислородом. Большинство несчастных случаев при использовании газа в быту происходит от отравления оксидом углерода. Он является также одним из основных вредных веществ, загрязняющих атмосферу в результате неполного сгорания топлива в промышленных газоиспользующих установках и двига19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com телях внутреннего сгорания. При работе автомобильного транспорта на каждые сжигаемые 1000 л бензина образуется около 250 кг оксида углерода в выхлопных газах. В США за 1 год с выхлопными газами автотранспорта в атмосферу поступает 66 млн. т. оксида углерода [20]. При сжигании топлива в котельных установках продукты горения, а следовательно, и оксида углерода поступают в атмосферу через дымовые трубы. Концентрация окиси углерода в приземных слоях атмосферы увеличивается, как правило, незначительно и вырастает до недопустимых пределов лишь при явно неудовлетворительной организации процесса горения. Гораздо больше вероятность загрязнения оксидами углерода воздуха жилых и бытовых помещений. Поэтому особое внимание следует уделить возможности увеличения объема кухонь, улучшению их вентиляций и снижению содержания оксидов углерода в продуктах горения газа. В России установлены значительно более жесткие нормы на предельные концентрации оксида углерода в воздухе, чем за рубежом (табл. 7.1). Таблица 7.1 Нормы на содержание оксида углерода Среда, для которой дана норма Нормативный документ Предельное содержание мг/м3 % 5 (максимальное разовое) Воздух атмосферный СН 245–71 1 (среднесуточное) населенных мест Воздух газифицированных ГОСТ 2 квартир 5542–90* Воздух производственных СН 245–71 20** помещений Неразбавленные продукты ГОСТ сгорания газа в бытовых 250 10798–70* плитах (в пересчете на α = 1) 0,00024 0,00008 0,00016 0,0016 0,02*** * Соответствующая норма в США равна 0,01 %. ** При длительности работы в атмосфере, содержащей оксид углерода, не более 1 ч норма может быть повышена до 50, не более 30 мин – до 100, не более 15 мин – до 200 мг/м3. Возобновление работы в этих условиях допустимо после перерыва длительностью не менее чем 2 ч. *** Соответствующая норма в ряде зарубежных стран равна 0,1 %. Сопоставление приведенных в табл. 7.1 данных показывает, что они до некоторой степени противоречат друг другу. Так, установленная ГОСТ 5542–90* норма на содержание оксида углерода в воздухе газифицированных квартир в 1,5 раза меньше, чем максимальное разовое содержание его в воздухе населенных мест, хотя работа газовых приборов не может способствовать уменьшению содержания оксида углерода в воздухе. Указанной нормой тем более трудно пользоваться, так как во многих городах содержа20 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ние окиси углерода в наружной воздушной среде превышает допустимую норму по показателям Государственной санитарной инспекции. Если для этого случая воспользоваться нормой, установленной для воздуха производственных помещений, то лишь она в очень малой степени согласуется с требованием государственного стандарта о содержании оксида углерода в неразбавленных продуктах сгорания газа при работе газовой плиты. Основными горючими компонентами газа, используемого для городского газоснабжения в России, являются предельные углеводороды метанового ряда. Их окисление при горении происходит по радикально-цепной схеме. На одной из стадий промежуточным продуктом реакции является оксид углерода. Кроме того, при недостатке кислорода возможно образование в качестве промежуточных продуктов альдегидов, в том числе формальдегида. Н.В. Лавров [31] дает схему стадийного горения природного газа, согласно которой суммарная реакция записывается в виде 2CH 4 + O2 → 2CO + 4 H 2 . Д.А. Франк-Каменецкий считает, что для всех углеводородов завершающей стадией горения является догорание оксида углерода, который образуется в начальной стадии горения [46]. Другие исследователи, например А.Б. Налбандян и И.Н. Антонова, также отмечают, что при горении метан проходит стадии последовательных превращений, включая схему метан–формальдегид–оксид углерода–углекислый газ. Кроме промежуточных продуктов реакции, куда входят альдегиды и оксид углерода, в продуктах горения могут находиться и продукты термического разложения и конверсии, в том числе водород и углерод. Это относится и к окислению высших углеводородов того же ряда [31]. При неблагоприятных условиях цепи реакции могут оборваться и в продуктах горения будут содержаться оксид углерода и альдегиды. Если сжигается частично подготовленная газовоздушная смесь и количество первичного воздуха меньше теоретически необходимого, то догорание промежуточных продуктов реакции происходит в основном во внешнем конусе пламени по мере подвода к нему вторичного воздуха. Реакция горения может не дойти до конца, если к факелу не подводится достаточное количество воздуха или температура во внешнем конусе недостаточно высока. Итак, основными причинами появления оксида углерода в продуктах горения можно считать недостаточное количество окислителя и охлаждение зоны горения. При недостаточном количестве воздуха горение углеводородов может происходить в соответствии с суммарной реакцией Cm H n + m n m (O2 + 3,76 N 2 ) = mCO + H 2 + 3,76 N 2 , 2 2 2 21 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com а для метана CH 4 + 1 (O2 + 3,76 N 2 ) = CO + 2 H 2 +1,88 N 2 . 2 В промышленных горелках во многих случаях сжигают заранее подготовленные газовоздушные смеси. При всем разнообразии используемых газогорелочных устройств можно установить, однако, одинаковый характер влияния состава газовоздушной смеси на содержание оксида углерода в продуктах горения. Сделаем это на примере беспламенных горелок. Результаты исследования горения в туннельных беспламенных горелках позволяют определить влияние недостатка воздуха и охлаждения зоны горения на образование химического недожога. При сжигании предварительно подготовленных смесей газа и воздуха в туннельных горелках оптимальных размеров (Dт/do = 2,5) с отношением длины туннеля к его диаметру Lт/Dт = 5 определяли химический недожог на выходе из горелки (по содержанию в продуктах сгорания оксида углерода и водорода; метан в продуктах сгорания практически отсутствовал). Окись углерода отсутствует лишь в пределах α = 1,05–1,15. Значительное содержание оксида углерода при малых значениях α объясняется недостатком воздуха. При α > 1,15 окись углерода появляется вследствие охлаждения зоны горения избыточным количеством воздуха, не участвующим в процессе. Первый фактор – недостаток воздуха – вызывает образование значительно бό льшихколичеств оксида углерода, чем второй фактор – охлаждение зоны горения. Одинаковое содержание окиси углерода в продуктах горения и одинаковый химический недожог при различных расходах газа свидетельствуют об автомодельности горения в туннеле, т. е. о независимости его от расхода газа. Аналогичные результаты были ранее получены А.С. Иссерлиным при сжигании доменного и других газов в туннельных горелках [20]. Содержание оксида углерода в продуктах горения в зависимости от α может увеличиваться или уменьшаться при изменении однородности предварительно подготовленной газовоздушной смеси. В ряде случаев горелки с принудительной подачей воздуха не обеспечивают такого тонкого смешения газа с воздухом, как инжекционные, снабженные диффузором, и горение в них происходит при локальных недостатках воздуха. Для того чтобы выяснить влияние степени однородности газовоздушной смеси на содержание оксида углерода в конце туннеля, были проведены специальные опыты [20]. При сжигании в туннельной горелке с отношением диаметров Dт/do = 2,5 природного газа с воздухом коэффициент инжекции поддерживался постоянным, соответствующим α = 1,05. Диффузор инжектора последовательно укорачивался, вследствие чего ухудшалось перемешивание газа и воздуха. В качестве характеристики степени однородно22 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com сти было выбрано отношение минимальной концентрации Сmin воздуха в выходном поперечном сечении диффузора к максимальной Сmах. Кривая, отражающая результаты эксперимента, приведена на рис. 7.1. Видно, что химический недожог менее 1 % практически отсутствует лишь при Сmin/Сmах более 0,986. Выгорание метана в начале зоны горения происходит скорее, чем окисление промежуточных продуктов реакции, в том числе оксида углерода и водорода. Поэтому в той же туннельной горелке химический недожог лишь медленно уменьшается по оси туннеля (рис. 7.2). Рассмотрение сравнительных данных испытаний котлов, работающих на природном газе, указывает, что в большинстве случаев оптимальное Рис. 7.1. Зависимость полноты сгорания значение коэффициента избытка возметановоздушной смеси (α = 1,06) на выходе из туннельной горелки духа α, обеспечивающее отсутствие от степени однородности смеси: недожога, равно 1,05–1,07 (рис. 7.3). 1 – средняя концентрация О2; Характер изменения содержания 2 – относительная концентрация СО2; оксида углерода вдоль оси горелки 3 – средняя концентрация СО ; качественно не изменяется и для 4 – средняя концентрация H2 свободного факела. В работе [32] исследовалось содержание оксида углерода вдоль оси круглого ламинарного пламени. Сжигались природные газы различного состава в смеси с воздухом. На рис. 7.4 представлены результаты измерений при сжигании чистого метана. Видно, что при сжигании богатых газовоздушных смесей (α < 1) содержание оксида углерода уменьшается вдоль оси факела, начиная от конца внутреннего конуса пламени, примерно линейно. Лишь в конце догорания линейный характер кривой изменяется и прямая переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к оси абсцисс. При α > 1 прямолинейный участок кривой отсутствует. Излом в начале оси соответствует концу внутреннего конуса пламени. С увеличением нагрузки возрастает и концентрация оксида углерода. 23 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com q, % 120 80 q3, % 6 40 4 2 80 160 240 Расстояние от входа в тоннель, м Рис. 7.2. Изменение суммарного химического недожога q3 по оси туннеля при Vo = 5 м3/Ч; α = 1,05; Lт = 311 мм 1 1,1 1,2 Рис. 7.3. Зависимость химической неполноты горения q3 от коэффициента избытка воздуха: 1, 2 – ход в сторону уменьшения α; 3 – ход в сторону увеличения α Подводя итоги рассмотрению факторов, влияющих на образование оксида углерода в промышленных горелках, можно отметить следующее. При сжигании горючих газов оксид углерода появляется, как правило, при недостаточном содержании воздуха в газовоздушной смеси. Плохое смешение газа с воздухом способствует повышению концентрации оксида углерода в продуктах горения. Оптимальные коэффициенты избытка воздуха при сжигании заранее подготовРис. 7.4. Изменение содержания СО вдоль ленной газовоздушной смеси сососи ламинарного факела (Q = 231 ккал/ч) тавляют 1,05–1,10. Большие значения коэффициента избытка воздуха могут также вызывать появление оксида углерода в продуктах горения из-за охлаждения очага горения. Горелки для природного и сжиженного газов, используемые в бытовых газовых приборах, сжигают частично подготовленные газовоздушные смеси. Для полного выгорания оксида углерода требуются значительная длина факела, организованный подвод вторичного воздуха ко всем его частям и соот24 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ветствующие температурные условия. При неправильной эксплуатации бытовых газовых приборов эти требования не выполняются, и тогда возможно загрязнение воздуха жилых помещений оксидом углерода. Напомним, что большинство несчастных случаев при бытовом использовании газа связано с отравлением жителей газифицированных квартир оксидом углерода. Особым источником опасности являются приборы с большим расходом газа, у которых продукты сгорания должны отводиться в дымоход (отопительные печи, квартирные отопительные котлы, ванные водонагревательные аппараты). При нарушении тяги (завал дымохода или наличие обратной тяги) большое количество продуктов горения, содержащих оксид углерода, выходит в помещение кухни или ванной комнаты и разносится затем по всей квартире. В этих случаях возможно отравление всех проживающих в квартире. Обратная тяга возникает иногда в зимнее время вследствие отопления лестничных клеток. Они представляют собой мощную вытяжную трубу, в которую подсасывается воздух из квартир, куда он может поступать через непрогретый дымоход и вентиляционный канал. Тогда при пуске газового аппарата продукты горения будут распространяться по всей квартире. Отопительные печи присоединяют непосредственно к дымоходу. Чтобы предотвратить возможность отравления жителей, следует оснащать эти печи автоматикой, отключающей подачу газа на основную горелку при нарушении тяги. Для предотвращения несчастных случаев при эксплуатации отопительных печей на газе Правилами безопасности в газовом хозяйстве предписывается устраивать отверстие в шибере печи. Считается, что продукты горения будут уходить через отверстие в дымоход даже при закрытом шибере. Опыты, описанные в [46], показали, однако, что наличие отверстий не предотвращает возможности отравления людей оксидом углерода при работе печи с закрытым шибером. Поступление воздуха к очагу горения ухудшается из-за повышенного гидравлического сопротивления, содержание оксида углерода в продуктах горения увеличивается, и они могут поступать в помещение через неплотности гарнитуры и кладки печи. В связи с этим более целесообразным является изъятие шиберов из отопительных печей при одновременной герметизации гарнитуры и кладки. Для повышения же устойчивости горения инжекционные горелки следует располагать полностью в топливнике печи [32]. Опыт эксплуатации отопительных печей, переведенных на газ в соответствии с этими рекомендациями, в Киеве, Харькове и других городах показал, что кпд печей при удалении шибера ухудшается незначительно, а количество несчастных случаев резко снижается. Газовые водогрейные аппараты большой мощности и отопительные котлы квартирного отопления присоединяют к дымоходу через прерыватель тяги, одним из назначений которого является обеспечение постоянного количества первичного и вторичного воздуха, поступающего в камеру сгорания, даже при колебаниях разрежения в дымоходе. Главное же назначение прерывателя тяги – обеспечить нормальное сгорание газа при нарушении тяги. 25 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com При нормальной тяге продукты горения поступают в дымоход, огибая дефлектор (рис. 7.5, а), а через кольцевую щель прерывателя тяги подсасывается дополнительное количество воздуха из помещения. При нарушении тяги продукты горения выходят в помещение ванной комнаты или кухни через кольцевую щель прерывателя тяги (рис. 7.5, б). Воздух помещения загрязняется большим количеством продуктов горения, содержащих окись углерода, что само по себе уже опасно. Однако при этом концентрация окиси углерода в продуктах горения остается прежней, работа горелки не ухудшается. Если же присоединить аппарат к дымоходу непосредственно, без прерывателя тяги, то продукты горения выйдут в помещение, омывая газогорелочное устройство. Часть их будет подсасываться инжектором горелки и разбавлять первичный воздух, подаваемый к очагу горения (рис. 7.5, в). Концентрация кислорода в нем при этом уменьшится, и содержание окиси углерода в продуктах горения резко увеличится. В помещение поступит то же общее количество продуктов горения, но со значительно большей концентрацией окиси углерода. Возможность несчастного случая значительно возрастет. Для предотвращения несчастных случаев водогрейные аппараты должны оснащаться автоматикой безопасности, прекращающей доступ газа к основной горелке при нарушениях тяги. а б в Рис. 7.5. Схема движения продуктов горения в газовом водогрейном аппарате: a – при нормальной работе с прерывателем тяги; б – при отсутствии тяги (завал дымохода); в – при непосредственном присоединении к дымоходу, тяга отсутствует; 1 – горелка; 2 – камера сгорания; 3 – змеевик; 4 – калорифер; 5 – дефлектор 26 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com При рассмотрении случая работы водогрейного аппарата с прерывателем тяги при завале дымохода предполагается, что горение не ухудшится при выходе продуктов горения через кольцевую щель прерывателя тяги. Возможно, однако, что и в этом случае увеличится количество окиси углерода в продуктах горения из-за ухудшения работы горелки. Действительно, по мере поступления продуктов горения в помещение в воздухе будет увеличиваться концентрация углекислого газа и водяных паров и соответственно уменьшаться концентрация кислорода. При получасовой работе ванного водогрейного аппарата с расходом газа около 2 м3/ч концентрация углекислого газа в воздухе ванной комнаты объемом 7,5 м3 возрастет при трехкратном воздухообмене до 5,6 %. Это значительно ухудшит горение, приведет к увеличенному выделению оксида углерода и возникновению опасности для жителей квартиры [32]. У некоторых проточных водогрейных аппаратов концентрация оксида углерода в продуктах горения увеличивается с повышением расхода газа. Это объясняется уменьшением относительного количества подводимого вторичного воздуха. Так, при испытании некоторых водонагревателей КГИ-56 увеличение нагрузки от 70 до 118 % от номинальной сопровождалось последовательным снижением α в топочной камере от 2,1 до 1,56, а содержание оксида углерода в неразбавленных продуктах горения возрастало при этом от 0,016 до 0,10 %. У других водонагревателей повышенное содержание окиси углерода вызывалось плохим подводом вторичного воздуха к отдельным факелам горелки при общем большом значении к в камере [46]. Опыт массовой эксплуатации бытовых газовых плит показывает, что острых отравлений оксидом углерода не наблюдается, как правило, даже при явно неудовлетворительном качестве горения газа. Однако далеко не безразличной для жителей газифицированных квартир является возможность хронического отравления малыми концентрациями оксида углерода. Исследования содержания оксида углерода в воздухе газифицированных квартир различных городов показали, что оно значительно превышает допустимые нормы для промышленных предприятий. Так, в Москве содержание оксида углерода в воздухе различных кухонь составляло при работе газовых приборов от 66 до 370 мг/м3. Аналогичные результаты были получены при обследовании газифицированных квартир в Саратове. Такое недопустимо высокое загрязнение воздуха объясняется, прежде всего, плохим качеством установленных газовых плит и неправильной наладкой в них горения [32]. Исследования показали, что правильная наладка горения в бытовых газовых приборах позволяет значительно снизить загазованность воздуха кухонь и помещений оксидом углерода. В Киеве, в Институте газа, проводилась специальная разработка рациональных методов эксплуатации га27 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com зовой аппаратуры, загазованность кухонь оксидом углерода значительно снизилась. Исследования, проведенные совместно с горсанэпидстанцией Киева в двух районах города, показали, что летом из ста обследованных квартир только в семи содержание оксида углерода превышало норму производственных помещений (в трех квартирах – 36,4, в трех – 42, в одной – 70 мг/м3). Зимой из 44 обследованных квартир лишь в одной обнаружено содержание оксида углерода 392 мг/м3. Среднее содержание оксида углерода в атмосфере обследованных газифицированных кухонь в Киеве составляло 15 мг/м3 [45]. В последние годы проведена большая работа по выпуску более совершенных бытовых газовых плит и улучшению их эксплуатации. По данным ряда обследований, можно считать, что содержание оксида углерода в воздухе кухонь при длительной работе горелок колеблется в пределах от 10 до 40 мг/м3. При работе конфорочных горелок газовой плиты на величину содержания оксида углерода в продуктах горения влияют следующие основные факторы: коэффициент инжекции (содержание первичного воздуха в газовоздушной смеси), расстояние от огневых отверстий до дна нагреваемой кастрюли, диаметр дна кастрюли, тепловая мощность горелки, условия подвода вторичного воздуха к отдельным частям факелков и характеристика сжигаемого газа. Рассмотрим влияние отдельных факторов на примере сжигания природного газа. Решающим фактором является содержание первичного воздуха в газовоздушной смеси. На рис. 7.6 представлена характерная зависимость содержания оксида углерода в неразбавленных продуктах горения от коэффициента избытка первичного воздуха. Видно, что лишь при α = 0,5–0,6 и выше содержание СО2 = 1 имеет порядок величины, предусмотренной государственным стандартом. При α = 0,3 содержание СО2 превосходит допустимые значения в 25–27 раз. Аналогичные зависимости получены и для иных конструкций горелок. Рис. 7.6. Зависимость содержания Следовательно, прежде всего оксида углерода в продуктах горения необходимо обеспечить работу от коэффициента избытка первичного воздуха горелок с α = 0,5–0,6. (природный газ, конфорочная горелка) 28 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Считается, что с повышением расхода газа данной горелкой содержание оксида углерода в продуктах горения увеличивается. Однако следует отметить, что в ряде случаев опыты не дают однозначных результатов. Иногда наблюдается даже снижение содержания окиси углерода при увеличении тепловой мощности, что можно объяснить некоторым повышением коэффициента инжекции с увеличением расхода газа, способствующим улучшению горения. Кроме того, с увеличением расхода газовоздушной смеси изменяется не только длина факелков пламени, но также и их конфигурация. Уменьшается угол наклона факелков по отношению к поверхности дна посуды, что также может способствовать улучшению сгорания. Во всяком случае, характер зависимости CO от тепловой нагрузки подлежит уточнению для каждого типа горелки. Влияние упомянутых выше факторов на изменение содержания оксида углерода в продуктах горения при работе конфорочных горелок объясняется обычно охлаждением факела, нагреваемым объектом [32]. У конфорочных горелок газовых плит отдельные факелки образуют кольцевой венчик пламени. Верхняя часть факелков может соприкасаться с холодным дном посуды, вследствие чего температура во внешнем конусе факелков будет резко снижаться и образующаяся окись углерода не успеет догореть. Возможно, однако, что и в этом случае большее значение имеют условия подвода вторичного воздуха к факелкам. К области, ограниченной дном посуды, верхом горелки и внутренней поверхностью венчика пламени, затруднен доступ вторичного воздуха. Возникающая рециркуляция продуктов горения, в свою очередь, затрудняет доступ вторичного воздуха к корню факелков. Наличие центрального канала в конфорочной горелке лишь несколько снижало содержание окиси углерода во внутренней зоне. Отбор проб по диаметру дна кастрюли (на расстоянии 0,2 мм от дна) показал, что CO2 = 1 возрастает с приближением к центру дна. При исследовании содержания окиси углерода вдоль внутренней поверхности факелков максимальное содержание СО2 = 1 оказалось у корней факелков. С приближением ко дну кастрюли оно прогрессивно уменьшалось. С внешней стороны факелков максимальное содержание оксида углерода также обнаружено у их корня. Во внутренней зоне установлено большое содержание углекислого газа, свидетельствующее о том, что внутренняя зона в значительной степени заполнена продуктами горения. Можно полагать, что оксид углерода, содержащийся в продуктах горения конфорочной горелки, имеет два источника. Небольшое его количество поступает от наружной поверхности факелков, а основная часть диффундирует из внутренней зоны. Приведенные результаты говорят в пользу предлагаемой гипотезы о решающем влиянии подвода вторичного воздуха к факелкам пламени конфорочных горелок. Этим влиянием можно объяснить воздействие всех приведенных выше факторов на полноту сгорания газа в конфорочных горелках. 29 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com В то же время результаты исследований внутренней зоны не укладываются в схему объяснения выделения оксида углерода из-за охлаждения внешнего конуса пламени. При массовой эксплуатации бытовых газовых плит наиболее распространенной причиной неудовлетворительного сжигания газа с повышенным выделением оксида углерода является работа горелок при ненормально высоких расходах газа. Номинальная тепловая мощность Qном конфорочных горелок составляет обычно 1600 ккал/ч. Работа горелки продолжает отвечать требованиям государственного стандарта, если ее перегрузить на 18 %. При этом тепловая мощность Qmах = 1890 ккал/ч. Во многих квартирах, однако, до сих пор встречаются плиты с газовыми соплами, имеющими слишком большой диаметр отверстия. В ряде случаев это произошло из-за установки заводами газовых сопел с завышенными диаметрами отверстий. В отдельных случаях диаметр отверстия в газовых соплах увеличен слесарем или самим потребителем, желающим ускорить приготовление пищи. Чаще всего конфорочные горелки бытовых газовых плит эксплуатируют при ненормально больших расходах газа в малых предприятиях общественного питания (закусочные, небольшие кафе и т. п.), где их используют из-за отсутствия малых специальных ресторанных плит для нагрева больших баков с пищей. При обследовании газифицированных квартир и малых предприятий общественного питания обнаружились горелки с расходом природного газа (при номинальном давлении) 300, 400 и 500 л/ч вместо допустимого 236 л/ч. Тепловые нагрузки достигали 4000 ккал/ч. Покажем, к каким неприятным последствиям приводит эксплуатация бытовых газовых плит при таких высоких расходах газа. В [32] была указана область удовлетворительной работы конфорочной горелки. До значения тепловой мощности, несколько превышающей допустимую Qmax, кривая инжекции полностью располагается в этой области. Если же поставить на горелку сопло с увеличенным диаметром отверстия и чрезмерно повысить тепловую мощность, то точка, расположенная на кривой инжекции и характеризующая работу горелки, окажется справа, за пределами графика. Горелка будет работать с выделением большого количества окиси углерода, пламя будет отрываться. Содержание оксида углерода обслуживающим персоналом не измеряется, а отрыв пламени мешает эксплуатировать горелку. Чтобы горелка работала удовлетворительно, следовало бы снизить расход газа, уменьшив диаметр отверстия в сопле. Однако в большинстве случаев поступают наихудшим образом: оставляя расход газа неизменным, понижают инжекцию воздуха, закрывая воздушный регистр или вводя в инжектор посторонние предметы. За счет снижения α отрыв пламени ликвидируется, а содержание оксида углерода в продуктах горения растет. Иногда подсос воздуха ухудшается настолько, что при горении образуются желтые языки пламени, а значение СОα=1 в десятки раз превышает установ30 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ленную норму. На малых предприятиях общественного питания персонал, приготовляющий пищу на бытовых газовых плитах с таким горением, страдает, как правило, от хронического отравления оксидом углерода. Для улучшения санитарно-гигиенического состояния газифицированных квартир необходима прежде всего тщательная регулировка горения в бытовых газовых приборах. Одним из решающих средств, кроме того, может явиться устройство принудительной вытяжной вентиляции в кухнях, увеличивающей воздухообмен в три раза и соответственно снижающей концентрации вредностей в воздухе. 7.3. Канцерогенные углеводороды в продуктах горения Ряд химических соединений относится к категории канцерогенных веществ. Они могут вызывать образование злокачественных опухолей. Первое канцерогенное вещество – 3,4-бензпирен – было выделено из каменноугольного дегтя. Сейчас известно около 400 канцерогенных веществ, но 3,4-бензпирен (С20Н12) является одним из наиболее сильнодействующих и чаще всего встречающихся в окружающей среде. В организм человека 3,4-бензпирен может попадать с вдыхаемым воздухом, через кожные покровы и слизистую оболочку, с продуктами питания. Почти все источники загрязнения окружающей среды 3,4-бензпиреном – искусственного происхождения и связаны с деятельностью человека. Одним из источников являются продукты горения твердого, жидкого и газового топлив, образующиеся при работе различных топливоиспользующих установок, начиная от топок крупных котельных и кончая горелками газовых бытовых приборов. Это имеет особо важное значение, так как в любом населенном месте топливо используют как для отопительных, так и для технологических целей. Большое количество материалов и данных по содержанию 3,4-бензпирена в атмосфере городов, а также по статистике заболеваний жителей этих городов раком легких обобщены Л.М. Шабадом и П.П. Дикуном [34]. Увеличение содержания 3,4-бензпирена в атмосфере населенных мест приводит к возрастанию заболевания раком легких. Зимой содержание 3,4-бензпирена в атмосфере городов больше, чем летом, так как в зимние месяцы резко увеличивается количество дымовых выбросов из отопительных систем. В зависимости от метода и качества сжигания топлива изменяется количество выбрасываемого 3,4-бензпирена. Так, если сравнить работу ручных топок и топочных установок с механическими и автоматическими устройствами, улучшающими качество сжигания топлива, то количество образующихся канцерогенных веществ во втором случае значительно ниже. Количество канцерогенных веществ, выбрасываемых в атмосферу, зависит от величины города, объемов и характера промышленного производства этого города, вида используемого топлива и техники его сжигания. Замена твердого и жидкого топлива газовым позволяет, как правило, 31 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com обеспечить более качественное его сжигание и уменьшает, следовательно, загрязнение воздуха канцерогенными веществами. Поэтому неоценимым фактором улучшения состояния воздушного бассейна в большинстве городов России явился перевод отопительных установок, бытовых приборов и промышленных предприятий на газовое топливо. Канцерогенные вещества могут образоваться и при сжигании газа, если к пламени подводится недостаточное количество воздуха. В процессе горения углеводородные газы разлагаются под воздействием высоких температур. При разложении образуются формальдегиды, ацетилен, полициклические ароматические вещества (в том числе и канцерогенные) и др. При недостатке воздуха часть этих веществ может пройти через пламя, не догорев. Медленнее всего догорает твердый углерод. Проходя через пламя, частицы твердого углерода, адсорбировавшие ряд других веществ, раскаляются, придают пламени характерную желтую окраску и уходят в виде сажи. Наличие желтой окраски пламени или желтых языков пламени в бытовых приборах является сигналом о некачественном сжигании газа и, с нашей точки зрения, свидетельствует о возможности содержания канцерогенных веществ в продуктах сгорания. При кинетическом методе сжигания, т. е. при сжигании предварительно подготовленной смеси с избытком воздуха порядка α = 1,05–1,15, следует ожидать наименьшего содержания канцерогенов в продуктах сгорания или же полного их отсутствия. Условия образования канцерогенных веществ в пламенах изучены еще недостаточно. Это можно объяснить как большой сложностью качественного и количественного анализа 3,4-бензпирена при наличии в продуктах сгорания иных полициклических ароматических углеводородов, так и необходимостью четко разграничить изменение условий сжигания газа в различных опытах и выделить именно те факторы, которые могли бы повлиять на содержание 3,4-бензпирена в продуктах сгорания. Многие авторы указывают на зависимость концентрации 3,4-бензпирена в продуктах сгорания от конструкции горелок, режима и условий горения и других факторов, не поясняя физико-химической сути этой зависимости. Обстоятельные исследования содержания 3,4-бензпирена в продуктах сгорания при различных условиях сжигания газа проведены учеными и сотрудниками различных НИИ, вузов, лабораторий [31, 34]. Для анализа результатов различных опытов по выявлению 3,4-бензпирена в продуктах горения газа примем следующую упрощенную схему его образования. Одновременно с процессом окисления углеводородного газа происходит процесс его термического разложения. При полном разложении конечными продуктами являются водород и сажа. Первичными продуктами разложения оказываются газообразные олефины, ацетилен и этилен. При высоких температурах они образуют полициклические углеводороды. Последние представляют собою смолистые вещества и образуются в виде 32 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com мельчайших капелек масла. Одним из таких ароматических полициклических углеводородов и является канцерогенный 3,4-бензпирен. При довольно высокой температуре и достаточном подводе окислителя образовавшиеся смолистые вещества могут догореть, и продукты сгорания окажутся безвредными. Если же температура высока, а подвод окислителя затруднен, то смолистые вещества частично подвергаются дальнейшему термическому разложению вплоть до водорода и сажи, частично же абсорбируются образовавшейся сажей или непосредственно попадают в продукты сгорания. Следовательно, основным условием для предотвращения попадания канцерогенных веществ в продукты горения является наличие достаточного количества воздуха в зоне горения, чтобы промежуточные продукты реакции не покинули эту зону, не догорев. Достаточным должно быть не только общее количество подаваемого воздуха, но и локальное на каждом участке зоны горения. Это может быть обеспечено, в первую очередь, при сжигании заранее подготовленных однородных газовоздушных смесей. Второе условие – высокие температуры в зоне горения и за ней, необходимые для дожигания вредных составляющих. Перечисленные условия во многом напоминают те, которые необходимы для уменьшения содержания окиси углерода в продуктах горения газа. Следует оговорить, что разложение углеводородов может дойти до образования полициклических ароматических углеводородов и не дойти до образования сажи. Если же образуется и сажа, то, с нашей точки зрения, это свидетельствует о наличии в продуктах горения смолистых веществ, среди которых могут находиться и канцерогены. Напомним поэтому о возможности определения предельного содержания воздуха в газовоздушной смеси, при котором будет выделяться сажа и появятся желтые языка пламени. Выше указывалось, что минимальное количество воздуха, при котором углеводороды СmНn могут окислиться до оксида углерода, составляет (m/2) – 4,76 м3/м3. Если же в первичной смеси недостаточно кислорода даже для окисления до СО, то молекулы углеводорода пройдут через первичную зону реакции и попадут в среду с высокой температурой, состоящую преимущественно из продуктов горения. При термическом разложении углеводородов здесь и произойдет образование смолистых веществ и сажи, а в пламени возникнут желтые языки. Чтобы они не образовывались, нужно подавать указанное выше минимальное количество первичного воздуха. Нетрудно определить и соответствующее значение коэффициента избытка первичного воздуха α. Так как для углеводорода eо = (m+n/4) – 4,76 м3/м3, то коэффициент избытка первичного воздуха, при котором появятся желтые языки пламени [40], aж . я = m . 2( m + n / 4) 33 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Для метана αж.я = 0,25, для пропана – 0,30, для бутана – 0,31. Величина αж.я есть минимальный коэффициент избытка первичного воздуха, при котором появляются желтые языки пламени. В реальных условиях при ухудшении подвода вторичного воздуха желтые языки пламени появляются и при больших значениях α. Кроме того, с увеличением количества атомов углерода молекула углерода легче поддается термическому разложению. В связи с этим следует ожидать несколько более интенсивного нарастания значения αж.я с увеличением числа атомов углерода в молекуле, чем это следует из формулы. При диффузионном методе сжигания газа пламя всегда имеет желтую окраску, следовательно, процессы термического разложения углеводородов доходят до выделения сажи. Рядом исследователей [13, 30, 32, 36] установлено, что при сжигании метана, ацетилена и некоторых других газов в диффузионном ламинарном пламени содержание 3,4-бензпирена значительно – до 17,8 мг на 1 м3 сгоревшего газа. Последовательное увеличение первичного воздуха в газовоздушной смеси резко снижает содержание 3,4-бензпирена. В работе [32] указывается, что для конфорочных горелок газовых плит с односторонним подводом периферийного воздуха на сжиженном газе (бутанпропановая смесь) содержание 3,4-бензпирена составляло 1 мкг и более на 1 м3 сгоревшего газа при α = 0,3–0,35. При увеличении α до 0,6–0,7 содержание 3,4-бензпирена снижалось до 0,01– 0,07 мкг/м3. При эксплуатации промышленных горелок зависимость содержания канцерогенных веществ в продуктах горения от коэффициента избытка первичного воздуха подчиняется такой же закономерности, как и зависимость содержания окиси углерода, резко снижаясь и доходя до нуля при α = 1,05–1,10. На рис. 7.7 [40] показано содержание отдельных составляющих в продуктах горения в зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α (сжигался природный газ в туннельной горелке, газовоздушная смесь подавалась инжекционным смесителем). Содержание Рис. 7.7. Содержание вредных 3,4-бензпирена, составляющее 0,75–0,80 мкг веществ в продуктах горения: 1 – оксид углерода; 2 – ацетилен; на 1 м3 сжигаемого газа при α = 0,75–0,80, 3 – этилен; 4 – пропилен; снижается при α = 1,05–1,10 в 250–270 раз 5 – 3,4-бензпирен и не превышает 0,003 мкг на 1 м3 34 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Еще более полную аналогию с условиями выгорания окиси углерода можно проследить по результатам опытов [36], исследований содержания 3,4-бензпирена в продуктах горения природного газа. Опыты проводились на стендовом вертикально-цилиндрическом котле с выносной топкой. Котел и топка были герметизированы, поэтому коэффициент избытка воздуха за котлом мог быть принят равным коэффициенту избытка воздуха в газовоздушной смеси, поступающей в топку. Газовоздушная смесь подавалась при помощи скомпонованных в один блок 12 инжекционных смесителей и сжигалась в вертикальном керамическом туннеле. Горелка устанавливалась как в нижнем положении (на уровне колосниковой решетки), так и в верхнем (на уровне верхней кромки футеровки топки). В первом случае сжигание газа полностью осуществлялось в футерованной огнеупорным кирпичом раскаленной топке, а во втором – в полностью экранированной топке. Результаты опытов отображены на рис. 7.8 [31, 33]. При верхнем расположении горелки содержание 3,4-бензпирена оказалось более низким (кривая 3). Характер этой кривой полностью совпадает с характером кривой изменения окиси углерода в туннельной горелке в зависимости от α. С увеличением коэффициента избытка воздуха до 1,1 происходит резкое падение содержания 3,4-бензпирена, практически до нуля. При увеличении α свыше 1,2 наблюдается некоторое повышение содержания 3,4-бензпирена. Полагаем, что это происходит из-за понижения температуры горения. При соблюдении основных условий проведения опыта изменялся расход газа, но никакого изменения концентрации 3,4-бензпирена в переРис. 7.8. Зависимость содержания счете на 10 м3 сгоревшего газа при 3,4-бензпирена в продуктах горения от коэффициента избытка воздуха этом не обнаружено. Можно поза котлом (в пересчете на 10 м3 сгоревшего этому полагать, что относительное газа): 1 – при работе подовой горелки; содержание 3,4-бензпирена в про2, 3 – соответственно при нижней дуктах горения не зависит от раси верхней компоновке блочной хода газа, если не изменяются инжекционной горелки 35 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com температурные условия процесса горения. Так же, как это имело место и с окисью углерода, ухудшение качества смешения газа и воздуха приводит при прочих равных условиях к повышению содержания 3,4-бензпирена в продуктах сгорания. При установке в топке котла подовых щелевых горелок вместо блочных инжекционных содержание 3,4-бензпирена повышалось при α = 1,16 до 0,019, а при α = 1,38 – до 0,037 мкг на 10 м3 газа (прямая 1). Следует отметить, что во всех опытах минимальному содержанию 3,4-бензпирена в продуктах горения при α = 1,05–1,1 соответствует и наличие минимального химического недожога. В опытах Г.П. Коминой исследовались среди других и продукты сгорания природного газа при работе дутьевой горелки ГНП [40]. Сжигалась газовоздушная смесь с α = 1,2. Предварительное смешение газа с воздухом осуществлялось в этой горелке за счет центральной подачи отдельных струек газа в периферийный закрученный поток воздуха. Такой метод не обеспечивает достаточной однородности смеси и значительно уступает по качеству инжекционному смешению. Вследствие этого среднее содержание 3,4-бензпирена было 0,12, а в отдельных опытах доходило даже до 0,34 мкг/м3. Когда же горелку оснастили дополнительной камерой смешения, что привело к сокращению факела почти в два раза и повысило его прозрачность, среднее содержание 3,4-бензпирена уменьшилось в 24 раза, составив 0,005 мкг на 1 м3 сгоревшего газа. У атмосферных горелок (α < 1) содержание 3,4-бензпирена в продуктах горения так же, как и предел появления желтых языков пламени, зависит от условий подвода вторичного воздуха к пламени. Это подтверждается опытами Г.П. Коминой, в которых был проведен анализ продуктов горения на содержание 3,4-бензпирена при работе атмосферной горелки с удлиненной огневой головкой (горелка духового шкафа бытовой плиты). При достаточном расстоянии между огневыми отверстиями, равном 3,5 их диаметров, и α = 0,5 вторичный воздух беспрепятственно поступал к отдельным факелкам, а 3,4-бензпирен практически отсутствовал. При уменьшении же расстояния до 2 диаметров отверстия длина факелков увеличивалась вдвое, а содержание 3,4-бензпирена возрастало до 0,05–0,13 мкг на 1 м3 сгоревшего газа. Известные методы рационального сжигания газа, обеспечивающие наибольшую полноту горения, являются одновременно и методами, снижающими содержание канцерогенных веществ в продуктах горения или же полностью предотвращающими их образование. К таким методам относится, прежде всего, метод беспламенного горения. При работе беспламенных горелок туннельного типа и газовых инфракрасных горелок канцерогенные вещества в продуктах сгорания практически отсутствуют. Если эти вещества и содержались в воздухе, идущем на горение, то затем они выгорели в пламени. 36 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com При бытовом использовании газа следует уделять особое внимание правильной регулировке газовых горелок бытовых приборов для предотвращения возможности загрязнения воздушной среды газифицированных квартир канцерогенными веществами в пламени. Контрольные вопросы и задания 1. Какие токсичные вещества образуются при горении газа? 2. Опишите механизм образования оксида углерода в продуктах горения. 3. Как образуются канцерогенные углеводороды в продуктах горения? 4. Какие факторы влияют на образование продуктов неполного горения? ЛЕКЦИЯ 8 ОКСИДЫ АЗОТА В ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ План лекции 8.1. Оксиды азота, их характеристика и механизмы образования при горении. 8.2. Анализ факторов, влияющих на образование оксидов азота и методов их снижения при горении. 8.1. Оксиды азота, их характеристика и механизмы образования при горении Оксиды азота NO и NO2 имеют соответственно молекулярные массы 30 и 46, плотность – 1,339 и 2,053 кг/м3. Оксиды азота имеют красновато-бурый цвет и являются сильно отравляющими газами. При температуре ниже 40 °С оксиды N2О4 – бесцветная жидкость с острым сладковатым запахом. При повышении температуры более 140 °С происходит диссоциация молекулы N2О4 на две молекулы NO2 (N2О4 = 2NО2). При дальнейшем повышении температуры (200–620 °С) происходит диссоциация молекул двуокиси азота: NO2 = NO+O. Оксиды азота оказывают раздражающее действие на органы дыхания, особенно на легкие. В больших концентрациях они вызывают отек легких. При концентрации 3 мг/м3 не обнаруживается ни запаха, ни раздражения слизистых оболочек. При концентрации 10 мг/м3 ощущается едва заметный запах, при 15 мг/м3 – резкий запах и слабовыраженное раздражение глаз. Концентрация 200–300 мг/м3 опасна даже при кратковременном вдыхании. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственных помещений – 5 мг/м3 (в пересчете на NO2). Для атмосферного воздуха населенных мест максимально допустимая разовая и среднесуточная концентрация принята равной 0,085 мг/м3. 37 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Основными источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются транспортные двигатели внутреннего сгорания, промышленные печи и котлы, тепловые электростанции, отопительные и другие бытовые приборы, а также предприятия, производящие и потребляющие азотную кислоту. При сжигании природного газа окислы 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 топочного процесса порядка 2000 °С. При 3000 °С возможен уже экономически оправданный синтез оксидов азота из азота и кислорода воздуха. Концентрация окислов азота в продуктах горения может превышать при этих условиях 4 %. Однако и при обычных температурах в топках котлов или печей (порядка 1500 °С) концентрация оксидов азота может представлять опасность с точки зрения загрязнения воздушного бассейна [30]. Оксиды азота образуются из воздуха, подаваемого к очагу горения. Поэтому их концентрации мало зависят от вида топлива. В продуктах сгорания природного газа оксиды азота представлены, как правило, только одним NO, который реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в NO2. Реакция эта сопровождается выделением тепла. Рассмотрим процесс образования оксидов азота. При высоких температурах усиливается диссоциация продуктов сгорания углеводородных газов. Диссоциируют молекулы углекислого газа и паров воды. Кроме того, диссоциируют и молекулы кислорода, находящегося в продуктах сгорания при сжигании смесей с избыточным содержанием окислителя. В результате диссоциации увеличивается концентрация так называемых активных центров – радикалов ОН и атомарного кислорода, имеющих повышенную реакционную способность. Н.В. Лавров и Н.А. Федоров [31, 40] указывают, что с увеличением степени диссоциации и возрастанием концентрации активных центров снижается энергия активации. Скорость химической реакции определяется уравнением Аррениуса. Уменьшение энергии активации Е и возрастание абсолютной температуры Т приводят к тому, что скорость реакции растет и в пределе становится равной предэкспоненциальному множителю ko. В этих условиях из-за повышенной химической активности радикалов ОН и атомарного кислорода начинают осуществляться новые реакции, в частности реакция соединения кислорода с азотом воздуха. Синтез оксидов азота может при этом происходить в соответствии со схемой, описанной академиком Я.Б. Зельдовичем [16]: 38 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com O2 ⇔ 2O O + N 2 → NO + N N + O2 → NO + O N 2 + O2 → 2 NO. Суммарная реакция окисления атмосферного азота свободным кислородом идет с поглощением тепла и описывается уравнением [28, 31] N 2 + O2 ⇔ 2 NO − 43 ккал/моль со значением энергии активации для прямой реакции £I = 129, для обратной реакции E2 = 86 ккал/моль. Концентрация оксидов азота может быть определена по уравнению Я.Б. Зельдовича [16] C NO = 4,6 C N 2 CO2 exp[ − 21500/( RT ) ], где C NO , C N и CO – соответственно концентрации оксидов азота, азота и 2 2 кислорода. 8.2. Анализ факторов, влияющих на образование оксидов азота и методов их снижения при горении В литературе приводятся данные, позволяющие определить равновесные концентрации оксидов азота в продуктах сгорания в зависимости от температуры и коэффициента избытка воздуха [45]. Однако в реальных условиях концентрации оксидов азота значительно отличаются от вычисленных равновесных. Прежде всего, процесс образования оксидов азота зависит от максимальной местной температуры в зоне горения, которая обычно отличается как от теоретической температуры горения, так и от средней температуры факела и зависит помимо прочих факторов от интенсивности отвода тепла из зоны горения. Кроме того, время пребывания реагирующих веществ в реальных топочных устройствах значительно меньше времени, необходимого для установления равновесия реакции. Время установления равновесия реакции синтеза оксидов азота [45] τP = 2,06⋅10 −12 ηC N 2 exp( −53750/ T ), где Т – температура в зоне реакции; η – отношение плотности среды в зоне реакции к плотности исходной среды. 39 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com При температурах в топке 1400–1500 °С τр составляет 150–10 с. Время пребывания реагирующих веществ в топке, с: τ р = l / ω ПР .СГ ; ω ПР.СГ =VПР.СГ /(3600 F ); VT ≈ Fl ; тогда τр= VT 3600 Fl = 3600 , VПР .СГ VПР.СГ где l – длина топки, м; ωПР.СГ – скорость движения продуктов сгорания в топке, м/с; VПР.СГ – расход продуктов сгорания, м3/ч; F – поперечное сечение топки, м2; VТ – объем топки, м3. И.Я. Сигал [45] вводит в это уравнение коэффициент заполнения топки продуктами сгорания Kз = 0,7–0,9, зависящий от ее конструкции, и выражает отношение расхода продуктов сгорания к объему топки через коэффициент избытка воздуха α, теоретически необходимое для горения количество воздуха, температурное расширение ТФ/ТВ (отношение температуры в топке к температуре поступающего на горение воздуха), тепловое напряжение топочного объема q и теплоту сгорания Qн. В результате получается выражение τ П = 3600 k з QH TФ . q (1+ aΩ 0 ) TВ По данным И.Я. Сигала, время пребывания реагирующей смеси в топках разных котлов при различных условиях их работы 0,5–5,0 с, а отношение времени пребывания к времени установления равновесия реакции образования оксидов азота ТП/ТР = 0,01–0,025. Вследствие малого времени пребывания реакция синтеза оксидов азота не успевает завершиться, и концентрации оксидов азота в продуктах сгорания составляют 0,05–0,10 от равновесных значений [45]. Исходя из изложенного можно прийти к выводу, что основными факторами, определяющими количество оксидов азота в продуктах сгорания, являются температура процесса, концентрация реагирующих веществ – азота и кислорода – и время контакта между ними. Образование оксидов азота локализуется в местах развития наибольшей температуры. Последняя зависит в значительной степени от метода сжигания газовоздушной смеси, ее состава и интенсивности теплоотвода из зоны горения. 40 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Концентрация азота и кислорода зависит главным образом от количества воздуха, подаваемого для горения. Так как этот воздух является основным источником азота, участвующего в реакции, то вид топлива, как уже указывалось, мало сказывается на концентрации оксидов азота в продуктах сгорания. В этом смысле природный газ не имеет явных преимуществ перед другими видами топлива с точки зрения загрязнения воздушного бассейна. Некоторым преимуществом является возможность полного сжигания природного газа с меньшими избытками воздуха, чем твердого и жидкого топлива, так как снижение коэффициента избытка воздуха до α = 1,05 и приближение состава смеси к стехиометрическому позволяет значительно уменьшить содержание оксидов азота в продуктах сгорания. Время контакта между реагирующими веществами зависит от метода сжигания газа и расхода смеси, т. е. от тепловой мощности. Очевидно, что время контакта должно зависеть и от однородности смеси, поступающей к очагу горения, или от качества предварительного смешения. Однако данных, количественно выражающих эту зависимость, найти не удалось. Экспериментальные исследования различных газогорелочных устройств позволили установить зависимость содержания оксидов азота в продуктах сгорания от α. Наблюдается возрастание концентрации NO при увеличении α до 1,2. Достигая при этом максимума, концентрация NO при дальнейшем увеличении α снижается. Здесь сказывается влияние двух факторов, сопутствующих увеличению коэффициента избытка воздуха сверх единицы. С одной стороны, при этом увеличивается концентрация свободного кислорода, что содействует реакции синтеза азота. С другой – при увеличении количества избыточного воздуха снижается температура в зоне горения. На рис. 8.1 представлены результаты опытов по исследованию выхода оксидов азота при сжигании предварительно подготовленной газовоздушной смеси в туннельной горелке [20]. Отбор проб продуктов сгорания производился водоохлаждаемым зондом на срезе туннеля. Тепловая напряженность объема туннеля составляла 40–60 Гкал(м3⋅ч). На рис. 8.1 видно, что максимальное содержание оксидов азота соответствует α = 1,2. Аналогичный результат получен И.Я. Сигалом [45] при исследовании других типов газогорелочных устройств – вихревых и подовых горелок, установленных в топках котлов (рис. 8.2). В указанных опытах выявляется и зависимость выхода оксидов азота от тепловой нагрузки камеры горения или топочного объема. На основании обработки полученных результатов И.Я. Сигал считает, что при данных условиях выход окислов азота возрастает пропорционально корню квадратному из тепловой нагрузки [45]. Отметим, однако, что образование окислов азота происходит не во всем топочном объеме, а лишь в зоне горения при максимальных локальных температурах, на так называемой высшей температурной ступеньке ∆Т. Следовательно, определяющее значе41 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ние имеют не размеры всего топочного объема, а условия сгорания в корне факела, в начальной части камеры сгорания. Представим, например, что сжигание смеси полностью заканчивается в туннеле горелки, а продукты сгорания выходят в топку. Концентрация оксидов азота в продуктах сгорания будет зависеть только от условий горения в туннеле, и изменение размеров последующего топочного объема не должно сказаться на количестве NO, так как высшая температурная ступенька уже пройдена. То же самое будет иметь место и при установке подовых, вертикальных щелевых и некоторых других горелок. Рис. 8.1. Зависимость содержания оксидов азота в продуктах горения от коэффициента избытка воздуха: 1 – вихревые горелки в водогрейном котле ПТВМ (нагрузка котла 30 %); 2 – подовые горелки в котле ТВГ-8 (нагрузка котла 90 %); 3 – подовые горелки в котле ДКВР-2,5 (нагрузка котла 60 %) Рис. 8.2. Зависимость содержания оксидов азота в продуктах горения от коэффициента избытка воздуха (туннельная горелка, природный газ), при q, Гкал/(м3⋅ч): 1 – 40; 2 – 60 В зависимости от типа и режима работы газогорелочных устройств изменяются основные условия, влияющие на выход оксидов азота (концентрация азота и кислорода, максимальная локальная температура, время пребывания, теплоотвод из зоны горения), а следовательно, и концентрация оксидов азота в продуктах сгорания. Так, при закручивании воздушного потока интенсивность горения по длине факела более неравномерна, чем у прямоточных горелок, и максимальные температуры в отдельных точках превышают на 100–170 °С соответствующие температуры в прямоточном факеле [45]. Поэтому, по данным И.Я. Сигала, концентрация оксидов азота увеличивается при закрученном факеле по сравнению с концентрацией при прямоточном факеле в (1+n)0'83 раз (n – степень или параметр крутки) [45]. В газовых горелках инфракрасного излучения, как было отмечено ранее, фронт горения представляет собой тонкий слой пламени, расположенный вблизи от огневой поверхности керамики или металлической сетки. Нагреваясь до высоких температур, они становятся как бы вторичными 42 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com излучателями и, передавая интенсивно тепло излучением в окружающее пространство, способствуют интенсивному теплоотводу от очага горения, снижая тем самым его температуру. Так, у горелок с перфорированной керамикой до 60 % всего выделяющегося при сгорании тепла передается излучением, температура огневой поверхности около 850 °С, а температура пламени лишь на 100–120 °С выше. Вследствие интенсивного теплоотвода от зоны горения, низких максимальных температур горения, малого времени пребывания газовоздушной смеси в зоне реакции и работе при небольших избытках воздуха (α = 1,05) создаются благоприятные условия для снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания. Это подтверждается экспериментами по исследованию продуктов сгорания при работе горелок инфракрасного излучения с перфорированной керамикой как при наличии дополнительной металлической сетки, так и без нее [30, 40]. В обоих случаях содержание окислов азота (в пересчете анализируемой пробы на неразбавленные продукты сгорания) было меньше, чем у пламенных горелок, и укладывалось в пределы от 0,02 до 0,03 мг/л. При использовании газа в быту применяют горелки, в которых сжигается частично подготовленная газовоздушная смесь. В качестве первичного подается до 60 % всего необходимого для горения воздуха, остальная часть подмешивается к факелу из окружающей атмосферы. Благодаря этому факел растянут, и локальные максимальные температуры понижены по сравнению со случаем сжигания полностью подготовленной газовоздушной смеси. Здесь не следует ожидать образования большого количества оксидов. Экспериментальные данные о концентрациях оксидов азота при работе этих горелок пока недостаточно полны. Следует еще раз отметить, что до сих пор не проведены систематические исследования содержания окислов азота в воздухе газифицированных квартир, которые учитывали бы среди прочих факторов состав сжигаемой смеси (содержание в ней первичного воздуха). На основании изложенного можно указать на методы снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, которые сводятся к мерам, способствующим уменьшению местных максимальных температур в зоне горения и времени пребывания в ней реагирующей смеси. Для уменьшения местных максимальных температур рекомендуются мероприятия, способствующие удлинению, растягиванию зоны горения. В промышленных топках эти мероприятия сводятся к своеобразному возврату к принципу атмосферных горелок. Разница состоит лишь в том, что вторичный воздух не подмешивается свободно из окружающей факел атмосферы, а подается через дутьевые устройства. Так, фирмами «Бабкок и Вилькокс» и «Саузерн Эдисон компани» предложен метод двухстадийного сжигания топлива в котлах [45], при котором в горелки подается только часть воздуха, необходимого для горения, а остальной подводится через дополни43 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com тельные отверстия, расположенные вокруг горелок, или через дополнительные фурмы с противоположной стороны топки. И.Я. Сигалом предложена другая реализация двухстадийного метода: подача части необходимого для горения воздуха в виде закрученного потока, движущегося по периферии горелки, и введение остального воздуха через осевую трубу за зону максимальных температур факела [45]. Предложенный метод позволяет снизить концентрацию окислов азота в продуктах сгорания на 30–40 %. Применение двухстадийного метода сжигания газа снижает образование окислов азота за счет как уменьшения наибольших местных температур в зоне горения, так и снижения в этой зоне концентрации реагирующих веществ. Целесообразными являются также рециркуляция части продуктов сгорания в зону интенсивного горения или подмешивание их к воздуху, поступающему на горение. Здесь эффект снижения выхода оксидов азота объясняется уменьшением концентраций кислорода в окислителе. По данным И.Я. Сигала, при степени рециркуляции, равной 0,11, концентрация оксидов азота снижается на 24 %, а при степени рециркуляции 0,30 уменьшается в три раза [45]. Можно снизить температуру очага горения и за счет более интенсивного теплоотвода. Весьма эффективными с этой точки зрения показали себя котлы типа ТВГ с двухсветными экранами, между которыми размещаются подовые горелки. Контрольные вопросы и задания 1. Назовите основные свойства оксидов азота, образуемых при горении. 2. Как воздействуют оксиды азота на организм человека? 3. Назовите источники загрязнения атмосферы оксидами азота. 4. Каковы условия образования оксидов азота при горении? 5. Кто является автором открытия термического механизма образования оксидов азота при горении? 6. Назовите основные факторы, влияющие на повышенный выход оксидов азота при горении. 44 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЛЕКЦИЯ 9 ВЗРЫВЫ И ПОЖАРЫ НА ОБЪЕКТАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И ЭКОНОМИКИ. ОЦЕНКА ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ План лекции 9.1. Источники и последствия пожаров и взрывов. 9.2. Основные показатели и параметры пожаро- и взрывоопасности. 9.3. Причины пожаров и взрывов. Средства тушения пожаров. 9.4. Взрывчатые вещества и их характеристики. 9.5. Ударная воздушная волна и ее параметры. 9.6. Примеры решения задач по оценке взрывобезопасности. 9.1. Источники и последствия пожаров и взрывов К пожаро- и взрывоопасным объектам экономики (ОЭ) относится большинство элементов хозяйственного комплекса страны. Источниками пожаров и взрывов являются емкости с легковоспламеняющимися, горючими или ядовитыми веществами; склады взрывоопасных и сильно дымящих составов; взрывоопасные технологические установки, коммуникации, разрушение которых приводит к пожарам, взрывам и загазованности территории; железные дороги и др. [11, 12, 17, 50]. При этом прогнозируются последствия: • утечек газов и распространения токсичных дымов; • пожаров и взрывов в колодцах, цистернах и других емкостях; • нарушения технологических процессов, особенно связанных с вредными веществами или опасными методами обработки; • воздействия шаровых молний, статического электричества; • взрывов паров легковоспламеняющихся горючих жидкостей (ЛГВЖ); • нагрева и испарения жидкостей из емкостей и поддонов; • рассеивания продуктов горения во внутренних помещениях; • токсического воздействия продуктов горения и других реакций; • тепловой радиации при пожарах; • распространения в строениях пламени и огневого потока в зависимости от расположения стен и внутренней планировки. При оценке планировки территории ОЭ определяется влияние плотности и типа застройки на возможность возникновения и распространения пожаров и на образование завалов. Особое внимание обращается на участки, где могут возникнуть вторичные поражающие факторы: прежде всего учитывается возможность образования ударной воздушной волны (УВВ) при взрыве сосудов, работающих под давлением. При этом рассматривается суммарный эффект от воздействия динамического напора и статического избыточного давления. 45 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Большинство пожаров связано с горением твердых материалов, хотя начальная стадия пожара обычно связана с горением жидких и газообразных горючих веществ, которых в современном производстве предостаточно. Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества. Даже при горении твердых или жидких веществ происходит их переход в газообразное состояние. Этот процесс перехода для жидких веществ заключается в простом кипении с испарением у поверхности, а для твердых – с образованием продуктов достаточно низкой молекулярной массы, способных улетучиваться с поверхности твердого материала и попадать в область пламени (явление пиролиза). Из-за воздействия так называемого светового импульса происходит загорание или устойчивое горение конкретных материалов. Возможная пожарная обстановка оценивается комплексно с учетом воздействия ударной волны и величины светового импульса, огнестойкости сооружений, категории их пожаро- и взрывоопасности. В соответствии с требованиями СНиП 2.09.01–85 все строительные материалы и конструкции по возгораемости делятся на группы: • несгораемые, которые под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (камень, железобетон, металл); • трудно сгораемые материалы, которые под действием огня и высокой температуры с трудом воспламеняются; тлеют или обугливаются только при наличии источника огня, а при его отсутствии горение или тление прекращается (глиносоломенные смеси, асфальтобетон); • сгораемые материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют (древесина, картон). Под огнестойкостью понимают сопротивляемость строения огню, что характеризуется группой горючести и пределом огнестойкости (СНиП 2.01.02–85). Самыми опасными являются сооружения, выполненные из сгораемых материалов. Но даже если сооружение выполнено из несгораемых материалов, оно выдерживает воздействие огня определенное время. Предел огнестойкости конструкции определяется временем (в часах), в течение которого не появляются сквозные трещины, сама конструкция не теряет несущей способности, не обрушивается и не нагревается до температуры выше 200 °С на противоположной от огня стороне. Сооружения по степени огнестойкости подразделяются следующим образом: • I и II – основные конструкции таких сооружений выполнены из несгораемых материалов; • III– строения с каменными стенами и деревянными оштукатуренными перекрытиями; • IV – деревянные оштукатуренные дома; • V – деревянные строения. 46 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Согласно принятым нормам все объекты в соответствии с характером технологического процесса по пожаро- и взрывоопасности делят на категории (ГОСТ 12.1.004–91, ОНТП 24-96): • А (взрыво- и пожароопасные) – горючие газы, ЛВГЖ с температурой вспышки ниже 28 °С в количестве, достаточном для образования газовоздушной смеси (ГВС) и УВВ с избыточным давлением более 5 кПа; • Б (взрыво- и пожароопасные) – горючие пыли, волокна, ЛВГЖ с температурой вспышки выше 28 °С в количестве, достаточном для образования взрывоопасных ГВС и УВВ с избыточным давлением более 5 кПа; • В1–В4 (пожароопасные) – горючие и трудногорючие материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или другими веществами только гореть [46]; • Г – негорючие материалы в горячем состоянии, при обработке которых выделяется световая энергия, искры или пламя; • Д – предприятия по холодной обработке и хранению металла и других несгораемых материалов. 9.2. Основные показатели и параметры пожарои взрывоопасности Температура вспышки – самая низкая температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары (газы), способные вспыхнуть от источника загорания. Но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения. Температура вспышки паров: сероуглерод – 45 °С, бензин – З1 °С, нефть – 21 °С, ацетон – 20 °С, дихлорэтан – 8 °С, скипидар – 32 °С, спирт – 35 °С, керосин – 45 °С, глицерин – 176 °С. Жидкости с температурой вспышки ниже 45 °С называют легковоспламеняющимися, а выше – горючими [11]. Температура самовоспламенения – самая низкая температура, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции при отсутствии источника загорания, что заканчивается устойчивым горением. Температура воспламенения. При этой температуре горючее вещество выделяет горючие пары (газы) со скоростью, достаточной (после воспламенения вещества) для устойчивого горения. Температурные пределы воспламенения – это температуры, при которых насыщенные пары вещества образуют в данной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему или верхнему пределу воспламенения. Температуры вспышки, самовоспламенения и воспламенения горючих веществ определяются экспериментально или расчетом (ГОСТ 12.1.044–89); нижний и верхний концентрационный предел – экспериментально или на основании документа «Расчет основных показателей пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов». 47 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Пожаро- и взрывоопасность ОЭ определяется параметрами пожароопасности и количеством используемых в технологических процессах материалов, конструктивными особенностями и режимами работы оборудования, наличием источников зажигания и условий для быстрого распространения огня. Распространение пожаров и превращение их в сплошные пожары зависит от плотности застройки, разрушений и других факторов. Пожароопасность веществ характеризуется линейной, см/с, или массовой, г/с, скоростями горения, а также предельным содержанием кислорода. При горении твердых веществ скорость поступления летучих компонентов непосредственно связана с интенсивностью теплообмена в зоне контакта пламени и твердой поверхности. Массовая скорость выгорания, г/м2с, зависит от теплового потока с поверхности, физико-химических свойств твердого горючего и выражается формулой [12] V= Q1 − Q2 , q где V – массовая скорость выгорания материала, г/м2с; Q1 – тепловой поток от зоны горения к твердому горючему, кВт/м2; Q2 – теплопотери твердого горючего в окружающую среду, кВт/м2; q – количество тепла для образования летучих веществ, кДж/г. Тепловой поток, поступающий из зоны горения к твердому горючему, зависит от энергии, выделенной в процессе горения, и условий теплообмена на границе горения и в зоне контакта твердого горючего и окружающей среды. Пожарная обстановка и динамика ее развития зависят: • от импульса воспламенения; • пожарной опасности ОЭ; • огнестойкости конструкции и ее элементов; • плотности застройки в районе пожара; • метеоусловий, особенно силы и направления ветра. На ОЭ многие технологические процессы протекают при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. Нагретые поверхности излучают потоки лучистой энергии, способные вызвать отрицательные последствия. Продолжительность теплового облучения человека без ощутимых последствий зависит от величины тепловыделения, Дж/с, его организма. Чтобы физиологические процессы у человека протекали нормально, выделяемая в нем теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Избыток внешнего теплового излучения может привести к перегреву организма, потере сознания, ожогу или смерти. Температура кожи отражает реакцию организма на воздействие термического фактора. Если теплоотдача недостаточна, то происходит рост температуры внутренних органов (характеризуется понятием «жарко»). Тепловая энер48 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com гия, превращаясь на горячей поверхности (очаг пожара) в лучистую, передается, как свет, другому телу, имеющему более низкую температуру. Здесь лучистая энергия поглощается и вновь превращается в тепловую. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек еще способен дышать несколько минут без специальных средств защиты, – плюс 116 °С. Переносимость человеком высокой температуры зависит от влажности и скорости движения воздуха: чем больше влажность, тем меньше пота испаряется в единицу времени, т. е. быстрее наступает перегрев тела. При температуре окружающего воздуха выше 30 °С пот не испаряется, а стекает каплями, что резко уменьшает теплоотдачу. Воздействие повышенной температуры на древесину: 110 °С – удаляется влага (происходит сушка древесины); 150 °С – начинается выделение летучих продуктов термического разложения, изменяется ее цвет (она темнеет); 200 °С – то же, что и при 150 °С, но древесина приобретает коричневую окраску; 300 °С – значительное выделение газообразных продуктов, способных к самовоспламенению, древесина начинает тлеть; 400 °С – то же, что и при 300 °С, однако происходит самовоспламенение древесины. При самостоятельном горении в условиях пожара линейная скорость выгорания древесины для тонких предметов (до 20 мм) около 1 мм/мин, для более толстых – 0,63 мм/мин. Тяжелый бетон при температуре порядка 300 °С принимает розовый оттенок, при 600 °С – красноватый с появлением микротрещин, а при температуре 1000 °С цвет переходит в бледно-серый, происходит выгорание частиц. Из-за различия в коэффициентах расширения его компонентов ширина трещин в бетоне достигает 1 мм. Взрывоопасное разрушение бетона при пожаре наблюдается в предварительно напряженных и тонкостенных элементах, особенно с повышенным влагосодержанием, при температуре 700–900 °С. Стальные конструкции при температуре 650 °С теряют несущую способность, деформируются, изменяют физические и химические свойства, а при температуре 1400–1500 °С – плавятся. Если температура нагретой поверхности ниже 500 °С, то преобладает тепловое (инфракрасное) излучение, а при температуре выше 500 °С присутствует излучение инфракрасного видимого и ультрафиолетового света. Инфракрасные лучи оказывают на человека в основном тепловое воздействие, что приводит к уменьшению кислородной насыщенности крови, понижению венозного давления, нарушению деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем. Общее количество теплоты, поглощенное телом, зависит от площади и свойств облучаемой поверхности, температуры источника излучения, расстояния до него. 49 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Для характеристики теплового излучения используется понятие «интенсивность теплового воздействия». Это мощность лучистого потока, приходящегося на единицу облучаемой поверхности. Облучение с интенсивностью до 350 Вт/м2 не вызывает неприятного ощущения, до 1050 Вт/м2 – уже через несколько минут ощущается жжение в месте облучения, и температура кожи в этом районе может повыситься на 10 °С. При облучении с интенсивностью до 1400 Вт/м2 увеличивается частота пульса, а до 3500 Вт/м2 – уже возможны ожоги. Болевые ощущения появляются при температуре кожи около 45 °С. Основным параметром, характеризующим поражающее действие светового излучения, является световой импульс «И». Это количество световой энергии, падающей за все время огненного свечения на 1 м2 освещаемой поверхности, перпендикулярной к направлению излучения. Световой импульс измеряется в джоулях на квадратный метр или в килокалориях на квадратный сантиметр. Световое излучение вызывает ожоги открытых участков тела, поражение глаз (временное или полное), пожары. В зависимости от величины светового импульса различают ожоги разной степени. Ожоги 1-й степени вызываются световым импульсом, равным 2–4 ккал/см2 (84–168 кДж/м2). При этом наблюдается покраснение кожных покровов. Лечения обычно не требуется. Ожоги 2-й степени вызываются световым импульсом, равным 5–8 ккал/см2 (210–336 кДж/м2). На коже образуются пузыри, наполненные прозрачной белой жидкостью. Если площадь ожога значительная, то человек может потерять работоспособность и нуждаться в лечении. Выздоровление может наступить даже при площади ожога до 60 % поверхности кожи. Ожоги 3-й степени наблюдаются при величине светового импульса, равной 9–15 ккал/см2 (368–630 кДж/м2). Тогда происходит омертвление кожи с поражением росткового слоя и образованием язв. Требуется длительное лечение. Ожоги 4-й степени имеют место при световом импульсе свыше 15 ккал/см2 (630 кДж/м2). Происходит омертвление более глубоких слоев ткани (подкожной клетчатки, мышц, сухожилий, костей). При поражении значительной площади тела наступает смерть. Степень ожогов участков тела зависит от характера одежды: ее цвета, плотности, толщины и плотности прилегания к телу. В атмосфере лучистая энергия ослабляется из-за поглощения или рассеивания света частицами дыма, пыли, каплями влаги, поэтому учитывается степень прозрачности атмосферы. Падающее на объект световое излучение частично поглощается или отражается. Часть излучения проходит через прозрачные объекты: стекло окон пропускает до 90 % энергии светового излучения, которое способно вызвать пожар внутри помещения изза преобразования световой энергии в тепловую. Таким образом, в горо50 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com дах и на ОЭ возникают очаги горения. Скорость распространения пожаров в городе зависит от характера застройки и скорости ветра. При скорости ветра около 6 м/с в городе с кирпичными домами пожар распространяется со скоростью порядка 100 м/ч; при сгораемой застройке – до 300 м/ч, а в сельской местности – свыше 900 м/ч. При этом надо учитывать наличие горючих материалов вокруг зданий (толь, бумага, солома, торф, камыш, древесина, нефтепродукты), их толщину, содержание влаги. 9.3. Причины пожаров и взрывов. Средства тушения пожаров Пожары являются самым опасным и распространенным бедствием. Они могут вспыхивать в населенных пунктах, лесных массивах, на ОЭ, торфоразработках, в районах газо- и нефтедобычи, на энергетических коммуникациях, на транспорте, но особенно часто они возникают из-за неосторожного обращения людей с огнем. Причины пожаров и взрывов на промышленных ОЭ, следующие, %, [12]: – нарушение мер безопасности и технологического режима 33 – неисправность электрооборудования 16 – ошибки при ремонте оборудования 13 – самовозгорание промасленной ветоши, других веществ 10 – несоблюдение графиков обслуживания, износ, коррозия 8 – неисправность запорной арматуры, отсутствие заглушек 6 – искры при выполнении сварочных работ 4 – прочие (неисправность сетей, обогрев открытым огнем) 10. Первостепенное значение придается умению грамотно реализовать при тушении пожара принципы прекращения горения. Это: • изоляция очага горения от окислителей, снижение их концентрации методом разбавления негорючими газами до значения, при котором не может идти процесс горения; • охлаждение очага горения; • ингибирование (торможение) скорости реакции в пламени; • механический срыв пламени воздействием взрыва, струёй газа или воды; • создание условий для огнепреграждения: например, можно заставить пламя распространяться по узким каналам. Основным огнетушащим средством является вода. Это дешево, вода охлаждает место горения, а образующийся при ее испарении пар разбавляет горящую среду. Вода также механически воздействует на горящее вещество, т. е. срывает пламя. Объем образовавшегося пара в 1700 раз больше объема использованной воды. Нецелесообразно тушить водой горючие жидкости, так как это может значительно увеличить площадь пожара, вызвать заражение водоемов. Опасно применять воду при тушении оборудования, находящегося под напряжением, – во избежание поражения электрическим током. 51 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Для тушения пожаров используются установки водяного пожаротушения, пожарные автомобили или водяные стволы. Вода в них подается от водопроводов через пожарные гидранты или краны, при этом должно быть обеспечено постоянное и достаточное давление воды в водопроводной сети. При тушении пожаров внутри зданий используют внутренние пожарные краны, к которым подсоединяют пожарные рукава. Для автоматического водяного пожаротушения применяются спринклерные и дренчерные установки [12]. Спринклерные установки – это разветвленная, заполненная водой система труб, которая оборудована спринклерными головками, чьи выходные отверстия запаяны легкоплавким составом (рассчитанным на температуру 72, 93, 141 или 182 °С. При пожаре эти отверстия сами распаиваются, и охранная зона орошается водой. Дренчерные установки – это система трубопроводов внутри здания, на которых установлены специальные головки (дренчеры) с диаметром выходных отверстий 8, 10 и 13 мм лопастного или розеточного типа, способные оросить до 12 м2 пола. Дренчерный распылитель с винтовыми щелями дает возможность получить распыленную воду с более мелкой дисперсией, а при высоте расположения 5,2 м он способен оросить до 210 м2 пола. Для тушения твердых и жидких веществ применяют пены. Их огнегасительные свойства определяются кратностью (отношением объема пены к объему ее жидкой фазы), стойкостью, дисперсностью и вязкостью. В зависимости от условий и способа получения пена может быть: • химической – это концентрированная эмульсия окиси углерода в водном растворе минеральных солей; • воздушно-механической (кратность 5–10), которую получают из 5%-ных водных растворов пенообразователей. При тушении пожаров газами используют двуокись углерода, азот, аргон, дымовые или отработанные газы, пар. Их огнегасительное действие основано на разбавлении воздуха, т. е. снижении концентрации кислорода. При нулевой температуре и давлении 36 атм. 1 л жидкой углекислоты образует 500 л углекислого газа. При тушении пожаров используют углекислотные огнетушители (ОУ-5, ОУ-8, УП-2м), если в состав молекул горящего вещества входит кислород, щелочные и щелочноземельные металлы. Газ в огнетушителе находится под давлением до 60 атм. Для тушения электроустановок необходимо применять порошковые огнетушители (ОП-1, ОП-10), заряд которых состоит из бикарбоната натрия, талька и стеараторов железа, алюминия. Тушение паром применяют при ликвидации небольших пожаров на открытых площадках, в закрытых аппаратах и при ограниченном воздухообмене. Концентрация водяного пара в воздухе должна быть порядка 35 % по объему. Широкое применение в пожаротушении нашли огнегасительные составы-ингибиторы на основе предельных углеводородов, в которых один 52 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com или несколько атомов замещены атомами галоида. Они эффективно тормозят реакции в пламени, проникая в него в виде капель. Низкая температура замерзания позволяет использовать эти составы при минусовых температурах. Применяют и порошковые составы на основе неорганических солей щелочных металлов. 9.4. Взрывчатые вещества и их характеристики Взрывчатые вещества (ВВ) – это химические соединения или смеси, способные к быстрому химическому превращению с образованием сильно нагретых газов, которые из-за расширения и огромного давления способны произвести механическую работу. Взрывчатые вещества можно разделить на группы: • инициирующие, которые обладают огромной чувствительностью к внешним воздействиям (удар, накол, нагрев) и используются для подрыва основного заряда ВВ; • бризантные – менее чувствительные к внешним воздействиям. Они имеют повышенную мощность, подрываются в результате детонации; • метательные – это пороха, основной формой химического превращения которых является горение. Могут применяться при подрывных работах. Характеристики взрывчатых веществ: • чувствительность к внешним воздействиям (удар, свет, накол); • теплота превращения при взрыве; • скорость детонации; • бризантность (мощность), которая зависит от скорости детонации; • фугасность (работоспособность). Часто причиной пожаров и взрывов является образование топливо-, пароили пылевоздушных смесей. Такие взрывы возникают как следствие разрушения емкостей с газом, коммуникаций, агрегатов, трубопроводов или технологических линий. Особенно опасными потенциальными источниками взрывов могут оказаться предприятия высоких пожаро- и взрывоопасных категорий А и Б [12]. При разрушении агрегатов или коммуникаций не исключается истечение газов или сжиженных углеводородных продуктов, что приводит к образованию взрыво- или пожароопасной смеси. Взрыв такой смеси происходит при определенной концентрации газа в воздухе. Например, если в 1 м3 воздуха содержится 21 л пропана, то возможен взрыв, если 95 л – возгорание. Значительное число аварий связано с разрядами статического электричества. Одной из причин этого является электризация жидкостей и сыпучих веществ при их транспортировке по трубопроводам, когда напряженность электрического поля может достичь величины 30 кВ/см. Необходимо учитывать, что разность потенциалов между телом человека и металлическими частями оборудования может достигать нескольких десятков киловольт. 53 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Сильным взрывам пылевоздушной смеси (ПлВС) обычно предшествуют локальные хлопки внутри оборудования, при которых пыль переходит во взвешенное состояние с образованием взрывоопасной концентрации. Поэтому в закрытых аппаратах необходимо создавать инертную среду, обеспечивать достаточную прочность аппарата и наличие противоаварийной защиты. До 90 % аварий связано со взрывом парогазовых смесей (ПрГС), при этом до 60 % таких взрывов происходит в закрытой аппаратуре и трубопроводах. Ацетилен в определенных условиях способен к взрывному разложению при отсутствии окислителей. Выделяющейся при этом энергии (8,7 МДж/кг) достаточно для разогрева продуктов реакции до температуры 2800 °С. При взрыве скорость распространения пламени достигает нескольких метров в секунду. Но для ацетилена возможен вариант, когда часть газов сгорает, а остальная сжимается и детонирует. В этом случае давление может вырасти в сотни раз. Температура самовоспламенения ацетилена зависит от его давления (табл. 9.1). Таблица 9.1 Температура самовоспламенения ацетилена Давление, кПа Температура самовоспламенения, °С 100 200 300–1100 2100 635 570–540 530–475 350 Наиболее опасны в эксплуатации аппараты и трубопроводы высокого давления ацетилена (0,15–2,5 МПа), так как при случайных перегревах может возникнуть взрыв, переходящий при большой длине трубопровода в детонацию. Максимальная скорость распространения пламени при горении ацетилено-воздушной смеси, содержащей ацетилена 9,4 % (об), равна 1,69 м/с. Смесь ацетилена с хлором и другими окислителями может взрываться под действием источника света. Поэтому к зданиям, где используется ацетилен, запрещается делать пристройки для производства хлора, сжижения и разделения воздуха. Часто при ручном вскрытии железных барабанов с карбидом кальция происходит искрообразование, что приводит к взрывам. К тому же надо всегда учитывать возможность присутствия в барабане влаги. При взрыве ТВС образуется очаг поражения с ударной волной и световым излучением («огненный шар»). В очаге взрыва ТВС можно выделить три сферические зоны (рис. 9.1). Зона I – зона детонационной волны. Находится в пределах облака взрыва. Радиус зоны определяется формулой [12] R1 =17,5 3 Q . где R1 – радиус зоны 1, м; Q – масса сжиженного газа, т. 54 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com R3 III R2 II R1 I Рис. 9.1. Зоны в очаге поражения при взрыве ТВС: R1, R2, R3 – радиусы внешних границ соответствующих зон В пределах зоны I избыточное давление можно считать постоянным и равным 1700 кПа. Зона II – зона действия продуктов взрыва, которая охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва ГВС в результате ее детонации. Радиус зоны II в 1,7 раза больше радиуса зоны I, т. е. R2 = 1,7R1, а избыточное давление по мере удаления уменьшается до 300 кПа. Зона III – зона действия УВВ. Здесь формируется фронт УВВ. Величина избыточного давления определяется по графику (рис. 9.2). Рис. 9.2. Зависимость радиуса внешней границы зоны действия избыточного давления от количества взрывоопасной газовоздушной смеси 55 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9.5. Ударная воздушная волна и ее параметры Ударная воздушная волна (УВВ) – наиболее мощный поражающий фактор при взрыве. Она образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в центре взрыва, что приводит к возникновению здесь огромной температуры и давления. Раскаленные продукты взрыва при стремительном расширении производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до значительного давления и плотности, нагревая до высокой температуры. Такое сжатие происходит во все стороны от центра взрыва, образуя фронт УВВ. Вблизи центра взрыва скорость распространения УВВ в несколько раз превышает скорость звука. Но по мере движения скорость ее распространения падает. Снижается и давление во фронте. В слое сжатого воздуха, называемого фазой сжатия УВВ (рис. 9.3), наблюдаются наибольшие разрушительные последствия. По мере движения давление во фронте УВВ падает и в какой-то момент достигает атмосферного, но будет продолжать уменьшаться из-за снижения температуры. При этом воздух начнет движение в обратном направлении, т. е. к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется зоной разрежения. Рис. 9.3. Фазы и фронт УВВ Параметры УВВ 1. Избыточное давление (см. рис. 9.2). Определяется разностью между фактическим давлением воздуха в данной точке и атмосферным давлением (Ризб = Рф – Ратм). Измеряется в килограммах на квадратный сантиметр или паскалях (1 кг/см2 = 100 кПа). При проходе фронта УВВ избыточное давление воздействует на человека со всех сторон. 56 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2. Скоростной напор воздуха (динамическая нагрузка). Обладает метательным действием. Измеряется в килограммах на квадратный сантиметр или паскалях. Совместное воздействие этих двух параметров УВВ приводит к разрушениям объектов и человеческим жертвам. 3. Время распространения УВВ Т, с. 4. Продолжительность действия фазы сжатия на объект Тд, с. Избыточное давление во фронте УВВ Ризб, кПа, можно определить по формуле [41]  q2  q  3 Pизб = 83  + 83  3 2  R   R     q  + 83 . 3  R  где q – тротиловый эквивалент ВВ, кг; R – расстояние от центра взрыва, м. Скоростной напор воздуха зависит от скорости и плотности воздуха за фронтом УВВ: 2 V2 Ризб Pск =ρ = 2,5 Па , 2 Ризб + 720 где V – скорость частиц воздуха за фронтом УВВ, м/с; ρ – плотность воздуха за фронтом УВВ, кг/м3. Воздействие УВВ на человека может быть косвенным или непосредственным. При косвенном поражении УВВ, разрушая постройки, вовлекает в движение огромное количество твердых частиц, осколков стекла и других предметов массой до 1,5 г при скорости до 35 м/с. Так, при величине избыточного давления порядка 60 кПа плотность таких опасных частиц достигает 4500 шт./м2. Наибольшее количество пострадавших – жертвы косвенного воздействия УВВ. При непосредственном поражении УВВ наносит людям крайне тяжелые, тяжелые, средние или легкие травмы. Крайне тяжелые травмы (обычно не совместимые с жизнью) возникают при воздействии избыточного давления величиной свыше 100 кПа. Тяжелые травмы (сильная контузия организма, поражение внутренних органов, потеря конечностей, сильное кровотечение из носа и ушей) возникают при избыточном давлении 100–60 кПа. Средние травмы (контузии, повреждения органов слуха, кровотечение из носа и ушей, вывихи) имеют место при избыточном давлении 60–40 кПа. Легкие травмы (ушибы, вывихи, временная потеря слуха, общая контузия) наблюдаются при избыточном давлении 40–20 кПа. Эти же параметры УВВ приводят к разрушениям, характер которых зависит от нагрузки, создаваемой УВВ, и реакции предмета на действия этой нагрузки. Поражения объектов, вызванные УВВ, можно характеризовать степенью их разрушений. 57 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Зона полных разрушений. Занимает до 13 % всей площади очага поражения. Восстановить разрушенные объекты невозможно. Массовая гибель всего живого. Здесь полностью разрушены строения, до 50 % противорадиационных укрытий (ПРУ), до 5 % убежищ и подземных коммуникаций. На улицах образуются сплошные завалы. Сплошных пожаров не возникает из-за сильных разрушений, срыва пламени ударной волной, разлета воспламенившихся обломков и засыпки их грунтом. Эта зона характеризуется величиной избыточного давления свыше 50 кПа. Зона сильных разрушений занимает площадь до 10 % очага поражения. Строения сильно повреждены, убежища и коммунальные сети сохраняются, 75 % укрытий сохраняют свои защитные свойства. Есть местные завалы, зоны сплошных пожаров. Зона характеризуется избыточным давлением 0,3–0,5 кг/см2 (30–50 кПа). Зона средних разрушений наблюдается при избыточном давлении 0,2–0,3 кг/см2 (20–30 кПа) и занимает площадь до 15 % очага поражения. Строения получают средние разрушения, а защитные сооружения и коммунальные сети сохраняются. Могут быть местные завалы, участки сплошных пожаров, массовые санитарные потери среди незащищенного населения. Зона слабых разрушений характеризуется избыточным давлением 0,1–0,2 кг/см2 (10–20 кПа) и занимает до 62 % площади очага поражения. Строения получают слабые повреждения (разрушение перегородок, дверей, окон), могут быть отдельные завалы, очаги пожаров, а у людей – травмы. За пределами зоны слабых разрушений возможны нарушения остекления и несущественные разрушения. Население способно оказывать самопомощь. Рельеф местности влияет на распространение УВВ: на склонах холмов, обращенных в сторону взрыва, давление выше, чем на равнинной местности (при крутизне склона 30° давление на нем на 50 % выше), а на обратных склонах – ниже (при крутизне склона 30° – в 1,2 раза ниже). В лесных массивах избыточное давление может оказаться на 15 % выше, чем на открытой местности, но по мере углубления в лес скоростной напор уменьшается. Метеоусловия оказывают влияние только на слабую УВВ, т. е. с избыточным давлением менее 10 кПа. Летом наблюдается ослабление УВВ по всем направлениям, а зимой – ее усиление, особенно в направлении ветра. Дождь и туман оказывают влияние на УВВ при избыточном давлении до 300 кПа (при 30 кПа и среднем дожде УВВ ослабляется на 15 %, а при ливне – на 30 %). Снегопад не снижает давления в УВВ. 9.6. Примеры решения задач по оценке взрывобезопасности Задача 1. Какие разрушения получит промышленное сооружение с тяжелым металлическим каркасом при наземном ядерном взрыве мощностью 500 кт на расстоянии 3,2 км от центра взрыва? 58 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Решение 1. По табл. 9.2 в строке 500 кт для наземного ядерного взрыва (знаменатель) находим радиус 3,2 км и определяем, что на этом расстоянии от центра взрыва избыточное давление составит 50 кПа. 2. Согласно [12] при избыточном давлении 50 кПа (0,5 кг/см2) указанное сооружение получит сильные разрушения. Таблица 9.2 Радиусы зон поражения, км, в зависимости от мощности ЯБП Мощность ЯБП, кт 500 20 100 200 300 500 1000 2000 3000 5000 0,24/0,37 0,4/0,6 0,5/0,8 0,58/0,9 0,7/1,1 0,9/1,4 1,2/1,7 1,4/2 1,8/2,4 Величина избыточного давления, кПа 200 100 50 30 0,4/0,57 0,7/0,92 0,9/1,2 1/1,35 1,1/1,6 1,4/2 1,8/2,5 2,1/2,9 2,5/3,4 20 0,6/0,75 0,97/1,1 1,45 2/1,85 1/1,25 1,6/1,9 2,5 3,5/3,2 1,3/1,6 2,1/2,3 3,2 4,4/4 1,4/1,9 2,4/2,7 3,6 5/4,6 1,7/2,1 3/3,2 4,2/4,4 6/5,5 2,2/2,7 3,6/4 5,3/5,4 7,5/7 2,7/3,4 4,6/5,1 6,8/7 9,6/8,8 3,2/4 5/5,7 7,8/8 11/10 3,8/4,7 6,3/6,8 9,1/9,3 13/12 10 3,8/3,2 6,5/6,2 8,2/6,5 9,4/7,4 11,3/9 14/11,1 18/14,2 21/16 24/20 Примечание. В числителе указана величина радиуса поражения при воздушном ядерном взрыве, а в знаменателе – при наземном ядерном взрыве. Задача 2. Определить ожидаемую степень разрушения доменной печи, если в 300 м от нее взорвалась емкость, вмещающая 100 т пропана. Решение 1. В очаге взрыва газовоздушной смеси (см. рис. 9.1) выделяются зоны, имеющие форму сфер (полусфер): I зона (детонационной волны) радиусом R =17,5 Q = 80 м; II зона (действия продуктов взрыва), радиус которой R2 = 1,7–R1 = 136 м. 2. Цех, находясь за пределами этих двух зон, оказался в третьей зоне УВВ. По графику (рис. 9.2) определяем, что при массе взрывоопасной ГВС 100 т на расстоянии 300 м от центра взрыва величина избыточного давления должна составить 70 кПа, или 0,7 кг/см2. 3. Избыточное давление величиной 0,7 кг/см2 вызовет средние разрушения доменной печи [12, табл. 2.11]. Задача 3. Найти радиус зон возникновения пожаров от наземного ядерного взрыва 1 Мт, при котором избыточное давление составит 10–30 кПа. Воздух очень прозрачен, видимость до 50 км, лето. 59 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Решение 1. По табл. 9.3 определяем величину светового импульса, кДж/м2, достаточную для воспламенения: домов жилых деревянных 420 производственного мусора, ветоши 168 хвойных лесов 400 созревших посевов 130. 2. Согласно табл. 9.4 ожоги первой степени возникают при величине светового импульса, кДж/м2: открытых участков кожи 190 то же под летней одеждой 380 то же под зимней одеждой 760. Таблица 9.3 Воздействие светового импульса на материалы Величина светового импульса, вызывающего его воспламенение, кДж/м2 Материал, элемент строения Доски сосновые, еловые Доски, окрашенные в светлые тона Доски, окрашенные в темные тона Брезент палаточный Бязь белая Ткань темного цвета Кровля мягкая (толь, рубероид) Солома, сено, стружка Бумага белая Резина автомобильная, краска Двери, рамы, шторы зданий Дома жилые деревянные Производственный мусор, ветошь Хвойные леса 504–672 1680–1890 252–420 402–504 504–756 252–420 588–840 336–504 336–420 252–420 252–420 420–672 168–252 400–420 Таблица 9.4 Значения светового импульса, вызывающего ожоги открытых участков кожи, кДж/м2 Степень ожога 1 I II III 100 160 320 Мощность взрыва, кт 10 100 130 240 360 160 280 440 1000 190 300 480 Примечание. Степень ожога участка кожи под одеждой происходит летом при световом импульсе в 2 раза большем, зимой – в 4 раза. 60 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3. По табл. 9.5 определяем расстояния от центра взрыва, км, на которых могут возникнуть пожары: домов жилых деревянных 10,8 производственного мусора, ветоши 19,1 хвойных лесов 10,9 созревших посевов 21,3. 4. По табл. 9.5 определяем расстояния, км, на которых люди получат ожоги первой степени: открытых участков кожи 17,5 то же под летней одеждой 11,3 то же под зимней одеждой 7,84. Таблица 9.5 Расстояния до центра взрыва, км, при различных мощностях ядерного боеприпаса и величинах световых импульсов Мощность ЯБП, кт 4200 2900 0,15 0,1 0,31 0,2 0,42 0,28 1 0,5 1,4 0,8 1,7 1 2,1 1,2 2,7 1,5 4,1 2,6 6,9 4,2 11 6,8 0,19 0,12 0,37 0,24 0,51 0,34 1,2 0,75 1,7 1,0 2,1 1,2 2,5 1,4 3,3 1,8 5,0 3,1 8,4 5,1 13,3 8,2 1 5 10 50 100 200 300 500 1000 5000 10000 1700 Световые импульсы, кДж/м2 1200 800 600 400 320 200 100 0,24 0,16 0,49 0,31 0,67 0,44 1,5 0,9 2,3 1,3 2,7 1,5 3,3 1,8 4,4 2,4 6,4 4,0 11 6,6 17,3 10,8 0,29 0,18 0,58 0,37 0,79 0,55 1,8 1,0 2,7 1,5 3,2 1,8 3,9 2,2 5,2 2,8 7,7 4,8 13 7,9 20,6 12,8 0,56 0,36 1,13 0,72 1,54 1,02 3,5 2,0 5,0 3,0 8,0 3,6 9,1 4,3 11 5,4 15,8 8,6 26 14,5 33 25 0,71 0,45 1,43 0,91 1,94 1,30 4,6 2,6 6,5 3,8 9,5 4,6 11,2 5,6 14 7,0 17,6 12,4 31,2 18,3 38,8 27,8 1,01 0,64 2,02 1,28 2,75 1,83 6,3 3,4 8,2 4,4 11,6 6,6 12,7 7,8 16,4 9,6 24 16 36 23,8 48 35 0,36 0,23 0,71 0,45 0,97 0,65 2,22 1,2 3,1 1,9 3,7 2,2 4,5 2,6 5,9 3,2 8,8 5,1 14,5 8,8 22 14 0,42 0,26 0,82 0,52 1,12 0,75 2,6 1,4 3,7 2,2 4,3 2,6 5,4 3,1 6,8 3,9 10,6 6,6 16,9 10,4 27 16,5 0,51 0,32 1,01 0,64 1,37 0,92 3,2 1,7 4,6 2,7 6,9 3,2 7,1 3,7 9,0 4,8 14,8 7,8 23 12,2 30,5 19 Примечания. 1. В числителе приведены расстояния для воздушного взрыва, в знаменателе – для наземного. 2. Расстояния даны для условий: слабая дымка, видимость 10 км. 3. Для других условий следует вводить коэффициенты: воздух очень прозрачен, видимость до 50 км – 1,4; средняя прозрачность, видимость до 5 км – 0,5; очень сильная дымка, туман, видимость до 1 км – 0,2. 4. Для зимы эти расстояния нужно уменьшить в 2 раза. 61 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Задача 4. Рабочий поселок завода оказался в зоне воздействия светового импульса величиной 800 кДж/м2 без разрушения построек. Основная масса построек – одноэтажные дома IV–V степени огнестойкости. Имеются трехэтажные здания III степени огнестойкости. Определить время охвата огнем этих построек. Решение 1. По табл. 9.3, зная величину светового импульса, можно найти очаги воспламенения среди элементов рабочего поселка: заборы, мягкая кровля, солома, двери, рамы, шторы, хлеб на корню. 2. Согласно табл. 9.6 время охвата одноэтажных деревянных домов составит 30 мин, а трехэтажных зданий III степени огнестойкости – 80 мин. Таблица 9.6 Время охвата огнем здания без учета величины его разрушения, мин Степень огнестойкости здания I, II III IV, V 1 2 60 40 30 85 60 60 Этажность 3 4 100 80 – 110 90 – 5 и более 120 90 – Примечания. 1. Время охвата огнем здания с учетом степени его разрушения определяется формулой [41] Т охв = Т 0 γ , где Т0 – время охвата огнем здания (из таблицы); γ – коэффициент, учитывающий степень разрушения здания от действия Pизб, который определяется по формуле [12] у = Rip/Rp, где Rip – расстояние от границы полных разрушений до геометрического центра рассматриваемого участка застройки; Rp – расстояние от границы зоны полных разрушений до внешней границы зоны слабых разрушений. 2. Время развития сплошных пожаров по участку застройки определяется по формуле [12] Т разв = К3 L , Vл где К3 – коэффициент, учитывающий плотность пожара на участке; L – длина участка застройки в направлении приземного ветра, м; Vл – линейная скорость распространения сплошного пожара, м/мин. 62 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Задача 5. Для условий предыдущей задачи определить время развития сплошного пожара по участку застройки длиной 900 м, если коэффициент плотности пожара Кз = 0,3, линейная скорость распространения пожара Vл = 0,5 м/мин. Коэффициент, учитывающий степень разрушения строений, у = 3,2. Решение 1. Время охвата огнем находящихся на участке застройки одноэтажных деревянных домов определяется по табл. 9.6, прим. 1 [12]: Т = Т0 – γ = 30–3,2 = = 96 мин = 1 ч 36 мин. Здесь Т0 = 30 мин – определено при решении задачи 4. 2. Одноэтажные деревянные дома являются основной причиной возникновения сплошного пожара на участке застройки, если не будут своевременно приняты соответствующие меры противопожарного воздействия. 3. Время развития сплошного пожара на данном участке можно рассчитать по табл. 9.6, прим. 2: Т разв = К3 L 0,3⋅900 = = 540 мин = 9 ч. Vл 0,5 Задача 6. На складе отходов деревообрабатывающего цеха (открытая площадка размером 30×14 м) возник пожар. Всего на складе было 50 м3 отходов древесины при влажности 10 %. Произвести оценку пожарной обстановки. Решение 1. Пожарная опасность данного склада относится к первому виду пожарной нагрузки, т. е. загоранию твердых материалов. Это характеризуется показателем пожарной опасности (табл. 9.7) К1 = 0,049 + X1 + Х2+ Х3, где Х1 – зависит от площади пожара (табл. 9.8); Х2 – характеризует архитектурно-планировочные особенности застройки и огнестойкость мест хранения (табл. 9.9); Х3 – показатель, зависящий от удельной пожарной нагрузки (табл. 9.10). Таблица 9.7 Оценка пожарной обстановки Показатель пожарной обстановки До 0,35 0,36–0,50 0,51–1,00 Параметр Категория пожара Пожарная нагрузка для твердых горючих материалов (К1 = 0,049+Х1+Х2+Х3): количество единиц основной пожарной техники Вид и удельный расход огнетушащего средства, л/м2 1-я 2-я 3-я 2–3 3–5 5–7 Вода 64–150 Вода 116–270 Вода 150–270 63 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Окончание табл. 9.7 Показатель пожарной обстановки До 0,35 0,36–0,50 0,51–1,00 Параметр Время тушения, ч До 1 Пожарная нагрузка для ЛВГЖ (жидкие материалы) (К2 = 0,099+Х1+Х2+Х3): количество 3–5 единиц основной пожарной техники Вид и удельный расход огнетушащего Пена средства, л/м2 80–130 Время тушения, ч 1–2,5 2,0–4,5 3–7 4–7 20–28 Пена 145–230 1,5–2,5 Пена 145–230 12–18 Таблица 9.8 Показатель X1, характеризующий возможную площадь пожара Х1 0,028 0,055 0,082 0,110 0,138 0,165 0,192 0,220 Площадь S , м2 До 100 101–250 250–500 500–1000 1000–3000 3000–10000 10000–30000 Свыше 30000 Примечание. Для твердых горючих материалов S = Sэ – n, где Sэ – площадь одного этажа (здания в плане); n – число этажей. Для ЛВГЖ S = Sm + Sp, где Sm – площадь обваловки; Sp – площадь свободного разлива ЛВГЖ. Таблица 9.9 Показатель Х2, характеризующий огнестойкость и архитектурно-планировочные особенности застройки Характеристика Строения I и II степени огнестойкости, т. е. их основные конструкции выполнены из несгораемых материалов Строения III степени огнестойкости, т. е. с каменными стенами и деревянными оштукатуренными перекрытиями. Строения, имеющие несгораемые ограждения, с пределом огнестойкости более 30 мин Строения IV, V степени огнестойкости, т. е. деревянные или деревянные оштукатуренные. Строения, имеющие несгораемые ограждения. Открытые площадки, открытые склады, подземные резервуары с ЛВГЖ 64 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Х2 0,09 0,18 0,27 Таблица 9.10 Показатель Х3, характеризующий удельную пожарную нагрузку Удельная пожарная нагрузка, МДж/м2 До 330 330...825 825...2500 2500...5800 Свыше 5800 Х3 0,072 0,145 0,217 0,290 0,362 2. Расчет удельной пожарной нагрузки выполняется по формуле Рпн = Рпост + Рпер , где Рпост – количество тепла, приходящегося на 1 м2 площади горения, от всех способных гореть материалов, которые входят в состав строительной конструкции; Рпер – количество тепла, приходящегося на 1 м2 площади горения, от всех способных гореть материалов, использованных в оборудовании, сырье, готовой продукции. Удельная пожарная нагрузка определяется по формуле [12] n M i Qi , S i =1 Р= ∑ где M i – масса материала с соответствующей теплотворной способностью, кг; Qi – количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг этого материала, МДж/кг; S – площадь пожара (в многоэтажных зданиях умножить на число этажей, охваченных пожаром), м2; n – количество видов горючих материалов. Если горючие материалы учитываются в кубических метрах (древесина, графит), то используется зависимость [12] M i =ρi Vi , где ρi – плотность, кг/м3, а Vi – объем этого материала, м3. 3. X1 = 0,082 (табл. 9.8, так как площадь пожара равна 30 ⋅ 14 = 420 м2). 4. Х2 = 0,27 (табл. 9.9, так как склад – открытая площадка). 5. Поскольку склад – открытая площадка и Рпост = 0, то по табл. 9.10 находим, что удельная пожарная нагрузка Рпн = Рпер = p V Q/S = 600 ⋅ 50 ⋅ 16,5/420 = = 1179 МДж/м2. 6. Зная удельную пожарную нагрузку, по табл. 9.10 можно определить составляющую Х3 = 0,217. 65 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7. По табл. 9.7 производится оценка пожарной обстановки по показателю К1 = 0,049 + 0,082 + 0,27 + 0,217 = 0,618. Следовательно: – категория пожара – III; – вид используемого огнетушащего вещества – вода; – необходимое количество единиц пожарной техники – не менее 5; – требуемый удельный расход воды – не менее 150 л/м2; – при этом время тушения пожара – не менее 3 ч. 8. Производительность пожарной машины – 30 л/с. Для тушения пожара необходимо обеспечить общий расход воды не менее М = 30–5–3–60–60 = = 1620 т. Считая, что за одну заправку машина берет 5 т воды, получаем, что потребуется выполнить 324 заправки машин водой. 9. Руководитель тушения пожара определяет: – направления и участки интенсивного распространения огня; – рубежи локализации пожара; – обстановку на подходах к горящему объекту; – наличие угрозы людям и соседним объектам; – состояние имеющихся водоисточников; – целесообразность подведения водовода к месту пожара; – достаточность привлеченных к тушению огня сил и средств; – задачи каждому подразделению на тушение пожара. Задача 7. На складе ГСМ (открытая площадка, две цистерны с бензином по 60 т) возник пожар с разрушением емкостей и разливом бензина на площади 1600 м2. Оценить пожарную обстановку. Решение 1. По табл. 9.7 определяется показатель пожарной обстановки для жидких материалов К2 = 0,099 + Х1 + Х2 + Х3. Характеристика составляющих дана в предыдущей задаче. 2. X1 = 0,138 (табл. 9.8, так как площадь пожара составляет 1600 м2). 3. Х2 = 0,27 (открытая площадка) (табл. 9.9). 4. Удельная пожарная нагрузка Рпн = Рпер = 12 ⋅ 10 4 ⋅ 43,6/1600 = = 3270 МДж/м2 (табл. 9.11). 5. По табл. 9.10 определяем составляющую Х3 = 0,29. 6. По табл. 9.7 можно произвести оценку пожарной обстановки при К2 = 0,099 + 0,138 + 0,27 + 0,29 = 0,797. Получаем, что: – категория пожара – III; – вид необходимого огнетушащего вещества – пена; – требуемое количество единиц пожарной техники – 25; – необходимый удельный расход пены – 200 л/м2; – время тушения пожара – примерно 15 ч. 7. По табл. 9.12 можно оценить величину радиуса смертельного поражения: около 139 м. 66 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 9.11 Количество тепла Q и плотность горючего материала р Горючий материал Ацетон Бензин Бензол Битум Бумага Графит Древесина при влажности: – 10 % – 20 % – 30 % Керосин Лак ХВЛ-21 Нитроэмаль НЦ-25 Нефть Пробка Полиэтилен Резина Уайт-спирит Q , МДж/кг 31 43,6 40,8 42 13,4 – р, кг/м3 792 750 879 – 980 2100 16,5 14,5 12,3 43,2 35 32,1 39 11,3 47,1 33,5 45,7 600 – – 810 830 840 850 250 – – 790 Примечание. Для групп одноименных материалов в таблице даны средние значения, например, для смеси сухих деревьев разных пород, тогда как плотность сухой березы – 700 кг/м3; дуба – 800 кг/м3; сосны, ели – 500 кг/м3; ясеня – 700 кг/м3. Таблица 9.12 Прогнозирование потенциальной опасности ОЭ при взрыве ГВС. Мгновенное разрушение резервуара хранения Q, т 0,1 0,5 1,0 3,0 5,0 10,0 15,0 25,0 50,0 100,0 Среднее число погибших при плотности населения, тыс. чел./км2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 1 1 2 3 4 5 8 13 1 1 2 4 6 7 10 16 26 1 1 4 5 8 11 15 24 39 1 1 2 5 7 11 15 20 32 52 1 2 3 6 9 14 18 26 41 64 1 3 5 9 13 21 27 38 61 97 1 2 2 4 5 6 6 8 9 12 16 19 18 22 26 28 35 42 36 46 55 51 64 77 81 102 122 129 161 193 67 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 8 12 25 35 56 73 102 162 258 Радиус смертельного поражения, м 14 24 30 43 51 65 74 88 110 139 Задача 8. Хранилище сжиженных углеводородных газов (СУГ) расположено в центре объекта размером 2×2 км. Масса хранящихся СУГ – 100 т. Плотность рабочих и служащих на объекте составляет 0,2 тыс. чел./км2, а населения, проживающего на расстоянии 2 км от ОЭ, – 0,8 тыс. чел./км2. Определить, является ли ОЭ потенциально опасным: а) при мгновенном и полном разрушении резервуара; б) неполном разрушении резервуара. Решение 1. При мгновенном и полном разрушении резервуара во взрыве участвует вся масса СУГ (100 т). По табл. 9.12 определяется, что число погибших из числа персонала 13 чел., а радиус смертельного поражения достигнет 139 м. Хотя среди населения жертв нет, так как расстояние от ОЭ больше 139 м, объект при полном разрушении резервуара является потенциально опасным. Аналогичные результаты дает расчет по формулам: число погибших N = 3П ⋅ Q273 = 3 ⋅ 0,2 ⋅ 21,5 = 13 чел., где П – плотность персонала (населения), тыс. чел./км2; Q – масса СУГ, т; радиус смертельного поражения R = 30 – Q1/3 = 30 ⋅ 4,64 = 139 м. 2. При неполном разрушении резервуара облако ТВС образуется из 50 % массы СУГ, т. е. Q = 50 т. По табл. 9.13 определяем: среди населения жертв нет, а среди персонала ОЭ – 5 чел., т. е. меньше критерия опасности для ОЭ, определяемого количеством 10 чел. Радиус смертельных поражений составит 88 м. Аналогичные результаты дают расчеты по формулам, приведенным в п. 1 решения задачи. Следовательно, при неполном разрушении резервуара ОЭ потенциально опасным не является. Таблица 9.13 Прогнозирование потенциальной опасности ОЭ при взрыве ГВС. Образование облака при испарении разлитой жидкости (из 50 % массы) Среднее число погибших при плотности населения, тыс. чел./км2 Q, т 0,1 0,5 1,0 3,0 5,0 10,0 15,0 25,0 50,0 100,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 1 1 2 2 3 5 8 1 2 2 4 5 6 10 16 1 1 2 3 5 7 10 15 24 1 2 3 4 7 9 13 20 32 1 2 4 6 9 11 16 26 41 1 2 3 6 8 13 17 24 38 61 1 2 4 8 11 18 23 32 51 81 1 1 2 3 4 5 5 6 8 10 12 16 14 17 22 22 26 35 29 34 46 40 48 65 64 77 102 102 122 162 68 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3,0 4,0 Радиус смертельного поражения, м 11 19 24 34 41 51 59 70 88 110 Задача 9. В вагон загружено 50 т ВВ. Плотность населения на железнодорожной станции составляет 800 чел./км2. Определить, является ли вагон с ВВ потенциально опасным. Решение 1. По табл. 9.14 определяется число жертв (11 чел.) и радиус смертельного поражения (68 м). Вагон с ВВ является потенциально опасным объектом, и его необходимо держать на расстоянии порядка 100 м от строений. Таблица 9.14 Прогнозирование потенциальной опасности ОЭ при взрыве ГВС. При взрыве ВВ Среднее число погибших при плотности населения тыс. чел./км2 Q, т 0,1 0,5 1,0 3,0 5,0 10,0 15,0 25,0 50,0 100,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 1 1 1 2 3 4 1 1 2 2 3 5 9 1 1 2 3 4 5 8 13 1 1 2 2 4 5 7 11 17 1 1 2 3 5 6 9 14 21 1 2 3 4 7 9 13 20 32 1 2 4 6 9 12 17 27 43 1 2 3 5 7 12 15 21 34 54 1 2 3 6 9 14 18 26 41 64 1 3 4 8 12 19 24 34 54 86 Радиус смертельного поражения, м 9 15 18 27 32 40 45 54 68 85 Примечание. При расчетах целесообразно использовать закон подобия: R1 / R2 = 3 Q1 / Q2 . 2. Аналогичные результаты получаются при расчете количества жертв: N = П – Q2/3 и радиуса смертельного поражения: R = 18,4 Q1/3. Необходимые пояснения к формулам даны в задаче 8. Радиус смертельного поражения определяется при величине избыточного давления не менее 1 кг/см2 (100 кПа). 69 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Контрольные вопросы 1. Какие объекты относятся к пожаро- и взрывоопасным объектам? Приведите примеры таких объектов на железнодорожном транспорте? 2. К каким последствиям приводят аварии на пожаро- и взрывоопасных объектах? 3. Какова классификация строительных материалов по возгораемости? 4. Что такое огнестойкость сооружений? 5. Как можно охарактеризовать процессы горения? 6. Каково воздействие пожаров на объекты и биологическую ткань? 7. В чем причины взрывов? Каковы особенности взрывов топливо-, газо- и пылевоздушных смесей? 70 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЗАКЛЮЧЕНИЕ Данный сборник лекций написан автором для студентов, обучающихся по новому направлению подготовки 280700 «Техносферная безопасность» квалификации бакалавра, изучающих дисциплину «Теория горения и взрыва». Указанный предмет представляет собой важнейшую дисциплину базовой части математического и естественно-научного цикла. В результате освоения дисциплины «Теория горения и взрыва» студент должен овладеть основами системнологического метода изучения процессов горения и взрыва в техносфере. При работе над данным пособием автором были систематизированы, обобщены и проанализированы как отечественные, так и зарубежные монографии, учебники и учебные пособия в области горения и взрыва. Сознавая, что в данном курсе лекций не всё может оказаться удачным, любые отзывы, пожелания и замечания по его содержанию автор воспримет с благодарностью и искренней признательностью, а также учтет их в своей дальнейшей работе. 71 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕСТЫ для контроля знаний студентов по учебной дисциплине «Теория горения и взрыва» Вариант 1 1. Какова зависимость между константой скорости реакции горения и абсолютной температурой: 1) обратно пропорциональная; 2) экспоненциальная; 3) этой зависимости нет; 4) прямо пропорциональная? 2. Какое название получила температура горения при сжигании газа при альфа больше единицы и с учетом физической теплоты газа и воздуха: 1) теоретическая; 2) адиабатическая; 3) жаропроизводительность; 4) калориметрическая; 5) действительная; 6) максимальная? 3. Кто из ученых установил наличие экспоненциальной зависимости между константой скорости реакции и температурой: 1) Ломоносов; 2) Зельдович; 3) Аррениус; 4) Льюис; 5) Эльбе; 6) Семенов? 4. Продукты неполного горения жидкого топлива: 1) сажистые частицы; 2) оксиды серы; 3) оксиды азота; 4) оксид углерода. 5. Единица измерения давления газа: 1) паскаль; 2) бар; 3) баррель; 4) атмосфера? 72 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 6. Критерий Рейнольдса однозначно устанавливает следующий вид горения: 1) полное; 2) ламинарное; 3) неполное; 4) турбулентное. 7. Наиболее вероятно появление продуктов неполного сгорания при горении __________________________. 8. Горение, характеризуемое коротким пламенем с максимальной температурой в ядре, называется __________________________. 9. Автором термического механизма образования оксидов азота при горении является __________________________. 10. Основная причина появления продуктов неполного горения – __________________________. Вариант 2 1. Максимальное количество оксидов азота образуется при горении __________________. 2. Какие вы знаете температуры горения: 1) калориметрическую; 2) действительную; 3) энергетическую; 4) вероятностную? 3. При каком горении скорость реакции достигает наибольшего значения: 1) диффузионном; 2) кинетическом; 3) смешанном; 4) атмосферном? 4. Какой критерий устанавливает ламинарное или турбулентное горение: 1) Фруда; 2) Прандля; 3) Рейнольдса; 4) Грасгофа; 5) Архимеда; 6) Ньютона? 73 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 5. Как называется отношение действительного количества воздуха, подаваемого на горение, к теоретически необходимому: 1) расход воздуха; 2) коэффициент горения; 3) коэффициент избытка воздуха; 4) коэффициент разбавления. 6. Назовите компоненты, входящие в состав продуктов неполного горения: 1) сажистые частицы; 2) углеводороды; 3) углекислый газ; 4) угарный газ. 7. Кто из российских ученых связан с исследованиями в области горения: 1) Ломоносов; 2) Лавуазье; 3) Бунзен; 4) Дальтон; 5) Иванов? 8. Что является причиной образования продуктов неполного сгорания при сжигании газа: 1) чрезмерный избыток воздуха; 2) высокая температура горения; 3) плохое смесеобразование; 4) малые избытки воздуха? 9. Наиболее вероятно появление продуктов неполного сгорания при горении ______________________________. 10. Прибор для измерения теплоты сгорания газа: 1) манометр; 2) барометр; 3) калориметр; 4) ареометр. 74 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения Вариант 3 1. Укажите избытки воздуха для горения различных топлив: 1) газа; 2) мазута; 3) угля. 2. Автором открытия термического механизма образования оксидов азота при горении является ______________________________. 3. Максимальное количество оксидов азота, образуется при горении _____________________. 4. Горение, характеризуемое коротким пламенем с максимальной температурой в ядре, называется ______________________________. 5. Какой критерий устанавливает ламинарное и турбулентное горение: 1) Фруда; 2) Прандля; 3) Рейнольдса; 4) Грасгофа; 5) Архимеда; 6) Ньютона? 6. Как называется отношение действительного количества воздуха, подаваемого на горение, к теоретически необходимому: 1) расход воздуха; 2) коэффициент горения; 3) коэффициент избытка воздуха; 4) коэффициент разбавления. 7. Теорию цепных реакций горения разработал отечественный ученый ______________________________. 8. Удельная теплота сгорания условного топлива равна ____________. 9. Киломоль любого газа при нормальных условиях занимает объём, равный ______________________________. 10. Содержание кислорода в воздухе составляет __________ % об. 75 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения Вариант 4 1. Горение, протекаемое при недостатке окислителя, получило название __________________. 2. Прибор для измерения давления газа: 1) манометр; 2) барометр; 3) калориметр; 4) термометр. 3. Укажите избытки воздуха для горения различных топлив 1) газа; 2) мазута; 3) угля. 4. Какой учёный является автором открытия термического механизма образования оксидов азота и горения: 1) Семенов; 2) Эльбе; 3) Зельдович; 4) Фенимор? 5. Кто из зарубежных учёных разработал теорию цепных реакций: 1) Фенимор; 2) Льюис; 3) Хиншелвуд; 4) Эльбе? 6. Как называется температура горения при сжигании газа с учётом теплоты диссоциации воды и углекислого газа: 1) действительная; 2) калориметрическая; 3) теоретическая; 4) адиабатическая? 7. Кто из перечисленных ученых заложил основы теории распространения пламени: 1) Бекон и Бойль; 2) Ломоносов и Лавуазье; 3) Михельсон и Ле Шаталье; 4) Фарадей и Бунзен? 76 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 8. По теории академика Зельдовича основным фактором, влияющим на образование оксидов азота при горении, является: 1) давление; 2) плотность топочной среды; 3) температура горения; 4) скорость горения. 9. Назовите фамилии ученых и разработанные ими теории: 1) Зельдович самовоспламенение газов 2) Семенов цепных реакций 3) Аррениус образование NOx. 10. Параметры газа измеряются соответствующими приборами: 1) расход тягомер 2) давление манометр 3) разряжение газовый счётчик. Вариант 5 1. Расположите виды горения по количеству подаваемого кислорода воздуха на горение: 1) неполное; 2) кинетическое; 3) диффузионное; 4) полное. 2. Виды горения по достижению максимальной температуры: 1) диффузионное; 2) диффузионное-кинетическое; 3) кинетическое. 3. Укажите избытки воздуха для обеспечения полноты горения газа, угля и мазута: 1) 1,4; 2) 1,05; 3) 1,15. 4.Виды горения по увеличению количества образуемых оксидов азота: 1) диффузионное; 2) диффузионное-кинетическое; 3) кинетическое. 77 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Окончание приложения 5. Укажите наиболее экологически «грязный» вид топлива: 1) уголь; 2) мазут; 3) газ; 4) биотопливо. 6. Укажите основные по значимости факторы, влияющие на образование оксидов азота: 1) концепция реагентов; 2) время пребывания в реакционной зоне; 3) максимальная температура горения. 7. Какова зависимость между константой скорости реакции горения и абсолютной температурой: 1) обратно пропорциональная; 2) экспоненциальная; 3) этой зависимости нет; 4) прямо пропорциональная? 8. Какое название получила температура горения при сжигании газа при альфа больше единицы и с учетом физической теплоты газа и воздуха: 1) теоретическая; 2) адиабатическая; 3) жаропроизводительность; 4) калориметрическая; 5) действительная? 9. При каком горении скорость реакции достигает наибольшего значения: 1) диффузионном; 2) кинематическом; 3) смешанном; 4) атмосферном? 10. Укажите размерности параметров горючего газа: 1) плотность кДж/кг 2) давление Па 3) теплота сгорания кг/м3. 78 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика / Г.Н. Абрамович. – М. : Физматгиз, 2000. – 410 с. 2. Ахмедов, Р.Б. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив / Р.Б. Ахмедов, Л.М. Циркульников. – СПб. : Недра, 2002. – 283 с. 3. Ахмедов, Р.Б. Дутьевые газогорелочные устройства / Р.Б. Ахмедов. – М. : Недра, 2001. – 354 с. 4. Брук, Ю.Г. Сжигание газа в нагревательных печах / Ю.Г. Брук. – СПб. : Недра, 2003. – 195 с. 5. Брюханов, О.Н. Газифицированные котельные агрегаты : учебник / О.Н. Брюханов. – М. : ИНФРА-М, 2005. – 392 с. 6. Борщов, Д.Я. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности / Д.Я. Борщов, А.Н. Воликов. – М. : Стройиздат, 2005. – 197 с. 7. Буянов, А.Б. Очистка дымовых газов / А.Б. Буянов, В.И. Крылов, В.Д. Катин. – СПб. : Изд-во ПГУПС, 1999. – 51 с. 8. Внуков, А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов / А.К. Внуков. – М. : Энергоиздат, 2002. – 265 с. 9. Воликов, А.Н. Сжигание газов и жидкого топлива в котлах малой мощности / А.Н. Воликов. – СПб. : Недра, 2003. – 190 с. 10. Вулис, Л.А. Основы теории газового факела / Л.А. Вулис. – СПб. : Энергия, 1998. – 203 с. 11. Гринин, А.С. Безопасность жизнедеятельности : учеб. пособие / А.С. Гринин, В.Н. Новиков. – М. : Гранд, 2002. – 287 с. 12. Гринин, А.С. Экологическая безопасность : учеб. пособие / А.С. Гринин, В.Н. Новиков. – М. : Гранд, 2001. – 296 с. 13. Друскин, Л.И. Использование газа в котлах и технологических установках / Л.И Друскин. – М. : Недра, 1999. – 262 с. 14. Еринов, А.Е. Рациональные методы сжигания газового топлива / А.Е. Еринов. – Киев : Техника, 1999. – 252 с. 15. Елисеев, Г.Г. Экологические проблемы сжигания топлива и пути их решения / Г.Г. Елисеев, В.Д. Катин. – Хабаровск : ТОГУ, 2008. – 134 с. 16. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении / Я.Б. Зельдович. – М. : Наука, 1947. – 146 с. 17. Иост, В. Взрывы и горения в газах / В. Иост. – М. : Мир, 1999. – 687 с. 18. Иванов, Ю.В. Газогорелочные устройства / Ю.В. Иванов. – М. : Недра, 1999. – 375 с. 19. Ионин, А.А. Газоснабжение : учебник / А.А. Ионин. – М. : Стройиздат, 1995. – 439 с. 20. Иссерлин, А.С. Основы сжигания газового топлива : справ. пособие / А.С. Иссерлин. – Л. : Недра, 1997. – 336 с. 79 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 21. Катин, В.Д. Загрязнение воздушного бассейна на транспорте и пути его предотвращения : учеб. пособие / В.Д. Катин, Е.И. Мельник. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2003. – 96 с. 22. Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : учеб. пособие / В.Д. Катин. – М. : Маршрут, 2005. – 184 с. 23. Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : учеб. пособие. В 2 ч. / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2003. – 80 с. 24. Катин, В.Д. Описание патентов изобретений и полезных моделей / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2007. – 19 с. 25. Катин, В.Д. Разработка рациональных методов сжигания газов : метод. указания по выполнению курсовой работы / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 22 с. 26. Катин, В.Д. Защита окружающей среды при эксплуатации печных и котельных установок / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004. – 174 с. 27. Катин, В.Д. Пути снижения загрязнения атмосферы при сжигании топлива / В.Д. Катин, Г.Г. Елисеев. – Хабаровск : ТОГУ, 2011. – 152 с. 28. Катин, В.Д. Модернизация горелочных устройств трубчатых печей и охрана окружающей среды / В.Д. Катин. – Владивосток : Дальнаука, 2011. – 196 с. 29. Корольченко, А.Я. Процессы горения и взрыва : учеб. пособие / А.Я. Корольченко. – М. : Пожнаука, 2007. – 266 с. 30. Кривоногов, Б.М. Повышение эффективности сжигания газа и охрана окружающей среды / Б.М. Кривоногов. – СПб. : Недра, 1998. – 280 с. 31. Лавров, Н.В. Процессы горения топлива и защита окружающей среды / Н.В. Лавров. – М. : Металлургия, 1997. – 240 с. 32. Левин, А.М. Принципы рационального сжигания газа / А.М. Левин. – СПб. : Недра, 1997. – 247 с. 33. Льюис, Б. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. – М. : Мир, 1998. – 592 с. 34. Михеев, В.П. Сжигание природного газа / В.П. Михеев, Ю.П. Медников. – СПб. : Недра, 1998. – 342 с. 35. Основы практической теории горения : учеб. пособие / под ред. В.В. Померанцева. – СПб. : Энергия, 1999. – 312 с. 36. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / под ред. Н.А. Чигира. – М. : Машиностроение, 1996. – 407 с. 37. Процессы горения / под ред. Б. Льюиса. – М. : Физматгиз, 1997. – 542 с. 38. Равич, М.Б. Эффективность использования топлива / М.Б. Равич. – М. : Наука, 1997. – 344 с. 39. Равич, М.Б. Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве / М.Б. Равич. – М. : Недра, 1998. – 239 с. 80 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 40. Рациональное использование газа в энергетических установках : справ. рук. / под ред. А.С. Иссерлина. – СПб. : Недра, 1999. – 423 с. 41. Семенов, Н.Н. Цепные реакции / Н.Н. Семенов. – М. : Госхимтехиздат, 1954. – 550 с. 42. Семенов, Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности / Н.Н. Семенов. – М. : Наука, 1958. – 686 с. 43. Скафтымов, Н.А. Основы газоснабжения / Н.А. Скафтымов. – СПб. : Недра, 1999. – 342 с. 44. Сполдинг, Д.Б. Основы теории горения / Д.Б. Сполдинг. – М. : Энергия, 1999. – 320 с. 45. Сигал, И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И.Я. Сигал. – СПб. : Недра, 1998. – 312 с. 46. Стаскевич, Н.Л. Справочное руководство по газоснабжению / Н.Л. Стаскевич. – Л. : Недра, 1960. – 875 с. 47. Стаскевич, Н.Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам / Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Вигдорчик. – СПб. : Недра, 1999. – 541 с. 48. Теория топочных процессов : учеб. пособие / под ред. Г.Ф. Кнорре. – М. : Энергия, 2000. – 491 с. 49. Хиншелвуд, С.Н. Кинетика газовых реакций / С.Н. Хиншелвуд. – М. : Госхимтехиздат, 1953. – 191 с. 50. Хитрин, Л.Н. Физика горения и взрыва / Л.Н. Хитрин. – М. : Изд-во МГУ, 1997. – 442 с. 51. Чепель, В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей / В.М. Чепель, М.А. Шур. – СПб. : Недра, 1996. – 591 с. 52. Щелкин, К.М. Газодинамика горения / К.М. Щелкин. – М. : Наука, 1999. – 255 с. 53. Щетинков, Е.С. Физика горения газов / Е.С. Щетинков. – М. : Наука, 1997. – 740 с. 81 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 2 ЛЕКЦИЯ 6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДИФФУЗИОННОГО И КИНЕТИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ ........................................................................ 4 6.1. Особенности топочного процесса горения .......................................... 4 6.2. Определение времени сгорания и среднего времени пребывания продуктов горения в топочном объеме .......................... 9 6.3. Определение безразмерного времени горения ................................12 6.4. Математическое описание процесса горения газов .........................14 ЛЕКЦИЯ 7. ГОРЕНИЕ ГАЗОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ........18 7.1. Экологические проблемы при горении газов .....................................18 7.2 Оксид углерода в продуктах горения ..................................................19 7.3. Канцерогенные углеводороды в продуктах горения .........................31 ЛЕКЦИЯ 8. ОКСИДЫ АЗОТА В ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ ..................37 8.1. Оксиды азота, их характеристика и механизмы образования при горении ...........................................................................................37 8.2. Анализ факторов, влияющих на образование оксидов азота и методов их снижения при горении. .................................................39 ЛЕКЦИЯ 9. ВЗРЫВЫ И ПОЖАРЫ НА ОБЪЕКТАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И ЭКОНОМИКИ. ОЦЕНКА ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ..............................................................45 9.1. Источники и последствия пожаров и взрывов ...................................45 9.2. Основные показатели и параметры пожаро- и взрывоопасности .....47 9.3. Причины пожаров и взрывов. Средства тушения пожаров..............51 9.4. Взрывчатые вещества и их характеристики ......................................53 9.5. Ударная воздушная волна и ее параметры .......................................56 9.6. Примеры решения задач по оценке взрывобезопасности ...............58 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................71 ПРИЛОЖЕНИЕ. Тесты для контроля знаний студентов по учебной дисциплине «Теория горения и взрыва» ....................................72 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................79 82 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Учебное издание Катин Виктор Дмитриевич ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник лекций В 2 частях Часть 2 2-е издание, переработанное и дополненное Редактор Т.М. Яковенко Технический редактор Н.В. Ларионова ———————————————————————————— План 2013 г. Поз. 9.43. Подписано в печать 22.01.2013. Гарнитура Arial. Печать RISO. Уч.-изд. л. 4,8. Усл. печ. л. 5,3. Зак. 13. Тираж 60 экз. Цена 260 р. ———————————————————————————— Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47. 83 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com