Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя.

ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров и газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т.п.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени. На рис. 1.4 показано строение ламинарного диффузионного пламени жидкости, горящей в сосуде небольшого диаметра.

Рис. 1.4. Строение ламинарного диффузионного пламени

Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя занимает почти весь объем пламени. Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму. Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Температура в зоне паров значительно ниже, чем в зоне горения. Так, в пламени керосина (рис. 1.5) температура потока паров около поверхности жидкости равна температуре ее кипения.

По мере движения потока к зоне горения температура паров (на рис. 1.5 – точки на вертикальной линии) повышается: сначала за счет излучения зоны горения, а затем в результате диффузии из нее нагретых продуктов сгорания. Нагрев обусловливает термическую диссоциацию паров около зоны горения; при этом образующиеся свободные атомы и радикалы совместно с продуктами сгорания поступают в зону горения.

Рис. 1.5. Температура зон пламени при горении керосина

Атомы углерода, поступая в зону горения, возбуждаются, и, будучи некоторое время в свободном состоянии, светятся. Если вместо углерода вводить в пламя частицы других твердых веществ, пламя приобретает иной, чем при горении углерода, цвет. Так, если в несветящееся пламя метилового спирта ввести соль стронция, то пламя окрасится в красный цвет, при введении соли меди – в синий или зеленый цвет.

Температура зоны горения пламени меняется по высоте его. Объясняется это изменением стехиометрической смеси в зоне горения и затратой тепла на нагрев поступающего в нее воздуха. В нижней части пламени, хотя и образуется стехиометрическая смесь с наибольшей теплотой горения, однако температура горения не является здесь максимальной, так как значительное количество тепла затрачивается на нагрев холодного воздуха. В средней части пламени теплота горения стехиометрической смеси меньше, чем в нижней, что обусловлено диффузией в нее продуктов сгорания, однако поступающий в зону горения нагретый воздух компенсирует потери тепла, и температура горения в этой части пламени является максимальной. В верхней части диффузионного пламени стехиометрическая смесь имеет еще меньшую теплоту горения, и нагретый воздух, поступающий для ее образования, не может компенсировать всех потерь тепла, поэтому температура горения здесь минимальная. Поэтому в верхней части пламени часто образуется сажа.

Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 ⁰С для бензина, 1110 ⁰С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 ⁰С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200…1300 ⁰С.

1.3. Расход воздуха на горение

Минимальное количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается . В табл. 1.1 приведены значения для различных веществ при нормальных условиях (0 ⁰С и 101,3 кПа). Значения величин, приведенных для древесины, торфа, бензина, керосина, нефти, являются средними, так состав этих горючих материалов непостоянен.

Таблица 1.1

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания веществ

Горючее вещество	Количество воздуха для полного сгорания 1 кг вещества		Горючее вещество	Количество воздуха для полного сгорания 1 кг вещества
	кг	м3		кг	м3
Ацетон	9,45	7,35	Ацетилен	15,40	11,93
Бензин	14,3	11,10	Бутан	39,80	30,94
Бензол	13,2	10,25	Водород	3,08	2,38
Древесина (W = 7 %)	5,4	4,18	Метан	12,30	9,52
Керосин	14,85	11,50	Оксид углерода	3,08	2,38
Нефть	13,9	10,80	Пропан	30,60	23,80
Толуол	12,9	10,00	Природный газ	6,45	5,00
Торф	7,5	5,80

Горючее вещество – индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ независимо от их агрегатного состояния теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакций горения. На m  кмоль горючего вещества приходится n кмоль кислорода и азота. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, численно равную молекулярной массе его, через М, составляют пропорцию:

1 кг — , м³,

где 22,4 – объем 1 кмоль газов (при 0 ⁰С и 101,3 кПа).

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кг вещества равен (из пропорции):

.                                                          (1.1)

Если объем воздуха, полученный по формуле (1.1), необходимо привести к иным условиям, то пользуются формулой

,                                                      (1.2),

где Т – заданная температура газов; К, Р – заданное давление, Па.

Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 м³ горючих газов определяется по формуле

.                                                             (1.3)

Пример 1.1. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг бензола при      20 ⁰С и давлении 99992 Па.

Составляем уравнение реакции горения бензола в воздухе

С₆Н₆ + 7,5О₂ + 7,5 × 3,76N₂ = 6СО₂ + 3Н₂О + 28,2 N₂.

Согласно уравнению реакции, на горение 1 кмоля бензола требуется                                    n = 7,5 + 7,5 × ×3,76 = 35,7 кмоля воздуха.

Молекулярная масса бензола 78.

По уравнению (1.1) определяем теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кмоля бензола при нормальных условиях

.

При заданных условиях этот объем будет равен [уравнение (1.2) ]

.

Горючее вещество – сложная смесь химических соединений. Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь и др.

Для определения теоретически необходимого объема воздуха нужно знать элементный состав горючего вещества, выраженный в массовых процентах, т.е. содержание С, Н, О, S, N, золы (А), влаги (W). Элементный состав вещества определяется в аналитической лаборатории. Чтобы рассчитать , запишем уравнение реакции горения углерода, водорода и серы и массовое соотношение реагирующих веществ:

С + О₂ = СО₂      2Н + О₂ = 2Н₂О           S + O₂ = SO₂

                               12 + 32 = 44            4 + 32 = 36              32 + 32 = 64

Если для сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, то для 0,01 кг углерода, т.е. 1 % (масс.) его потребуется кислорода  кг, для водорода соответственно потребуется  кг, для серы  1 кг кислорода.

Для полного сгорания 1 кг горючего вещества потребуется кислорода (в кг):

,

где , ,, — содержание углерода, водорода, серы и кислорода в горючем веществе, % (масс.).

На вычисленное количества кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет массу воздуха  (кг), необходимую для горения 1 кг вещества.

.

После преобразования получим:

.                                      (1.4)

Чтобы выразить количество воздуха в объемных единицах, нужно правую часть выражения (1.4) разделить на массу 1 м³ воздуха при нормальных условиях, т.е. на 1,293 кг/м³. В результате получим

.                                      (1.5)

Горючее вещество – смесь газов.  К этой группе веществ относятся горючие газы, например природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином качестве содержат СО, СН₄, Н₂, Н₂S, С₂Н₄ и др. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах. Для вывода формулы расчета  напишем уравнение реакции горения наиболее распространенных газов:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О      Н₂S + 1,5O₂ = Н₂О + SO₂

                                            2СО + О₂= 2СО₂      2Н₂ + O₂ = 2Н₂О

Если для сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, как это видно из уравнения, то для сгорания 0,01 м³ метана, т.е. 1 % (об.), потребуется кислорода. Для сгорания 1 м³ оксида углерода потребуется 0,01/2 м³ кислорода, такое же количество кислорода потребуется для сгорания 1 м³ водорода, а для сгорания сероводорода необходимо 0,01×1,5 м³ кислорода.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребуется кислорода (м³):

,

где , , ,  и  — содержание метана, водорода, оксида углерода, сероводорода и кислорода, % (об.).

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа.

.

После преобразования получим:

.                     (1.6)

Как видно из уравнения (1.6), числа в его числителе есть коэффициенты при кислороде в уравнениях реакции горения. Поэтому если в составе газа будут другие горючие компоненты, они могут быть поставлены в уравнение (1.6) с коэффициентами, взятыми из их уравнений горения.

Практически при горении во время пожара расходуется воздуха значительно больше теоретически необходимого. Разность между количеством воздуха, практически расходуемым на горение, и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Отношение же количества воздуха, практически расходуемого на горение , к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается

.                                                        (1.7)

Таким образом, в условиях пожара, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, коэффициент избытка воздуха в большинстве случаев больше единицы и колеблется в широких пределах (2…20 и выше). коэффициент избытка воздуха можно определить по составу продуктов сгорания, если произвести их газовый анализ. Учитывая, что концентрация кислорода в воздухе составляет 21 % (об.), а процентное содержание свободного кислорода в продуктах сгорания определится из анализа, можно легко найти коэффициент избытка воздуха:

.                                                       (1.8)

Для того чтобы запомнить изученный материал, решите задачи.

Задача 1.1. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 4 м³ ацетилена (С₂Н₂).

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Ответ:  = 47,6 м³.

Задача 1.2. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 5 кг торфа, состоящего из 40 % С, 4,0 % Н, 13 % О и 20,0 % N; А = 10 %, W = 13 %.

Азот, золу и влагу горючего вещества при определении количества воздуха  не учитывать, так как они не принимают участия в реакции. Объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг торфа, определить по формуле (1.5).

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Ответ:  = 21,5 м³.