Теория горения газовых смесей

3.3. Концентрационные пределы распространения пламени и их использование для обеспечения пожарной безопасности

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП или ВКПРП)  min (max) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Например, для природного газа (метана) при концентрациях меньших 5 % и больших 15 % распространения пламени от источника зажигания на любое расстояние невозможно, а для водорода – при концентрациях меньших 1 % и больших 84 %.
Согласно ГОСТ 12.1.044 – 89, концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) является показателем ПВО, с его помощью оценивается пожарная опасность горючих паров и газов.
Рассмотрим причины, обусловливающие наличие предельных условий распространения пламени по газовым смесям. Наличие КПРП объясняется тепловой и цепной теорией распространения пламени.
Тепловая теория объясняет наличие КПРП теплопотерями из фронта пламени, которые превышают тепловыделение. Однако данная теория не объясняет эффекты ингибирования.
В начальный момент инициирования горения (искрой, накаленным телом или открытым пламенем) в горючей смеси возникает зона высокой температуры, из которой тепловой поток будет направлен в окружающее пространство. Часть тепла поступает в свежую (еще не сгоревшую) смесь, другая часть – в продукты горения. Если поток тепла в свежую смесь не-достаточен для возбуждения в ней реакции горения, первоначальный очаг пламени затухает. Если же теплопотери недостаточны, то горение продолжается.
Цепная теория наличие КПРП объясняет существование состояния, когда скорость образования активных центров в разветвленных цепных реакциях равна скорости обрыва реакционных цепей.
Величины КПРП объясняются кинетическими факторами – предельными условиями перехода разветвленного цепного процесса окисления оксида углерода СО во фронте пламени в цепочно-тепловой взрыв, как считается, мало зависящий от теплопотерь.
Рассмотрим природу КПРП (см. рис. 3.6) на примере метана СН₄, т. е. зависимость температуры горения (Т_гор), избыточного давления, скорости распространения пламени (U_пл) от концентрации ГГ (паров).
Рассмотрим каждую область:
0 % -А – область безопасных концентраций, т. е. смесь не распространяет пламя, что связано с малой концентрацией горючей смеси;
точка А соответствует НКПР_П (_н) – наименьшему содержанию горючих газов в смеси, при котором возможно распространение пламени на любое расстояние от ИЗ. При НКПР_П наблюдается избыток воздуха (для смеси воздуха с метаном коэффициент избытка воздуха равен 2, с оксидом углерода (II) 2,6, с сероуглеродом 6,9 и т. д.), недостаток горючего вещества, следовательно, наблюдаются низкие (минимальные) U_пл, и T_гор (1250-1300 ⁰С), процесс горения происходит в виде взрыва, образуя избыточное давление (около 0,3 МПа).
Р_взр

0% А Б 100 %

Рис. 3.6. Зависимость давления при взрыве газо-воздушных смесей от концентрации горючего в смеси

А-Б  область воспламенения, пожаровзрывоопасные концентрации. Характеризуется избыточным давлением взрыва, включая возможность наличия максимального избыточного давления взрыва при стехиометрической концентрации _смк, увеличением U_пл, и T_гор. Далее, от _смк (С_смк) при увеличении концентрации горючих газов (при движении к точке Б), сказывается уже недостаток воздуха, избыток горючего, что приводит к снижению избыточного давления взрыва, U_пл, и T_гор.
Точка Б соответствует ВКПРП (_в) – максимальному содержанию горючего газа (пара) в смеси с окислителем, при котором еще возможно распространение пламени на любое расстояние от ИЗ. При воспламенении такой газо-воздушной смеси часть тепла химической реакции расходуется на нагрев не участвующего в реакции горючего, поэтому продукты горения нагреваются не до максимальной температуры, давление при взрыве составляет 0,3-0,4 МПа.
От точки Б до 100 % (концентрация выше _в) – область пожароопасных концентраций, т. е. распространение пламени от ИЗ по всей смеси не возможно.
В гомологическом ряду КПРП изменяются: и НКПРП и ВКПРП уменьшаются. Это приводит к увеличению пожарной опасности углеводородных газов.