CC BY
18
Г. В. КУЗНЕЦОВ, д-р. физ.-мат. наук, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
A. В. ЗАХАРЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
B. И. МАКСИМОВ, канд. техн. наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
А. Г. МОШКОВ, магистрант Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 536.468
УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ
Излагаются результаты экспериментального исследования закономерностей зажигания диспергированной древесины (опилок) одиночной, нагретой до высоких температур стальной частицей. Проведено сравнение времен задержки зажигания диспергированной древесины и дизельного топлива металлическими частицами. Установлено, что время задержки зажигания опилок незначительно отличается от аналогичных значений для дистиллятного топлива.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; условия зажигания; древесные опилки; время задержки зажигания; температура частицы.
Введение
В последние десятилетия, несмотря на повышенное внимание к безопасности современных производств и технологических процессов со стороны органов технического надзора всех государств мирового сообщества, возросло число происшествий, малых и крупных аварий, техногенных катастроф. Возможны многие варианты реализации условий зажигания пожароопасных материалов в условиях самых разных производств. Источники зажигания, встречающиеся в производственных и природных условиях, а также в быту, весьма разнообразны как по запасу энергии, так и по природе своего происхождения. Отходы деревообрабатывающих производств, с одной стороны, являются достаточно перспективными энергоносителями [1], а с другой — представляют собой пожароопасные материалы [2]. Возможны различные сценарии возгорания таких отходов, наиболее опасными из которых являются, скорее всего, древесные сухие опилки. Одним из типичных источников нагрева при зажигании этого конденсированного вещества могут быть нагретые до высоких температур частицы металлов, образующиеся при сварке, резке и демонтаже металлических конструкций, а также при проведении ремонтных работ. Несмотря на высокую пожарную опасность реализации такого сценария возгорания древесных отходов, нет таких моделей, на основании которых можно было бы сформулировать условия возгорания измельченной древесины и оценить времена задержки зажигания в зависимости от начальной температуры источника нагрева. До насто-
ящего времени не опубликованы результаты экспериментальных исследований таких процессов.
Целью настоящего исследования является определение по результатам экспериментов зависимости времени задержки зажигания диспергированной древесины сосны от начальной температуры стальной частицы, а также выделение предельных условий зажигания исследуемого материала.
Результаты экспериментальных исследований
Исследования проводились на экспериментальной установке [3,4] по методике [5]. Опилки сосны с характерными размерами 0,5-1,0 мм, соответствующими отходам типичного лесопильного технологического процесса, предварительно в течение длительного времени высушивали до полного удаления влаги. Затем навеску исследуемого материала (около 20 г) помещали в стеклянную емкость [3] малых размеров таким образом, чтобы толщина слоя диспергированной древесины составляла 3,0-3,5 мм на площади около 10 см2. Нагрев частиц стали диаметром й = 610-3 м и толщиной Н = 310-3^710-3 м проводили аналогично описанному в [3-5].
При достижении запланированной температуры частицу сбрасывали из камеры нагрева на поверхность слоя древесины. Для обеспечения достоверности результатов измерений было проведено 5-7 серий опытов подряд при одинаковых условиях. Регистрацию времени задержки зажигания хш осуществляли аналогично [3, 5].
© Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И., Мошков А. Г., 2012
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №5
21
На рис. 1 приведены полученные в экспериментах значения %ш. Кривые построены по результатам аппроксимации экспериментальных данных. Аппроксимационные зависимости получены методом наименьших квадратов. Систематическая погрешность определения ты не превышала +1,5 %. Сравнение полученных зависимостей т = т(Гч) с аналогичными, полученными для жидких топлив (например, дизельного топлива [3]), показывает существенно меньшее рассеяние экспериментальных значений тгЫ древесины при фиксированных начальных температурах частиц. Абсолютные значения времен задержки зажигания опилок незначительно отличаются от аналогичных значений для дизельного топлива [3].
Данные результаты, возможно, обусловлены сочетанием ряда факторов:
1) существенно меньшей скоростью поступления горючего (для древесных отходов это газообразные продукты термического разложения материала) во внешнюю среду окислителя — воздуха по сравнению с парами — продуктами испарения жидких топлив;
2) существенно меньшей энергией, затрачиваемой на газификацию древесины, по сравнению с жидкими горючими веществами и более высокой температурой пиролизных газов по сравнению с продуктами испарения любых жидких топлив.
В итоге концентрация горючих газов в воздухе при термическом разложении древесины меньше, чем при испарении жидких топлив. Но температура этих газов играет большую (по сравнению с концентрацией) роль в связи с характером зависимости скорости химических реакций от температуры и концентрации [6, 7].
Следует также отметить, что при попадании нагретой до высоких температур металлической частицы в приповерхностный слой мелкодисперсной древесины частица погружается в него, как показала видеосъемка. Соответственно, увеличивается площадь поверхности, с которой осуществляется нагрев материала — источника горючих газов. В итоге увеличивается и газоприход по сравнению с условиями воздействия локального источника нагрева на монолитную (недиспергированную) древесину или даже на высокоэнергетические модельные смесе-вые топливные композиции [5]. Сравнение времен задержки зажигания таких композиций [5] и сухой диспергированной древесины (см. рис. 1) показывает, что в идентичных (по начальной температуре источника нагрева и его размерам) условиях значения тм различаются в 2,5-3 раза. Это обусловлено, в первую очередь, отличиями в площади контакта
1273 1313 1353 1393 1433 Т„, К
Рис. 1. Экспериментальные зависимости времени задержки зажигания тш опилок из сосны (1, 2, 3) и дизельного топлива (4) от начальной температуры частицы Гч: 1 — к = 3 10-3 м; 2 — к = 5 10-3 м; 3, 4 — к = 710-3 м
источника нагрева с материалом — поставщиком горючих газов, а также условиями прогрева.
Так, "горячая" стальная частица при попадании на поверхность сухой, но монолитной древесины вызывает только ее локальное обугливание вследствие интенсивного теплоотвода по всем координатным направлениям. Специальные эксперименты показали, что при идентичной массе и влажности образцов диспергированной и недиспергированной древесины условия зажигания монолитного образца размером 10х 10х 10 мм при вышеописанных условиях не реализуются. В то же время навеска древесных отходов с характерными размерами 0,5-1,0 мм легко воспламеняется при Гч>1273 К, поэтому разница во временах задержки зажигания дизельного топлива и диспергированной древесины невелика.
Необходимо отметить, что предельная температура зажигания для всех рассматриваемых в экспериментах размеров частиц составляет 1273 К. Это значение соответствует температуре частиц, образующихся при сварке и резке металлов в реальных технологических процессах. Поэтому можно сделать вывод о высокой пожарной опасности технологических процессов, прямыми или косвенными продуктами которых являются мелкодисперсные отходы древесины, поскольку велика возможность воздействия на них частиц металлов, образующихся при сварке или резке металлических конструкций.
Видеосъемка эксперимента (рис. 2) показала, что зажигание исследуемых древесных отходов происходит в газовой фазе над поверхностью слоя диспергированной древесины. Этот результат позволяет сделать вывод о возможности использования газофазных моделей зажигания [6, 7] при математическом моделировании этого процесса применительно к диспергированной древесине.
22
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №5
Полученные результаты также позволяют, в частности, провести оценку пожарной опасности технологий быстрого пиролиза, рассматриваемых в последние годы в качестве весьма перспективных технологий термической конверсии древесной биомассы с целью получения биогаза и биотоплива (моторного и твердого) [1]. Продолжительность пребывания частиц древесины в камере реактора быстрого пиролиза составляет не более 2 с при температуре поверхности реактора до 875 К [1]. Как показали эксперименты, при значениях Тч < 1273 К зажигания диспергированной древесины не происходит. Следовательно, технологии быстрого пиролиза древесины [1] при указанных выше ограничениях по времени и температуре технологического процесса можно считать пожаробезопасными.
Заключение
Экспериментально исследовано зажигание диспергированной древесины сосны одиночными, нагретыми до высоких температур металлическими частицами фиксированных размеров. На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать вывод об устойчивом зажигании древес-
Рис. 2. Типичный видеокадр момента зажигания диспергированной древесины металлической частицей
ных опилок одиночными частицами, нагретыми до температуры более 1273 К. Установлено, что время задержки зажигания опилок незначительно отличается от аналогичных значений для дистиллятного топлива. Полученные результаты позволяют также сделать вывод о высокой пожарной опасности технологических процессов, продуктами которых являются мелкодисперсные отходы древесины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железная Т. А., ГелетухаГ. Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 4. — С. 91-100.
2. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник : в 2 ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004.
3. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей //Пожаровзрывобезопасность. —2008. —Т. 17, №4. — С. 28-30.
4. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008.
— Т. 17, №5. — С. 39-42.
5. Захаревич А. В., Кузнецов В. Т., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. — С. 10-15.
6. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — Т. 312, № 4. Энергетика. — С. 5-10.
7. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. 3D Problem of Heat and Mass Transfer at the Ignition of a Combustible Liquid by a Heated Metal Particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2009. — Vol. 18, № 1.
— P. 72-79.
Материал поступил в редакцию 1 февраля 2012 г. Электронные адреса авторов: elf@tpu.ru; bet@tpu.ru.
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №5
23
