Как найти линейную скорость выгорания

Скорость выгорания – это количество горючего вещества (материала), сгорающей в единицу времени с единицы площади.

Скорость выгорания горючих веществ (материалов) определяет интенсивность тепловыделения на пожаре, температуру пожара, интенсивность его развития и другие параметры. Массовая скорость выгорания так же, как и скорость распространения пламени, зависит от физико-химических свойств веществ (материалов), их агрегатного состояния и других факторов.

Скорость выгорания жидкостей зависит от:

• интенсивности внешнего теплового потока к поверхности жидкости;
• теплоемкости жидкости и ее теплоты парообразования;
• разности температуры кипения и начальной температуры.

Скорость выгорания твердых материалов зависит от их теплоемкости, плотности, а также разности поверхностной температуры и температуры окружающей среды. Иногда пользуются приведенной скорость выгорания твердых веществ (отношение потери массы не к фактической площади горения вещества, а ко всей площади пожара).

Скорость выгорания используется при моделировании процесса развития пожара, оценке скорости тепловыделения и величины интенсивности подачи огнетушащих веществ для установок пожаротушения.

Значение скорости выгорания следует применять при расчетных определениях продолжительности горения жидкости в резервуарах, интенсивности тепловыделения и температурного режима пожара, интенсивности подачи огнетушащих веществ.

Массовая

Массовой скоростью выгорания называется масса вещества или материала, выгоревшая в единицу времени V_M (кг/с).

Массовая скорость выгорания также, как и скорость распространения горения зависит от:

• агрегатного состояния вещества;
• химического состава;
• начальной температуры;
• интенсивности и площади испарения (для жидкостей);
• геометрических размеров и способов укладки (для твердых горючих материалов);
• размеров поверхности, доступной для горения;
• наличия окислителя в окружающей среде.

Горючие газы хорошо перемешиваются с окружающим воздухом, поэтому полностью сгорают в факеле пламени. Массовая скорость выгорания жидкостей определяется скоростью их испарения, поступления паров в зону горения и условиями их смешения с кислородом воздуха. Скорость испарения при равновесном состоянии системы «жидкость-пар» зависит от физико-химических свойств жидкости, ее температуры, упругости паров. При неравновесном состоянии интенсивность испарения жидкости определяется температурой ее поверхностного слоя, которая в свою очередь зависит от интенсивности тепловых потоков от зоны горения, теплоты испарения и условий теплообмена с нижними слоями жидкости.

Для многокомпонентных горючих жидкостей состав их паровой фазы определяется концентрационным составом раствора и зависит от интенсивности испарения и степени равновесия. При интенсивном испарении в поверхностных слоях жидкости происходит процесс разгонки, и состав паровой фазы отличается от равновесного, а массовая скорость выгорания изменяется по мере выгорания более легколетучих фракций.

Процесс выгорания зависит от смешения паров жидкости с кислородом воздуха. Этот процесс зависит от размеров сосуда, от высоты борта над уровнем жидкости (длины пути смешения до зоны горения) и интенсивности внешних газовых потоков. Чем больше диаметр сосуда (до 2-2,5 м, дальнейшее увеличение диаметра никак не влияет на рассматриваемый параметр) и высота борта над уровнем жидкости, тем больше длина пути жидкости до зоны горения, соответственно, тем меньше скорость выгорания.Большая скорость ветра и температура горючей жидкости способствуют лучшему смешению паров жидкости с кислородом воздуха и росту скорости выгорания жидкости.

Масса жидкости, выгоревшей в единицу времени с единицы площади поверхности, называется удельной массовой скоростью выгорания V_M, кг/(м²·с).

Удельная массовая скорость выгорания некоторых веществ и материалов

Объемная

Определение

Сущность метода определения скорости выгорания заключается в зажигании образца жидкости в реакционном сосуде, фиксировании потери массы образца за определенный промежуток времени и математической обработке экспериментальных данных.

Методы расчета скорости выгорания жидкостей изложены в п. 4.17 ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

Кроме этого ГОСТа рекомендуем к изучению: Методика испытаний по определению удельной массовой скорости выгорания твердых веществ и материалов. –М.: ВНИИПО, 2014.

Источники: ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения; ГОСТ 9817-95. Аппараты бытовые, работающие на твердом топливе. Общие технические условия; Процессы горения. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.А. и др. –М., 1984; Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. Кошмаров Ю.А., Пузач С.В., Андреев В.В. и др. –М.: Академия ГПС МЧС России, 2012; Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. Кошмаров Ю.А. –М.: Академия ГПС МВД России, 2000.

П
р и м е р 1. Определить
массовую скорость выгорания материала
при площади пожара 150 и 10 м²,
если значение приведенной массовой
скорости выгорания равно 0,02 кг/(м²с).

Р
е ш е н и е.

Приведенная
массовая скорость выгорания −
это скорость выгорания (в кг/с), отнесённая
к площади пожара (F_п),
т.е.

.
Отсюда массовая скорость выгорания
равна произведению:

= 0,02·150 = 3,0 кг/с;

= 0,02·10 = 0,28 кг/с.

О
т в е т: массовая скорость выгорания
материала составила 3,0 и 0,28 кг/с.

П
р и м е р 2. Определить
интенсивность пожара при горении
материала, имеющего низшую теплоту
сгорания 12000 кДж/кг, если табличное
значение приведенной массовой скорости
выгорания равно 0,012 кг/(м²с),
площадь пожара 35 м²,
коэффициент полноты сгорания – 0,8.

Р
е ш е н и е.

Интенсивность
пожара рассчитывается по формуле (2.6).
Предварительно рассчитаем массовую
скорость выгорания, используя формулу
(2.4)

=
0,012^.35 = 0,42 кг/с, отсюда

q_п
= β^.
.Q^н_с
=
0,9·0,012·35∙12000 = 4536 кВт.

О
т в е т: интенсивность пожара составит
4536 кВт.

П
р и м е р 3. Рассчитать
удельную массовую скорость выгорания
штабеля, сложенного из деревянных
брусьев, если за 15 минут пожара его масса
уменьшилась на 15 %. Штабель состоит из
пяти рядов, в каждом ряду размещаются
десять брусьев. Размеры бруса — 0,10,12
м. Плотность массы древесины ρ составляет
450 кг/м³.
Определить коэффициент поверхности
горения данного штабеля.

Р
е ш е н и е.

Удельная
массовая скорость выгорания рассчитывается
по формуле (2.5).

Убыль
массы штабеля за время горения равна:

Δm
= ηρVkn,

где:
η – массовая доля выгоревшего материала
штабеля; V-объём
одного бруса, м³;
k—
количество брусьев в одном ряду, n
– количество рядов в штабеле:

Δm=
0,15·450·(0,1²·2)·10·5
= 67,5 кг.

В
штабеле имеются скрытые и открытые для
горения поверхности (рис. 2.2).

Площадь
поверхности штабеля складывается из
площади поверхности граней брусьев,
находящихся в нижнем ряду и соприкасающихся
с поверхностью земли, а также участков
граней, в пределах которых брусья,
соприкасаются друг с другом. Общая
площадь скрытой поверхности S_скр
равна:

где
k—
количество брусьев в одном ряду, n
– количество рядов в штабеле

Рис.
2.2. Схема штабеля, сложенного из деревянных
брусьев

Открытая
поверхность (поверхность горения S_пг)
рассчитывается как разность суммарной
площади поверхности всех брусьев S_и
скрытой поверхности брусьев в штабеле

S_пг
= S_откр=
S_
— S_cкр,

где
суммарная площадь брусьев в штабеле
равна сумме площадей всех граней одного
бруса, умноженная на количество всех
брусьев в штабеле k·n:

S_
= (2а²
+ 4аl)kn

S_общ
= (2·0,1²
+ 4·0,1·2)·10·5 = 41 м² .

Площадь
скрытой поверхности штабеля равна:

S_скр
= 0,1·2·10 + 2·0,1²·10²·(5
– 1) = 10 м² .

Площадь
поверхности горения штабеля S_пг
равна:

S_ПГ
= 41 – 10 = 31 м²
.

Удельная
массовая скорость выгорания:

v_м^уд=
67,5/(31·15·60) = 0,0024 кг/(м²с).

Площадь
пожара S_П
составляет:

S_П
= l²
= 2²
= 4 м² .

Коэффициент
поверхности горения штабеля определяем
по формуле (2.3):

K_п
= 31/4 = 7, 75.

О
т в е т: коэффициент поверхности горения
штабеля брусьев составит 7,75.

П
р и м е р 4. Насколько
опустится уровень нефти за 15 минут
горения в резервуаре. Плотность массы
нефти составляет 730 кг/м³,
удельная массовая скорость выгорания
равна 0,04 кг/(см²).

Р
е ш е н и е.

Полагаем,
что уровень нефти в резервуаре плотностью
ρ за
время горения τ
уменьшится на h
при удельной массовой скорости выгорания

.

Рис.
2.3. Схема горения в резервуаре нефти

Объем
выгоревшей нефти V
равен произведению площади зеркала
жидкости F
на высоту выгоревшей нефти h
(рис 2.3). С другой стороны объем выгоревшей
жидкости V
− масса выгоревшей нефти, отнесенная
к ее плотности ρ,
т.е.:

F^.hm/,

отсюда
.

Массу
выгоревшей нефти можно определить, как:

m
=

·τ·F

Уровень
нефти за 15 минут горения в резервуаре
снизится на высоту, равную:

0,049
м =4,9 см

О
т в е т: уровень нефти за 15 минут горения
в резервуаре снизится на 4,9 см.

П
р и м е р 5. Определить
величину пожарной нагрузки и теплового
эквивалента пожарной нагрузки в кабинете
площадью 13 м².
Пол в помещении выложен дубовым паркетом
толщиной h
=2,5 см. Плотность
паркета
составляет 540 кг/м³.
В помещении имеется следующая мебель:
книжный шкаф массой 90 кг, дубовый
письменный стол – 40 кг, два стула по 7,5
каждый, диван массой 102 кг, состоящий
(по массе) из 75 % древесины, 15 % пенополиуретана
и 10 % кожи. Низшие теплоты сгорания
древесины, пенополиуретана, и кожи
соответственно составляют 16,5; 24,52; 21,52
МДж/кг.

Р
е ш е н и е.

Расчет
величины пожарной нагрузки и теплового
эквивалента пожарной нагрузки проводят
по формулам (2.1) и (2.2):

Р_п.н
=

,

.

Масса
всех горючих материалов складывается
из массы паркета, шкафа, стульев и массы
горючих материалов, из которых собрана
мебель.

Массу
паркета m_пар
можно рассчитать, зная его плотность 
и его объем V,
который можно рассчитать как произведение
площади пола на толщину паркета

=
F_пh=540
· 13 · 0,025 = 175, 5 кг.

Массы
древесины, пенополиуретана (ППУ) и кожи,
из которых изготовлен диван, соответственно
равны:

m_древ
= 0,75·102 =76,5 кг

m_ппу
= 0,15·102 = 15,3 кг

m_кожи
= 0,10·102 = 10,2 кг

Величины
пожарной нагрузки р_гн
и теплового эквивалента пожарной
нагрузки составят:

Р_п.н
=

=
32,5 кг/м²;

g
=

= 549,62
МДж/м².

О
т в е т: величины пожарной нагрузки р_гн
и теплового эквивалента пожарной
нагрузки соответственно составят
32,5 кг/м²
и 549,62 МДж/м².

П
р и м е р 6. Определить
уровень нижней границы гомотермического
слоя (h)
при горении нефти в резервуаре. Начальный
уровень жидкости Н = 15 м, время горения
τ = 30 мин. Плотность
массы нефти ρ
= 750 кг/м³,
приведенная массовая скорость выгорания

= 0,045 кг/(с·м²),
скорость нарастания гомотермического
слоя

равна 8·10⁻⁴ м/с.

Р
е ш е н и е.

Глубина,
на которую опустится нижняя граница
гомотермического слоя за время горения,
складывается из толщины выгоревшего
слоя нефти Н и толщины самого слоя δ
(рис. 2.4.).

Рис.2.4.
Схема горения нефти в резервуаре

Тогда
h
= Н – (Δh
+ δ).

Δh=
τ·
,
м; δ
= τ·
,
м,

где

– линейная скорость выгорания, которая
представляет отношение удельной массовой
скорости выгорания нефти, отнесенное
к ее плотности:

=

/ρ
= 0,045/750 = 6·10⁻⁵
м/с.

Определим
уровень нижней границы гомотермического
слоя (h)
при горении нефти в резервуаре: h
= H
– τ(v_л
+v_гтс);

h
= 15−30·60· (6·10⁻⁵+
8·10⁻⁴)
= 15 – 1,548 = 13,452 м.

О
т в е т: уровень нижней границы
гомотермического слоя равен 13,452 м.

П
р и м е р 7. Рассчитать
интенсивность пожара компактного
газового фонтана, дебит которого 5,06
мдн. м³/сутки,
коэффициент полноты сгорания 0,8. Состав
газа: 85 об. % метана, 10 об. % этана. Низшая
теплота сгорания метана 802,29 кДж/моль,
этана – 1427,81 кДж/моль.

Р
е ш е н и е.

Секундный
расход газа составляет:

58,6 м³/с.

Интенсивность
пожара определяется по формуле (2.6):

q_п
= βv_мQ_н.

Для
расчета необходимо знание низшей теплоты
сгорания горючей смеси газов, которую
можно рассчитать по формуле:

,

где

– низшая теплота сгорания i-го
горючего компонента, φ_i–
объёмная доля i-го
компонента в смеси.

Так
как 1 моль любого газа при нормальных
условиях (273 K, 101325 Па)
занимает объем 22,4 л (22,4^.10⁻³
м³), то теплота сгорания 1 м³
метана будет равна 802,29/22,4^.10⁻³
= 35816,5 кДж/м³; соответственно этана
− 63741,5 кДж/м³.

Поскольку
в 1 м³исходной газовой смеси
содержится 85 об. % (0,85) метана СН₄
и 10 об. % (0,10) этана С₂Н₆, то
низшая теплота сгорания 1 м³ газовой
смеси составит:

=
35816,5 × 0,85 + 63741,5 × 0,10 = 36814,1 кДж/м³.

Отсюда
интенсивность пожара составит:

q_п=
58,6·36814,1= 2157306,26 кВт
= 2157,3 МВт.

О
т в е т: интенсивность пожара компактного
газового фонтана составляет 2157,3 МВт.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Лекция 13
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Потребление жидкого топлива в мировом хозяйстве достигает в настоящее время гигантских масштабов и продолжает неуклонно расти. Это приводит к постоянному развитию нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Жидкое топливо превратилось в настоящее время в важнейшее стратегическое сырье, и это обстоятельство приводит к необходимости создания громадных его запасов. Обеспечение пожарной безопасности при добыче, транспортировке, переработке и хранении жидкого топлива является важнейшей задачей органов пожарной охраны.
Воспламенение жидкости
Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паровоздушную смесь. За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс — конденсация. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
где рнп — давление насыщенного пара, Па;
Qисп — теплота испарения — количество тепла, необходимое для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;
Т — температура жидкости, К.
Из (7.1) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально (рис. 7.1). Таким образом, для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKJIB <ф п< ВКПВ
При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению. При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению.
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Под температурой вспышки понимают наименьшую температуру жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях специальных испытаний образуется концентрация паров жидкости, способная к воспламенению от источника зажигания, но скорость их образования недостаточна для последующего горения. Таким образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае НКПВ создается насыщенными парами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ (см. рис. 7.1). Хотя при температуре вспышки имеет место кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не способно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при определенных условиях вспышка паров жидкости способна явиться источником возникновения пожара.
Кроме температуры вспышки, различают еще температуру воспламенения. Это наименьшая температура жидкости, при которой после воспламенения паров от источника зажигания устанавливается стационарное горение.
Существенная зависимость температур вспышки и воспламенения от условия эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величин. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный :
где Твс — температура вспышки (воспламенения), К;
Рвс — парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па;
Do — коэффициент диффузии паров жидкости, м2/с;
п — количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего;
В — константа метода определения.
Рекомендуется при расчете температуры вспышки в замкнутом сосуде принимать В=28, в открытом сосуде В=45, при расчете температуры воспламенения В = 53.
Распространение пламени по поверхности жидкости.
Анализ влияния условий горения на скорость распространения пламени
Свойство пламени к самопроизвольному распространению имеет место не только в случае горения смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ. При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения в месте воздействия источника произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности холодной жидкости.
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Что же является движущей силой распространения процесса горения и каков его механизм?
Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.
Qф = ε ´ σ ´ (T ф4 — Tж4)
 
Основную роль в этом по современным представлениям играет теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию. Согласно закону Стефана-Больцмана, интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением:
,
где ε — степень черноты,
σ — постоянная Стефана — Больцмана, = 2079 ´ 10-7 кдж/(м2 ч К4)
T ф, T ж — t факела и поверхности жидкости, К
Это тепло расходуется на испарение (q1) и прогрев (q11 ) жидкости в глубину.
Qф = q1 +q11 = r´r´W + r´U´(Tж — T0)´c, где
r — теплота испарения, кдж/г
r — плотность, г/см3
W — линейная скорость выгорания, мм/ч
U — скорость прогрева в глубину, мм/ч
T0 — начальная т-ра жидкости, К
с — удельная теплоёмкость жидкости, дж/(г К)
Максимальная температура жидкости равна t её кипения.
В установившемся процессе горения наблюдается равновесие между скоростью испарения и скоростью выгорания.
Верхний слой жидкости нагревается до более высокой температуры, чем нижние. Температура у стенок выше, чем в середине резервуара.
Таким образом, скорость распространения пламени по жидкости, т. е. путь, пройденный пламенем в единицу времени, определяется скоростью прогрева поверхности жидкости, под воздействием лучистого теплового потока от пламени, т. е. скоростью образования горючей паровоздушной смеси над зеркалом жидкости.
Характер распределения температур зависит от рода жидкости и условий горения. Для жидкостей, у которых скорость выгорания меньше скорости прогрева (нефть, бензин, мазут), примерно через 10 минут формируется изотермический слой, толщина которого со временем постепенно увеличивается до определённой величины.
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Распределение температуры (поле температур)при горении жидкости
То — начальная температура;
Тк — температура кипения;
Тг—температура горения.
Изменение температуры поверхностного слоя жидкости во времени.
 
Распределение температуры в глубину для керосина и бензина в зависимости от расстояния от поверхности.
Вода резко снижает температуру кипения нефти, мазута. При горении нефти, содержащей воду, происходит вскипание воды, что приводит к переливанию горящей жидкости через борт резервуара (т. наз. вскипание горящей жидкости.
Над поверхностью же открытого резервуара концентрация паров по высоте будет различной: у поверхности она будет максимальной и соответствовать кон­центрации насыщенного пара при данной температуре, а по мере подъема над поверхностью постепенно снижается вследствие конвективного и молекулярного уноса (рис, 7.3).
Таким образом, над поверхностью зеркала жидкости в открытом резервуаре при любой начальной температуре жидкости выше, чем Тст , будет находиться область, в которой концентрация паров в воздухе будет стехиометрической. При температуре жидкости Т2 эта концентрация будет находиться на высоте Ну от поверхности жидкости, а при температуре Т3, большей Т2, — на расстоянии Н ^Зст. При температуре, близкой к температуре вспышки жидкости ТВ распространение пламени по поверхности жидкости будет равной скорости его распространения по смеси паров в воздухе, на НКПВ, т. е. З-4см/с. При этом фронт пламени будет расположен у поверхности жидкости. При дальнейшем увеличении начальной температуры скорость распространения пламени по жидкости будет возрастать аналогично изменению нормальной скорости распространения пламени по паровоздушной смеси с увеличением ее концентрации.
Лекция 14
Скорость выгорания жидкостей, влияющие факторы.
При определённой температуре, выше tвс, раз подожжённая жидкость продолжает гореть после удаления источника зажигания. Такая минимальная температура называется температурой воспламенения (tвос). Для ЛВЖ она выше tвс на 1-5 оС, для ГЖ — на 30-35 оС.
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Линейная скорость выгорания — высота столба жидкости, выгорающая в единицу времени :
Массовая скорость выгорания — масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности :
Wг =
W г= r ´ Gг
 
Между линейной и массовой скоростями горения существует зависимость :
(следует следить за размерностями величин и при необходимости вводить поправочный коэффициент).
Прогрев жидкости по глубине. Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламени сопровождается передачей тепла вглубь ее. Этот теплоперенос осуществляется в основном тепло­проводностью и ламинарной конвекцией за счет движения нагре­тых и холодных слоев жидкости. Прогрев жидкости теплопровод­ностью осуществляется на небольшую глубину (2-5 см) и может быть описан уравнением вида
где Тх — температура слоя жидкости на глубине х, К;
Тк — температура поверхности (температура кипения), К; к — коэффициент пропорциональности, м—К
Этот тип температурного поля называется распределением тем­пературы первого рода.
Ламинарная конвекция возникает в результате различной тем­пературы жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смесей. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок ре­зервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее перегрева у сте­нок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способ­ствует интенсивному перемешиванию и быстрому прогреву слоя жидкости на большую глубину. Образуется так называемый гомотермический слой, т. е. слой с практически постоянной темпе­ратурой, толщина которого растет во времени горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода (рис. 7.7). Образование гомотермического слоя воз­можно также и в результате фракционной перегонки приповерх­ностных слоев смесей жидкостей, имеющих различную температу­ру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхност­ный слой обогащается более плотными высококипящими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвек­тивному прогреву жидкости.
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Определяющее влияние перегрева жидкости у стенок резервуа­ра на формирование гомотермического слоя подтверждают сле­дующие экспериментальные данные. При горении бензина в ре­зервуаре диаметром 2,64 мм без охлаждения стенок приводило к достаточно быстрому образованию гомотермического слоя. При интенсивном охлаждении стенок прогрев жидкости на глубину осуществлялся главным образом теплопроводностью и в процес­се всего времени горения имело место распределение температу­ры первого рода. Установлено, что чем выше температура кипе­ния жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), тем труднее образуется гомотермический слой. При их горении темпе­ратура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипящих нефтепродуктов вероятность образования гомотермического слоя также высока. При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пу­зырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемешивание всей жидкости и быстрый прогрев вглубину. Возможность образования достаточно толстого гомотермического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата явле­ниями вскипания и выброса жидкости.
Исходя из рассмотренных выше представлений о механизме выгорания жидкости, проанализируем влияние некоторых факто­ров на массовую скорость.
Скорость выгорания зависит от : рода жидкости, температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости, скорости ветра.
Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. При увеличении диаметра скорость сначала снижается из-за нагрева от стенок, затем возрастает, т. к. ламинарное горение переходит в турбулентное и остаётся постоянным при диаметрах ³ 2 м.
При турбулентном горении ниже полнота горения (появляется копоть), увеличивается тепловой поток от пламени, быстрее отводятся пары, увеличивается скорость испарения.
При снижении уровня жидкости затрудняются процессы тепломассопереноса (отток продуктов горения, приток окислителя, пламя удаляется от поверхности жидкости), поэтому скорость горения падает и при определённом расстоянии жидкости от верхнего борта резервуара (критическая высота самотушения) горение становится невозможным. Критическая высота самотушения при Æ = 23 м равна 1 км (реальная высота резервуара= 12 м).
Получить полный текст
Подписаться на рассылку!
Оценив доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку следует, что менее 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на поставку ее паров в зону горения. В момент установления процесса выгора­ния температура поверхности жидкости резко возрастает от тем­пературы воспламенения до температуры кипения, которая в дальнейшем по мере выгорания остается неизменной. Однако это справедливо только для индивидуальных жидкостей. В процессе горения смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения (бензины, нефть и т. д.), происходит как бы их фракционная перегонка. Вначале происходит выход легкокипящих фракций, затем всех более высококипящих. Этот процесс сопровождается постепенным (квазистациоиарным) повышением температуры на поверхности жидкости. Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей (горючее + вода), в процессе горения которых проис­ходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горю­чей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обога­щается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше 100°С, напротив, вначале преимущественно испаряется влага, концентрация ее снижается: скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта (рис. 7.11).
Влияние скорости ветра. Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенси­фицирует процесс смешения горючего с окислителем, повышая температуру пламени и приближая пламя к поверхно­сти горения.
Все это повышает интенсивность теплового потока, поступаю­щего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к росту скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может срываться, что приведет к прекращению горения. Так,- на­пример, при горении тракторного керосина в резервуаре диамет­ром З’М наступал срыв пламени при достижении скорости ветра 22 м-с-1.
Влияние концентрации кислорода в атмосфере. Большинство жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С повышением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает (рис. 7.12). В атмосфере, обогащенной кислородом, горение жидкости проте­кает с выделением большого количества сажи в пламени и на­блюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпо­нентных жидкостей (бензин, керосин и т. п.) температура поверх­ности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде возрастает (рис. 7.13).
Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.

Методика Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при свободном горении нефти и нефтепродуктов

МИНИСТЕРСТВО
ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Самарский областной комитет охраны окружающей среды и природных
ресурсов Российской Федерации

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ПРИ
СВОБОДНОМ ГОРЕНИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Самара

1996

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение.

1.1. Настоящий документ:

(1) Разработан в соответствии с Законом Российской Федерации
» Об охране
окружающей природной среды» с целью получения данных о выбросах загрязняющих
веществ при свободной горении нефти и нефтепродуктов;

(2) устанавливает методику расчета параметров выбросов
загрязняющих веществ при горении нефти и нефтепродуктов в воздушной среде;

(3) распространяется на случай свободного горения нефти и нефтепродуктов.

2. Ссылка на нормативные документы.

2.1. РД 39-1-159-79 Унифицированные технологические схемы
комплексов сбора и подготовки нефти, газа и воды нефтедобывающих районов.

2.2. ГОСТ 17.2.1.07-77 Охрана природы. Атмосфера.
Метеорологические аспекты загрязнения и промышленные выбросы. Основные термины
и определения.

3. Основные понятия и определения:

Соответствуют ГОСТу 17.2.1.07-77.

4. Общие положения.

4.1. Данная методика:

(1) Содержит основные положения и процедуру расчета
количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, при горении нефти и
нефтепродуктов в воздушной среде;

(2) позволяет рассчитать максимальный выброс вредного
веществам его среднюю величину;

(3) обеспечивает расчет выбросов при следующих ситуациях:

— горении нефти и нефтепродуктов на поверхности раздела фаз
— жидкость-атмосфера;

— горении пропитанного нефтью и нефтепродуктом инертного
грунта;

— комбинированный случай горения нефти и нефтепродуктов.

4.2. Базовый алгоритм расчета по данной методике
предполагает наличие экспериментально определенных величин скорости выгорания
нефти и конкретного нефтепродукта с единицы поверхности (кг/м²·с) и
удельного выброса конкретного вредного компонента при сгорании единицы массы
нефтепродукта.

Другие данные для расчета выбросов определяются прямыми
метрическими замерами, выполняемыми производственными или контрольными службами
на месте аварийной ситуации или планово-технологическом сжигании нефти и
нефтепродукта.

4.3. Предлагаемая методика будет уточняться по мере
накопления статистического материала по величинам скорости выгорания и
удельного выброса для наполняющейся номенклатуры нефтепродуктов.

5. Расчет выбросов вредных веществ в
атмосферу при свободном горении нефти и нефтепродуктов.

При необходимости определения количества вредных выбросов
при плановом или аварийном сжигании нефтепродуктов в зависимости от
ситуационных характеристик из описанных ниже методов расчета выбирается
наиболее подходящий (или комбинированный). При недостатке исходных данных или
отсутствии эксперементально-определенных величин «К₁» и
» m»
производится приближенный расчет по родственному нефтепродукту с обоснованием
принятых данных.

5.1.
Горении нефти и нефтепродуктов на поверхности раздела фаз жидкость-атмосфера.

Этот метод расчета применяется для определения количества
вредных веществ, выделяющихся в атмосферу при горении нефтепродукта в амбарах,
резервуарах, обваловках, на водной поверхности и во всех остальных случаях,
когда имеется достаточный слой нефтепродукта, чтобы образовалось ровное
горизонтальное зеркало раздела фаз (поверхность).

Основная формула расчета выброса вредного вещества (ВВ) в
атмосферу при рассматриваемом характере горения нефтепродукта имеет вид:

П₁=К₁· m_j· S_ср, кг₁/час                                                              (5.1)

где:

П₁ — количество
конкретного (і) ВВ, выброшенного в атмосферу при сгорании конкретного (j)
нефтепродукта в единицу времени, кг₁/час;

К₁ ֊-
удельный выброс конкретного ВВ (і) на единицу массы сгоревшего

нефтепродукта, кг₁/кг _j;

m_j — скорость выгорания
нефтепродукта, кг _j/м²·час;

S_ср — средняя поверхность
зеркала жидкости, м².

Величина К₁ — является постоянной для данного
нефтепродукта и ВВ. Она определяется инструментальными методами в лабораторных
и натурных условиях, после чего применяется как константа. В таблице
5.1 приводится значение этой характеристики для нефти и некоторых
нефтепродуктов, которые к настоящему времени достаточно изучены [ 14- 18,
42- 48].
В связи с тем, что нефти, добываемые на территории России, имеют элементарный
состав практически постоянный [ 21,
22],
данные таблицы
5.1 можно использовать для любой нефти за исключением высокосернистых
нефтей, выбросы двуокиси серы при горении последних можно рассчитать по
стехиометрии, исходя из содержания общей серы в составе нефти. Величины К₁
определялись при температуре горения менее 1300°С и избытке воздуха,
равном 0.93, что в большинстве случаев соответствует реальным условиям
свободного горения нефтепродуктов.

Таблица 5.1

Удельный выброс
вредного вещества при горении нефти и нефтепродуктов на поверхности К _i

Расчет выброса диоксида
серы возможно проводить по стехиометрии химической реакции общей серы в
нефтепродукте с кислородом воздуха, используя формулу:

П _SO2=0,02· m_j· S_ср· C_s, кг₁/час                                              (5.2)

где:

C_s — массовый
процент общей серы в нефтепродукте, %.

Скорость выгорания » m_j»
является практически постоянной величиной для нефти и конкретных нефтепродуктов
и определяется как средняя массовая скорость горения нефтепродукта с единицы
поверхности зеркала фаз в единицу времени. Эта величина определяется
экспериментально и применяется как константа. В таблице
5.2 приводятся имеющиеся в настоящее время экспериментально-проверенные [ 23]
величины m_j
для некоторых нефтепродуктов.

Таблица 5.2

Величины скорости
выгорания нефти и нефтепродуктов

Средняя поверхность зеркала горения
(поверхность горения) » S_ср»
определяется метрически путем измерения поверхности разлива нефтепродукта
(поверхности нефти в резервуаре, площади амбара и др.). Ниже приводятся способы
определения поверхности горения для различных аварийных случаев:

а) При горении жидкости в резервуаре (установке) без его
разрушения S_ср
равна площади горизонтального сечения резервуара или установки.

б) При горении жидкости с разрушением резервуара и вытекании
жидкости в обваловку S_cp
равна площади обваловки.

в) Для резервуаров (установок), получивших во время аварии
сильные разрушения

S_cp =4,63·V_ж , м ²                                                                      (5.3)

где :

V_ж — объем нефтепродукта в
резервуаре (установке), м³.

г) Для фонтанирующих нефтяных скважин средняя поверхность
определяется по уравнению: Q

                                                                     (5.4)

где:

Q — дебит скважины
(производительность скважины по нефти), т/сут.

р — плотность нефти,
т/м³.

1 — линейная скорость
выгорания нефти и нефтепродуктов, мм/мин ( табл.5.2).

5.2.
Горение пропитанных нефтью и нефтепродуктов инертных грунтов.

В данном разделе приводится методика расчета количества
вредных выбросов в атмосферу при горении инертного грунта (или других пористых
поверхностей) пропитанных нефтью и нефтепродуктом, этот случай имеет место при
возгорании малых и средних проливов нефти и нефтепродукта на почву, когда не
образуется явное зеркало раздела фаз и нефтепродукт полностью впитывается этой
почвой.

Физико-химический механизм горения пропитанного нефтью и ее
производных грунта сложен и зависит от множества факторов: от вида
нефтепродукта, типа грунта, его минерального состава и так далее.

В данной методике приняты следующие упрощающие расчет
допущения:

а) Применяется поверхностная модель горения аналогичная
рассмотренной в разделе
5.1., с учетом характеристик грунтов и почв.

б) Не учитываются выбросы вредных веществ в атмосферу,
образующихся при горении не нефтяных компонентов (флоры и фауны почв, минералов
и других компонентов присущих этим почвам).

Для расчета количества вредных выбросов, образующихся при
сгорании нефти и продуктов ее переработки на инертном грунте используется
следующая формула:

, кг₁/час                                    (5.5)

где:

K_j — удельный выброс ВВ, кг _j/кг;

K_п — нефтеемкость грунта, м³/м³;

р — плотность разлитого
вещества, кг/м³

b — толщина
пропитанного нефтепродуктом слоя почвы, м;

S_r —
площадь пятна нефти и нефтепродукта на почве, м;

t_r — время горения нефти и
нефтепродукта от начала до затухания, час;

0.6 — принятый
коэффициент полноты сгорания нефтепродукта.

Удельный
выброс ВВ находится по табл.
5.1.

Величина нефтеемкости грунтов определяется по таблице 5.3 в
зависимости от вида грунта и его влажности.

Таблица 5.3

Нефтеемкости
грунтов, м³/м³

Влажность грунта
определяется инструментально по разнице весов навески грунта до и после
выпаривания воды при 100°С.

Величины S_r
и b определяются
метрически на месте аварии.

Время выгорания нефтепродуктов из грунта определяется
непосредственно его, замером от воспламенения до затухания.

5.3. Комбинированный случай горения нефти и
нефтепродуктов.

При массовом проливе нефти и нефтепродукта на грунт (или другую
пористую подложку) часть их впитывается в грунт, а остальная часть остается на
поверхности и образует горизонтальное зеркало раздела фаз жидкость-воздух. В
этом случае горение протекает в две стадии:

а) Свободное горение нефти и ее продуктов с поверхности
раздела фаз.

б) Выгорание остатков нефти и нефтепродукта из
пропитанного им грунта вплоть до затухания.

Упрощенный расчет выброса для рассматриваемого случая
предусматривает раздельное определение поступающих в атмосферу вредных веществ
согласно разделам 5.1
и 5.2
настоящей методики с последующим суммированием полученных величин выбросов. При
этом поверхность зеркала S_ср
и поверхность грунта, пропитанного нефтью и ее производными, S_r, следует считать равными
при отношении максимальной толщины слоя нефтепродукта над грунтом к
эквивалентному диаметру «пятна» не более 0.01 ?(К= h/ D_экв < 0.01). При К > 0.01 величины S_ср и S_r рассчитываются для каждого
конкретного случая отдельно.

6. Расчет максимального и валового выброса
загрязняющих веществ в атмосферу.

Максимальный выброс по времени соответствует раннему
периоду устойчивого горения нефтепродукта, когда поверхность зеркала
максимальна. В этом случае выброс ВВ составит

П₁=К _j· m_j· S_max, кг/час                                                              (6.1)

Валовый выброс вредного вещества в атмосферу
рассчитывается по формуле:

w₁=П₁₃· t₃+П_{1 r}· t_r, кг                                                                 (6.2)

где:

П₁₃ — выброс
ВВ при средней площади зеркала S_ср,
кг/час;

П_{1 r} —
выброс ВВ при выгорании нефтепродукта из грунта, рассчитанный по формуле (5.5), кг/час;

t₃ — время существования
зеркала горения над грунтом, рассчитываемое по формуле:

, час                                                              (6.3)

где:

h_ср — средняя величина
толщины слоя нефтепродукта над грунтом, м;

1 — линейная скорость
выгорания мм/мин., определяется по табл. 5.2.

t_r —
время выгорания нефтепродукта из грунта, час.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Гейдон, Х. Вольфгард. Пламя, его структура,
излучение и температура. М. Металургиздат, 1969 г.

2. П.Г. Демидов. Основы горения веществ. М. Минкомхоз РСФСР,
1951 г.

3. Б.Ф. Гордиец, Л.Н. Шелепин, и др. Физика горения и
взрыва, 18 N 2, с 71-76.

4. И.А. Шепелев. Турбулентная конвективная струя над
источником тепла. Изв. Академии наук СССР, Машиностроение, 4, 1961 г.

5. Е.С. Щетинков. Физика горения газов. Наука, М., 1965.

6. Основы горения углеводородных топлив. Перев. с англ. под
редакцией Л.Н. Хитрина и В.Л. Попова, ИЛ, М., 1960 г.

7. А.Н.Васильев, Н.И.Храмов. Влияние метастабильности на горение
жидких веществ, сб. Физика горения и взрыва, N1, 18, 1982.

8. К.С. Каспарьянц. Промысловая подготовка нефти и газа, Н.,
Недра. ???

9. А.Н. Баратов и др. Пожаротушение на предприятиях
химической и нефтеперерабатывающей промышленностей, М., Химия, 1979.

10. Е.И. Шипов. Пожарная защита открытых технологических
установок, М., Химия, 1975.

11. О.М. Волков, Г.А. Проскуряков. Пожарная безопасность на
предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, Н., Недра, 1981.

12. Б.Е. Грушевский, А.С. Измайлов. Термические и
геометрические характеристики пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах,
НТРС «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья», №
10, 1976.

13. М.В. Казаков, И.И. Петров. Средства и способы тушения
пламя горящих жидкостей, М., Стройиздат, 1977.

14. Нефти CCCP. Справочник, т.І, Нефти
северных районов Европейской части СССР и Урала, Химия, М., 1971.

15. Нефти СССР. Справочник, т. II, Нефти Среднего и Нижнего Поволжья,
Химия, М-, 1972.

16. Нефти СССР. Справочник, т. III, Нефти Кавказа и Западных районов
Европейской части СССР, Химия, Н., 1972.

17. Нефти СССР. Справочник, т. IV, Нефти Средней Азии, Казахстана,
Сибири и О. Сахалин, Химия, М., 1974.

18. Новые нефти восточных районов СССР.
Справочник, Химия, М-, 1967.

19. Е.Г. Ивченко и др. Сернистые и высокосернистые нефти
Башкирской АССР, Гостехиэдат, 1963-67 гг.

20. Р.Д. 39-1-159-79. Унифицированные технологические схемы
комплексов сбора и подготовки нефти, газа и воды нефтедобывающих районов.
Гипровостокнефть, 1979.

21. Оценка характеристик заражения
атмосферы, местности и гидросферы при разрушении объектов нефтяной
промышленности. Проект «Последствие», Гипровостокнефть, СС-1089-ГО,
1984г., Раздел П-5.

22. Исследование образования аэрозолей при
массовых пожарах. Оценка изменения газового состава и оптических свойств
атмосферы. Проект «Последствие», Гипровостокнефть, СС-1079-ГО,
1984г., Раздел 3.3.

23. Оценка загазованности и задымления
территорий городов и промышленных предприятий продуктами горения при массовых
пожарах, (рекомендации), ВНИИПО, методика, 1982.

24. Защита сооружения гражданской обороны, СНиП II-11-77, пост. N 158 1977г.

25. Ван-Дер-Хельд. Образование и газификация углерода в
атмосфере продуктов сгорания, Сб. «Материалы YI и YII международных симпозиумов по продуктам сгорания. Перевод с
англ. М., 1963г., с. 190-197.

26.
Van-der-Hold E.F.H. 7-th Simposium
( intern) on combustion Ltd, 1958, 554-558 p.

27. Ю.В. Лыков, В.Б. Наливайко, В.В. Романов. Сравнительная
оценка дымообразования (при сгорании) материалов. Сб. «Пожароопасность
веществ и материалов, М., 1981 г. 131-141.

28. И.В. Самойлов, В.П. Богословский. 0 некоторых
особенностях выгорания гомогенных смесей в турбулентном потоке. Сб.
«Физика горения и взрыва, N 1, 18, 1982. с. 42-45.

29. Ф.Г. Бакиров, Н.Х. Баширов, В.М. Захаров и др.
Разработка

нетолики экспериментальных исследований сажеобразования в
процессе горения гомогенной смеси при давлении до 2 МПа, Сб.»Физика
горения и взрыва, N2-3, 18, 1982. с.143-145.

30. П.А.Теспер. Образование сажи при разложении и крекинге
углеводородов. Газовая промышленность, N 5, 1961.

31. В.Ф. Коков, В.В. Гришин, Г.Г. Шевяков. Моделирование
открытых пожаров. М., Стройиздат, 1969.

32. Материалы б-го Всесоюзного симпозиума по горению и
взрыву, Алма-Ата, 23-26 сентября 1980 г. под ред. Л.И. Стесик. Химия и физика
горения газов и натуральных топлив.

33. Я.Р. Рабинович, П.А. Теспер. Исследование процесса
сажеобразования в диффузионном пламени природного газа. Тр.ВНИИГаз, .ВЫП. 1
(9), 1957.

34. М.М. Полякова, П.А. Теспер.. Состав газообразных
продуктов горения в диффузионном факеле природного газа. ТР. ВНИИГаз, ВЫП. 6
(14) 1959.

35. И.Л. Гурвич. Технология переработки нефти и газа, ч.1, М., Химия, 1972.

36. D.S.
Haynes, H.G. Wagner. Soot formation. Prog. Energy Combust, vol. 7, 1981.

37. Ahtishan
A.NiEami, Soot in flame, with special reference to aromatics. Oornal
of.scientific and Industrial Research, vol. 40, august 1981.

38. Owen О . Smisth, fundamenal of soot
formation in flames with application to diesel enegine particulate emission, Prog.
Energy Combust, vol. 7, 1981.

39. В.Ф. Комов, В.В. Гришин, Г.Г. Шевяков. Моделирование
открытых пожаров. М., Стройиздат, Сборник обзорных работ, 1969.

40. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу
загрязняющих веществ различными производствами. Госконгидромет, Я.. 1986.

41. И.Л. Гурвич. Технология переработки нефти и газа, ч.1, М., ХИМИЯ, 1972.

42. Browing К .А . et’.öl. Enviroment effects from burning oil Nature. 1991.

43. А.В.Андронова, Е.М. Костина, А.С. Кутов и др. Оптические
и микрофизические свойства аэрозолей, полученных при горении различных
материалов. Изв. АНСССР, т.24, 3, 1983.

44. А.М. Гришин. Математическое моделирование лесных пожаров
и новые способы борьбы с ними. Новосибирск, Наука, 1992.

45. М.М. Гамадеев. Атмосфера и человек. Казань, Татарское
кн. из-во, 1978.

46. С.В. Белов. Защита окружающей среды. Труды МВТЧ. М.,
1978.

47. Crutzen
Р .Э ., and oth Tropospheric composition
measurements in brasie during the dry season j. Atnos. chem., 1985,2.

48. Greenberg j. p., Zimmerman, Heidt L. Pollock W: Hygro-carolbn
emmisions from biomass burning in Brasil J.gep- luis.
Res., 1984, 1984,89.