Низкотемпературное поджигание. 
Теория горения и взрыва

Изложенные факты, казалось бы, позволяют считать взрывобезопасным нагревающееся оборудование, не имеющее полостей, поскольку температура его поверхности практически не может достигать установленных Тs. Однако остается открытым вопрос о возможности более низкотемпературного поджигания, обусловленного автокаталитическим ускорением цепной реакции с вырожденными разветвлениями, аналогично холоднопламенному самовоспламенению в нагретом сосуде. В дальнейшем возможен переход такого холодного пламени в горячее.

Известно, что холодные пламена могут возникать и в нагретом реакторе, и при поджигании электрическим разрядом. Так, богатые воздушные смеси этилового эфира образуют в плоскопламенной горелке два последовательно распложенных пламени: первое — холодное и второе — горячее^[1].

Имелись сообщения о возможности холоднопламенного и двухстадийного воспламенения взрывчатых смесей при контакте с умеренно нагретыми телами, однако это явление не было подробно описано и не сообщалась критическая тем i тература инициирования.

Следовало ожидать, что низкотемпературное поджигание вероятно в условиях, допускающих накопление активных центров, и ему благоприятствует режим наибольшей продолжительности пребывания газа вблизи поджигающего тела, т. е. свободной конвекции. Такой режим будет моделировать реальные условия использования нагревающегося технологического оборудования. С этой целью в камеру, заполненную холодной взрывчатой смесью заданного состава, помещали нагреваемую модель испытуемого оборудования. Способ определения безопасных допустимых температур нагревания оборудования и необходимое для этого устройство были рекомендованы для технического использования. По этому несколько усовершенствованному методу были определены пределы поджигания воздушных смесей ряда горючих газов и паров.

Нагреваемыми моделями оборудования — поджигателями — служили прямые и спиральные трубы из кварца или стали диаметром 10−25 мм, обогреваемые изнутри, и лампы накаливания диметром 11 см. Температуру наиболее нагретых точек поджигателя определяли термопарами. Поджигатель нагревали с постоянной скоростью 60°С/мин до возникновения пламени, фиксируя в этот момент соответствующую Ts. Установлено, что выгоранием за предвзрывной период можно пренебречь.

На рис. 5.13 и 5.14 представлены зависимости Г, от состава смесей водорода, ацетилена и диэтилового эфира этиленгликоля, на рис. 5.15 — то же для смесей сероуглерода и диэтилового эфира (при различных поджигателях). Штриховыми линиями отмечены концентрационные пределы взрываемости. Принято, что для С6Н12O2? кр те же, что и для (С2H5)2O.

Рис. 5.13. Зависимость от состава температуры поджигания воздушных смесей:

1 — Н2; 2 — С6Н14O2; 3 — то же, при перемешивании; 4 — С2Н2.

Рис. 5.14. Зависимость температуры поджигания богатых смесей ацетилена с воздухом от их состава.

Рис. 5.15. Зависимость температуры поджигания смесей сероуглерода и диэтилового эфира с воздухом (при различных типах поджигателей) от состава:

1, 2 — CS2; 3, 4, 5 — (С2H5)2O.

Для ацетилена Ts резко уменьшалась с увеличением избытка горючего, достигая минимальной температуры 375 °C при 32% С2Н2. При дальнейшем уменьшении величина Ts возрастала, достигая 770 °C для? = 0, т. е. нагретая поверхность инициировала взрывной распад. Смеси сероуглерода и эфира поджигались при температуре до 180 °C; Ts хорошо воспроизводились. Размеры и форма поджигателя, а также перемешивание смеси вентилятором за время нагревания незначительно сказываются на Ts. Таким образом, низкотемпературное поджигание действительно возможно.

Низкотемпературное поджигание смесей CS; и (С2H5)2O можно объяснить развитием вырожденных разветвлений.

В быстром потоке смеси CS2 и (С2Н5)2O имеют примерно такие же что и смеси других горючих. Возможность низкотемпературного сжигания смесей CS2 и (С2Н5)2O соответствует известной склонности этих горючих к образованию холодных пламен. Смеси водорода, легче других поджигающиеся в потоке, при свободной конвекции более флегматичны, так как не образуют холодных пламен. Характерно, что при режиме свободной конвекции Тs минимально не для наиболее взрывоопасных стехиометрических смесей, а для составов, в которых легче возникают холодные пламена. Фоторегистрации поджигания смесей эфира подтверждают двухстадийный механизм: горячее пламя часто возникает на некотором удалении от поджигателя.

Особую природу имеет низкотемпературное поджигание смесей ацетилена. Установлено, что при сгорании богатых смесей С2Н2 возможно образование взвешенных сильно нагретых частиц сажи, способных поджигать еще не сгоревшую смесь. В дальнейшем было показано, что такие твердые частицы возникают и на поверхности умеренно нагретого поджигателя. Благодаря каталитическому распаду С2Н2 на поверхности частиц и весьма малым их размерам они сильно разогреваются, что приводит к возникновению очага горения при низкой фиксируемой темпетатуре Ts. Согласно более поздним данным, в диапазоне 0,13−2,14 МПа нагретая проволока поджигала ацетилен при Т= 907?1255°С.

Инициирование горения по механизму поджигания возможно не только твердой поверхностью, но и нагретыми струями газов при истечении как горячего воздуха в холодный горючий газ, так и горячего инертного газа во взрывчатую смесь. Здесь критические условия поджигания также очень жесткие. Установлено, что при этом Ts такое же, как в случае твердой стенки, и даже выше. Поджигание ацетилена и водорода происходило при Т= 640?700°С, ряда алканов — от 750 до 910 °C, для других горючих требовалась температура до 1200 °C.

• [1] Арабей В. Салибеков С. E., Левинский Ю. В. О воспламеняемости некоторых порошковых материалов // Порошковая металлургия. 1964. № 3. С. 109−113.