Процессы горения и проблемы экологии и безопасности Андрей Никонович Золотко Институт горения и нетрадиционных технологий Одесского национального университета им. И.И. Мечникова

2 Содержание 1. Физико-химические основы горения. 2. Специфика процессов горения. 3. Прикладные аспекты горения. 4. Экологические проблемы горения. 5. Горение и пожаро-взрывобезопасность. 6. Резюме.

3 1. Физико-химические основы горения Горение Горение - раздел химической физики – наука о быстропротекающих самоускоряющихся процессах с положительной обратной связью. Главный участник – химическая реакция, скорость которой увеличивается в геометрической прогрессии при росте температуры ( рис.1). При горении происходит быстрое превращение горючего и окислителя в продукты сгорания. При этом: потенциальная энергия реагентов ХР преобразуется в другие виды энергии: тепловую, энергию электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн: УФ-видимое-ИК-радиодиапазон. Научный фундамент физики горения: химическая и физическая кинетика, катализ, ТМО, ФП, физика жидкости и твердого тела, термодинамика, газодинамика, теория турбулентности, электродинамика.

4 Условие возникновения горения Рис. 1

5 Схемы процессов горения Рис. 2. Схема процесса горения Рис. 3. Протекание горения во времени – кинетика процесса

6 2. Специфика процессов горения Критические условия - воспламенение, потухание - резкое изменение состояния системы при малом изменении какого-либо ее параметра. Описание базируется на теории катастроф (В.И. Арнольд) и теории цепных реакций ( Н.Н. Семенов). Аналоги процессов воспламенения: ядерный взрыв, электрический пробой диэлектриков, гидродинамический взрыв при вязких течениях, тепловая неустойчивость движения ледников, взрывы Н2 на периферии звезд, кризисы в экономике, социальные взрывы. Характеристики тепловых КУ: Tв, tв, НКПВ, МВСК, Ез,tз, Тг, Тп,,Lп - функции параметров среды и реагентов.

7 2. Специфика процессов горения (продолжение) Пространственное распространение фронта пламени. Фронт пламени – микрореактор – самоорганизующаяся упорядоченная структура. (синергетика – наука о порядке в беспорядке). Аналоги: волны тушения люминесценции, полимеризации, спекания, фазовых превращений в метастабильных системах, цунами, распространения нервного импульса. Характеристики фронта пламени: Uн, Тг, НКПР,QR, dP/dt,Pmax, η, состав продуктов сгорания – функции параметров среды и реагентов.

8 3. Прикладные аспекты горения Задача: Обеспечение жизни – тепло, свет, полезные материалы – продукты сгорания. 1. Энергетика (96%) – уголь, торф, нефть, газ, древесина плюс интенсификация добычи ( внутрипластовое горение, подземная газификация угля, очистка стенок нефтяных скважин от тяжелых углеводородов); МГД – генераторы. 2. Транспорт – автомобильный, железнодорожный, водный, воздушный - ДВС, реактивные и поршневые авиационные двигатели, газотурбинные двигатели. 3. Военная техника: ствольная - метательная, ВВ, излучающие боеприпасы, ГДЛ, ракетная и космическая техника, пиротехника.

9 3. Прикладные аспекты горения. Химическая технология на горении Цель – продукты сгорания доменный процесс, производство сажи, получение SO 2 сжиганием серы в кислороде, внепечная алюмотермическая выплавка ферросплавов и т.д. СВС – твердофазное горение – быстро, выгодно, удобно. Синтезированно более 600 соединений: оксиды, нитриды, гидриды, силициды, халькогениды, карбиды металлов – термостойкие, антикоррозионные, сверхтвердые материалы, сухие смазки, сверхпроводники, элементы с памятью формы, абразивы – материалы для эксплуатации в экстремальных условиях (сверхвысокие и сверхнизкие Т, Р, агрессивные среды, проникающие излучения) (см.видео клип)

10 Демонстрация процесса СВС Al+Ni -> Al n Ni m

11 Химическая технология на горении ГДС при факельном сжигании пылей – прямой синтез нанооксидов металлов для гибких керамик, неорганических пен, суперфинишных полировальных материалов, сорбентов (в том числе ОВ), красителей, высокотемпературных стекол, компаундов, наполнителей для косметики, сверхтонких антикоррозионных и упрочняющих покрытий, новых стоматологических материалов и т.д. Синтезы на горении открыли дорогу новому разделу науки – структурной макрокинетике. Утилизация промышленных и бытовых отходов методами сжигания (EC- до 90%). Дополнительный выход – тепло, материалы (гравий и т.п.)

12 Пылевой факел частиц алюминия и железа

13 4. Экологические проблемы горения Задача – не навредить при сжигании топлив. Негативные проявления: 4.1. Техногенное тепловыделение соизмеримо с компонентами теплового баланса атмосферы; 4.2. Акустический шум турбулентных пламен при работе авиационных и ракетных двигателей – загрязнитель окружающей среды

14 4. Экологические проблемы горения (продолжение) 4.3. Выброс вредных продуктов сгорания – окислов азота, окислов металлов, угарного газа (при высоких Тг), окислов серы, канцерогенных веществ – продуктов неполного пиролиза органических горючих, сажи, углекислого газа (при низких Тг) – является причиной: изменения оптических свойств атмосферы и уменьшения потока солнечного излучения, возникновения кислотных дождей, усиления «парникового эффекта», разрушения озонового слоя Земли, негативного воздействия на флору и фауну, здания и конструкции. Общий итог : глобальное потепление, климатические катастрофы (циклоны, бураны, смерчи, цунами, наводнения, засухи, сходы лавин, сели)..

15 5. Горение и пожаро- взрыво безопасность 5.1. Горение в природе – есть горючее, окислитель, поджигающее устройство (молния). Примеры: лесные, торфяные, степные пожары. Предельный случай – «ядерная зима» Производственные и бытовые пожары. Причины – многообразие и сложность процессов горения и неумелое их использование. Наиболее опасные – пылевые пожары (угольные шахты, предприятия по производству любых порошков, сельхозпредприятия, мельницы и т.д.). Особенность – «прыгающие» пожары 5.3 Способы борьбы с пожарами: грамотность – предотвращение (предварительные оценки риска, соблюдение ТБ и учет «человеческого фактора») - эффективные средства пожаротушения.

16 Взрыв смеси высокодисперсной пыли угля с метаном в воздухе

17 Резюме Процессы горения во всем их многообразии приносят человечеству и пользу и беды. Задача: научиться управлять процессами горения и оптимизировать их, чтобы увеличить «плюсы» и уменьшить «минусы». Для этого – обширные НИР и ОКР, эксперименты и математическое моделирование, современная аппаратура и техника, кадры и, главное, финансовое обеспечение.