PROCES SPALANIA

Spalanie – proces, podczas którego zachodzi gwałtowne utlenianie połączone z wydzielaniem ciepła oraz ewentualnie ze zjawiskiem świetlnym. Jest to reakcja egzotermiczna, do zapoczątkowania której niezbędne jest doprowadzenie tlenu oraz podgrzanie paliwa do określonej temp., zwanej temperaturą zapłonu. W większości przypadków źródłem tlenu jest powietrze. Przy temp. zapłonu rozpoczyna się proces spalania paliwa, przy czym wydzielane ciepło powoduje wzrost temp. reagentów, co podtrzymuje reakcję utleniania.

Temp. zapłonu jest charakterystyczna określonego rodzaju paliwa i zależy od jego składu chemicznego, ciśnienia i temp. doprowadzonego powietrza itp.

Temp., w której wydzielające się gazy z nagrzewanego paliwa ulegają zapaleniu, nazywa się punktem zapłonu, właściwe zapalenie paliwa następuje w temp. wyższej od temp. zapłonu.

Składniki palne paliwa: węgiel ( C ) i wodór (H₂), występ. w postaci złożonych związków chem., siarka (S) – także ulega spalaniu, wydzielając określoną ilość ciepła (zawartość S w paliwach jest nie duża i nie ma większego wpływu na efekt cieplny reakcji spalania), tlen (O₂) i azot (N₂) w postaci związanej (paliwa stałe i ciekłe) lub swobodnej (paliwa gazowe), oraz skład. niepalne tzw. popiół i wilgoć.

2.1 Ciepło spalania, wartość opałowa materiału spalanego

Ciepło spalania W_t (kJ/kg) jest to ciepło reakcji spalania wyznaczone w temp. 0^oC, tzn. jest to ilość ciepła, jaka się wydziela przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spaleniu, jeśli wszystkie produkty spalania wracają do temp. początkowej w takim stanie skupienia, w jakim znajdują się w stanie równowagi trwałej. W szczególności para wodna, znajdująca się w spalinach, musi ulec skropleniu.

Wartość opałowa W_u (kJ/kg) – ciepło reakcji spalania w temp. 0^oC, gdy para wodna znajdująca się w spalinach nie ulegnie skropleniu.

Warunek, aby para wodna nie skraplała się jest warunkiem umownym, ponieważ w temp. 0^oC, do której odnosi się wartość opałową, nastąpi na pewno jej skroplenie. Wiąże to się z tym, ze we wszystkich urządzeniach oraz silnikach cieplnych spaliny, uchodząc z nich, mają temp. wyższą od 100^oC, a para wodna zawarta w spalinach unosi ze sobą ciepło parowania, którego praktycznie nie można odebrać.

Jeśli w czasie spalania jednostki masy (1 kg) paliwa stałego albo ciekłego lub w odniesieniu do jednostki objętości (1m³) paliwa gazowego wywiązuje się k kilogramów wody, a wilgotność paliwa wynosi f, to różnica ciepła spalania i wartości opałowej wynosi

ΔW = W_t – W_u = (k+f)r

gdzie: r – ciepło parowania wody w temp.0^oC, zazwyczaj przyjm. r=2500kJ/kg

W_u = W_t – 2500(k=f)

Dla węgla kamiennego

Dla węgla brunatnego

Dla drewna

Gaz ziemny i olej napędowy

c,h,o – udziały masowe w paliwie ,węgla wodoru i tlenu

w – zawartość wilgoci w paliwie wyrażona ułamkiem dziesiętnym

k = 9 x h ; h – liczba godzin

Wartość opałową i ciepło spalania można wyznaczyć eksperymentalnie lub ze składu chemicznego paliwa.

Doświadczalnie wyznaczanie W_u i W_t paliwa stałego i ciekłego odbywa się przez spalenie jego probki w bombie kalorymetrycznej. W przypadku paliw gazowych używa się kalorymetrów przepływowych.

Przy wyznaczeniu W_u na podst. skł. chem. paliwa przyjmuje się, że wartość opałowa jest równa sumie iloczynów wartości opałowych poszczególnych składników i ich udziałów % w paliwie. Sposób ten nie jest dok ladny, gdyż nie uwzględnia tego, że pierwiastki nie występują w paliwie w postaci różnorodnych związków, które mają swoje wartości opałowe wpływające na wartość opałową paliwa.

Jeżeli chce się uzyskać poprawne wyniki, należy przyjmować odpowiednio dobrane wartości opałowe składników paliwa poprawione w tym kierunku, aby dawały wartość opałową złożonego związku chem., a nie czystego pierwiastka, który wyst. w wyniku analizy chem. paliwa.

Najbardziej rozpowszechniona jest metoda oparta na tzw. wzorze związkowym :

W_u = 33900c+121000(h-o/8)+10500s-2500(f_p+(9/8)*o)

Gdzie: c, h, o, s – odpowiednio udziały masowe w paliwie: węgla, wodoru, tlenu i siarki; f_p – zawartość wilgoci w paliwie wyrażona ułamkiem dziesiętnym.

Powyższy wzór daje najbardziej poprawne wyniki dla w.kamiennego, dla paliw natomiast o małej wartości opałowej, jak np. drewna i torfu, wyniki są ze znacznym błędem.

Gazy palne mogą ulegać spalaniu kinetycznemu (gdy są wcześniej wymieszane z powietrzem) lub dyfuzyjnemu (gdy proces mieszania przebiega równocześnie ze spalaniem).

Szybkość procesu spalania zależy od:

- rodzaju ruchu ośrodka; -ilości wydzielanego ciepła; -rodzaju powstających związków chemicznych.

W zależności od rodzaju ośrodka rozróżnia się spalanie w przepływie laminarnym i turbulentnym.

Jeśli spalanie przebiega z dużą prędkością, mamy do czynienia ze zjawiskiem wybuchu lub detonacji.

W kopalniach węgla, rud lub soli zagrożenie pożarowe wynika z obecności w wyrobiskach górn. wielu palnych subs.

ciekłych i stałych oraz gazów palnych. Wśród subst. stałych szczególną rolę odgrywa subst. węglowa.

Proces spalania węgla jest wieloetapowy i obejmuje kolejno: podgrzewanie, w czasie którego następuje odparowanie wody, wydzielanie części lotnych w fazie gazowej, przemiany składników mineralnych paliwa oraz spalanie koksu. W czasie spalania węgla popiół i azot tworzą tzw. balast.

Spalanie nazywamy całkowitym, jeśli wszystkie palne składniki paliwa ulegają spalaniu, zupełne natomiast, gdy spaliny nie zawierają składników palnych.

2.2.Ilość materiału spalonego w ognisku pożaru

Gazy pożarowe występujące w wyrobiskach górniczych w czasie pożaru podziemnego są produktem spalania określonych materiałów palnych. Materiały te mogą mieć różny skład chemiczny, przy czym przyjęło się skład ten podawać dla paliw stałych i ciekłych w postaci udziałów masowych, dla paliw gazowych w postaci udziałów molowych lub objętościowych w ściśle określonych warunkach, tzn. w ściśle określonej temperaturze T_n i ciśnieniu p_n, nazywanych warunkami normalnymi, przy czym przyjmuje się T_n=273,15+t_n=273,l5+O=273,15 K i p_n= 1 atm = 101325 Pa.

Udziały masowe węgla c, wodoru h, siarki s, tlenu o, azotu n, wilgoci w popiołu z w 1 kg materiału palnego równe są jedności , c+h+s+o+n+w+z=1

Suche gazy pożarowe są charakteryzowane stężeniami objętościowymi wyrażonymi w %. Suma stężeń objętościowych 0₂, CO₂, CO,CH₄ , H₂ i N₂ w suchych gazach pożarowych jest równa 100%.

Wychodząc z równania stanu gazów doskonałych i półdoskonałych dla dwóch różnych stanów powietrza kopalnianego, tj.:

- powietrza świeżego pV=mRT gdzie: p -ciśnienie statyczne powietrza świeżego dopływającego do ogniska pożaru, Pa, V -strumień objętości powietrza świeżego, m³/s, m -strumień masy tego powietrza, kg/s, R -indywidualna stała gazowa powietrza świeżego, J/(kg* K), T - temperatura powietrza, K,

- powietrza kopalnianego w warunkach normalnych

p_nV_n = mRT_n

dzieląc stronami wymienione równania, uzyskuje się znany wzór redukcyjny

Stopień zawilżenia powietrza kopalnianego X wyrażony w kg H₂0/kg suchego powietrza, oblicza się ze wzoru:

X=0,622(Pp/(p-Pp )

Gdzie: Pp- ciśnienie składnikowe pary wodnej, Pa p – ciśnienie statyczne powietrza, Pa. Ciśnienie składnikowe pary wodnej można obliczyć ze wzoru Pp= 610,5exp (17,27tw/273,3+tw)-0,000644 p (ts-tw) Gdzie tw- temp. powietrza mierzona termometrem wilgotnym, C, ts– temp. powietrza zmierzona termometrem suchym,C.

Punktem wyjścia do określenia ilości tlenu uczestniczącego w reakcji spalania jest skład chemiczny substancji palnej. W wyrobiskach górniczych źródłem tlenu do podtrzymywania procesu palenia jest powietrze kopalniane, przy czym udział masowy tlenu w powietrzu wynosi około 0,23, udział objętościowy natomiast 0,21.

Równania spalania stechiometrycznego paliw stałych i ciekłych są następujące: -spalanie czystego węgla

C+O₂ = C0₂

-wodór spala się

H₂ +0,5 0₂= H₂0

-reakcja spalania siarki

S+O₂ = SO₂

Spalanie materiału palnego, w którym udział masowy czystego węgla wynosi C, zachodzi według równań stechiometrycznych:

C+O₂ = C0₂, C+ 0,5 O₂=CO i C+ 2H₂0= CH₄ + O₂.

Ilość materiału Gp (kg/h) spalonego w ognisku pożaru, w ciągu godziny można obliczyć ze wzoru:

Gp = 3600 Van/Vap

Proces spalania materiału palnego w ognisku pożaru charakteryzuje także współczynnik nadmiaru powietrzaλ, definiuje się jako stosunek rzeczywistej objętości powietrza doprowadzonego do spalania materiału palnego Vap do stechiometrycznej objętości powietrza Vstp

λ=Vap/Vstp

Wartość współczynnika nadmiaru powietrza zależy od warunków spalania oraz od stopnia rozdrobnienia spalanego materiału.

2.3.Prędkość rozprzestrzenia się pożaru

Wp (m/h) w wyrobisku górniczym zależy od rodzaju pożaru oraz od prędkości w m/s przepływu powietrza w tym wyrobisku. Jeśli prędkość powietrza w wyrobisku jest mała , to pożar rozprzestrzenia się pod prąd powietrza. Gdy prędkość ta wzrasta , wówczas pożar może się rozszerzyć z prądem powietrza. Przy dostatecznie dużych prędkościach powietrza pożar będzie się przemieszczał w wyrobisku górniczym tylko z prądem powietrza .

Prędkość rozprzestrzeniania się pożaru wskutek samozapalenia się węgla z prądem powietrza może być określona na podstawie:

wp = 1,2 (w – 0,5)

A pod prąd

wp = 0,95w² – 1,7w + 0,16

W przypadku pożaru powstałego z przyczyn zew prędkość tą z prądem i pod prąd określa się:

wp = 100 w - 0,1 / w + 0,8

Prędkość rozprzestrzeniania się frontu rozwiniętego pożaru, zwana prędkością rozprzestrzeniania się pożaru z prądem powietrza określa:

wp = Gp / Mp

Gp – ilość kg materiału spalonego w ciągu 1 h

Mp – obciążenie pożarowe wyrobiska

Dla zmniejszenia prędkości rozprzestrzeniania się pożaru konieczne jest ograniczenie prędkości powietrza płynącego do ogniska pożaru.

2.4. Bilans ciepła w ognisku pożarów

Strumień ciepła pożaru grzejący masyw skalny kJ/s

E_rd – str energii powietrza dopływającego do ogniska pożaru kJ/s

E_rw – str energii gazów pożarowych wypływających z ogniska pożaru

Q_z – str ciepła spalania całkowitego i zupełnego kJ/s

Q_nz – straty ciepła wskutek spalania całkowitego i niezupełnego w czasie 1s kJ/s

W praktyce kopalnianej różnica strumieni energii E_rd – E_rw może być pominięta, czyli:

Wt – ciepło spalania 1 kg materiału

Gp – ilość kg materiału spalonego w ciągu 1h

V_ap – obj suchego powietrza doprowadzonego do spalania materiału palnego

V_an – str obj powietrza suchego zawartego w str obj powietrza wilgotnego

Straty ciepła wskutek spalenia całkowitego i niezupełnego

W_ss – str obj suchych gazów pożarowych zredukowanych do warunków normalnych m³/s

W_t^*- ciepło spalania 1m³ mieszaniny CO , H , CH₄ występującego w gazach pożarowych.

2.5. Temp. ogniska pożaru, Temperatura gazów pożarowych

Jeśli spalanie zachodzi bez żadnych zakłóceń w przestrzeni odizolowanej, przy stałym ciśnieniu to bilans cieplny odniesiony do 1 kg paliwa określamy:

Wu = h₂ – h₁

h₂ – entalpia spalin

h₁ – suma entalpii materiału palnego

i powietrza doprowadzonego do spalania

Masa spalin jest równa sumie mas materiału palnego i powietrza doprowadzonego do spalania

Tsp – temp spalania

λ - wsp nadmiaru powietrza

To – temp powietrza doprowadzonego do miejsca spalania

Mp –teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg materiału palnego

Cp,Cp’,Cp”- średnia właściwa pojemność cieplna spalin, powietrza i materiału palnego

2.6. Stygnięcie masywu skalnego

Gaśnięcie pożaru cechuje się spadkiem ilości spalonego materiału w jednostce czasu oraz zmniejszeniem się sumy stężeń CO₂, CO i CH₄ , a wzrostem stężenia O₂ w gazach pożarowych.

Zakłada się , że obszar masywu skalnego wokół ogniska pożaru cechuje jednorodność i izotropowość, stałość temp pierwotnej górotworu i współczynnika wymiany ciepła oraz brak wew źródeł ciepła. Przyjmuje się także , że temp gazów pożarowych jest jednakowa w całym ognisku, a ciepło rozprzestrzenia się równolegle do osi x oraz prostopadle do płaszczyzny x=0. Zakłada się też, że podczas naturalnego stygnięcia tego obszaru nie występuje wymiana ciepła między masywem skalnym a gazami pożarowymi.

Gaśnięcie pożaru trwa krótko w porównaniu z czasem trwania rozwiniętego pożaru. Dlatego też czas τ_o liczony jest od chwili zaistnienia pożaru do chwili, w której strumień ciepła pożaru grzejący masyw skalny spadnie praktycznie do zera ( Q=0 ) można przyjąć, że warunek ten jest wówczas spełniony , gdy stężenie tlenu w gazach pożarowych pobranych z ogniska pożaru spadnie do 15 %.Z chwilą spełnienia tego warunku kończy się grzanie , a rozpoczyna naturalne stygnięcie masywu skalnego.

Czas , po upływie którego masyw skalny uzyska z góry określoną temp:

Tg – temp gazów pożarowych w ognisku pożaru

τ_o – czas liczony od chwili zaistnienia pożaru do chwili gdy stężenie tlenu w gazach pożarowych pobranych z ogniska pożaru spadło do 15%

T(τ) – temp masywu skalnego w sąsiedztwie ogniska pożaru

ϑ_s – temp pierwotna masywu skalnego