CC BY
27УДК 641.841 DOI 10.25257/FE.2020.2.23-32
КРУГЛОВ Евгений Юрьевич Кандидат технических наук Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
АСЕЕВА Роза Михайловна
Доктор химических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
СЕРКОВ Борис Борисович
Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
БЕСПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ ОБУГЛЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Проведён анализ возникновения и развития беспламенного горения кокса древесины сосны. Определены характеристики тепловыделения при пламенном и беспламенном горении древесины сосны при воздействии разных тепловых потоков и с источником поджига и без него. Представлены результаты линейной усадки и изменения плотности угля сосны в условиях динамического нагрева. Определён механизм и макрокинетические параметры термоокислительной деструкции образцов кокса, отобранных с обогреваемой поверхности угольного слоя и на глубине 20 мм от неё.
Ключевые слова: тлеющее горение, термическое поведение, макрокинетические параметры, пиролиз древесины, термогравиметрический анализ.
Беспламенное горение представляет собой физико-химический процесс гетерогенного горения, протекающий за счёт экзотермической окислительно-восстановительной реакции на межфазной поверхности твердого топлива [1]. Не только древесина, но и многие другие органические материалы и вещества обнаруживают в некоторых условиях склонность к беспламенному горению. Это хлопок, бумага, древесные опилки, уголь, торф, упавшая листва и другая растительная биомасса, пенополимеры карбонизующегося типа и проч. Для них характерны наличие пористой структуры, обеспечивающей значительную площадь поверхности для гетерогенного взаимодействия с воздухом, а также способность к карбонизации (обугливанию) при нагреве.
Пожарная опасность такого беспламенного замедленного, тлеющего горения органического топлива состоит в том, что для инициирования процесса достаточно низкокалорийных источников зажигания. Процесс носит скрытый характер, его трудно обнаружить, он может самопроизвольно перейти в пламенный. При этом сама реакция тления может служить как источником газообразного топлива, так и локального импульса его поджига, инициируя новые пожары. Тлеющее горение из-за реализации сравнительно невысокой максимальной температуры в зоне реакции и неполного сгорания топлива сопровождается образованием значительного количества дыма и токсичных газов, загрязняя окружающую среду и создавая угрозу для всего живого.
Древесина представляет собой природный композиционный материал с анизотропными свойствами. По сравнению с другими пористыми органическими материалами имеет относительно высокую объёмную плотность, обладает более низкой пористостью
© Круглов Е. Ю., Асеева Р. М., Серков Б. Б., 2020
и проницаемостью для кислорода воздуха и других газов. Пористость различных видов древесины колеблется в пределах 40-70 %. В сухом состоянии значительная часть пор закрыта. Проницаемость воздуха и других газов в продольном направлении к направлению волокон в древесине в десятки раз превышает проницаемость газов в поперечном. Проницаемость заболони древесины более чем на порядок превышает проницаемость её ядра. У заболони древесины сосны коэффициент газопроницаемости в радиальном направлении (поперек волокон) составляет 2,22 • 10-3-4,6 • 10-4 м2/с МПа [2].
В отличие от высокопористых органических топлив (например, кипы хлопка, груды древесных опилок и стружек), способных за счёт гетерогенной экзотермической реакции окисления самопроизвольно инициировать тлеющее горение и его самораспространение, древесина нуждается во внешнем нагреве для реализации беспламенного горения. Условия внешнего нагрева существенно влияют на параметры горения.
Анализ пожаров, связанных с воспламенением деревянных конструкций, через которые проходили трубы горячего водяного и парового отопления, выявил самую низкую пороговую температуру в 77 °С [3]. Эта температура соответствовала началу обугливания древесины в результате многолетнего контакта с горячими трубами, инициированию тлеющего горения и последующего возникновения пожара. Долговременный период низкотемпературного воздействия на древесину благоприятствует процессу карбонизации и образованию на её поверхности обугленного слоя с более развитой пористой структурой. Экспериментально установлен минимальный радиационный тепловой поток, инициирующий беспламенное горение
23
древесины: 4,3 кВт/м2 при нагреве свыше 5 ч. Температура поверхности при этом достигала 250 °С [4].
Несмотря на значительное число исследований условий возникновения, развития и затухания беспламенного горения древесины, а также твёрдых продуктов её переработки [5-9], многие вопросы этой проблемы до сих пор не решены. Это касается, прежде всего, экспериментального подтверждения теоретических версий процесса.
Чтобы разграничить условия осуществления беспламенного горения в результате самопроизвольных экзотермических гетерогенных реакций органического топлива или гетерогенного окисления образовавшегося при внешнем нагреве обугленного слоя, введены понятия smoldering (англ. «тлеющий») и glowing (англ. «пылающий»). Отмечено [3, 4], что эти процессы подобны, имеют гетерогенную природу, но не идентичны по механизму.
При пожаре лесов и деревянных сооружений обычно реализуется режим пламенного горения объектов при интенсивных тепловых потоках. Только после затухания пламенного горения становится возможным процесс гетерогенного беспламенного горения древесины [11, 12]. По результатам мониторинга в течение нескольких месяцев тлеющего горения обугленных деревьев разных пород (диаметр 1768 см) после тушения лесного пожара определены его скорость и факторы, влияющие на этот процесс [12]. Средняя скорость тления составляла 0,8-1,5 см/ч и 2,1 см/час на пределе перехода в пламенный режим. Более высокое содержание влаги приводило к замедлению скорости тления. Наблюдалась существенная интенсивность тления в сечении деревьев (в поперечном направлении на глубину до 10 см), но не в продольном направлении.
Настоящая работа посвящена исследованию особенностей беспламенного горения обугленных слоёв древесины, образующихся при воздействии теплового потока разной плотности и стандартного режима пожара, а также оценке параметров макрокинетики их термоокислительного разложения.
Объектом исследования служили образцы обугленных слоев древесины сосны, наиболее часто используемой в строительстве каркасных деревянных зданий и сооружений в качестве конструкционных и отделочных материалов. Для определения характеристик тепловыделения беспламенного горения применяли стандартный проточный кон-калориметр OSU марки HRR-3 фирмы Atlas (США). Образцы сосны размером 150x150x10 мм испытывали в вертикальном положении при плотности внешнего радиационного теплового потока 20-52 кВт/м2 в течение 9 мин. Параметры гетерогенного горения обугленного слоя сосны оценивали после окончания пламенного горения. С помощью термопар определяли динамику изменения температуры на обогреваемой и не обогреваемой поверхности образца. Лабораторная установка «Огневая печь» (кафедра пожарной безопасности в строительстве Академии ГПС МЧС
России) использована для получения образцов кокса после действия стандартного режима пожара в течение 24 мин. Для определения формоустойчивости и усадки полученных образцов кокса, а также визуального наблюдения за процессом их беспламенного горения по появлению свечения применяли муфельную печь с динамическим режимом нагрева. Механизм и параметры макрокинетики термоокислительного разложения обугленных слоёв древесины на разной глубине от обогреваемой поверхности определяли по результатам термического анализа, используя прибор МеШег-ТоМо, ТСД (080-1). Вес образцов составлял 3,5-8 мг, расход воздуха 50 мл/ мин, скорость нагрева 5, 10, 20 °0/мин.
Беспламенное гетерогенное горение древесины, как показывает опыт, зависит от длительности и интенсивности действия внешнего теплового потока, условий доступа кислорода к зоне реакции. В реальных условиях возможно возникновение и развитие тлеющего процесса самой древесины, переходящего в пламенное горение, а после его затухания - в гетерогенное горение обугленного слоя. Все эти режимы представляют пожарную опасность и заслуживают внимательного и глубокого изучения. В данной работе акцент сделан на рассмотрение беспламенного горения обугленных слоев.
На рисунке 1 (а, б) показано влияние плотности внешнего теплового потока на скорость тепловыделения (СТВ) при наличии и в отсутствие локального источника зажигания, а также изменение температуры на поверхности образца. Температуру в центре образца измеряли с помощью хромель-алюмелевых термопар.
С увеличением плотности теплового потока (де) снижается период до воспламенения (т ), возрастает максимальное значение скорости тепловыделения (СТВмакс) при пламенном и беспламенном горении древесины, а также общее тепловыделение за определённый период испытания (ОТВт). Заметно уменьшается протяжённость участка между двумя пиками на кривых скорости тепловыделения, связанного с балансом между эндотермическими реакциями пиролиза и экзотермическими процессами окисления в древесине, включая образующийся кокс. Появление устойчивого пламени на поверхности материалов соответствует превышению нижнего концентрационного предела воспламенения горючих летучих продуктов их разложения. Фактически это равноценно достижению критических значений массового потока горючих продуктов разложения и скорости тепловыделения [13-15].
Рассчитанная критическая скорость тепловыделения при возникновении стабильного диффузионного пламени на поверхности древесины в среднем равна 37 кВт/м2 [15]. Этот параметр является критерием воспламенения и не зависит от вида материала [13].
Как видно из рисунка 1, пиковая скорость тепловыделения при тлении образцов древесины намного превышает значение СТВ при пламенном
" макс "
ПоАГОювка к эксперименту
Конец эксперимента
Рисунок 1. Скорость тепловыделения при горении древесины (сосны) при воздействии разных тепловых потоков, д.:
а - 20 (3), 35 (2), 52 (1) кВт/м2 с пилотной горелкой; б - горение сосны при воздействии 35 кВт/м2, Г и 7\ -температура на обогреваемой и не обогреваемой стороне образца во время эксперимента; в - подготовка к эксперименту и горение образца во время него
горении, что согласуется с наблюдением больших лесных пожаров [11]. В отсутствие пилотной горелки появление свечения из-за обугливания поверхности древесины происходит при температуре 345 °С, активное выгорание кокса начинается при 490 °С, а температура, соответствующая пиковой скорости тепловыделения при беспламенном горении сосны, равна 605 °С.
В таблице сведены результаты анализа характеристик тепловыделения при пламенном и гетерогенном горении древесины сосны.
Значения эффективной теплоты сгорания древесины (Нф) получены по результатам общего тепловыделения и потери массы за весь период испытания. Они согласуются с данными [16]. Коэффициент
полноты сгорания растёт с увеличением плотности теплового потока от 0,72 до 0,84. Эффективная теплота сгорания кокса с учётом потери массы на участке беспламенного горения составляет 29,333,4 кДж/г. При низком тепловом потоке 20 кВт/м2 беспламенное горение обугленного слоя древесины вносит самый большой вклад в общее тепловыделение за время испытания.
Далее были проведены огневые испытания образца, представляющего элемент деревянного каркаса размером 22x143x300 мм, в температурном режиме стандартного пожара. Образец подвергался нагреву с торцевой стороны в поперечной ориентации к направлению волокон в древесине. В результате огневого испытания в течение 24 мин
Влияние условий теплового воздействия на характеристики тепловыделения при горении древесины сосны
кВт/м2 х. , с СТВ1с, кВт/м2 т1 г "макс, С отв^ кВт-мин/м2 ств^, кВт/м2 т2 г шах, С кВт-мин/м2 Я ф, кДж/г
20 20 98,2 40 128,6 159,4 354 633 14,09
35 10 129 20 180,3 223,5 290 713 14,09
35 (без горелки) 12 136 32 192 274 290 673 -
52 5 137 18 202 233,8 230 778 16,47
на поверхности образца сформировался угольный слой толщиной 22-25 мм. Из этого слоя отбирали образцы для изучения возникновения и развития беспламенного горения кокса, его формоустойчивости и усадки в ходе этого процесса, а также для определения параметров макрокинетики и механизма разложения кокса в атмосфере воздуха методами термического анализа.
Ранее [17] было установлено, что при воздействии стандартного режима пожара в течение 24 мин на древесину сосны в поперечной ориентации к направлению волокон образуется угольный слой, сохраняющий морфологию фибриллярной структуры исходной древесины. Средняя плотность кокса по сравнению с древесиной снизилась в 2,4 раза до 192 кг/м3, а пористость выросла с 69,6 до 90 %. Показана неоднородность структуры кокса по его толщине.
Поведение отобранных образцов угольного слоя при нагревании в печи до 700 °0 в неподвижной среде воздуха отличается от поведения кокса при определении характеристик тепловыделения. Сразу после окончания пламенного горения древесины при измерении характеристик тепловыделения кокс имеет повышенную температуру, скорость реакции окисления высока и режим беспламенного горения является полностью диффузионно-контролируемым. При нагревании отобранного образца кокса в печи его начальная температура 25 °0, доступ воздуха к поверхности пористого кокса не ограничен, а скорость окисления мала. Поэтому условия процесса беспламенного горения кокса сначала должны соответствовать режиму кинетически контролируемому.
Проведены два эксперимента по определению температуры и времени начала свечения, формоустойчивости и усадки кокса. В первом - образец кокса размером 25x17x13 мм с начальной массой 1,06 г, и плотностью 192 кг/м3 помещали в муфельную печь. Включали нагрев и через каждые 50 градусов фиксировали температуру, визуально и фотосъемкой - размеры и время появления и развития свечения кокса, означающее беспламенное горение. В процессе изменения формы и усадки образца периодически определяли дополнительно его текущий вес. Во втором - одновременно испытывали 5 образцов кокса, из них 3 - с близкими значениями по размерам и объёму: Ун = (3,21-3,65)-10-6 м3. Образцы № 1 и № 5 имели меньший объём в 1,6 раз и больший в 2,1 раза соответственно. Температуру в печи и время появления изменений в образцах фиксировали через каждые 100 градусов. Начиная с 300 °0, последовательно один за другим образцы вынимали из печи после повышения температуры на 100 °0, измеряли их размеры и вес.
В первом опыте никаких внешних изменений в образце не наблюдалось до 300 °0, однако вес уменьшался. При 350 °0 на 11-й минуте в верхнем углу появилось светящееся пятно размером около 1 мм2. При нагреве до 450 °0 свечение видно уже на всех гранях по всей высоте образца.
На верхней поверхности образца заметно появление золы серовато-белого цвета. При 500 °C на 14-й минуте тление охватывает весь образец, на поверхности и гранях - слой золы в 1 мм. При 600-650 °C весь образец покрыт слоем золы, под которым светящийся образец на 25-й минуте имеет пирамидальную форму с высотой 1 см и шириной основания 5 мм. К 700 °C высота пирамидки уменьшается в 5 раз. На рисунке 2 показано влияние нагрева на изменение плотности кокса и его усадку.
Второй эксперимент практически подтверждает результаты первого. Все образцы кокса при нагреве до 300 °C не обнаруживали каких-либо изменений формы и размеров. При этом плотность первого образца снизилась на 5 %. При 400 °C все оставшиеся образцы обнаруживали свечение по граням верхней части образцов. При этом у пятого образца кокса была самая большая площадь тлеющего светящегося участка. На 13-й минуте при достижении 500 °C весь объём кокса у всех образцов был полностью охвачен тлением и постепенно выгорал с повышением температуры.
Сохранение объёма образца кокса при нагреве до 350 °C при уменьшении плотности (рис. 2) означает увеличение его пористости (до 91,5 %). Таким образом, можно сделать вывод, что на раннем этапе беспламенного горения угольного слоя реакция протекает на внутренней поверхности пор. Параметром, характеризующим режим беспламенного гетерогенного горения угольного слоя и локализацию процесса, может служить второе число Дамкёллера (Da2), и модуль Тиля (Th) [10, 18]. Они представляют собой отношение скорости химической реакции к скорости диффузии реагента (кислорода воздуха) в зону реакции:
Da2 = Th = (1/ tr)/(1 / td) = (k • S,) / (D / L\),
где tr и td - характеристические время химической реакции и время диффузии реагента; k, S,, D и 1?0 -константа скорости реакции по закону Аррениуса, реакционная поверхность, коэффициент диффузии реагента и представительный размер (поры или образца) соответственно. При значениях Th < 1 скорость реакции медленная по сравнению со скоростью диффузии окислителя в зону реакции. В результате реакция протекает на внутренней поверхности пор без изменения объёма образца. При Th > 1 скорость гетерогенной реакции больше скорости диффузии кислорода. Поэтому реакция протекает на внешней поверхности пористого кокса, и мы наблюдаем регрессию, усадку образца в результате его выгорания.
Площадь внешней поверхности угольного слоя древесины и внутренней поверхности его пористой структуры значительно различаются. Установлено, что длительное естественное старение древесины сосны в процессе эксплуатации деревянных строительных конструкций приводит к изменению химического состава древесины, к частичной деструкции низкомолекулярных компонентов и целлюлозных волокон.
100 100 100 100 100 100
Рисунок 2. Влияние температуры нагрева на усадку (1) и изменение плотности (2) образца кокса, полученного после огневого воздействия по стандартному режиму пожара в течение 24 мин
Это, в свою очередь, увеличивает скорость обугливания древесины при пожаре, толщину угольного слоя, изменяет его плотность. Во много раз возрастает удельный объём и площадь внутренней поверхности пор, увеличивается способность к тлеющему горению [19]. При обработке древесины огнебиовлагозащит-ными составами, включающими фосфор- и кремний-содержащие соединения, получен устойчивый эффект защиты древесины от огня в результате роста выхода кокса с образованием мелкопористой структуры (средний диаметр пор 1,5-2,9 нм по сравнению с 19,6 нм у исходной древесины). На поверхности пор кокса обнаружены фосфор и кремний [20]. Фосфор-, кремний-, борсодержащие соединения способны не только увеличивать выход кокса, замедлять реакции горения, протекающие в газовой и конденсированной фазах. Они образуют на поверхности кокса защитные оксидные плёнки элементов, уменьшающие проницаемость угольного слоя (в несколько раз снижая константу Дарси), служат физическим барьером для процессов массопереноса окислителя и продуктов реакции [21, 22].
Для моделирования беспламенного (glowing) горения древесины важно знать механизм и реальные макрокинетические параметры разложения в окислительной среде угольного слоя, который образуется после пламенного горения. На рисунках 3, 4 показаны ТГ, ДТГ и ДСК кривые образцов кокса, образовавшегося в результате действия стандартного температурного режима пожара. Образцы отобраны с поверхности угольного слоя на обогреваемой стороне и на глубине 20 мм от неё.
Ранее [17] были представлены соответствующие кривые, полученные при нагреве со скоростью 20 град/мин.
Подтверждается неоднородность состояния угольного слоя по толщине со стороны огневого воздействия. Кокс на глубине 20 мм при очень небольшой потере массы до 300 °С при нагреве выше 200 °С обнаруживает заметный экзоэффект. Возможно в порах кокса вблизи фронта пиролиза древесины удерживается небольшое количество продуктов деструкции с высокой температурой кипения. Очевидна более высокая степень обуглероживания поверхностного слоя кокса по сравнению со слоем на глубине 20 мм (все кривые в первом случае сдвинуты в сторону высокой температуры). На всём протяжении процесс разложения кокса является экзотермическим, идёт с выделением тепла. С ростом скорости нагрева р от 5 до 20 °С/мин наблюдается увеличение соотношения энтальпий реакции разложения образцов кокса, отобранного на обогреваемой поверхности угольного слоя и на 20 мм глубине от неё (с 1,02 до 1,3). Налицо многостадийный характер кривых и перекрывание стадий по мере повышения температуры нагрева. Условия проведения термического анализа соответствуют режиму, контролируемому кинетикой (значения модуля Тиля и числа Био < 1). Число Био является критерием подобия теплообмена между нагреваемым твёрдым телом и окружающей средой. Представляет собой отношение скорости передачи тепла извне на поверхность тела к скорости переноса тепла в твёрдом теле теплопроводностью, X:
Bi = aL / X,
о ' '
где а- коэффициент теплопередачи; Lo - представительный размер образца.
В рассматриваемом случае стадийного характера разложения кокса полагаем, что происходит
Рисунок 3. ТП ДТГ и ДСК кривые разложения на воздухе образцов кокса при нагреве со скоростью 5 °С/мин: а - с обогреваемой поверхности; б - на глубине 20 мм
Для обогреваемой поверхности угольного слоя параметры макрокинетики окислительного разложения кокса на первой стадии соответствуют £эфф = 236,4 кДж/моль nig А = 17,2071 мин-1, а на второй - £фф = 284,2 кДж /моль и lg А = 20,1820 миг1. Первая стадия разложения образцов кокса, отобранных на глубине 20 мм, характеризуется значениями £эфф = 218,5 кДж / моль и lg А = 15,7629 миг1.
Интересно отметить, что полученные значения макрокинетических параметров образцов кокса, отобранных с обогреваемой поверхности угольного слоя при действии стандартного пожара, в среднем близки к параметрам окисления угольных остатков древесины сосны после пиролиза и нагрева до 750 °С при термическом анализе [17]. Достаточно сравнить £фф = (236,4 + 284,2) / 2 = 260,3 кДж/моль и 259,7 кДж/моль [17]. Такое совпадение не случайно. При пожаре и пламенном горении образование угольного слоя на поверхности горящего материала происходит именно в результате его пиролиза.
последовательное участие макро- и затем микропор кокса в реакции углерода с кислородом воздуха.
Расчёт макрокинетических параметров и определение механизма окислительного разложения образцов кокса проведён по процедуре, описанной ранее [17]. Установлено, что все стадии процесса подчиняются механизму диффузии 03 в сферической геометрии. Эффективные энергии активации разложения стадий, выделенных по методу гауссиан, рассчитаны по Киссинджеру в координатах1п(р / Т^) -1 / Гтах. Соответственно, предэкспонент в уравнении Аррениу-са рассчитан по формуле:
1§А = 1ё[ё(а)/Тга2ах] +
+ 1§Р(£ + 2/?и//? + (£//?Гтах )18е
гдeg(a)= [1 -(1 -а)1/3]2 представляет интегрированную функцию степени превращения а по механизму ОЗ.
°г
мВт/мг
20 -
ДОК/DSC
Рисунок 4. ТП ДТГ и ДСК кривые разложения на воздухе образцов кокса при нагреве со скоростью 10 °С/мин: а - с обогреваемой поверхности; б - на глубине 20 мм
При стандартном пожаре в течение 24 мин температура в огневой печи достигает 800 °С. Таким образом, по фактуре образцы кокса древесины сосны, используемые в термическом анализе в среде воздуха, действительно близки.
Не случайно и другое наблюдаемое совпадение - температуры начала беспламенного горения обугленного слоя (345 °С) при проведении испытаний по тепловыделению древесины сосны без локального источника зажигания (рис. 1,6) и небольших образцов кокса (350 °С) при нагреве в динамических условиях. В обоих случаях появление свечения характеризует переход к режиму, полностью контролируемому диффузией кислорода в зону реакции.
Итак, в статье определены характеристики тепловыделения при пламенном и беспламенном горении древесины сосны с помощью стандартного проточного кон-калориметра OSU модели HHR-3 фирмы Atlas (США) при действии радиационного теплового потока 20, 35 и 52 кВт/м2.
Показано, что с уменьшением плотности теплового потока с 52 до 20 кВт/м2 возрастает вклад беспламенного гетерогенного горения в общее тепловыделение за время испытания. Рассчитанная эффективная теплота сгорания кокса с учётом потери массы на участке беспламенного горения составляет 29-33,4 кДж/г. При 35 кВт/м2 без пилотной горелки температура, соответствующая пиковой скорости тепловыделения гетерогенного горения кокса, равна 605 °С. Прослежена картина возникновения и развития беспламенного горения при нагревании в динамическом режиме образцов кокса, который был образован при огневом действии стандартного пожара на древесину сосны в течение 24 мин. Средняя плотность кокса - 192 кг/м3, пористость - 90 %. Появление свечения кокса в результате гетерогенной реакции окисления при 350 °С характеризует переход от режима, лимитируемого кинетикой, к режиму, контролируемому диффузией кислорода, в зону реакции. Показана неоднородность угольного слоя
по глубине от обогреваемой поверхности. Она подтверждена результатами термического анализа и рассчитанными параметрами макрокинетики
разложения на воздухе образцов кокса, отобранных с обогреваемой поверхности угольного слоя и на глубине 20 мм от неё.
ЛИТЕРАТУРА
1. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2 изд. М.: Наука, 1967, 484 с.
2. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. 3-е изд. М.: Моск. гос. ун-т леса, 2001, 340 с.
3. Babrauskas V. Pyrophoric carbon and long-term, low temperature ignition of wood // Fire and Arson Investigation, 2001, vol. 51, № 2, pp. 12-14.
4. Babrauskas V. Ignition of wood: A review of the state of the art // Proceedings of the conference of Interflam 2001, Interscience communication Ltd., London, pp. 71-88.
5. Ohlemiller T. J. Smoldering Combustion Propagated on Solid Wood // Proceedings of the Third International Symposium on Fire Safety Science, 1991, N.Y., Elsevier, pp.565-574
6. Boonmee N, QuintiereJ. G. Glowing and autoignition of wood // Proceedings of the Combustion Institute, 2002, vol. 29, p. 289-296.
7. Costa F. S., Sandberg D. Mathematical model of a smoldering log // Combustion and Flame 2004, vol. 139, p. 227-238.
8. Boonmee N., Quintiere J. G. Glowing ignition of wood: the onset of of surface combustion // Proceedings of Combustion Institute 2005, vol. 30, pp. 2303-2310.
9. Guindos P., Patel A, Kolb T. Characterization and modeling of self-sustaining smoldering of wood industrial products // Clem + Cimad 2017, 17-19 May, Unnoba, Buenos Aires, Argentina, T6-01.pdf.
10. Calgano A, Di Blasi C, Ritondale S, Todisco A. Numerical simulation of the glowing combustion of moist wood by means of a front-based model // Fire and Materials 2014, vol. 38, pp. 639-658.
11. Ohlemiller T, Corley D. Heat Release Rate and Induced Wind Field in a Large Scale Fire // Combustion Sci. and Tech. 1994, vol. 97, pp. 315-330.
12. Rabelo R. C, Gveras C, Carvalho J., Alvarado E., Log smoldering after Amazonian deforestation fire // Atmospheric Environment 2004, vol. 38 (2) pp. 203-211.
13. Lyon R. E, Quintiere J. G. Criteria for Piloted Ignition of Combustible Solids // Combustion and Flame 2007, vol.151, pp. 551-559.
14. StaggsJ. E. J. Ignition of char-forming polymers at a critical mass flux //Polymer Degradation and Stability, 2001, vol. 74, pp. 433-439.
15. Aseeva R, Serkov B., Sivenkov A. Fire Behavior and Fire Protection in Timber Buildings. N.Y., London, Springer, 2014, 290 p.
16. Tran H. C, WhiteR. H. Burning Rate of Solid Wood Measured in a Heat Release Rate Calorimeter // Fire and Materials, 1992, vol. 16, pp. 197-206.
17. Круглое Е. Ю., Асеева Р. М. Беспламенное горение древесины: параметры макрокинетики пиролиза и термоокислительного разложения // Пожаровзрывобезопасность. 2020. № 29 (1) С. 43-54. D0I:10.18322/pvb.2020.29.01.43-54
18. Peters B., Dzingys A, Navakas R. A shrinking model for combustion/gasification of char based on transport and reaction scales // Mechanica, 2012, vol.18 (2), pp. 177-185.
19. Макишев Ж. К. Огнестойкость деревянных конструкций длительного срока эксплуатации: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.26.03 / Макишев Жандос Куандыкович. М.: Академия ГПС МЧС России, 2016, 23 с.
20. Кобелев А. А. Разработка комплексного огнебиозащитно-го состава на основе соединений, обеспечивающих поверхностную модификацию древесины: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.26.03 / Кобелев Артём Александрович. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012, 19 с.
21. Putzeys O. M, Fernandez-Pello A. C., Rein G., Urban D. L. The piloted transition to flaming in smoldering fire retarded and non-retarded polyurethane foam // Fire and Materials, 2008, vol. 32, pp. 485-499.
22. Шаповалова Л. Н., Жубанов Т. Б. О роли фосфор-, бор-содержащих соединений в огнезащитных покрытиях // Внедрение научно-исследовательских и производственно-технических работ по химии и хим. технологии // Тезисы докладов научно-практ. конф. Караганда, 1985. С. 141.
Материал поступил в редакцию 21 мая 2020 года.
Boris SERKOV
Grand Doctor in Engineering, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Roza ASEEVA
Grand Doctor in Chemical, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Evgeni KRUGLOV PhD in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
FLAMELESS COMBUSTION OF CHARRED WOOD
ABSTRACT
Purpose. The fire hazard of organic materials smoldering burning is that low-calorie ignition sources are enough to initiate the combustion, the process is concealed, which makes it difficult to detect, and combustion can spontaneously turn into a flaming one.
The work is concerned with studying characteristics of charred wood layers flameless combustion formed under the impact of a heat current of different densities and standard fire mode, as well as the assessment of the macrokinetics of their thermal oxidative decomposition.
Methods. To determine heat release characteristics of flameless combustion, a standard OSU flow-through cone calorimeter HRR-3 made by Atlas (USA) has been used.
To determine dimensional stability of the obtained coke samples, a muffle furnace has been used.
The mechanism and macrokinetic parameters of charred wood layers thermal oxidative decomposition have been determined by thermal analysis using a Mettler-Toledo device, TGA (DSC-1).
To obtain coke samples after a standard fire mode lasting for 24 minutes a laboratory unit "Fired Furnace" has been used.
Findings. The pattern of origin and development of flameless combustion during coke samples heating in a dynamic mode is traced. Coke glow resulting from heterogenetic oxidation reaction at 350 °C characterizes the transition from a kinetics-limited mode to a mode controlled by the diffusion of oxygen into the reaction zone. The mechanism and macrokinetic parameters of coke samples oxidative decomposition are determined.
Research application field. The research results can be used as main parameters in modeling smoldering (flameless) wood burning in buildings.
Conclusions. The results of the study have shown that flameless burning can be formed discreetly under different conditions and turn into flaming burning and back, creating significant danger to people's lives. For its detailed study, a methodology is used in the paper, allowing efficient analysis of this process pattern.
Key words: smoldering combustion, thermal behavior, macrokinetic parameters, wood pyrolysis, thermal gravimetric analysis.
REFERENCES
1. Frank-Kamenetskii D.A. Diffuziia i teploperedacha v khimicheskoikinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ. 1967, 484 p.
2. Ugolev B.N. Drevesinovedenie s osnovami lesnogo tovarovedeniia [Wood Science with the basics of forest commodity science]. Moscow, Moscow State University of Forestry Publ., 2001, 340 p.
3. Babrauskas V. Pyrophoric carbon and long-term, low temperature ignition of wood. Fire and Arson Investigation, 2001, vol. 51, no 2, pp. 12-14.
4. Babrauskas V. Ignition of wood: A review of the state of the art. Proceedings of the conference of Interflam, 2001, Interscience communication Ltd., London, pp. 71-88.
5. Ohlemiller T.J. Smoldering Combustion Propagated on Solid Wood. Proceedings of the Third International Symposium on Fire Safety Science, 1991, N.Y., Elsevier, pp.565-574.
6. Boonmee N., Quintiere J.G., Glowing and autoignition of wood. Proceedings of the Combustion Institute, 2002, vol. 29, pp. 289-296.
7. Costa F.S., Sandberg D. Mathematical model of a smoldering log. Combustion and Flame, 2004, vol. 139, pp. 227-238.
8. Boonmee N., Quintiere J.G. Glowing ignition of wood: the onset of of surface combustion. Proceedings of Combustion Institute, 2005, vol. 30, pp. 2303-2310.
9. Guindos P., Patel A., Kolb T. Characterization and modeling of self-sustaining smoldering of wood industrial products. Clem + Cimad 2017, 17-19 May, UNNOBA, Buenos Aires, Argentina, T6-01.pdf.
10. Calgano A., Di Blasi C., Ritondale S., Todisco A. Numerical simulation of the glowing combustion of moist wood by means of a front-based model. Fire and Materials, 2014, vol. 38, pp. 639-658.
11. Ohlemiller T., Corley D. Heat Release Rate and Induced Wind Field in a Large Scale Fire. Combustion Sci. and Tech. 1994, vol 97, pp. 315-330.
12. Rabelo R.C., Gveras C., Carvalho J., Alvarado E., Log smoldering after Amazonian deforestation fire. Atmospheric Environment. 2004, vol. 38 (2), pp. 203-211.
13. Lyon R.E., Quintiere J.G. Criteria for Piloted Ignition of Combustible Solids. Combustion and Flame, 2007, vol.151, pp. 551-559.
14. Staggs J.E.J. Ignition of char-forming polymers at a critical mass flux. Polymer Degradation and Stability. 2001, vol. 74, pp. 433-439.
15. Aseeva R., Serkov B., Sivenkov A. Fire Behavior and Fire Protection in Timber Buildings. N.Y., London, Springer. 2014, 290 p.
16. Tran H.C., White R.H. Burning Rate of Solid Wood Measured in a Heat Release Rate Calorimeter. Fire and Materials, 1992, vol. 16, pp. 197-206.
© Kruglov E., Aseeva R., Serkov B., 2020
31
17. Kruglov E.Y., Aseeva R.M. Flameless burning of wood: parameters of macrokinetics of pyrolysis and thermo-oxidative decomposition. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2020, no. 29 (1), pp. 43-54. (in Russ.). DC>I:10.18322/PVB.2020.29.01.43-54
18. Peters B., Dzingys A., Navakas R. A shrinking model for combustion/gasification of char based on transport and reaction scales. Mechanica, 2012, vol.18 (2) , pp. 177-185.
19. Makishev Zh.K. Ognestoikost' dereviannykh konstruktsii dlitelnogo sroka ekspluatatsii [Fire resistance of wooden structures with a long service life: Abstract of PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy of EMERCCM of Russia Publ., 2016, 23 p.
20. Kobelev AA. Razrabotka kompleksnogo ognebiozashchitnogo sostava na osnove soedinenii, obespechivaiushchikh poverkhnostnuiu
modifikatsiiu drevesiny [Development of a complex fire-protective composition based on compounds that provide surface modification of wood: Abstract of PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2012, 19 p.
21. Putzeys O.M., Fernandez-Pello A.C., Rein G., Urban D.L. The piloted transition to flaming in smoldering fire retarded and non-retarded polyurethane foam. Fire and Materials, 2008, vol. 32, pp. 485-499.
22. Shapovalova L.N., Zhubanov T.B. About the role of phosphorus-and boron-containing compounds in fire-resistant coatings. Vnedrenie nauchno-issledovatelskikh i proizvodstvenno-tekhnicheskikh rabot po khimii i khim. tekhnologii. Tez. dokl. resp. nauchno-prakt. Konf [Introduction of research and production and technical works on chemistry and chemical technology. Proceed. of scientific-practical conf.]. Karaganda, 1985, pp. 141.
