Теория горения и взрыв

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

М.Н. ШАПРОВ

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Учебное пособие

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2016

УДК 614.8
ББК 24.54
Ш-24

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Технический сервис и 
ТКМ» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет» Б.П. Загородских; доктор технических наук, профессор кафедры «Процессы и машины в АПК» ФГБОУ ВПО «Волгоградский 
государственный аграрный университет» В.Г. Абезин

Шапров, Михаил Николаевич

Ш-24
Теория горения и взрыва: учебное пособие / М.Н. Шап
ров. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2016. – 92 с.

В учебном пособии рассмотрены процессы, возникающие при 

горении и взрыве. Представлены теоретические расчеты материального и теплового балансов, температурных параметров горения горючих 
веществ. Дана характеристика взрыву, расчеты его основных параметров, а также оценка возможных последствий взрыва. 

Для студентов, обучающихся по направлению «Техносферная 

безопасность».

УДК 614.8
ББК 24.54

© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ,

2016

© Шапров М.Н., 2016

В В Е Д Е Н И Е

Горением называется физико-химический процесс, при кото
ром горючие вещества под воздействием высоких температур 
вступают в химическое взаимодействие с окислителем, превращаясь в продукты горения.

Горение сопровождается интенсивным выделением теплоты и 

световым излучением.

По этим признакам горение можно отличить от других явлений. 

Например, горение электрической лампочки нельзя назвать горением, 
хотя при этом выделяется теплота и излучается свет. В этом явлении 
нет одного из главных признаков горения – химической реакции, приводящей к выделению огромного количества теплоты с последующим 
образованием пламени.

Для возникновения, развития и распространения процесса горе
ния и его длительного существования необходимо выполнение следующих условий, без которых процесс невозможен:

а) наличие горючей смеси, т. е. определенное сочетание горю
чего вещества с окислителем (обычно кислородом воздуха);

б) инициация реакции между горючим веществом и окисли
телем, условиями которой являются:

- нагревание горючей смеси до температуры самовоспламенения 

или самовозгорания;

- воздействие внешнего источника зажигания (ИЗ).
При возникновении горения в случае нагревания горючей смеси

до температуры самовоспламенения или самовозгорания процесс горения осуществляется в режиме самовоспламенения (самовозгорания). При возникновении горения от источника зажигания происходит вынужденное воспламенение или вынужденное зажигание горючей смеси.

1 УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРЕНИЯ

1.1 ГОРЮЧЕЕ ВЕЩЕСТВО

Горючее вещество – это вещество, способное к горению. 
Два вида: органические и неорганические. 
В чистом виде органические встречаются редко, часто в них со
держатся неорганические включения.

Горючие вещества характеризуются горючестью.
Горючесть – это способность вещества или материала к распро
странению пламенного горения или тления.

Горючесть веществ зависит от физико-химических свойств, аг
регатного состояния, особенностей загорания и горения.

По горючести вещества или материалы подразделяются на три 

группы:

- негорючие (несгораемые);
- трудногорючие (трудносгораемые);
- горючие (сгораемые).
Негорючие вещества не могут гореть на воздухе (металлы, их 

сплавы, керамические материалы и др.).

Рисунок 1 – Классификация горючих веществ и материалов

Трудногорючие вещества и материалы могут загораться на воз
духе от источника зажигания, но не способны самостоятельно гореть 
после его удаления. К таким веществам относятся полихлорвиниловая 
плитка, фенолформальдегидный стеклопластик, древесина, подвергнутая поверхностной огнезащитной обработке и др.

органические
неорганические

Растительного и 
животного происхождения: древесина, хлопок, масла, жиры, смолы и 

т. д.

Ископаемые и 

их производные: 
Угли, нефть, газ, 
нефтепродукты, 
синтетические 
полимеры и т. д.

Металлы и их 

производные: щелочные, щелочноземельные и др. 

металлы

Горючие вещества и материалы

Горючие вещества и материалы способны самовозгораться или 

возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после 
его удаления (древесина, торф, уголь, нефтепродукты, органические 
химические вещества и пр.).

Горючие вещества представляют собой сложные химические 

соединения. Элементный химический состав горючего вещества 
включает углерод (С), водород (Н), серу (S), а также кислород (О), 
азот (N). Кроме того, в смеси горючих веществ (например, в нефти, 
мазуте и др.) могут присутствовать минеральные примеси, превращающиеся при сжигании в золу (А) и влагу (W).

Горючая смесь сложного состава, используемая для сжигания 

с целью получения теплоты, называется топливом.

В общем виде элементный химический состав топлив может 

быть представлен следующим образом:

СР+ HP+ OP+ NP+ SР+ АР + WP= 100 %,

где индекс «р» означает рабочую массу топлива (%), поступающего 
к потребителю. Например, рабочая масса древесины имеет состав: 
49 % С, 6 % Н, 43 % О и 2 % других примесей, включая влагу.

Важное значение имеет содержание в составе топлив золы (А) и 

влаги (W), так как эти составляющие определяют качество и теплотехнические характеристики топлив. 

Для сравнительной теплотехнической оценки топлив ввели ус
ловные понятия сухой, горючей и органической масс топлив. Содержание сухой, горючей, органической масс выражается в процентах 
(%) и обозначается соответственно индексами «с», «г», «о» вместо рабочей массы «р».

Сухое горючее вещество не содержит влаги, и такое топливо на
зывается обезвоженным. Элементный состав сухого горючего топлива записывается с индексом «с» следующим выражением:

Сс + Hc + Ос + Nc+ Sc+ Ас = 100 %.

Топливо, которое содержит влагу либо приобретает влагу при 

хранении, транспортировке, называется воздушно-сухим, и состав такого топлива записывается с индексом «а»:

Са + На + Оа + Na+ Sa+ Аа + Wa= 100 %.

Безводная и беззольная масса топлив называется горючей, и со
став ее отмечается индексом «г»:

Сг + Нг + Or+ Nr+ Sr= 100 %.

Топлива с органической массой – это особый вид топлив, в ко
торых присутствует сера в виде органических соединений и отсутствует сера в неорганической форме (например, нет примесей серного 
колчедана). Уравнение таких топлив записываются с индексом «о», 
указывающим на органическую массу:

С0 + Н0 + 0° + N° + S0= 100 %.

Расчет содержания в топливе сухой, горючей, органической или 

воздушно-сухой массы определяет качество топлива и его горючесть, 
т. е. способность вещества или материала к распространению пламенного горения или тления. 

1.2 ОКИСЛИТЕЛИ

Горение – сложный химический процесс, состоящий из окисли
тельно-восстановительных химических реакций. 

Окислители – это вещества, атомы которых в химических пре
вращениях принимают электроны. В качестве окислителей могут выступать кислород (или воздух), но и галогены: хлор, бром, сера, а также марганцовокислый калий, различные перекиси и другие кислородосодержащие вещества. Однако на практике чаще всего горение протекает в атмосфере воздуха.

Воздух представляет собой смесь газов, основными компонен
тами которого являются: азот – 78,084 %; кислород – 20,948 %, аргон – 0,934 %. 

В незначительных количествах присутствуют неон, гелий, крип
тон, аммиак, диоксиды углерода и серы и др. Аргон, содержащийся 
в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не 
принимает. Азот также не участвует в химическом взаимодействии 
с горючим веществом. Однако азот оказывает существенное влияние 
на скорость протекания процесса горения. Присутствие азота следует 
учитывать, так как он участвует во многих физических процессах, сопровождающих горение: участвует в диффузии воздуха в горючее вещество; выступает в качестве инертного разбавителя горючего и 
окислителя (кислорода); влияет на скорость нагревания и скорость горения горючей смеси.

В уравнениях реакции горения вещества в воздухе учитывают 

присутствие азота следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишутся в левой части уравнения, а после 
знака равенства – образующиеся продукты реакции. 

Для простоты расчетов принимаем, что воздух состоит из 21 %

кислорода и 79 % азота с другими инертными газами, т. е. на один 
объем кислорода приходится 79 : 21 = 3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. 

Таким образом, состав воздуха может быть представлен сле
дующим выражением: 02 + 3,76N2.

Исходя из этого выражения, уравнение горения природного газа 

с учетом коэффициентов перед формулами будет иметь следующий 
вид:

СН4 + 202 + 2 • 3,76 N2= С02 + 2Н20 + 2 • 3,76 N2.

Кроме продуктов сгорания: углекислого газа и воды, остается 

3,76 молекулы азота. Азот воздуха в процессе горения участия не 
принимает, он целиком переходит в продукты сгорания.

1.3 ИСТОЧНИКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ (ЗАЖИГАНИЯ)

Для возникновения горения горючее вещество и окислитель 

должны быть нагреты до определенной температуры источником теплоты, источником воспламенения или зажигания.

Источник зажигания (воспламенения) – это любой источник те
плоты, способный нагреть горючее вещество до определенной температуры (температуры воспламенения или самовоспламенения).

Наиболее распространенными источниками зажигания являются:
- пламя;
- искры различного происхождения: появляющиеся при неис
правности электрооборудования; при соударении металлических тел, 
при сварке, кузнечных работах и т. д.; 

- нагретые тела;
- теплота, возникающая в результате трения;
- аппараты огневого действия;
- искровые заряды статического электричества;
- теплота адиабатического сжатия;
-перегрев электрических контактов;
- химические реакции, протекающие с выделением теплоты;
- и др.

2 ВИДЫ ГОРЕНИЯ

2.1 СТАДИИ ГОРЕНИЯ

Процесс горения – это многоступенчатый процесс, состоящий 

из стадий, представленных на схеме (рис. 2). Холодная горючая среда 
при появлении теплового импульса (источника зажигания) разогревается, происходит ее окисление с выделением теплоты (экзотермическая реакция). Выделившаяся теплота разогревает соседние слои горючего вещества, в котором за счет этого также протекает химическая 
реакция горения. 

Рисунок 2 – Схема процесса горения

Начальная стадия – вспышка. Это процесс неустойчивого, бы
стро прекращающегося горения.

Начальная стадия горения – воспламенение, которое приводит 

к резкому ускорению химической реакции (горение становится устойчивым).

В зоне горения за счет повышения температуры горючее веще
ство испаряется или разлагается (деструкция) и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов, которые поступают в зону горения, сопровождающееся образованием пламени.

Пламя – это зона где протекают все физико-химические про
цессы. Наиболее высокотемпературная часть пламени, где идут реакции, называется фронтом пламени.

В процессе горения образуются нагретые до высокой темпера
туры летучие продукты горения. Состав продуктов сгорания зависит 
от состава горючего вещества и условий протекания горения.

Горение может быть полным и неполным.
Полное горение: в зону горения окислительная среда поступает 

в количестве, достаточном для полного окисления компонентов горючего вещества. При полном сгорании веществ образуются продукты, 
не способные к дальнейшему горению: диоксид углерода, вода, азот, 
сернистый ангидрид.

Если в зону горения поступает воздуха больше, чем требуется 

по стехиометрии реакции, в состав продуктов сгорания будет входить 
и избыток кислорода. Полное сгорание на практике происходит при 
избытке кислорода.

Неполное сгорание: в зону горения поступает воздуха меньше, 

чем требуется по стехиометрии реакции горения, или когда горение 
осуществляется при низкой температуре, кроме продуктов полного 
сгорания, образуются продукты неполного сгорания, которые способны к дальнейшему горению (оксид углерода (угарный газ), сажа, продукты термоокислительной деструкции спиртов и других органических соединений).

Состав продуктов термоокислительной деструкции зависит от 

природы горючего вещества, температуры и условий взаимодействия 
горючей смеси с окислителем. Если в состав горючего вещества входят С, Н, О, Cl, N, то ими являются углеводороды, диоксиды, (хлорсодержащие органические соединения), синильная кислота, спирты, 
альдегиды, кислоты, оксиды азота и т. п. При сгорании древесины, 
например, образуется более 20 компонентов продуктов сгорания, 
а при сгорании поливинилхлорида (полимер ПВХ) образуется более 
75 различных компонентов.

Если сгорают неорганические вещества, в составе которых есть 

Р, Na, К, Са, А1, Mg, то продуктами сгорания будут оксиды этих веществ, находящиеся в твердом состоянии: Р2О5, Na20, К2О, СаО, MgO, 
AI2O3. Эти продукты сгорания находятся в воздухе в дисперсном состоянии в виде плотного дыма. Дым представляет собой дисперсную 
систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных 
в смесях продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 10-4 до 10-6 см (от 1 до 0,01 мк). Объем дыма (м3), образующегося при горении единицы массы (кг) или объема (м3), горючего вещества, приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Объем дыма при сгорании

Горючее вещество
Объем дыма

м3/кг
м3/м3

Бензин
12,59

Бумага
4,21

Древесина (сосна)
4,4

Бутан
33,44

Метан
10,52

Пропан
25,80

Природный газ
10,40

2.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Основными характеристиками, определяющими вид процесса 

горения, являются:

а) механизм распространения зоны химической реакции:
- дефлаграционное горение;
- детонационное горение.
б) режимы горения:
- гомогенное горение;
- гетерогенное горение.
в) кинетические параметры режима горения:
- кинетическое горение;
- диффузионное горение.
д) газодинамические параметры режима горения:
- ламинарное горение;
- турбулентное горение.
Дефлаграция – это процесс горения, при сравнительно медлен
ном распространении зоны химической реакции со скоростью движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с (max 300 м/с).

Детонация – это горение, при котором распространение зоны 

химической реакции протекает со скоростью ударной волны, от нескольких сот до десятков тысяч метров в секунду.

Режимы горения зависит от агрегатного состояния горючего 

вещества и окислителя.

Гомогенное горение – когда оба компонента находятся в одной 

фазе (в одинаковом агрегатном состоянии). В зависимости от однородности смеси может быть кинетическим или диффузионным. (Однородной смесью называется предварительно перемешенная смесь 
горючего с окислителем). Схематично гомогенное горение представлено на рисунке 3. Гомогенным горением является горение паров, 
поднимающихся со свободной поверхности жидкости.