Разработка нового подхода к исследованию теплофизических и термокинетических характеристик лесных горючих материалов

Основной научно–технической проблемой является отсутствие информационной базы достоверных данных теплофизических и термокинетических характеристик лесных горючих материалов (термическое разложение и окисление). Следует отметить, что большое количество научных исследований посвящены изучению кинетики пиролиза лесных горючих материалов лесов (ЛГМ) Средиземноморья и западных районов Европы. Однако ограниченное количество работ направлены на исследования химии горения и кинетики разложения горючих материалов Сибири и Дальнего Востока. Актуальность научной проблемы объясняется важной ролью этих параметров для разработки эффективных методов тушения бореальной зоны. Высокая пожарная опасность характерна для огромных лесных массивов на территории Дальневосточного, Сибирского и Уральского федеральных округов, на которые приходится около 95% всей пройденной огнем площади и до 50% общего числа очагов горения (Атлас риска пожаров на территории Российской Федерации – Москва: ООО «Издательско-продюсерский центр» «Дизайн. Информация. Картография», 2010. – 639 с). В ряде субъектов РФ, расположенных на территории Сибирского и Дальневосточного федеральных округов в 2015 году зафиксирована сложная лесопожарная обстановка, носившая чрезвычайный характер. При этом на Республику Бурятия, Республику Тыва, Забайкальский край, Амурскую область и Иркутскую область пришлось 94 % всей пройденной огнем площади. Наибольшее количество крупных лесных пожаров пришлось на Сибирский федеральный округ, их доля составила 89 % (Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий РФ от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2015 году.– М.: МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2016). Важной составляющей при распространении стихийных пожаров являются не только физические аспекты процесса, связанные с тепломассопереносом и радиационной составляющей, но и химия процесса горения, а также кинетика разложения лесных горючих материалов. Таким образом, исследование химических аспектов термического разложения горючих материалов является важной научной задачей. Целесообразно проведение исследований по определению теплофизических и термокинетических характеристик широкой группы лесных горючих материалов и создание прогностических моделей, которые позволили бы не только повысить эффективность существующих методов тушения, но и послужили основой для разработки новых подходов для предотвращения таких стихийных бедствий. Развитие и распространение возгорания бореальной зоны зависит от свойств и особенностей горючих материалов. Перспективные направления тушения низовых и степных пожаров, как правило, основаны на применении водяного пара или смеси пара и распыленной воды. Полная ликвидация очага горения в условиях типичного лесного пожара возможна только при прекращении реакции термического разложения в приповерхностных слоях лесных горючих материалов. Состав материалов сложный (содержит гемицеллюлозы, целлюлозу, лигнин и другие компоненты), как правило, он определяет разнообразие кинетических процессов, происходящих в лесных горючих материалах при разложении. В связи с этим возникает необходимость исследования процессов термического разложения горючих компонент лесной подстилки в условиях сопоставимых реальным при распространении возгорания на большие площади. Изучение процесса прекращения реакции пиролиза лесных горючих материалов, как метода борьбы с пожарами, способствует активному развитию аэрозольных технологий со специфическими названиями «водяной туман», «тонкораспыленная вода» и «паровая завеса». В настоящее время основным способом тушения возгораний бореальной зоны, занимающих большие площади, является локальный сброс массивов воды из специальных емкостей самолетов или вертолетов. При этом, как правило, жидкость сбрасывается в зону горения в виде «снарядов» с максимально возможной для воздушного судна массой (до нескольких тонн). К настоящему времени при тушении крупных лесных пожаров особое внимание традиционно уделяется процессам химического реагирования в прогретых слоях термически разлагающихся лесных горючих материалов. Особый интерес представляют условия прекращения реакции пиролиза типичных лесных горючих материалов при воздействии на их приповерхностные слои водой. Механизм прекращения реакции разложения может существенно измениться при прохождении воды в поры ЛГМ или растекании жидкости по его поверхности. Определение термокинетических характеристик ЛГМ обусловлено рядом трудностей, в первую очередь подготовкой исследуемых образцов. Структура лесного опада неоднородна, напрямую зависит не только от характеристик бореальной зоны, но и от внешних условий (ветер, температура окружающего воздуха). Также повышение или понижение температуры в приповерхностном слое термически разлагающегося ЛГМ приводит к изменению скорости протекания химических реакций. Температурный коэффициент реакции разложения зависит как от энергии активации, так и от абсолютной температуры навески ЛГМ. В связи с вышеперечисленными особенностями решение задачи подобного класса сопровождается сложностью и трудоемкостью по определению термокинетичсеких и теплофизических характеристик, существует необходимость в нетрадиционном подходе для решения поставленной задачи. Создание общей информационной базы в данном направлении помимо решения ряда прикладных задач (в частности, создания прогностических моделей влияния воды на теплофизические и термокинетические характеристики интенсивно пиролизующихся лесных горючих материалов), позволит расширить возможность применения пиролиза органических материалов (в частности, отходов переработки древесины) для производства биотоплива