Mathematical modeling of spontaneous combustion of peat soil | Математическое моделирование самовозгорания торфяной почвы

English. The purpose of the research is to develop a mathematical model that can form the basis for the development of a computer program predicting the occurrence of peat fires on lands involved in agricultural turnover. A mathematical description of a spontaneous combustion process is given. It occurs according to the following scheme: a heat flow heats the surface to the ignition temperature, resulting in a self-heating zone. Further, a combustion (smoldering) wave is formed, which is capable of self-propagating. The methodology and laboratory equipment for studying the self-heating of peat samples are presented. For the experiments, peat pieces were sampled in the Moscow, Ryazan and Tver regions, and their physicochemical composition was determined. The samples were placed in brass net containers, inside of which there were thermocouples that recorded the temperature of the thermophysical center and the surface. The containers were placed in a drying cabinet, inside which a temperature regime similar to natural conditions was simulated. The results of experimental and theoretical studies of the chemical reaction of self-heating of peat samples are analyzed. The activation energy of peat samples was determined by selecting and substituting values into equations and comparing the obtained results with the calculated ones. It has been found that with an increase in peat density, the probability of spontaneous combustion decreases, since the amount of oxidizer per unit volume decreases. Spontaneous combustion of peat soil is possible during crop growing season, when the top layer of peat is dehydrated. The high content of organic carbon in peat soil increases the likelihood of spontaneous combustion, since peat has low activation energy. A high correlation was noted between the calculated and experimental data. This confirms that the mathematical model can be used to predict the occurrence of the spontaneous combustion effect.

Russian. Цель исследований разработка математической модели, которая может лечь в основу разработки компьютерной программы, составляющей прогнозы возникновения торфяных пожаров на землях, вовлеченных в с.-х. оборот. Проведено математическое описание процесса самовозгорания, происходящего по следующей схеме: тепловой поток нагревает поверхность до температуры зажигания, в результате чего возникает самонагревающаяся зона. В итоге формируется волна горения (тления), которая способна самостоятельно распространяться. Представлены методика и лабораторное оборудование для исследования саморазогрева образцов торфа. Для проведения экспериментов в Московской, Рязанской и Тверской областях были отобраны образцы торфа, определен их физико-химический состав. Образцы помещали в контейнеры из латунной сетки, внутри которых имелись термопары, фиксирующие температуру теплофизического центра и поверхности. Контейнеры ставили в сушильный шкаф, внутри которого был смоделирован температурный режим, аналогичный природным условиям. Проанализированы результаты экспериментальных и теоретических исследований химической реакции саморазогрева образцов торфа. Энергия активации образцов торфа определялась методом подбора и подстановки значений в уравнения и сравнения полученных результатов с расчетными. Установлено, что с повышением плотности торфа вероятность его самовозгорания снижается, поскольку уменьшается количество окислителя в единице объема. Самовозгорание торфяной почвы возможно в период вегетации с.-х. растений, когда верхний слой торфа обезвожен. Высокое содержание органического углерода в торфяной почве повышает вероятность самовозгорания, поскольку торф обладает низкой энергией активации. Отметили высокую корреляцию между расчетными и экспериментальными данными. Это подтверждает, что математическую модель можно использовать для прогнозирования возникновения эффекта самовозгорания.