Особенности горения материалов и веществ

Различные по химическому составу твёрдые материалы и вещества горят не­одинаково. Простые (сажа, древесный уголь, кокс, антрацит), представляющие собой химически чистый углерод, накаляются или тлеют без образования искр, пламени и дыма. Это объясняется тем, что они не нуждаются в разложении перед тем, как всту­пить в соединение с кислородом воздуха. Такое (беспламенное) горение обычно про­текает медленно и называется гетерогенным (или поверхностным) горением. Горение сложных по химическому составу твёрдых горючих материалов (древесина, хлопок, каучук, резина, пластмасса и др.) протекает в две стадии: 1) разложение, процессы ко­торого не сопровождаются пламенем и излучением света; 2) собственно горение, ха­рактеризующееся наличием пламени или тления. Таким образом, сложные вещества сами не горят, а горят продукты их разложения. Если они сгорают в газообразной фа­зе, то такое горение называют гомогенным.

Характерной особенностью горения химически сложных материалов и веществ является образование пламени и дыма. Пламя образуют светящиеся газы, пары и твердые вещества, в которых протекают обе стадии горения.

Дым представляет собой сложную смесь продуктов горения, содержащих в себе твёрдые частицы. В зависимости от состава горючих веществ, их полного или непол­ного сгорания дым имеет определённый цвет и запах.

Большинство пластмасс и искусственных волокон сгораемы. Они горят с обра­зованием разжиженных смол, в значительном количестве выделяют окись углерода, хлористый водород, аммиак, синильную кислоту, и другие токсичные вещества.

Сгораемые жидкости более пожароопасны, чем твёрдые горючие вещества, так как они легче воспламеняются, интенсивнее горят, образуют взрывчатые паро­воздушные смеси. Сгораемые жидкости сами по себе не горят. Горят их пары, нахо­дящиеся над поверхностью жидкости. Количество паров и скорость их образования зависят от состава и температуры жидкости. Горение же паров в воздухе возможно только при определенных их концентрациях, зависящих от температуры жидкости.

Для характеристики степени пожарной опасности сгораемых жидкостей при­нято использовать температуру вспышки. Чем ниже температура вспышки, тем опас­нее жидкость в пожарном отношении. Температура вспышки определяется по специ­альной методике и используется для классификации сгораемых жидкостей по степени их пожарной опасности.

Горючая жидкость (ПК) - это жидкость, способная самостоятельно гореть по­сле удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки более 61 °С. Легковоспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) - это жидкость, имеющая температуру вспышки до 61 °С. Самую низкую температуру вспышки (-50 °С) имеет сероуглерод, самую высокую - льняное масло (300 °С). Ацетон имеет температуру вспышки минус 18, этиловый спирт+13, бензин- от минус 17 до минус 39 °С.

Для ЛВЖ температура воспламенения больше температуры вспышки обычно на несколько градусов, а для ГЖ на 30. ..35 °С.

Температура самовоспламенения значительно выше температуры воспламене­ния. Например, ацетон может самовоспламеняется при температуре более 500 "С, бензин - около 300 °С.

К другим важным свойствам (в пожарном отношении) сгораемых жидкостей следует отнести высокую плотность паров (тяжелее воздуха); малую плотность жид­костей (легче воды) и нерастворимость большинства из них в воде, что не позволяет применять для тушения воду; способность при движении накапливать статическое электричество; большую теплоту и скорость сгорания.

Горючие газы (ГГ) представляют большую опасность не только потому, что го­рят, но и способны образовывать взрывчатые смеси с воздухом или другими газами. Таким образом, нее горючие газы являются взрывоопасными. Однако горючий газ способен образовывать взрывчатые смеси с воздухом только при определённой кон­центрации. Наименьшая концентрация горючего 1"аза в воздухе, при которой уже воз­можно воспламенение (взрыв), называется нижним концентрационным пределом вос­пламенения (НКПВ). Наибольшая концентрация горючего газа в воздухе, при которой еще возможно воспламенение, называется верхним концентрационным пределом вос­пламенения (ВКПВ). Область концентраций, лежащая внутри этих границ, называется областью воспламенения. НКПВ и ВКПВ измеряются в % к объёму горючей смеси. При концентрации горючего газа меньше, чем НКПВ и больше, чем ВКПВ смесь го­рючего газа с воздухом не воспламеняется. Горючий газ тем опаснее во взрывопожарном отношении, чем больше область воспламенения и ниже НКПВ. Например, об­ласть воспламенения аммиака 16.,.27 %, водорода 4.,.76 %, метана 5... 16 %, ацети­лена 2,8.-93 %, окиси углерода 12,8...75 %. Таким образом, наибольшей взрывоопасностью обладает ацетилен, имеющий самую большую область воспламенения и са­мый низкий НКПВ. К другим опасным свойствам горючих газов относятся большая разрушительная сила взрыва и способность к образованию статического электриче­ства при движении по трубам.

Горючие пыли образуются в процессе производства при обработке некоторых твёрдых и волокнистых материалов и представляют значительную пожарную опас­ность. Твёрдые вещества в сильно раздробленном и взвешенном состоянии в газооб­разной среде создают дисперсную систему. Когда дисперсной средой является воздух, такая система называется аэрозолъю. Осевшую из воздуха пыль называют аэрогелем. Аэрозоли способны образовывать взрывчатые смеси, а аэрогели могут тлеть и гореть. Пыли по пожарной опасности во много раз превосходят продукт, из которого они получены, так как пыль имеет большую удельную поверхность. Чем мельче час­тицы пыли, тем больше развита у неё поверхность и тем пыль опаснее в отношении воспламенения и взрыва, так как химическая реакция между газом и твёрдым вещест­вом, как правило, протекает на поверхности последнего и скорость реакции увеличи­вается по мере увеличения поверхности. Например, I кг каменноугольной пыли мо­жет сгореть за доли секунды. Алюминий, магний, цинк в монолитном состоянии обычно не способны гореть, но в виде пыли они способны взрываться в воздухе. Алюминиевая пудра может самовозгораться в состоянии аэрогеля.

Наличие большой поверхности у пыли обусловливает её высокие адсорбцион­ные способности. Кроме того, пыль обладает способностью приобретать заряды ста­тического электричества в процессе ей движения, из-за трения и ударов частиц одна о другую. При транспортировке пыли по трубопроводам накопленный ею заряд может возрастать и зависит от вещества, концентрации, размеров частиц, скорости движе­ния, влажности среды и других факторов. Наличие электростатических зарядов может привести к образованию искр, воспламенению пылевоздушных смесей,

Однако пожаро- и взрывоопасные свойства пыли определяются главным обра­зом по температуре её самовоспламенения и нижнему концентрационному пределу взрываемости.

В зависимости от состояния любая пыль имеет две температуры самовоспламе­нения: для аэрогеля и для аэрозоля. Температура самовоспламенения аэрогеля значи­тельно ниже, чем аэрозоля, т.к. высокая концентрация горючего вещества у аэрогеля благоприятствует аккумуляции тепла, а наличие расстояния между пылинками у аэро­золя увеличивают потери тепла в процессе окисления при самовоспламенении. Тем­пература самовоспламенения зависит также от степени измельчённости вещества.

Нижний концентрационный предел взрываемости (НКПВ) - это наименьшее количество пыли (г/м³) в воздухе, при котором происходит взрыв при наличии источника зажигания. Все пыли делят на две группы. К группе А относятся взрывоопасные пыли с НКПВ до 65 г/м³. В группу Б входят пожароопасные пыли, имеющие НКПВ выше65 г/м*.

В производственных помещениях концентрация пыли обычно значительно ни­же нижних пределов взрываемости. Верхние пределы взрываемости пыли настолько велики, что практически недостижимы. Так, концентрация верхнего предела взрыва сахарной пыли 13500, а торфяной 2200 гЛг.

Воспламенившаяся мелкодисперсная пыль в состоянии аэрозоля может сгорать со скоростью горения газовоздушной смеси, При этом может повышаться давление в связи с образованием газообразных продуктов горения, объём которых я большинстве случаев превышает объем смеси, и вследствие нагревания газообразных продуктов горения до высокой температуры, что тоже вызывает увеличение их объёма. Способ­ность пыли взрываться и величина давления при взрыве во многом зависят от темпе­ратуры источника воспламенения, влажности пыли и воздуха, зольности, дисперсно­сти пыли, состава воздуха и температуры пылевоздушной смеси. Чем выше темпера­тура источника воспламенения, тем при более низкой концентрации пыль может взо­рваться. Увеличение влагосодержания воздуха и пыли уменьшает интенсивность взрыва.

О пожароопасных свойствах газов, жидкостей и твёрдых веществ можно судить по коэффициенту горючести К, который определяют по формуле (если вещество имеет химическую формулу или её можно вывести из элементарного состава)

К = 4С + 1Н + 4S - 2О - 2CI - 3F - 5 Вг,

где С, Н, S, О, Cl, F, Вг - количество атомов соответственно углерода, водорода, се­ры, кислорода, хлора, фтора и брома в химической формуле вещества.

При К £ 0 вещество негорючее, при К > 0 - горючее. Например, коэффициент горючести вещества, имеющего формулу С₅НО₄₎ будет равен: К = 4-5+1-1-2-4=13.

Используя коэффициент горючести, можно достаточно точно определять ниж­ние концентрационные пределы воспламенения горючих газов ряда углеводородов по формуле НКПВ = 44/К.