ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ГОРЕНИЯ.

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ.

1. Физико-химическая сущность горения

История науки о горении начинается с открытия M.B. Ломоносова, что горение есть "соединение веществ с воздухом", которое послужи­ло фундаментом к установлению одного из законов природы — закона сохранения массы веществ при их физических и химических превраще­ниях. Лавуазье уточнил этот закон: горение есть соединение веществ не с воздухом, а с кислородом.

В настоящее время под термином "горение" (СТ СЭВ 383-87) пони­мается экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающа­яся по крайней мере одним из трех факторов:

пламенем,

свечением,

выделением дыма.

Из данного определения вытекает физико-химическое понятие горения как любой реакции окисления вещества, приводящей к выделению тепла. При этом, данная реакция должна сопровождаться или пламенем, или свечением, или дымом.

Соответственно, пламенным горением называется горение веществ и материалов, сопровождающееся пламенем, а беспламенное горение материала называется тлением. Беспламенное горение материала в твер­дой фазе, характеризующееся видимым излучением, называется свечением.

Дым представляет собой аэрозоль, образуемый жидкими и (или) твердыми продуктами неполного сгорания материалов.

Способность веществ и материалов к возгоранию, т. е. к началу горения под воздействием источника зажигания, называется возгорае­мостью. Возгораемость является общим показателем пожарной опасности веществ и материалов. Частным понятием возгораемости является вос­пламеняемость.

Под воспламеняемостью понимается способность веществ и материалов только к пламенному горению под воздействием источника зажигания, т.е. к воспламенению.

Возгорание веществ и материалов, которое происходит без воз­действия источника зажигания в результате самоинициируемых экзотер­мических процессов называется самовозгоранием. Самовозгорание со­провождается пламенем, свечением или дымом.

Частным понятием самовозгорания является самовоспламенение. Под самовоспламенением понимается самовозгорание, сопровождаю­щееся исключительно пламенем.

Одним из важных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов является их горючесть, т.е. способность веществ и материа­лов к развитию горения. Одной из характеристик горючести является способность материала гореть после удаления источника зажигания, ко­торая называется самостоятельным горением.

Способность самостоятельно гореть после удаления источника за­жигания является характеристикой горючей среды (ГОСТ 12.1.004, прил. 1).

В общем случае, горючая среда представляет собой совокупность горючих веществ (материалов) с окислителем. Горючие вещества и материалы под воздействием источника зажигания (тепловой энергии) разлагаются с образованием газопаровоздушной горючей смеси.

Обязательным условием возгорания веществ и материалов явля­ется наличие источника зажигания.

Источник зажигания (ГОСТ 12.1.004, прил. 1)—это средство энер­гетического воздействия, инициирующее возникновение горения.

На практике чаще всего рассматриваются тепловые источники зажигания (см. ниже). Основными показателями источника зажигания являются вид теплового источника и параметры воспламеняющей спо­собности (достаточность запаса тепловой энергии) для начала термичес­кого разложения веществ и материалов.

Общая схема возникновения горения представлена на рис. 4.1 (ГОСТ 12.1.004, прил. 3).

Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород, — основные компоненты газопаровоздушной горючей смеси, участ­вующие в реакции горения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300°С.

Физико-химические основы горения заключаются в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, атомы которых под воздействием высоких температур (физическая сос­тавляющая экзотермического процесса) вступают в химическое взаи­модействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода, COj) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

Кроме того, в воздухе содержится азот, химически не участвую­щий в реакциях горения, но присутствующий в зоне горения. Поскольку в воздухе содержится 21% об. кислорода и 79% об. азота, при горении в воздухе на один объем кислорода приходится 79:21 = 3,76 объема азота.

Например, уравнение реакции горения природного газа (метана) в воздухе можно записать так:

СН4 + 2О2 + 23,76N2 = СО2 + 2Н20 + 2*3,76N2

Для осуществления процесса горения по этому уравнению необ­ходимо, чтобы в зоне горения на 1 м3 горючего газа приходилось пример­но 9,5 м3 воздуха, в которых и будут содержаться требуемые 2 м3 кисло­рода, и чтобы горючей смеси (или ее части) был сообщен тепловой импульс достаточной мощности для начала реакций горения. Тогда в резу­льтате полного сгорания 1 м3 метана выделится примерно 36000 кДж тепла и образуется более 10,5 м3 продуктов горения (смеси двуокиси угле­рода, паров воды и азота).

Горючие смеси, которые по своему составу (соотношению компо­нентов горючего и окислителя) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Такие смеси наи­более опасны в пожарном отношении: они легче воспламеняются, интен­сивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, за счет чего выде­ляют максимальное количество тепла.

Различают бедные и богатые горючие смеси по сравнению со стехиометрическим соотношением компонентов горючего и окислителя:

бедные, содержащие в избытке окислитель;

богатые, содержащие в избытке горючее.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сго­рания единицы массы (объема) того или иного горючего вещества, опре­деляется по уравнению химической реакции горения данного вещества. Для большинства горючих требуемый (удельный) расход воздуха нахо­дится в пределах 4-15 м3/кг.

В условиях реального пожара процесс горения всегда идет при фактическом недостатке воздуха, поэтому кроме выше указанных веще­ств, в состав продуктов горения входят угарный газ (окись углерода, СО) и сажа (углерод, С) как продукты неполного сгорания, что наиболее характерно для горения твердых веществ и материалов.

Горение веществ и материалов возможно только при определенном количестве кислорода в воздухе. Содержание кислорода, при котором исключается возможность горения различных веществ и материалов, устанавливается опытным путем. Так, для картона и хлопка самозатухание наступает при 14% (об.) кислорода, а полиэфирной ваты — при 16% (об.) [103].

Исключение окислителя (кислорода воздуха) является одной из мер пожарной профилактики. Поэтому хранение легковоспламеняющих­ся и горючих жидкостей, карбида кальция, щелочных металлов, фосфора должно осуществляться в плотно закрытой таре.