Тема 17. Горение и пожароопасные свойства веществ

Социальное и экономическое значение вопросов пожарной безопасности

Пожары и взрывы причиняют значительный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей.

Большинство современных промышленных предприятий ха­рактеризуется повышенной пожарной опасностью, так как на них используется значительное количество легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, сжиженных горючих газов, твердых горю­чих материалов, большое количество емкостей и аппаратов в которых находятся пожароопасные продукты под давлением, разветвленная сеть трубопроводов, большая оснащенность произ­водства электроустановками и др.

Учащению пожаров в общественных зданиях и сооружени­ях, а также в жилых помещениях способствует широкое исполь­зование в быту электроэнергии, радиоэлектроники и телевидения.

Процесс горения, виды горения

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождаю­щийся выделением тепла и излучения света.

Окислителем в процессахгорения обычно является газооб­разный кислород, находящийся в воздухе, но горение может быть и в среде хлора, брома, озона и других окислителей.

Для возникновения процесса горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. Го­рючее вещество и окислитель составляют горючую систему, а ис­точник воспламенения вызывает в ней реакцию окисления (горения). При этом источник воспламенения должен обладать определенным запасом тепла и иметь температуру, достаточную для начала реакции.

Горючие системы могут быть однородными и неоднородны­ми. К химическиоднороднымотносятся системы, в которых го­рючее вещество и воздух перемешаны друг с другом. К химическинеоднороднымотносятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с дру­гом и имеют поверхность раздела.

Во всех случаях для горения характерны три типичные ста­дии: возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окисли­теля различают три вида горения:

— гомогенное горение газов и парообразных горючих ве­ществ в среде газообразного окислителя; скорость его определяет­ся скоростью химической реакции; такое горение может пред­ставлять собой взрыв иди детонацию;

— гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение взрывчатых веществ и порохов.

Горючие вещества м. б. твердые (бумага, уголь, дерево)

жидкие (бензин, нефть. керосин)

газообразные (метан, пропан. водород)

Источники воспламенения : пламя, электрические искры

Понятие о вспышке. Самовоспламенение и самовозгорание

Вспышка— быстрое окисление горючей смеси, не сопрово­ждающееся образованием сжатых газов.

Возгорание— возникновение горения под воздействием ис­точника зажигания.

Воспламенение— возгорание, сопровождающееся появлени­ем пламени.

Самовозгорание— процесс загорания горючего вещества в результате воздействия тепловых процессов окисления или жизнедеятельности микроорганизмов. Этот процесс возможен лишь при тепловыделении, превышающем теплоотдачу в окру­жающую среду. Самовозгоранию при атмосферном давлении и температуре подвержены большей частью вещества органического происхождения (торф, опилки, промасленная ветошь и др.). Эти материалы обладают большой пористостью и, следовательно, имеют большую поверхность окисления. При неправильной орга­низации хранения таких материалов (в плохо вентилируемых по­мещениях, штабелях или просто навалом) создаются условия, при которых происходит саморазогрев и самовозгорание этих веществ; самовозгорание, сопровождающееся появлением пламе­ни называется самовоспламенением.

Взрыв — чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Таким образом, возникновение горения веществ и мате­риалов при тепловых воздействиях с температурой выше тем­пературы воспламенения характеризуется как возгорание, а возникновение горения при температурах ниже температуры самовоспламенения относится к процессу самовозгорания.

Неконтролируемое горение вне специального очага, нанося­щее обществу материальный и социальный ущерб, принято назы­вать пожаром.

Пожар характеризуется рядом опасных факторов, основны­ми из которых являются: повышенная температура воздуха и предметов; открытый огонь и искры; токсичные продукты горе­ния, дым; пониженная концентрация кислорода вблизи очага го­рения; взрывы; повреждение и разрушение зданий и соору­жений.

Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости. Концентрационные пределы воспламенения

Взрыво- и пожароопасность веществ зависит от их агрегат­ного состояния (газообразные, жидкие, твердые), физико-хими­ческих свойств, условий хранения и применения.

Основными показателями, характеризующими пожарную опасность горючих газовявляются концентрационные пределы воспламенения, энергия зажигания, температура горения, нор­мальная скорость распространения пламени и др.

Горение смеси газа с воздухом возможно в определен­ных пределах, называемых концентрационными пределами воспламенения. Минимальные и максимальные концентрации горючих газов в воздухе, способные воспламеняться, называются соответственно нижним и верхним концентрационными предела­ми воспламенения.

Энергия зажигания определяется минимальной энергией искры электрического разряда, воспламеняющей данную газовоз­душную смесь. Величина энергии зажигания зависит от природы газа и концентрации. Энергия зажигания являет­ся одной из основных характеристик взрывоопасных сред при решении вопросов обеспечения взрывобезопасности электрообору­дования и разработке мероприятий по предупреждению образова­ния статического электричества.

Температура горения— это температура продукта химиче­ской реакции при горении смеси без тепловых потерь. Она зави­сит от природы горючего газа и концентрации его смеси. Наи­большая температура горения для большинства горючих газов составляет 1600-2000 °С.

Нормальной скоростью распространения пламени называет­ся скорость, с которой движется граничная поверхность между сгоревшей и несгоревшей частями смеси относительно несгорев­шей. Численно нормальная скорость пламени равна количеству (объему) горючей смеси, выгорающей на единице площади пламе­ни в единицу времени. Нормальная скорость пламени зависит от природы газа и концентрации его смеси. Для большинства горю­чих газов нормальная скорость пламени находится в пределах 0,3-0,8 м/с.

Нормальная скорость пламени является одной из основных физико-химических характеристик, определяющих свойства сме­си, и определяющих скорость сгорания и соответственно время взрыва. Чем больше нормальная скорость пламени, тем меньше время взрыва и тем более жесткие его параметры.

Горение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей происходит только в паровой фазе. Горение паров в воздухе, также как и газов, возможно и в определенном диапазоне концентраций. Так как Максимально возможное содержание пара в воздухе не может быть больше, чем в состоянии насыщения, то концентрационные пределы воспламенения могут быть выражены через температуру. Значения температуры жидкости, при которых концентрация насыщенных паров в воздухе над жидкостью равна концентрацион­ным пределам воспламенения, называется температурными пре­делами воспламенения (нижним и верхним соответственно).

Таким образом, для воспламенения и горения жидкости не­обходимо, чтобы жидкость была нагрета до температуры, не меньшей, чем нижний температурный предел воспламенения. После воспламенения скорость испарения должна быть достаточной для поддержания постоянного горения. Эти особенности горения жидкостей характеризуются температурами вспышки и воспла­менения.

Температурой вспышкиназывается наименьшее значение температуры жидкости, при которой над ее поверхностью образу­ется паровоздушная смесь, способная вспыхивать от постороннего источника зажигания. При этом устойчивого горения жидкости не возникает.

По температуре вспышки жидкости делятся на легковос­пламеняющиеся (ЛВЖ),. температура вспышки которых не пре­вышает 45 °С (спирты, ацетон, бензин и др.) и горючие (ГЖ), температура вспышки которых более 45 °С (масла, мазуты, гли­церин и др.).

Температурой воспламененияназывается наименьшее значение температуры жидкости, при которой интенсивность ис­парения ее такова, что после зажигания внешним источником возникает самостоятельное пламенное горение. Для ЛВЖ темпе­ратура воспламенения обычно на 1-5 °С выше температуры вспышки, а для ГЖ эта разница может достигать 30-35 °С.

Паровоздушные смеси, также как и газовоздушные, явля­ются взрывоопасными. Их взрывоопасность характеризуется па­раметрами, определяющими взрывоопасность газовоздушных сме­сей, — энергией зажигания, температурой горения, нормальной скоростью распространения пламени и др.

Пожарная опасность твердых горючихвеществ и материа­лов характеризуется теплотворной способностью 1 кг вещества, температурами горения, самовоспламенения и воспламенения, скоростью выгорания и распространения горения по поверхности материалов.

Пожаро- и взрывоопасные свойства пылей определяются концентрациями пылевоздушной смеси, наличия источника за­жигания с достаточной тепловой энергией, размера пылинок и др.

Мелкие частицы твердых горючих веществ размеров 10~5-10~7 см могут долгое время находиться в воздухе во взвешен­ном состоянии, образуя дисперсную систему — аэровзвесь. Для воспламенения аэровзвеси необходимо, чтобы концентрация пыли в воздухе была не менее нижнего концентрационного предела воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламене­ния пылевоздушной смеси в большинстве случаев является очень высоким и трудно достижимым (для торфяной пыли — 2200 г/м3, сахарной пудры — 1350 г/м3).

Тепловая энергия источника зажигания для воспламенения пылевоздушной смеси должна быть порядка нескольких МДж и более.

В зависимости от значения нижнего концентрационного предела воспламенения пыли подразделяются на взрывоопасные и пожароопасные. К взрывоопасным относятся пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения до 65 г/м3 (пыль се­ры, сахара, муки), а пожароопасным — пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м3 (табачная и древесная пыль).

Пожарную опасность веществ и материалов характеризуют; и такие свойства как склонность некоторых веществ и материалов к электризации и самовозгоранию при соприкосновении с возду­хом (фосфор, сернистые металлы и др.). водой (натрий, калий, карбид кальция и др.) и друг с другом (метан + хлор, азотная ки­слота + древесные опилки и т.д.).

Пожарная опасность негорючих веществ и материалов опре­деляется температурой, при которой они обрабатываются, воз­можностью выделения искр, пламени, лучистого тепла, а также потерей несущей способности и разрушением.

ЛЕКЦИЯ 18