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 твёрдые 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 определённых 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 (ГЖ) - 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 – плюс 13 ?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 самовоспламеняться 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 потому, что способны образовывать взрывчатые смеси с воздухом или другими газами. Таким образом, все горючие газы являются взрывоопасными. Однако горючий газ способен образовывать взрывчатые смеси с воздухом только при определённой концентрации. Наименьшая концентрация горючего газа 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…9З %, 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 аэрозолью. 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, 1 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 её 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 увеличивает 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 выше 65 г/м3.

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 г/м3.

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 в большинстве случаев превышает объем смеси, и вследствие их нагревания 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 горючестиК, который определяют по формуле (если вещество имеет химическую формулу или её можно вывести из элементарного состава)

K = 4C + 1H + 4S - 2O - 2CI - 3F - 5 Br,

где С, Н, S, O, Cl, F, Br – 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.