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 ºС) имеет сероуглерод, самую высокую – льняное масло (300 ºС). Ацетон имеет температуру вспышки минус 18, этиловый спирт – плюс 13 ºС.

Для ЛВЖ температура воспламенения больше температуры вспышки обычно на несколько градусов, а для ГЖ на - 30…35 ºС.

Температура самовоспламенения значительно выше температуры воспламене­ния. Например, ацетон может самовоспламеняться при температуре более 500 ºС, бензин – около 300 ºС.

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.