Общие сведения о процессе горения

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающа­яся выделением большого количества тепла и обычно свечением. Для возникновения горения требуется наличие трех факторов: горючего вещества, окислителя (обычно кислород воздуха) и источ­ника загорания (импульса). Окислителем, кроме того, могут быть хлор, фтор, бром, йод, окислы азота и т. д.

В зависимости от свойств горючей смеси горение может быть гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении исходные вещества имеют одинаковое агрегатное состояние (например, горение газов).

Горение твердых и жидких горючих веществ является гетеро­генным.

Горение дифференцируется также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого параметра может быть дефлаграционным (в пределах нескольких м/с), взрывным (порядка десятка м/с) и детонационным (тысячи м/с). Пожарам свойственно дефлаграционное горение.

В зависимости от соотношения горючего и окислителя различают процессы горения бедных и богатых горючих смесей. Бедными назы­ваются смеси, содержащие в избытке окислитель. Их горение лими­тируется содержанием горючего компонента. К богатым относятся смеси с содержанием горючего выше стехиометрического соотноше­ния компонентов. Горение таких смесей лимитируется содержанием окислителя. Возникновение горения связано с обязательным само­ускорением реакции в системе. Существуют три основных вида само­ускорения химической реакции при горении: тепловой, цепной и комбинированный — цепочечно-тепловой. Тепловой механизм уско­рения связан с экзотермичностью процесса окисления и возрастанием скорости химической реакции, с повышением температуры при условии аккумуляции тепла в реагирующей системе.

Цепное ускорение реакции связано с катализом химических превращений, осуществляемым промежуточными продуктами пре­вращений, обладающими особой химической активностью и называ­емыми активными центрами. В соответствии с цепной теорией хими­ческий процесс осуществляется не путем непосредственного взаимо­действия исходных молекул, а с помощью осколков, образующихся при распаде этих молекул (радикалы, атомарные частицы).

Реальные процессы горения осуществляются, как правило, по комбинированному цепочечно-тепловому механизму.

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов.

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

Возгорание — возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пла­мени.

Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотер­мических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания_; Сущность и различия процесса возгорания и самовозгорания пояснены ниже.

Самовоспламенение — самовозгорание, сопровождающееся появ­лением пламени.

Взрыв — чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) прев­ращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Возник­новение горения вещества или материала может произойти при тем­пературе окружающей среды ниже температуры самовоспламенения. Эта возможность обусловливается склонностью веществ или мате­риалов к окислению и условиями аккумуляции в них тепла, выделяю­щегося при окислении. Этот процесс называется самовозгоранием, а способность вещества и материалов подвергаться этому процессу называется склонностью их к самовозгоранию.

Таким образом, возникновение горения веществ и материалов при воздействии тепловых импульсов с температурой выше температуры самовоспламенения (или самовозгорания) характеризуется как возгорание, а возникновение горения при температурах ниже тем­пературы самовоспламенения относится к процессу самовозгорания.

В зависимости от импульса процессы самовозгорания подразделяются на тепловые, микробиологические и химические.

Основными показателями пожарной опасности, определяющими критические условия возникновения и развития процесса горения, являются температура самовоспламенения и концентрационный предел воспламенения (или предел распространения пламени).

Температура самовоспламенения характеризует минимальную
температуру вещества или материала, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения. Минимальная концентрация горючих газов и паров в воздухе, при которой они способны загораться и распространять пламя, называется нижним концентрационным
пределом воспламенения; максимальная концентрация горючих газов
и паров, при которой еще возможно распространение пламени,
называется верхним концентрационным пределом воспламенения.
Область составов смесей горючих газов и паров с воздухом, лежащих
между нижним и верхним пределами воспламенения, называется областью воспламенения.

К показателям пожарной опасности, характеризующим крити­ческие условия образования достаточного для горения газообразных горючих продуктов испарения или разложения конденсированных веществ и материалов, относятся температуры вспышки и воспламе­нения, а также температурные пределы воспламенения.

Температурой вспышки называется самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при кото­рой над поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхи­вать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще не достаточна для последующего горения. Пользуясь этой характеристикой, все горючие жидкости по пожарной опасности мож­но разделить на два класса: к первому классу относятся жидкости с температурой вспышки до 45°С (бензин, этиловый спирт и т. д.), они называются легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ). Ко второму классу относятся жидкости с температурой вспышки выше 45°С (масло, мазут), они называются горючими жидкостями (ГЖ).

Температура воспламенения — температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

Концентрационные пределы воспламенения не постоянны и
изменяются от ряда факторов. Наибольшее влияние на изменение
пределов воспламенения оказывают мощность источника воспламенения, примесь инертных газов и паров, температура и давление горючей смеси.

Концентрация насыщенных паров жидкости находится в определенной взаимосвязи с ее температурой. Используя это свойство можно концентрационные пределы воспламенения насыщенных паров выразить через температуру жидкости, при которой они образуются.

Температурные пределы воспламенения — это температуры, при которых насыщенные пары вещества образуют в данной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему температурному и верхнему температурному пределам воспламенения жидкостей, иначе называемым температурой вспышки, о которой гово­рилось выше.

Способностью образовывать с воздухом воспламеняющиеся с боль­шой скоростью (взрывоопасные) смеси обладают также взвешенные в воздухе пыли многих твердых горючих веществ. Та минимальная концентрация пыли в воздухе, при которой происходит ее загорание, называется нижним пределом воспламенения пыли. Поскольку дости­жение очень больших концентраций пыли во взвешенном состоянии практически нереально, термин «верхний предел воспламенения» к пылям не применяется.

Пожароопасность веществ характеризуется линейной (выражен­
ной в см/с) и массовой (г/с) скоростями горения (распространения
пламени) и выгорания (г/м²·с или см/с), а также предельным содер­жанием кислорода, при котором еще возможно горение. Для обычных
горючих веществ (углеводородов и их производных) это предельное
содержание кислорода составляет 12—14%, для веществ с высоким
значением верхнего предела воспламенения (водород, сероуглерод,
окись этилена и др.) предельное содержание кислорода составляет
5% и ниже.

Помимо перечисленных параметров для оценки пожарной опас­ности важно знать степень горючести веществ. В зависимости от этой характеристики вещества и материалы делятся на горючие, трудногорючие и негорючие.

К горючим относятся такие вещества и материалы, которые при воспламенении посторонним источником продолжают гореть и после его удаления. К трудногорючим относятся такие вещества, которые не способны распространять пламя и горят лишь в месте воздействия импульса; негорючими являются вещества и материалы, не воспла­меняющиеся даже при воздействии достаточно мощных импульсов.