Общие сведения о процессе горения

Горение – это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением. Для возникновения процесса горения требуется наличие 3-х факторов:

– горючего вещества в любом агрегатном состоянии;

– окислителя (обычно кислорода воздуха);

– источника загорания (импульса). Окислителем, кроме того, могут быть хлор, фтор, бром, 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 твёрдых 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);

– детонационным (тысячи м/с).

Пожарам свойственно дефлаграционное горение.

В зависимости от соотношения горючего и окислителя различают процессы горения бедных и богатых горючих смесей.

Бедными называют 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. Существует три основных вида самоускорения химической реакции при горении: тепловой, цепной и комбинированный цепочно-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, осуществляемых промежуточными продуктами превращений, обладающими особой химической активностью и называемыми активными центрами. В соответствии с цепной теорией химический процесс осуществляется не путём 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 горения характеризуется самовоспламенением горючей смеси и самовозгоранием горючих веществ.

Температура самовоспламенения – это температура, при которой происходит загорание горючих веществ при подводе тепла без соприкосновения с источником открытого огня.

Установлено, что процессу горения всегда предшествует медленное окисление вещества. Под воздействием внешнего источника процесс окисления ускоряется и скорость теплообразования превышает скорость теплоотвода.

Различают ещё процесс самовозгорания. Он аналогичен самовоспламенению с той лишь разницей, что самовозгорание происходит за счёт биологических или химических реакций внутреннего характера, без поступления тепла извне.

Наибольшее значение при оценке пожарной безопасности горючих веществ имеют температуры, при которых горючее вещество подготовлено к горению. Такими температурами являются температура вспышки и температура воспламенения.

Температурой вспышки называется наименьшая температура горючего вещества (жидкого), при которой создаётся смесь газов или паров с воздухом, способная воспламеняться при поднесении открытого огня. При этой температуре горючего вещества сгорает только образовавшаяся при испарении (разложении) смесь паров (газов) с воздухом, но горение самого вещества не происходит.

Температурой воспламенения называется наименьшая температура горючего вещества (жидкости), при которой оно загорается от открытого источника огня или тепла и продолжает стойкое, спокойное горение после удаления этого источника.

В соответствии с ГОСТ 12.1.004-85 под горючей жидкостью (ГЖ) понимается жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющуя t° вспышки более +61°С.

Легко воспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ) – это жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая t° вспышки до +61°С.

Для ЛВЖ разница между температурами вспышки и воспламенения равна 1-2°С, а для горючих жидкостей доходит до 30°С.

Горючие газы, пары, пыли (ацетилен, водород, СО, бензин, скипидар, каменноугольная пыль и др.) в смеси с кислородом воздуха способны образовывать взрывчатые смеси.

Согласно ГОСТ 12.1.010-80, взрыв – чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Взрыв сопровождается звуком. Например, при взрыве 250 гр. бензина развивается мощность более 10000 квт.

Условия взрыва:

– определённая концентрация пыле-, паро- или газо-воздушной смеси;

– импульс, способный нагреть вещество до температуры самовоспламенения (пламя, удар, адиабатическое сжатие и др.).

Взрывоопасные смеси характеризуются пределами взрываемости. Наименьшая концентрация паров, газов или пыли в воздухе, при которой возможен взрыв, называется нижним пределом взрываемости.

(8)

где а – количество атомов кислорода, необходимое для полного сгорания молекулы данного горючего вещества.

Дальнейшее увеличение концентрации делает смесь взрывоопасной. Однако при достижении какого-то значения концентрации смесь становится невзрывоопасной из-за недостатка окислителя. Такая концентрация называется верхним пределом взрываемости.

(9)

Все концентрации между нижним и верхним пределами являются взрывчатыми и определяют диапазон взрыва. Чем больше диапазон, тем опаснее смесь.

Таблица 5.1. Пределы взрываемости некоторых веществ

Пожароопасность веществ характеризуется линейной (выраженной в см/с) и массовой (г/с) скоростями горения (распространением пламени и выгорания (г/м² ´с или см/с)), а также предельным содержанием кислорода, при котором ещё 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, ацетилен, окись этилена и др.) предельное содержание кислорода составляет 5% и ниже.