236293

металлорганических соединений, гидридов бора и алюминия, или сложный пожар на аэродроме, при аварийной посадке самолета и т.д. Поэтому приемы и способы тушения пожаров на современных пожароопасных объектах значительно усовершенствованы. Для эффективного тушения таких пожаров разработаны порошковые, пенные, химическиактивные, комбинированные огнетушащие средства, которые подаются в зону горения с помощью автомобилей автомобили газоводяного гашения типа АГВТ-100 и АГВТ-150, автомобилей порошкового тушения и автомобилей пенного тушения. Кроме того, разработаны объемные и объемно-локальные способы тушения пожара в помещениях и высокоэффективные способы комбинированного тушения особо сложных пожаров; приемы и способы защиты и эвакуации людей из опасных зон пожара и т. д.

Для прогнозирования динамики развития пожаров на объектах, разработки эффективных методов локализации и тушения пожаров необходимо глубоко изучить физико-химические основы их развития и тушения. Только после этого можно разработать научно обоснованные методы эффективной защиты объектов от возгораний и найти новые эффективные средства и способы тушения пожаров

2.1. Физика и химия процессов горения

Горение является сложным физико-химическим процессом экзотермического превращения исходных компонентов реакционноспособной смеси горючего с окислителем в продукты горения.

Выделение тепла происходит непосредственно в зоне химической реакции превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения. Зона протекания химических реакций обычно локализована в сравнительно небольшой части пространства. Она может быть неподвижна, а может перемещаться в пространстве в зависимости от условий протекания процесса горения.

Горению, как и многим химическим процессам, присущи два этапа: 1) физический, т. е. создание молекулярного контакта между молекулами горючего и окислителя; 2) химический, т. е. взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции. При этом второй этап наступает только при выполнении некоторых дополнительных условий: молекулы должны находиться в особом энергетически или химически возбужденном состоянии и в определенном количественном соотношении.

Горение является неравновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности в составе молекул, их концентрации, неравномерности поля температур и скоростей потоков. Этим обусловлена необходимость одновременного решения нестационарных задач массо-, теплопереноса и химической кинетики в движущихся потоках, поэтому в зарубежной научной литературе процессы горения нередко называют еще аэротермохимией. Таким образом, исследования процессов горения сводятся к решению задач турбулентной массо- и теплопередачи при наличии динамических источников вещества и тепла.

21

В основе процессов горения лежат химические реакции окисления, т. е. соединения исходных горючих веществ с кислородом. При горении на пожарах в качестве окислителя чаще всего выступает кислород воздуха, окружающий зону протекания химических реакций. В этом случае интенсивность горения определяется не скоростью протекания самих химических реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения, т. е. непосредственно в зону протекания химических реакций. Скорость протекания химических реакций горения значительно превосходит скорость таких физических процессорв, как диффузия недостающих компонентов в зоне реакции и передача тепла из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Эти два процесса (диффузия и теплопередача) и являются лимитирующими. Они определяют суммарную скорость горения, а следовательно, интенсивность процесса тепловыделения и образования продуктов горения. Поэтому считают, что процессы горения на пожаре развиваются в чисто диффузионной области и, соответственно, рассматривать их следует с физической стороны. В уравнениях химических реакций горения учитывают азот, который содержится в атмосфере, несмотря на то что в реакциях горения он практически не участвует. Состав воздуха условно принимают постоянным, содержащим по обьему 21 % кислорода и 79 % азота (в весовых процентах соответственно 23 % кислорода и 77 % азота), т. е. на один объем кислорода приходится 3,76 объема азота. Или на один моль кислорода — 3,76 моля азота. Тогда уравнение химической реакции горения метана в воздухе запишется так:

СН4 + 2О2 + 2 · 3,76N2 → СО2 + 2Н2О + 2 · 3,76N2.

Необходимость учитывания азота в уравнениях химических реакций горения обусловлена тем, что он поглощает часть тепла, выделяемого в результате реакций горения, и входит в состав продуктов горения — дымовых газов. Из физики горения известно, что существуют так называемые концентрационные пределы воспламенения горючих смесей, не вытекающие непосредственно из уравнений химических реакций горения, а определяемые законами химической кинетики и энергетическими условиями процессов горения. Смеси с малым содержанием горючего газа условно называются «бедными», а предел — нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ); смеси с большим содержанием горючего газа называются «богатыми», а предел — верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Вне этих пределов смеси горючего с окислителем считаются нереакционноспособными, т. е. негорючими. Иногда, при диффузионном горении, предельные условия горючести веществ и материалов задаются не по соотношению горючего и окислителя, т. е. концентрационному составу смеси, а по парциальному давлению киолорода в окружающей атмосфере или по концентрации кислорода в ней.

22

Для неодинаковых горючих веществ предельные концентрации кислорода будут различны. Они зависят от вида горючего, его строения и количества связанного кислорода в молекуле. Чем больше кислорода входит в состав молекулы горючего, тем ниже концентрационный предел воспламенения по кислороду. Так, например, пороха и некоторые синтетические материалы могут гореть вообще без доступа воздуха или в нейтральной среде (в чистом азоте). Но для большинства углеводородных горючих веществ, встречающихся на пожаре, диффузионное горение невозможно при уровне концентрации кислорода ниже 14…15 %. Наиболее реакционноспособной является стехиометрическая смесь горючего с окислителем. Стехиометрической называется смесь, в которой количественное соотношение горючего и окислителя соответствует уравнению химической реакции горения. При горении такой смеси выделяется наибольшее количество тепла, скорость горения близка к максимальной, а состав продуктов горения близок к равновесному. В этом случае в составе продуктов горения почти не образуется продуктов неполного окисления и содержится эквивалентное количество азота. По уравнениям химических реакций горения рассчитывают минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы, кг, или единицы объема горючего вещества, м3, а также состав и количество продуктов горения.

Иначе горят вещества, обладающие широкой областью воспламенения, например, водород, ацетилен и др.; металлы типа калия, натрия и др.; гидриды металлов и металлорганических соединений, тлеющие материалы типа хлопка, склонные к гетерогенному горению по механизму тления. Расход воздуха на горение индивидуальных химических соединений при горении 1 кг жидких и твердых веществ и V = 106,6, при горении 1 м3 паров или газов определяется по формуле

VВ0 = 106,6n / zM,

где z — число молей горючего вещества; М — молекулярная масса горючего вещества, кг/моль.

Расход воздуха на горение веществ, представляющих смесь химических соединений (древесина, торф, нефть, природный газ и др.), определяется по формулам:

при горении 1 кг жидких и твердых веществ

VВ0 = 0,269(C / 3 + Н + S / 8 – О / 8);

при горении 1 м3 газа

VВ0 = (2СН4 + 0,5Н2 + 0,5CО + l,5H2S – О2) / 21,

где С, Н, S, О — содержание углерода, водорода, серы и кислорода в горючем веществе, %; СН4, Н2, СО, Н2S, О2 — содержание метана, водорода, окиси углерода, сероводорода и кислорода в газе, %.

23

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы или единицы объема некоторых горючих веществ, приводится в таблицах, наряду с составом и объемом продуктов горения (приведенного к нормальным условиям) некоторых горючих веществ и материалов. При горении индивидуальных

химических соединений объем продуктов горения Vг0 определяется из

уравнения реакции горения по формулам:

при горении 1 кг жидкого или твердого вещества

Vг0 = [(nCО2 + nН2О + nN2)] · 22,4 / zМ,

при горении 1 м3 газа

Vг0 = nCО2 + nH2О + nN2 / z,

где Vг0 — объем влажных продуктов горения при нормальных условиях, (м3/кг;

м3/м3); nСО2, nН2O, nN2 — число молей двуокиси углерода, паров воды и азота в уравнении реакции горения; z — число молей горючего вещества.

При горении веществ, представляющих смесь химических соединений (древесина, торф, нефть и др.) при известном элементном их составе, объем продуктов горения определяется по формуле

Vг0 = 8,86С + 32,2H + 3,3S + 0,8N + l,24W – 2,625O,

где С, Н, S, N, W, О — массы углерода, водорода, серы, азота, влаги и кислорода в горючем веществе, кг.

При горении смеси газов объем продуктов горения определяется по формуле

Vг0 = 2,88Н2 + 2,88СО+ 7,64H2S + 10,52СН4 + 12,4С2Н2 + 15,28С2Н4 + СО2 + N2,

где Н2, СО, H2S, СН4, С2Н2, СН4, СО2, N2 — объемы компонентов смеси газов, м3. Из физики горения и взрыва известно, что при полном сгорании единицы массы какого-либо горючего вещества выделяется определенное количество тепла. Количество тепла, выделяемое при сгорании единицы массы или единицы объема горючего вещества, называется удельной теплотой сгорания. Низшей теплотой горения по рабочей массе горючего вещества QН называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании вещества и условии, что влага, содержащаяся в продуктах горения, находится в парообразном состоянии. Для индивидуальных веществ QН — величина постоянная и находится по справочникам, а для сложных многокомпонентных горючих веществ и материалов зависит от их состава и может быть рассчитана

по формуле Д. И. Менделеева:

QН = 339,4С + 1257Н – 108,9(0 – S) – 25,1(9H – W),

где С, Н, О, S — процентное содержание этих компонентов в горючем веществе.

24

Скорость и полнота сгорания, теплонапряженность факела, его температура и размеры зависят, главным образом, от вида горючего и газодинамического режима его истечения (давления истечения, диаметра и формы сопла и т. д.). Максимальная температура факела диффузионного пламени для большинства углеводородных горючих газов варьируется в диапазоне 1350…1500 °С и зависит от структуры диффузионного факела пламени над поверхностью горючей жидкости, механизма и скорости его распространения. Структура диффузионного факела пламени над зеркалом горючей жидкости примерно такая же. Разница заключается в том, что поступающие с поверхности жидкости горючие пары не имеют такого начального запаса кинетической энергии, как струя газа, и до воспламенения смешиваются с окружающей газовой средой более медленно, по механизму конвективной и молекулярной диффузии, а не за счет кинетической энергии втекающего газового потока. Но если к образовавшейся паровоздушной смеси поднести источник зажигания, то возникнет факел пламени, который изменит соотношение газовых и тепловых потоков над зеркалом жидкости: горячие продукты сгорания, как более легкие, устремятся вверх, а на их место из окружающего пространства поступит свежий «холодный» воздух, который приведет к разбавлению паров горючей жидкости. От факела пламени к зеркалу жидкости поступит лучистый поток тепловой энергии, который пойдет на нагревание поверхностных слоев жидкости и по мере их разогрева, интенсифицирует процесс ее испарения (рис. 3).

Если жидкость до воспламенения имела температуру, значительно превышающую температуру воспламенения, то горение паров жидкости над резервуаром или пролитой жидкостью интенсифицируется, размер факела пламени растет. Соответственно, увеличива-

26

кости зависит от скорости образования горючей смеси по механизму молекулярной и конвективной диффузии. Поэтому для жидкостей с температурой ниже температуры воспламенения эта скорость достигает менее 0,05 м/с, а для жидкостей выше температуры воспламенения — 0,5 м/с и более.

Таким образом, скорость распространения пламени по поверхности горючей жидкости зависит в основном от ее температуры.

Рис. 4. Изменение формы и размеров зоны горения при горении жидкости в резервуаре:

а — начало горения; б — развитие процесса горения; в — установившийся режим горения

Структура диффузионного факела пламени при горении твердых горючих материалов примерно такая же, как при горении газов и жидкостей. Есть лишь незначительные качественные и количественные различия. Так, у твердых горючих материалов, как правило, начальная температура, при которой начинается выделение летучих фракций, выше. Например, для древесины она составляет 150…200 °С. Начальный температурный источник для воспламенения твердых горючих материалов зависит от геометрических размеров материала. Для однородных крупноразмерных образцов при малой начальной температуре необходим более мощный и более продолжительный источник зажигания, чем для ЛВЖ и ГЖ.

Для воспламенения тонкодисперсных листовых, порошкообразных твердых горючих веществ и материалов требуется небольшой источник тепла, меньший, чем для некоторых ГЖ, находящихся при низких температурах (ниже температуры воспламенения). Максимальная температура диффузионного пламени большинства видов твердых горючих материалов органического происхождения достигает 1200…1250 °С. После нагревания твердого горючего материала

27

выше 250…300 °С над его поверхностью образуется смесь горючих газов с воздухом, лежащая внутри концентрационных пределов воспламенения. Она воспламеняется, и весь процесс повторяется, как при горении паров горючей жидкости. Отличие состоит в том, что под слоем угля и в нем самом после протекания первых стадий горения возникают дополнительные жидкостные экзотермические процессы: догорание угольного остатка и различные пиролитические процессы (деструкция и неполное окисление продуктов пиролиза).

Эти процессы еще больше разогревают твердое горючее и интенсифицируют выход газообразных летучих фракций в зону горения.

Скорость горизонтального распространения пламени по твердым веществам и материалам ниже, чем горючим жидкостям. Она измеряется несколькими сантиметрами в секунду и менее зависит от температуры, геометрических размеров и пространственной ориентации горящей поверхности. На рис. 5 показана зависимость скорости распространения пламени по поверхности древесины от ее начальной температуры в диапазоне температур 100…200 °С.

Скорость распространения пламени в этом интервале температур описывается эмпирической зависимостью вида:

Vp = Адр / tB – ti,

где Адр = 7 (см · °С)/с; tВ — температура максимальной скорости распространения пламени (выше температуры начала пиролиза ТГМ). Численное значение Vp сильно возрастает с ростом температуры ТГМ, выше определенных значений. В отличие от ЛВЖ, ГЖ при горении твердых горючих материалов они могут

28

быть по-разному расположены в пространстве и горящая поверхность может занимать горизонтальное, наклонное и вертикальное положения. Когда горение распространяется вверх, по направлению конвективных газовых потоков, то теплопередача осуществляется не только лучистым теплообменом, но и конвекцией. Пламя и продукты горения в этом случае непосредственно омывают поверхность горения. Скорость нагрева поверхности горения и скорость распространения пламени резко возрастают: они увеличиваются в 5…10 раз и более. На рис. 6 показана зависимость скорости распространения пламени по образцам из древесины от угла их наклона.

Из графика видно, что если скорость распространения пламени по горизонтальной поверхности принять за единицу (а = 90 °С), то по вертикальной поверхности вниз (а = 180 °С) она будет вдвое меньше, а вверх (а = 0 °С) — в 8…10 раз больше.

Скорость распространения пламени по поверхности твердых горючих веществ и материалов зависит от толщины образца (рис. 7) и описывается эмпирической зависимостью вида:

VА = Vр0 + В / b,

где В — экспериментальная величина; b — толщина материала.

Скорость распространения пламени зависит также и от направления и скорости внешних газовых потоков (рис. 8). Встречный поток воздуха в 2—3 раза снижает скорость распространения пламени по поверхности твердого горючего материала, а попутный, соответственно, в 2…3 раза увеличивает ее. При больших скоростях газовых потоков, при встречном направлении произойдет «остановка» фронта распространения или срыв пламени, а при попутном — его ускорение или срыв.

29

В реальных условиях горения при пожаре на скорость распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов могут влиять сразу несколько факторов. Тогда скорость распространения пламени будет увеличиваться под действием каждого из них, возрастая в десятки и сотни раз.

2.3. Особенности механизма горения газообразных, жидких и твердых горючих веществ и материалов

Различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение встречается на пожаре чаще. При гомогенном горении оба реагента (горючее и окислитель) находятся в газовой (паровой) фазе. Гомогенным является горение не только горючего газа или паров горючих жидкостей, но и большинства твердых горючих материалов.

Гетерогенное горение происходит тогда, когда горючее находится в твердом состоянии, а окислитель — в газообразном, и реакция окисления горючего осуществляется в твердой фазе. Молекулы горючего до начала окисления не покидают твердой фазы, а легкоподвижные молекулы газообразного окислителя поступают к молекулам горючего и вступают с ними в экзотермическую реакцию горения, образуя окисел. Образовавшийся же продукт неполного окисления (СО) или продукт горения (СО2), будучи газообразным, не остается «связанным» в пределах твердой фазы, а, покидая ее, выходит за ее пределы, в первом случае доокисляясь в газовой фазе до СО2, во втором — удаляясь с отходящими газами. Так, например, горит углерод в слое угля.

Существуют вещества, которые проходят через три агрегатных состояния: твердое горючее вещество плавится, расплавленное горючее вещество испаряется и горит в паровой фазе (например, парафин, стеарин, некоторые виды каучуков). Все горючие жидкости перед воспламенением испаряются, а смесь паров с кислородом воздуха вступает в окислительную реакцию горения, образуя продукты горения и выделяя при этом тепловую и световую (лучистую) энергию.

За счет связанного кислорода или кислорода, растворенного в жидкости, окислительные процессы могут идти и в жидкой фазе, особенно на ее поверхности. Эти окислительные реакции при высоких температурах могут ускоряться, но они, как правило, не относятся к реакциям горения, и поэтому не рассматриваются при изучении механизма горения на пожаре.

То же самое происходит и при горении твердых веществ и материалов. Их воспламенению предшествует возгонка, т. е. выделение легколетучих газовых фракций из структуры твердого тела (древесины, углей, сланцев и многих натуральных и синтетических твердых горючих материалов). При нагревании может наступить термическое разложение (пиролиз) горючего материала (его «твердой» основы). Выделяющиеся при этом продукты переходят в паровую или газовую фазу и смешиваются с кислородом воздуха, затем вступают в химическое

30