- •5. Горение твердых веществ и материалов
- •5.1. Виды, состав и свойства твёрдых горючих веществ и материалов
- •5.2. Поведение твердых горючих веществ и материалов при нагревании
- •5.4. Распространение горения по твердым горючим материалам
- •5.5. Воспламенение и горение древесины
- •5.6. Пыли и их свойства
- •5.7. Теория горения аэровзвесей
- •5.8. Пределы воспламенение аэровзвесей
- •5.9. Горение металлов
- •Вопросы для самоконтроля
5. Горение твердых веществ и материалов
5.1. Виды, состав и свойства твёрдых горючих веществ и материалов
При тушении пожаров чаще всего приходится сталкиваться с горением твёрдых горючих веществ и материалов (ТГМ). Поэтому знание механизмов возникновения и развития горения ТГМ является важным при изучении дисциплины «Теория горения и взрыва».
Большинство ТГМ относится к классу органических веществ (см. рис. 5.1), состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органических веществ может входить хлор, фтор, кремний и другие химические элементы, причем большинство составляющих ТГМ элементов являются горючими.
Значительно меньшее количество ТГМ относится к классу неорганических веществ, многие из которых также являются пожаровзрывоопасными. Хорошо известна пожарная опасность, например, магния, натрия, который склонен к самовозгоранию при контакте с водой. Кроме того, тушение пожаров металлов связано со значительными сложностями, в частности, из-за непригодности для этих целей большинства огнетушащих веществ.
Необходимо учитывать, что при измельчении ТГМ их пожаровзрывоопасность резко усиливается, например, древесина, зерно, уголь в состоянии пыли становятся взрывоопасными. Древесная пыль в цехе по производству древесноволокнистых плит начинает взрываться уже при концентрации 13-25 г/м; мука пшеничная на мельницах – при концентрации 28 г/м3, угольная пыль в шахтах – при 100 г/м3. Металлы при измельчении их до пудры самовозгораются на воздухе. Можно привести и другие примеры.
Состав ТГМ оказывает влияние на особенности их горения (см. табл. 5.1). Так, целлюлозные материалы, кроме углерода и водорода, содержат кислород (до 40-46 %), который участвует в горении так же, как и кислород воздуха. Поэтому целлюлозным материалам необходим значительно меньший объем воздуха для горения, чем для веществ, в состав которых кислород не входит (пластмассы).
Рис. 5.1. Классификация твердых горючих веществ и материалов
Этим же объясняется сравнительно низкая теплота горения целлюлозных материалов и их склонность к тлению. Среди них особо выделяются волокнистые (вата, лен, хлопок), полости и поpы которых также заполнены воздухом, что способствует их горению. В связи с этим они чрезвычайно склонны к тлению, для них неэффективен метод тушения изоляцией, более того, в реальных условиях они практически не тушатся. Горение таких веществ протекает без образования сажи.
Характерным свойством других целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием горючих паров, газов и углеродистого остатка. Так, при разложении 1 кг древесины образуется 800 г горючих газообразных продуктов разложения и 200 г древесного угля, при разложении 1 кг торфа – 700 г летучих соединений, а хлопка – 850 г. Кроме природы горючего, количество и состав выделяющихся летучих веществ зависит от температуры и режима нагревания данного вещества.
Таблица 5.1.
Состав некоторых целлюлозных материалов
Горючий материал |
Элементный состав, % |
Влага W, % |
Теплота горения кДж/кг |
Объем воздуха для горения VB, м3/кг
| |||
С |
Н |
О |
N | ||||
Древесина дуба |
46 |
6 |
39 |
1 |
7 |
До 20000 |
5-6 |
Солома |
39 |
5 |
42 |
1 |
8 | ||
Торф |
38 |
6 |
14 |
19 |
8 |
Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при затрудненном теплоотводе возможно их самонагревание и горение. Для предотвращения самовозгорания необходимо следить, чтобы целлюлозные материалы в больших массах и при плотной укладке не нагревались выше 100 0С.
Несколько иной состав имеют полимерные материалы (см. табл. 5.2). Они отличаются высоким содержанием углерода, большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объём воздуха (10-12 м3/кг), к тлению они, как правило, не склонны, поэтому для них эффективно прекращение горения методом изоляции. Горение полимера сопровождается выделением сажи и значительного выделения теплоты горения, что затрудняет их тушение. Вода как огнетушащее средство недостаточно эффективна, лучший результат дает применение огнетушащей пены, порошковых составов.
При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Некоторые из них разлагаются с выделением летучих продуктов реакции, подобно целлюлозным, однако большинство из них плавятся и образуют на поверхности материала жидкий слой (1-2, иногда 6-8 мм). Стекающий расплав образует жидкий слой толщиной несколько сантиметров и способствует быстрому распространению горения по наклонным и вертикальным поверхностям. В большинстве случаев горение является гомогенным, то есть горит смесь воздуха и газообразных продуктов разложения.
Таблица 5.2.
Состав некоторых полимерных материалов
Полимеры |
Элементный состав, % |
Влага W, % |
Теплота горения кДж/кг |
Объем воздуха для горения VB, м3/кг
| |||
С |
Н |
О |
N | ||||
Каучук |
88 |
11 |
- |
- |
- |
До 50000 |
10-12 |
Полиэтилен |
86 |
14 |
- |
- |
- | ||
Капролактам |
63 |
9 |
14 |
12 |
- |
При газификации полимеры выделяют чрезвычайно токсичные продукты, такие как синильная кислота, хлористый водород, бензолы, диоксиды и т. д.