Механизм процесса теплового самовозгорания веществ

Современные представления о тепловом самовозгорании веществ и материалов базируется на представлении о блуждающих "горячих точках", которые формируются по определенным закономерностям. Представим дисперсную систему (рис. 3) ограниченных размеров (кипы ваты, хлопка, мешки с рыбной мукой и т.п.). Система и окружающая среда имеют температуру Т_о, а внутри ее образовалась небольшая зона, в которой начались окислительные процессы.

Рис.3. Схема возникновения "горячей точки"

В результате окисления стала выделяться теплота, которая распространяется во все стороны (конвекцию учитывать не будем). Температура в реакционной зоне будет постепенно расти и достигнет значений, при которых начнутся процессы термической деструкции твердого материала с выделением продуктов разложения. Последние будут конденсироваться и адсорбироваться на поверхности вещества. Обязательным условием такого процесса является наличие кислорода и развитой поверхности горючего вещества. Чем больше дисперсность материала, тем больше его удельная поверхность, а значит и выше скорость процессов окисления, разложения, конденсации и адсорбции, в результате которых выделяется и накапливается внутри материала теплота:

q₊ = q_р + q_дестр + q_конд + q_адс,

где q₊ - тепловой эффект реакций окисления;

q_дестр - тепловой эффект реакций термической деструкции;

q_конд - теплота конденсации продуктов разложения;

q_адc - теплота адсорбции продуктов реакций.

Если скорость теплоотвода будет ниже скорости тепловыделения в зоне реакций, то начнется процесс самонагревания внутри объема вещества. С увеличением температуры данный процесс будет ускоряться за счет увеличения скорости реакций и интенсивности тепловыделения. Если кислорода в зоне реакций достаточно, а отвод теплоты в окружающую среду затруднен, то непрерывный процесс самонагревания может перейти в качественно новую стадию - самовозгорание. Процессы самонагревания и самовозгорания развиваются, как правило, в диффузионной области, и скорость их зависит от скорости поступления (диффузии) кислорода снаружи в зону реакции. Самовозгоранию подвержены легкоокисляющиеся пористые и волокнистые вещества и материалы, имеющие в себе большой запас молекулярного кислорода.

Структура горючих материалов по объему неоднородна: разная плотность упаковки, плотность, влажность и т.д. Это приводит к тому, что в большом объеме материала зона реакции будет перемещаться с разной скоростью, в разных направлениях. В той части, где теплоты отводится меньше, температура будет выше. Этот участок будет как бы подвижным тепловым центром реакционной зоны, ее блуждающей "горячей точкой". Максимальная температура будет наблюдаться в наиболее заглубленной части материала.

Первоначальный период самовозгорания часто бывает незаметен, так как продукты термоокислительной деструкции почти полностью адсорбируются внутри вещества. В объеме материала, как правило, возникают одновременно несколько "горячих точек", которые по мере развития процесса сливаются друг с другом с образованием глухих, не сообщающихся с поверхностью вещества прогаров. Обнаружение таких прогаров при исследовании пожара является однозначным признаком его возникновения в результате самовозгорания.

Причиной возникновения "горячих точек" в некоторых материалах растительного происхождения являются микробиологические процессы. В органических веществах, подобных зерну, шерсти, рыбной муке, сену, торфу и т.п., вследствие жизнедеятельности микроорганизмов выделяется теплота, которая аккумулируется в объеме материала. При достижении температуры 60-70 °С микроорганизмы погибают. Однако к этому времени уже формируются блуждающие "горячие точки", и начинается процесс теплового самовозгорания.

Анализ приведенного выше выражения показывает, что условия самовозгорания зависят от химической природы материала, его формы и массы, начальных и граничных условий теплообмена с окружающей средой. Для каждого сыпучего или волокнистого материала существуют свои критические условия самовозгорания. Расчетные методы их определения отсутствуют, хотя и накоплен большой экспериментальный материал, на базе которого разрабатываются мероприятия по предотвращению пожаров от самовозгорания. Для этого прежде всего необходимы знания параметров пожарной опасности веществ и материалов в конкретных условиях их переработки, хранения и транспортировки.