ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ 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 измельченииТГМ их пожаровзрывоопасность резко усиливается, например, древесина, зерно, уголь всостоянии 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 | До 20000 | 5-6 | |||||
Солома | |||||||
Торф |
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 | - | - | - | До 50000 | 10-12 | ||
Полиэтилен | - | - | - | ||||
Капролактам | - |
При газификации полимеры выделяют чрезвычайно токсичные продукты, такие как синильная кислота, хлористый водород, бензолы, диоксиды и т. д.
5.2. Поведение твердых горючих веществ и материалов при нагревании
Химический состав и строение влияют также и на поведение ТГМ при нагревании. Если при нагревании жидкостей происходит только испарение, то при нагревании ТГМ протекают более сложные процессы (см. рис. 5.2).
Большинство из ТГМ при нагревании меняют своё агрегатное состояние, т. е. газифицируются: некоторые из них при нагревании разлагаются (например, древесина); другие плавятся (каучук, некоторые виды пластмасс, в частности, термопласты). В обоих случаях образуются газообразные продукты разложения, способные к горению.
Рис. 5.2. Поведение твердых горючих веществ и материалов при нагревании
При дальнейшем воздействии источника зажигания летучие продукты окисляются (экзотермический процесс), в какой-то момент скорость тепловыделения превышает скорость теплоотвода, происходит самовоспламенение, которое завершается самоподдерживающимся процессом горения. В процессе горения выделяется тепло, которое расходуется, в частности, на разложение или плавление (т. е. газификацию) новых участковТГМ и активацию молекул горючего, другими словами, на поддерживание процесса горения. Необходимо отметить, что существует сравнительно немногочисленная группа ТГМ, которая при нагревании источником зажигания не плавится и не разлагается. К ней относятся антрацит, кокс, древесный уголь и др. Процесс окисления у таких веществ протекает непосредственно на поверхности самого вещества. В этом случае пламя (область пространства, где сгорают пары и газы) не образуется. Напомним, что такое горение называется гетерогенным.
|
|
Принцип действия огнезащиты состоит в том, чтобы: 1) направить пиролиз материала в сторону образования
негорючих газов (см. стадии воспламенения древесины); 2) снизить скорость нагрева поверхности материалов с целью образования слоя угля, обладающего плохой теплопроводностью; 3) создать условия для предотвращения тления угля.
Средства огнезащиты можно разделить на: покрытия, которые обеспечивают образование коксового слоя и предотвращение его горения; пропитки, которые способствуют разложению вещества с минимальным выходом горючих газов и максимальным выходом угля.
Приведем некоторые способы огнезащиты: 1) огнезащитные покрытия, обмазки: суперфосфатная обмазка (СФО), состав: суперфосфат 70 %; вода 30 %; 2) известково-глино-солевая обмазка (ИГСО), состав: известковое тесто – 74 %, глина – 4 %, соль – 11 %, вода – 11 % (способ известен со времен Древнего Рима); огнезащитное покрытие, вспучивающееся ВПД и т. д.; огнезащитные лаки, краски, эмали: огнебиозащитный состав КСД, ЩИТ-1, КО-5221, Силикат-О; 3) огнезащитные пропиточные составы (антипирены): МС, ВИМ, ВАНН-1, NLA-8.