Фізико-хімічні основи процесу горіння
Фізико-хімічні основи процесу горіння
Пожежа являє собою неконтрольоване горіння, що розповсюджується в часі і просторі, небезпечне для людей і завдає матеріальної шкоди.
Небезпечними для людей факторами пожежі є відкритий вогонь, іскри, підвищена температура, токсичні продукти горіння, дим, зменшення вмісту кисню, обвалення будівель або установок.
Горіння - швидко що протікає фізико-хімічна реакція, що супроводжується виділенням теплоти і диму, появою полум'я або тлінням. У звичайних умовах горіння є процесом окислення або з'єднання горючої речовини з киснем повітря. Однак деякі речовини (наприклад стислий ацетилен, хлористий азот, озон) можуть вибухати і без кисню з утворенням теплоти і полум'я. Отже, горіння може бути результатом реакцій не тільки з'єднання, але і розкладання. Відомо також, що водень і багато металів можуть горіти в, атмосфері хлору, мідь - в парах сірки, магній - в двоокису-вуглецю і т. Д.
Найбільш небезпечно горіння, що виникає при окисленні горючої речовини киснем повітря. При цьому необхідна наявність джерела запалювання, здатного повідомити горючої системі необхідну кількість енергії. Найбільш поширеними джерелами запалювання є: іскри, що з'являються при несправності електрообладнання, ударі металевих тіл, зварюванні, ковальських роботах; теплота, що виникає в результаті тертя; технологічні нагрівальні пристрої; апарати вогневого дії; теплота адіабатичного стиснення; іскрові разрядц статичної електрики; перегрів електричних контактів; хімічні реакції, що протікають з виділенням теплоти.
Температура нагріву цих джерел різна. Так, іскра, що виникає при ударі металевих тіл, може мати температуру до 1900 ° С, полум'я сірника близько. 800 ° С, провідний барабан стрічкового конвеєра при пробуксовці - до 600 ° С, а в розпал електричного розряду температура доходить до 10 000 ° С, при цьому майже миттєво завершуються хімічні реакції.
Горіння може бути повним і неповним. При повному горінні, що протікає при надлишку кисню, продуктами реакції є діоксид вуглецю, вода, азот, сірчистий ангідрид. Неповне горіння відбувається при нестачі кисню, продуктами горіння в цьому випадку є отруйні і горючі речовини - оксид вуглецю, спирти, кетони, альдегіди та ін. Для повного згоряння горючої речовини необхідна певна кількість повітря: 1 кг деревини - 4,18, торфу - 5 , 8, пропану - 23,8 м3.
Процес горіння можна уявити собі таким чином. Холодна горюча середовище за введення теплового імпульсу розігрівається, відбувається інтенсивне окислення горючої середовища киснем і додаткове виділення теплоти. Це, в свою чергу, призводить до розігріву сусіднього шару горючої речовини, в якому також протікає інтенсивна хімічна реакція. При такому пошаровому згоранні горючої речовини відбувається переміщення зони горіння; швидкість цього переміщення визначає інтенсивність процесу горіння і є його найважливішою характеристикою. Процес пошарового розігріву, окислення і згоряння триває до тих пір, поки не вичерпається весь обсяг горючої речовини.
Вузьку зону, в якій підігрівається речовина і протікає хімічна реакція, називають фронтом полум'я.
Горючі системи можуть бути хімічно однорідними і неоднорідними. Хімічно однорідні системи - це суміші горючих газів, парів або пилу з повітрям, в яких рівномірно перемішані горючою речовиною і повітря. Горіння таких систем називається гомогенним. У хімічно неоднорідних системах горючою речовиною і повітря не перемішані і мають межу розділу. Це найчастіше тверді горючі матеріали і їх горіння називають гетерогенним.
Повний час згоряння горючої суміші тг складається з часу, необхідного для виникнення контакту між горючою речовиною і киснем τк. і часу, протягом якого відбувається сама хімічна, реакція окислення τx
Залежно від співвідношення цих двох складових розрізняють горіння диффузионное і кінетичне. При горінні твердих горючих речовин час, необхідний для проникнення (дифузії) кисню до поверхні речовини, набагато більше часу хімічної реакції, тому загальна швидкість горіння повністю визначається швидкістю дифузії кисню до пального речовини. Горіння таких речовин найбільш часто зустрічається на пожежах і називається дифузійним. Горіння, швидкість якого визначається швидкістю хімічної реакції, називають кінетичним. Цей вид горіння характерний для однорідних горючих систем.
Розрізняють калориметричну, теоретичну і дійсну температуру горіння.
Калориметричній температурою горіння називають температуру, до якої нагріваються продукти повного згоряння, якщо вся виділилася теплота витрачається па їх нагрівання, кількість повітря одно теоретично необхідного, відбувається повне згоряння речовин і початкова температура дорівнює 0 ° С. Втрати теплоти при цьому приймають рівними нулю. Якщо початкова температура горючої речовини і повітря дорівнює 0 ° С, то калориметрична температура горіння
де Qн - нижча теплота згоряння горючої речовини, ккал / кг; V - об'єм продуктів згоряння, м3 / кг; с - середня об'ємна теплоємність продуктів згоряння, ккал / м3 · град.
Отже, калориметрична температура горіння залежить тільки від властивостей горючої речовини і не залежить від його кількості. Теоретична температура горіння враховує втрати теплоти при горінні на дисоціацію. Калориметрична температура горіння є найбільшою для горючої речовини і застосовується для якісної оцінки. Насправді при горінні завжди є втрати теплоти на випромінювання, нагрівання надлишкового повітря і навколишнього середовища.
Дійсна температура горіння - це температура пожежі. Розрізняють температуру внутрішнього і зовнішнього пожежі. Температура зовнішнього пожежі - температура полум'я, а внутрішнього - температура диму в приміщенні. Дійсні температури, що розвиваються під час пожежі, внаслідок втрат теплоти в навколишнє середовище, нагрівання продуктів згоряння і конструкцій
завжди менше теоретичних на 30. 50%. Наприклад, теоретична температура горіння бензину 1730 ° С, а дійсна 1400 ° С.
Суміш горючих парів і газів з окислювачем здатна горіти тільки при певному змісті в ній пального.
Найменшу концентрацію горючого газу, при якій вже можливо горіння, називають нижнім концентраційним межею займання (НКМЗ). Найбільшу концентрацію, при якій ще можливе горіння, називають верхнім межею займання (ВКМЗ). Область концентрацій, що лежить всередині цих кордонів, називають областю займання. Займання - це загоряння (початок горіння), що супроводжується появою полум'я. Це стійке тривале горіння, що не припиняється і після видалення джерела запалювання. Значення нижнього і верхнього меж займання залежать від властивостей газу, пари та пилу повітряних сумішей, змісту в горючій суміші інертних компонентів. Додавання в горючу суміш інертних газів звужує область займання і врешті-решт робить її негорючої. Значно звужують межі займання деякі домішки, що уповільнюють реакції горіння. Найбільш активними з них є спеціальні суміші вуглеводнів. Обидва зазначених властивості використовують для припинення горіння. Зниження тиску суміші нижче атмосферного також звужує область займання, і при певному тиску суміш стає негорючою. Збільшення тиску горючої суміші розширює область займання, але, як правило, незначно. Підвищення температури горючої суміші розширює область займання. На концентраційні межі запалення впливає також потужність джерела запалювання.
Розрізняють не тільки концентраційні, але і температурні межі займання.
Температурними межами займання парів у повітрі називаються такі температури горючої речовини, при яких його насичені пари утворюють концентрації, відповідні нижньому чи верхньому концентраційного межі займання. Температурою займання називають ту найменшу температуру, при якій речовина загоряється або починає тліти і продовжує горіти або тліти після видалення джерела займання. Температура займання характеризує здатність речовини до самостійного горіння. Якщо температура займання у речовини відсутній, то його відносять до важко або негорючим.
Прискорення реакції окислення під дією температури призводить до самозаймання. На відміну від процесу загоряння, при якому загоряється тільки обмежена частина обсягу - поверхня, самозаймання відбувається в усьому обсязі речовини. Під температурою самозаймання розуміють наинизший температуру, до якої треба нагріти речовину, щоб в результаті подальшого самоокисления воно запалало. Самозаймання можливо тільки в тому випадку, якщо кількість теплоти, що виділяється в процесі окислення, перевищить віддачу теплоти в навколишнє середовище.
Температура самозаймання не є постійною для речовини, так як вона в значній мірі залежить від умов її визначення. Для отримання порівняльних даних випробувальна апаратура і методика визначення температури самозаймання газів і парів стандартизована (ГОСТ 13920-68). Яка визначається стандартним методом найменшу температуру, до якої повинна бути рівномірно нагріта суміш газів і парів з повітрям для того, щоб вона запалала без внесення в неї зовнішнього джерела запалювання, називають стандартною температурою самозаймання.
Різновид самозаймання - самозаймання, т. Е. Горіння в результаті самонагрівання без впливу джерела запалювання. Різниця між самозаймання та самозаймання полягає у величині температури. Самозаймання відбувається при температурі навколишнього повітря, а для самозаймання необхідно нагріти речовина ззовні.