Самозаймання, самозагоряння, спалах

Горіння. Правильне уявлення про горіння склалося понад 200 років тому. М.В. Ломоносов уперше довів, що процес горіння полягає в хімічному сполученні горючих речовин з повітрям. Пізніше (1773 р.) французький уче­ний Лавуазьє продовжив дослідження М.В.Ломоносова і встановив, що під час горіння з горючою речовиною спо­лучається не все повітря, а лише одна з його складових частин - газ, який він пізніше назвав киснем.

Так було науково доведено, що горіння - це швидко­плинна екзотермічна реакція окислення горючих речовин киснем повітря, внаслідок чого виділяється велика кіль­кість тепла і випромінюється світло.

Горючий матеріал - це будь-яка тверда, рідка або га­зоподібна речовина, здатна окислюватися з виділенням тепла і випромінюванням світла.

Окислювачем може бути не тільки кисень, а й хлор, фтор, сірка, бертолетова сіль, азотна кислота тощо. Із зменшенням концентрації кисню горіння сповільнюєть­ся, а при наявності в повітрі лише 14...15% кисню горіння припиняється. Наявність горючого середовища становить значну пожежну небезпеку, оскільки це може бути постій­ною загрозою пожежі.

Джерела займання поділяють на відкриті (світні) - по­лум'я, іскри, розжарені предмети, світлове випроміню­вання - і приховані (не світні) - теплота хімічних реакцій, абсорбції, тертя, удар тощо.

Найнижча температура, при якій речовина займаєть­ся і починає горіти або тліти, називається температурою займання. Вона залежить від природи речовини, атмос­ферного тиску, вмісту кисню в повітрі тощо і для різних матеріалів неоднакова. Деревина, наприклад, займаєть­ся при температурі 270...300°С, графіт - при 225...280°С, а кам'яне вугілля - при 400...500°С.

Температура займан­ня твердих матеріалів (500...580°С) завжди менша від температури їх полум'я. Так, полум'я сірника має темпе­ратуру 750...860°С, а тління цигарки - 700...750°С, темпе­ратура полум'я дерев'яної тріски становить 850...1000°С,

— 257 —

а бензинової запальнички - 1200...1300°С.

Температура полум'я під час пожеж становить 800...1300°С, а сам процес горіння відбувається тим швидше, чим вища температура навколишнього при­родного середовища. Тому дуже важливо не дати роз­горітися пожежі, загасити полум'я на самому початку.

Вибух. У виробничих приміщеннях, ємкостях, колодя­зях, на складах і відкритих майданчиках легко займисті та горючі рідини можуть утворювати вибухові паропові­тряні суміші. Вибухонебезпечні також усі горючі гази, пил, волокна тощо.

Вибух - окремий випадок горіння, який відбувається внаслідок раптового розкладу або згорання речовини і супроводжується короткочасним виділенням великої кількості теплоти, світла, газів або пари, які створюють великий тиск на навколишнє природне середовище, що призводить до руйнувань. Вибухи, що виникають внаслі­док хімічних процесів, пояснюються величезною швид­кістю реакції розкладу, яку вимірюють у кілометрах в се­кунду.

Під час горіння газу й пароповітряних сумішей темпе­ратура звичайно не перевищує 1400°С. Під час вибуху суміші протягом кількох часток секунди температура до­сягає 2000°С. Ступінь вибухонебезпечності сумішей нео­днаковий. Він залежить від кількості, тобто концентрації, суміші в повітрі. Найменша кількість (у процентах) газів, пари або пилу в повітрі, що утворює вибухонебезпеч­ну суміш, називається нижньою границею вибуховості (НГВ) суміші, а найбільша - верхньою границею вибухо­вості (ВГВ). Чим більша різниця між НГВ і ВГВ, тим вибухо-небезпечніша речовина. Наприклад, бензин має НГВ 2%, а ВГВ - 4,8%, водень - відповідно 4,1 % і 75%, ацети­лен - 1,53 і 82%, бутан - 1,6 і 8,5%, пропан - 2,3 і 9,5 %. Отже, найнебезпечнішими є водень і ацетилен.

Щоб запобігти утворенню вибухових паро- і газо- по­вітряних сумішей, потрібно знати, де у приміщеннях ті чи інші пари і гази можуть нагромаджуватись. Пари й гази, які мають густину більшу, ніж повітря, звичайно накопичу­ються в нижніх частинах приміщень (у підвалах, колодя­зях), а гази й пари, густина яких менша від густини пові­тря, заповнюють верхні зони приміщень. Важливо також знати концентрацію горючих газів і парів у приміщеннях, їх визначають різними методами

— 258 —

газового аналізу, газо­аналізаторами і газосигналізаторами.

Для локалізації вибухів пило повітряних сумішей у вентиляційних системах влаштовують гравійні фільтри і перекривні клапани, в електрообладнанні застосо­вують щільний захист, у приміщеннях - інертні гази або мінеральні присадки. Слід ураховувати також, що, чим дрібніші частинки пилу, тим він не безпечніший щодо за­ймистості та вибуху.

Крім зазначених заходів запобігання вибухам можуть бути ще такі: зберігання газів і рідин відповідно до норм, зниження НГВ порівняно з мінімальною; віддалення ви­бухонебезпечних сумішей від джерел вибуху (вогню, уда­рів, тертя тощо).

Займання, самозаймання, само загоряння і спалах. Горіння, що виникло внаслідок дії на горючий матеріал відкритого вогню (полум'я, іскри), називається займан­ням. Горінню будь-якого матеріалу завжди передує по­вільний процес окислення, причому реакція окислення екзотермічна і за певних умов може самоприскорюватись, спричиняючи горіння матеріалу.

Горіння, що виникло внаслідок дії на горючий матері­ал теплоти, називається самозайманням. Температура самозаймання - це найнижча температура, до якої тре­ба нагріти речовину, щоб внаслідок подальшого само­окислення вона розігрілась до самозаймання. Найнижчу температуру самозаймання має фосфор (30°С), а найви­щу - магній (670°С).

Само загоряння — тривалий процес виникнення го­ріння, що проходить внаслідок дії хімічних, фізико-технічних і біологічних явищ, які відбуваються в речовині. Отже, само загоряння виникає без стикання горючого ма­теріалу з відкритим полум'ям і без теплоти.

За своєю природою процеси самозаймання і само загоряння однакові. Проте перший характеризується по­переднім нагріванням речовин до температури самозай­мання, а другий відбувається без попереднього нагріван­ня, оскільки температура речовини нижча від звичайної. Обидва процеси врешті-решт закінчуються горінням.

Усі самозагоряючі речовини за природою виникнення поділяють на такі групи: речовини рослинного походжен­ня; вугілля і торф; масла і жири; хімічні речовини і суміші.

— 259 —

До самозагоряючих речовин рослинного походження належать тирса, сіно, солома тощо. Особливо підлягають само загорянню вологі рослинні продукти, в яких про­довжується життєдіяльність мікроорганізмів. Наявність вологи в рослинних продуктах при деяких температурах супроводжується розмноженням мікроорганізмів, інтенси­фікація життєдіяльності яких спричинює підвищення тем­ператури. За сприятливих для акумуляції теплоти умов (наявність значної кількості рослинного продукту, напри­клад, скирта сіна чи силос у башті) температура може ста­новити 70°С. При цій температурі мікроорганізми гинуть, а їхнє розкладання супроводжується подальшим підви­щенням температури з утворенням пористого вугілля, яке може поглинати пари й гази в більших обсягах. Цей процес також супроводжується виділенням теплоти і по­ступовим підвищенням температури до 100...130°С, при цьому відбувається розпад нових сполук з виникненням пористого вугілля. При температурі 200°С розпадається клітковина, що входить до складу рослинних продуктів, і створюється новий вид вугілля, яке може дуже інтенсив­но окислюватись.

Окислення вугілля, що виникло внаслідок розпаду кліт­ковини, призводить до подальшого підвищення темпера­тури аж до виникнення горіння. Самозагорятись може також вугілля, одержане при термічному розпаданні це­люлозних матеріалів (дерев'яне вугілля). Це вугілля може самозагорятись тільки у свіжо виготовленому стані.

Деякі види вугілля (буре, кам'яне) можуть самозагоря­тись, якщо вони складені в штабелі та купи. Причинами само загоряння є їхня здатність окислятися при низьких температурах та адсорбувати (поглинати) кисень, пові­тря та інші гази чи пари. Проте основною причиною само загоряння є окислення вугілля. Адсорбція вугіллям парів і газів також супроводжується підвищенням температури. Адсорбція вологи спричинює підвищення температури ву­гілля до 60...75°С, а подальше виділення теплоти відбува­ється за рахунок органічної маси.

Торф (переважно фрезерний) самозагоряється вна­слідок протікання в його масі біологічних (життєздат­ність мікроорганізмів) і хімічних (окислення) процесів. Мікроорганізми починають розмножуватися в торфі при

— 260 —

температурі 10...18°С і закінчують при 70°С. Органічна маса торфу найбільш інтенсивно окислюється при тем­пературі 40...60°С, а починаючи з 70°С він розігріваєть­ся насамперед за рахунок теплоти, що виділяється при окисленні.

Часто причиною пожеж, особливо на складах і у вироб­ничих приміщеннях, є само загоряння жирів і масел міне­рального чи тваринного походження, олій, якими просо­чені волокнисті матеріали і тканини.

Мінеральні масла (машинне, солярове, трансформа­торне) - це суміш переважно граничних вуглеводів, у чи­стому вигляді вони самозагорятись не можуть.

Само загоряння може статися при наявності сумішей олій. Олії (конопляна, лляна, соняшникова, бавовняна) і масла тваринного походження (вершкове) є сумішшю гліцеридів жирних кислот.

Само загоряння масел, олій і жирів виникає за наявнос­ті в їхньому складі неорганічних сполук, великої поверхні окислення і малої тепловіддачі, деякого відношення їхньої кількості і просоченого ними матеріалу і деякої його щіль­ності. Самозагоряються оліфи, приготовані з лляної олії, а також відходи і за мішки деяких нітролаків.

Багато хімічних речовин і їхніх сумішей при стиканні з повітрям чи вологою можуть само нагріватись, що не­рідко закінчується само загорянням. Зіткнувшись з по­вітрям, самозагоряються алюмінієвий порох, карбіди лужних металів, цинк, залізо в порошку тощо, а при вза­ємодії з водою - карбіди лужних металів, оксид кальцію (негашене вапно), пероксид натрію тощо. У разі змішу­вання однієї речовини з іншою самозагоряються азотна кислота, пероксиди водню і натрію, марганцевокислий калій, селітри, хромовий ангідрид, карбіди лужних мета­лів тощо. Так, дія азотної кислоти на деревину, папір, тканини, скипидар спричинює загоряння їх. Ацетилен, водень, метан і етилен самозагоряються в атмосфері хлору при денному світлі. Відповідно до властивостей речовин, що можуть самозагорятись, існують деякі до­пуски, визначені спеціальними правилами транспорту­вання і зберігання їх з іншими речовинами.

Спалахом називають швидке згоряння парів, газів, рі­дин або газо чи пильно вітряної суміші з киснем повітря, після чого

— 261 —

горіння припиняється. Про здатність матеріалів загорятися судять здебільшого за температурою спалаху і займання. Температура спалаху - це та найнижча темпе­ратура, за якої над поверхнею рідини або іншого матеріа­лу утворюється суміш пари з повітрям, здатна займатися, якщо піднести відкритий вогонь.

Займисті рідини більш пожежонебезпечні, ніж тверді го­рючі матеріали і речовини, оскільки вони швидше займа­ються, інтенсивніше горять, утворюють вибухові паропові­тряні суміші і погано гасяться водою. Температуру спала­ху різних речовин визначають приладами у лабораторних умовах. Вона може становити від 50°С (сірковуглець С3₂) до 300°С (лляна олія). Температура спалаху різних речовин і матеріалів коливається у межах від -50 до +100°С і вище. Температуру спалаху враховують при виборі мате­ріалів і призначенні технологічних процесів. Вона є важли­вим показником пожежної небезпеки матеріалів.

Більшість матеріалів має вищу температуру запалення, ніж температуру спалаху. Тому при нагріванні матеріалів і речовин (твердих, газоподібних, рідких) вони випарову­ються, створюється вибухонебезпечна суміш з повітрям і, перш ніж почнеться самозапалення, станеться спалах.

Властивість продуктів горіння. Температурний ре­жим при пожежах. Тверді, рідкі і газоподібні речовини, що утворюються в процесі горіння, називаються продуктами згоряння. Склад і властивість продуктів згоряння зале­жать від складу горючої речовини і умов горіння.

Вуглець, водень, сірка і фосфор, що входять до складу горючих речовин органічного і мінерального походження, в процесі горіння окислюються і створюють оксид вугле­цю - СО і оксид вуглецю (IV) - СО₂, водяні пари - Н₂0, сір­чаний газ - SО₂ і фосфорний ангідрид - Р₂О₅. Усі ці продук­ти, за винятком оксиду вуглецю, далі горіти не можуть.

Залежно від умов впливу повітря горіння може бути повним і неповним. Повне горіння відбувається при до­статній кількості повітря, а неповне - при недостатній. Для органічних горючих речовин в умовах неповного горіння характерне виділення не тільки перерахованих вище про­дуктів, а й різного роду органічних сполук (спиртів, кетонів, альдегідів, кислот).

— 262 —

Продукти згоряння (особливо ті, що виділяються в умо­вах неповного горіння чи внаслідок термічного розпадання різного роду полімерних сполук) загрожують життю і здо­ров'ю людини. Так, вдихання 0,4% оксиду вуглецю смер­тельне, 8...9% концентрація оксиду вуглецю (IV) також не­безпечна для життя людини. Ще більш небезпечні продукти термічного розпадання хімічних речовин: фосгену, хлоро­водню, синильної кислоти тощо. Небезпечна для здоров'я і життя людей також теплота, що виділяється при пожежі. Вдихання під час пожежі протягом кількох хвилин повітря, що має температуру 60...70°С, спричинює смерть.

Кількість теплоти, що виділяється при пожежі, і темпе­ратура навколишнього природного середовища значною мірою залежать від теплоти згоряння речовини. Кількість теплоти для вуглеводнів, нафти і нафтопродуктів стано­вить 39900...46200 Дж/кг, для кам'яного вугілля - 8400... 31500 Дж/кг, а для деревини і бавовни - 8400...16800 Дж/кг. Теплота, що виділяється під час пожежі, руйнує також обладнання і будівельні конструкції, сприяє поширенню пожежі на суміжні приміщення і будівлі, а також чинить опір діям, направленим на гасіння пожежі.

Дійсна температура горіння речовини завжди нижча від теоретичної, оскільки горіння відбувається при зна­чних недостачі повітря і втратах теплоти. Так, теоретична середня температура горіння деревини становить 1600°С, а дійсна - не перевищує 1100°С; для бензину ця темпера­тура становить відповідно 1700 і 1200°С, а для природно­го газу - 2000 і 1500°С.

Для оцінки характеру зміни температури при пожежі з урахуванням різних умов горіння прийняте поняття темпера­турний режим, тобто зміна в часі середньої температури в приміщенні. Так, узагальнення численних даних про пожежі в житлових і громадських будинках привело до введення поняття стандартного температурного режиму, в умовах якого перевіряють вогнестійкість будівельних конструкцій.

Особливості горіння різних речовин. У виробничих умовах можуть утворюватися суміші горючих газів чи парів У різних кількісних відношеннях (концентрація парів і газів у цих сумішах може змінюватись від 0 до 100%). Проте

— 263 —

вибухонебезпечними ці суміші можуть бути не завжди, а тільки тоді, коли концентрація горючого газу чи пари зна­ходиться між межами вибухових концентрацій. Крім того, горіння паро- чи газоповітряних сумішей характеризуєть­ся швидким розповсюдженням полум'я. Так,при горінні цих сумішей у трубопроводах швидкість розповсюдження полум'я становить 0,3...2,7 м/с, а при горінні їх в ємкостях і апаратах невеликих розмірів - 6,5...10,0 м/с. У разі ви­буху цих речовин в трубопроводах полум'я розповсюджу­ється зі швидкістю 1000...1400 м/с (детонаційне горіння). Ці властивості враховують, вибираючи устаткування засо­бів пожежегасіння даних сумішей.

Пил горючих і деяких негорючих речовин (алюмінію, цинку) в суміші з повітрям може створювати горючі (по­жежо- і вибухонебезпечні) концентрації.

Найнебезпечніші умови для вибуху створює пил, який є в повітрі у великій кількості. Проте і пил, який осів на конструкції, також небезпечний, бо може призвести не тільки до виникнення пожежі, а й до повторного вибуху, спричиненого завихрюванням пилу під час первинного ви­буху. Дуже небезпечна наявність пилу на деревообробних підприємствах, особливо в цехах, у яких виготовляють де­ревне борошно, шліфують дерев'яні вироби та розпилю­ють суху деревину.

При нагріванні пилу, як і газоподібних горючих речо­вин, проходять окислювальні процеси, які при деякій швидкості реакції можуть перейти в самозаймання, що закінчується тлінням чи горінням. Пил однієї і тієї самої речовини залежно від стану має дві температури само­займання: для аерозолю і аерогелю. Так, температура самозаймання деревного борошна в повітрі становить 775°С, а в лежачому стані вона в 2,8 рази нижча (275°С). Пил, який осів, більш небезпечний, оскільки він має зна­чно вищу температуру самозаймання. Цим пояснюється те, що іскри механічного походження запалюють пил, що осів, а не той, що є в повітрі. Проте горіння пилу, що осів, спричинює загоряння пилу, що є в повітрі, горіння якого супроводжується вибухом.

Загоряння аеровиважу і розповсюдження по ньому полум'я відбувається тільки при визначених концентра­ціях пилу, який є в повітрі.

— 264 —

Тверді речовини можуть загорітися внаслідок нагрі­вання деякої частини їх за допомогою полум'я, розжаре­ного тіла чи іскор. Полум'я виникає тоді, коли настає тер­модинамічна рівновага, тобто коли газоподібні продукти, які виділяються при нагріванні твердої речовини, нагріті до температури самозапалення, а їхня кількість і швид­кість виділення достатні для підтримання горіння. Деякі тверді речовини (мінеральна пробка, термиз марки 25, фрезерний торф) при нагріванні не виділяють газоподіб­них продуктів, тому вони лише тліють. Тверді речовини згоряють з різною швидкістю, яка залежить від розміру частинок, вологості, маси, доступу повітря тощо.

Горіння вогненебезпечних рідин у виробничих умовах виникає найчастіше внаслідок запалення, спричиненого дією різного роду теплових джерел (відкрите полум'я, розжарені тіла, іскри електричного чи механічного похо­дження).

Небезпека горіння рідин полягає також у тому, що єм­кості для зберігання їх швидко руйнуються під дією високої температури, внаслідок чого горюча рідина розтікається по приміщенню чи майданчику, створюючи загрозу займання предметів і горючих матеріалів, розміщених поблизу.

Основною умовою виникнення пожежі є наявність го­рючого середовища, що включає в себе горючу речовину і кисень (повітря), а також джерела запалення. Пожежа може виникнути, якщо горюче середовище буде нагріте до певної температури за допомогою джерела запалення (іск­ра, полум'я, хімічна, електрична чи механічна енергія, роз­жарені тіла). Після виникнення вогню постійним джерелом запалення є зона горіння, тобто та ділянка, де відбувається екзотермічна (з'єднувальна чи розкладальна) реакція, яка супроводжується виділенням теплоти і світла.

Вогонь може початися не тільки в середовищі кисню, багато речовин можуть горіти в атмосфері хлору, парів брому, сірки тощо. Горюче середовище може виникнути також при тонко дисперсному розпиленні твердих і рідких речовин.

Основні причини виникнення пожеж розглянуто рані­ше. Слід додати, що усі причини пожеж можна поділити на дві групи.

 

 

— 265 —

До першої групи належать причини, зумовлені не до­пустимою за умовами пожежної безпеки появою горючого середовища при необхідному (допустимому) наявному джерелі загоряння. Ці причини пов'язані з застосуванням чи зберіганням горючих речовин і матеріалів в неперед­бачених місцях, а також зумовлені аварійним станом об­ладнання (наприклад, розривання трубопроводів у ко­тельних, що працюють на рідкому паливі, теча пальних стрічок двигунів внутрішнього згоряння, переливання чи викидання розплавленої маси при варінні бітуму).

До другої групи належать причини, зумовлені недо­пустимою появою джерела загоряння при необхідній (до­пустимій) наявності горючого середовища, тобто горючої речовини і кисню (повітря).

Ці причини -

- пов'язані з застосуванням відкритого вогню в різних

формах;

- зумовлені появою іскор механічного і електричного по­ходження;

- зумовлені перегріванням і розплавленням провідників струму і деталей електроустановок при коротких зами­каннях;

- зумовлені перегріванням електроустановок при струмкових перевантаженнях;

- пов'язані з дією сонячних променів (наприклад, у випадку їхнього фокусування при проходженні крізь прозорі судини, заповнені рідинами);

- сталися внаслідок перегрівання оброблюваних речо­вин понад температуру самозапалення; зумовлені порушенням режиму зберігання і обробки самозаймистих речовин;

пов'язані з недопустимим підвищенням температури при стисканні (переважно під час роботи компресорних установок);

- зумовлені вибухами в технологічному та інженерно-технічному обладнанні.

Друга група причин характерна для будівництва вели­ких об'єктів, а профілактика пожеж в основному зводиться до різних форм попередження можливості появи джерел

— 266 —

запалення.