Горение различных веществ и материалов

Научная теория горения впервые была разработана М.В. Ломоносовым в 1756 г. В настоящее время общепризнанными теориями горения являются перекисная теория окисления академика А.Н. Баха, разработанная им в 1897 г., и цепная теория академика Н.Н. Семенова, разработанная в 1927 г.

Согласно перекисной теории окисления в результате взаимодействия окисляемого вещества с кислородом образуется перекись этого вещества. В реакцию вступают возбужденные молекулы кислорода, энергия которых выше средней энергии молекул вещества. Эту энергию

А.Н. Бах назвал энергией активации. Под действием этой энергии молекулы кислорода переходят в активное состояние, которое рассматривается как разрыв одной из двух связей в молекуле кислорода.

Молекулы могут активироваться под действием энергии различных видов. Так, активация молекулы хлора возникает под действием световой энергии, а молекулы кислорода - под действием тепловой энергии. Группа -О-О-, в которой атомы связаны слабее, чем в свободной молекуле, соединяясь с окисляемым веществом, образует перекись - сильный окислитель.

Цепная теория окисления развивает и дополняет перекисную и позволяет объяснить кинетическую сторону явления и причины ускорения процесса, и пути активации реагирующих веществ.

Известно, например, что смесь водорода и хлора, приготовленная в темноте, взрывается на свету. Первичной реакцией возникновения цепи

является распад молекулы хлора на атомы при поглощении кванта света. Атом хлора реагирует с молекулой водорода, образуя атом водорода и молекулу НСl. Образовавшийся при реакции атом водорода реагирует с молекулой хлора, регенерируя атом хлора.

Следовательно, образование одного атома хлора вызывает цепь реакций, прекращающихся тогда, когда в результате рекомбинации или реакции с примесью выбывает активный центр - атом водорода или хлора.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением.

Пожар - неконтролируемое горение, происходящее вне специального очага и наносящее материальный ущерб.

Обычно горение протекает в воздухе, а в качестве окислителя выступает кислород. Однако имеется ряд веществ, которые могут гореть, соединяясь с другими окислителями. Например, ацетилен горит в хлоре, магний - в углекислом газе, фосфор возгорается, вступая в реакцию с хлором и бромом, и т.д. Ацетилен, хлористый азот и ряд других газов при сжатии могут взрываться, в результате происходит разложение вещества с выделением света и тепла. Таким образом, процесс горения может возникнуть не только при химической реакции соединения, но и при реакции разложения.

Химические процессы горения обычно сопровождаются физическими процессами перехода горючего вещества в жидкое и газообразное состояние. Например, воск, парафин и некоторые другие вещества под действием тепла превращаются вначале в жидкость, а затем в пар, который горит пламенем вне горючего вещества. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости сами не горят, а горят их пары, образующиеся на поверхности под воздействием тепла.

Для горения в воздухе горючего вещества необходимо наличие кислорода (не менее 14-15% к объему воздуха) или другого окислителя и температуры, при которой оно может гореть. Горение может происходить не только за счет кислорода воздуха, но и за счет кислорода, содержащегося в составе других

веществ и легко выделяющегося из них (перекиси, хлораты, селитры и др.).

Процесс горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь соприкосновения горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация окислителя, температура и давление. Если устранить хотя бы одну из причин, вызывающих горение, то процесс прекращается.

При пожарах температура достигает 1000-1300С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов, - 3000С.

Взрыв, детонация, вспышка, возгорание, самовозгорание, воспламенение, самовоспламенение - все это разновидности горения.

Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Эта работа совершается в результате возникновения ударной волны - скачкообразного изменения давления, распространяющегося в среде со сверхзвуковой скоростью.

Распространение взрыва, обусловленное прохождением ударной волны по веществу и протекающее для данного вещества при данных условиях с постоянной сверхзвуковой скоростью (порядка тысяч метров в секунду), называется детонацией.

В условиях производства могут образоваться взрывоопасные смеси горючих газов и паров (при определенной концентрации их в воздухе) - бензина, толуола, этилового спирта, ацетона, этилацетата и др. - в цехах глубокой и флексографской печати, лакировальных отделениях, отделениях изготовления фотополимерных форм, зарядки аккумуляторов. Это может происходить при отсутствии эффективной системы вентиляции, нарушении технологии, несоответствии электроустановок требованиям ПУЭ и т.д. Взрывоопасные смеси с воздухом образует также находящаяся в нем во взвешенном состоянии пыль крахмала, бумаги, алюминия, магния, канифоли, шеллака и т.д. Наиболее опасна пыль, которая образует взрывоопасные смеси с

воздухом при концентрации до 15 (алюминий, канифоль, шеллак и др.).

Вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. При этом выделяется недостаточно теплоты для образования новой концентрации паров горючей смеси, и горение прекращается.

Возгорание - возникновение горения под действием источника зажигания.

Самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) в отсутствие источника зажигания. Самовозгорание может быть тепловое, микробиологическое и химическое.

Тепловое самовозгорание возникает при внешнем нагреве вещества (материала, смеси), превышающем температуру его самовозгорания, т.е. самую низкую температуру, при которой возникает его самонагревание. Например, дубовая, сосновая, еловая древесина и изделия из нее при температуре окружающей среды более 100С начинают самонагреваться - происходит разложение ее нестойких соединений. При 230-270С разложение ускоряется, и начинается окисление. Процесс разложения древесины является экзотермическим, и если тепло, выделяющееся при окислении, превышает теплоотдачу в окружающую среду, то накопление тепла приводит к самовозгоранию.

Чтобы предупредить тепловое самовозгорание, необходимо предохранять горючие вещества и материалы от действия внешних источников тепла.

Микробиологическое самовозгорание происходит в результате самонагревания, возникающего под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси). К микробиологическому самовозгоранию склонны вещества растительного происхождения (в основном не высушенные) - сено, солома, опилки, листья, влажный рыхлый торф и др.

Химическое самовозгорание возникает в результате химического взаимодействия веществ. Например, некоторые бурые и каменные угли, сложенные в бурты, способны вследствие окисления и адсорбции самонагреваться и при недостаточной теплоотдаче в окружающую среду - самовозгораться. Если смочить волокнистые или измельченные материалы (например, вату, ветошь, древесные или даже металлические опилки) растительными маслами или животными жирами, то они распределяются тонким слоем по большой поверхности этих материалов, а затем интенсивно окисляются и полимеризуются, что сопровождается значительным выделением тепла. Промасленный волокнистый материал, сложенный в груду, имеет низкую теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому накапливаемое тепло способствует ускорению процесса окисления и полимеризации, а также дальнейшему повышению температуры. Как только температура промасленного материала достигнет температуры воспламенения масла, произойдет его самовозгорание.

Минеральные масла (продукты переработки нефти) к самовозгоранию не склонны.

Воспламенение - это возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовоспламенение - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

В практике промышленных предприятий известны случаи самовозгорания промасленных обтирочных материалов и спецодежды, сложенных в груду; ледерина, покровный слой которого содержит льняное масло.

Некоторые химические вещества могут самовозгораться или вызывать возгорание других веществ на воздухе, при действии на них воды и при смешивании друг с другом.

В результате реакции окисления, особенно в присутствии влаги, самовозгораются некоторые металлические порошки (алюминия и цинка),

поэтому их надо хранить в герметически закрытых сосудах.

К веществам, вызывающим горение при действии на них воды, относятся карбиды кальция и щелочных металлов, гидриды щелочных и щелочноземельных металлов и др. Эти вещества при взаимодействии с водой обычно выделяют горючие газы, которые, нагреваясь за счет теплоты реакции, самовозгораются.

К веществам, самовозгорающимся при смешении друг с другом, относятся хлор и другие галоиды, азотная кислота, хромовый ангидрид, хлорная известь, перекись натрия и калия и др. Одни их этих окислителей при смешении или соприкосновении при нормальной температуре с органическими веществами могут вызывать их самовозгорание. Другие самовозгораются при действии на смесь окислителя с горючим веществом, серной или азотной кислот, при ударе или нагревании.

К веществам, самовоспламеняющимся на воздухе, относятся фосфор, цинковая и алюминиевая пыль, сульфиды, карбиды щелочных металлов и др.

Склонность к самовозгоранию веществ и материалов учитывают при разработке мер пожарной профилактики при их хранении, транспортировке, сушке, выполнении технологических операций и т.д.

Перечень показателей, необходимых для оценки пожаровзрывоопасности и пожарной опасности веществ и материалов в зависимости от их агрегатного состояния, приведен в табл. 1 приложения к Федеральному закону «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. Федеральный закон РФ 123».

Основными показателями при оценке пожарной опасности жидкостей являются: группа горючести; температура вспышки; температура воспламенения и концентрационные пределы воспламенения. Основные показатели при оценке пожарной опасности твердых веществ и материалов - группа горючести; температура воспламенения, температура самовоспламенения, склонность к самовозгоранию.

Группа горючести. Вещества и материалы подразделяются по горючести на три группы: негорючие, т.е. неспособные к горению на воздухе обычного состава; трудногорючие, которые могут возгораться и гореть при наличии источника зажигания, но не способны самостоятельно гореть при его удалении; горючие, возгорающиеся от источника зажигания и продолжающие гореть при его удалении. Горючие материалы подразделяются, в свою очередь, на легковоспламеняющиеся, т.е. такие, которые возгораются от источника зажигания незначительной энергии (спичка, искра и т.п.) без предварительного нагрева, и трудновоспламеняющиеся, которые возгораются только от сравнительно мощного источника зажигания.

Температура вспышки - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения.

Термин «температура вспышки» обычно относится к горючим жидкостям, но некоторые твердые вещества (камфара, нафталин, фосфор и др.), испаряющиеся при нормальной температуре, также характеризуются температурой вспышки. Чем ниже температура вспышки горючей жидкости, тем большую опасность представляет она в пожарном отношении.

По правилу Орманди и Грэвена температура вспышки равна

t в = t кип. Х К

где - температура кипения, град. К; К - коэффициент, равный 0,736.

По пожарной опасности в зависимости от температуры вспышки горючие жидкости делят на два класса:

1-й класс - легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) - бензин, толуол, бензол, ацетон, метиловый и этиловый спирты, эфир, керосин, скипидар и др.;

2-й класс - горючие жидкости (ГЖ) - минеральные масла, мазуты, формалин и др.;

Температура воспламенения - это температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества (материала, смеси), при которой резко увеличивается скорость экзотермических реакций, заканчивающихся горением с образованием пламени.

Температура самовоспламенения не является постоянной даже для одного и того же вещества. Она зависит от концентрации кислорода в воздухе, давления, условий теплоотдачи в окружающую среду и т.д. Например, температура самовоспламенения горючих газов и паров колеблется в пределах 300-700С, дерева, торфа, бумаги, картона - 250-400С, целлулоида - 140-180С, винипласта - 580С, резины - 400С.

Концентрационные пределы воспламенения - минимальная и максимальная концентрации области воспламенения, т.е. области концентраций горючего вещества, внутри которой его смеси с данным окислителем (обычно воздухом) способны воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением горения по смеси сколь угодно далеко от источника зажигания. Например, для ацетона нижний концентрационный предел воспламенения (взрыва) составляет 2,6%, а верхний - 12,2% (объемных), для бензина А-76 соответственно 0,76% и 5,03%, для этилового спирта - 3,3% и 18,4%, природного газа 5% и 16% и т.д.

Взрывоопасность горючих газов, паров и пыли тем больше, чем меньше нижний концентрационный предел воспламенения и чем больше разрыв между нижним и верхним пределами воспламенения. Таким образом, взрывоопасность прямо пропорциональна размеру области воспламенения.

Пожары классифицируются по виду горючего материала и подразделяются на следующие классы.

Пожары твердых горючих веществ и материалов (А).

Пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ и

материалов (В).

Пожары газов (С).

Пожары металлов (D).

Пожары горючих веществ и материалов электроустановок, находящихся под напряжением (Е).

Пожары ядерных материалов, радиоактивных отходов и радиоактивных веществ (F).