Материал: Теория горения и взрыва. Возникновение и распространение горения. Оценка пожарозрывоопасности веществ и материалов. Однолько А.А., Колодяжный С.А

2. Процесс вынужденного воспламенения и горения жидкостей

Горение жидкостей, как и веществ в другом агрегатном состоянии, может возникнуть по трем механизмам:

• самовоспламенение;

• вынужденное воспламенение (зажигание);

• самовозгорание.

Чаще всего горение возникает по механизму зажигания (т.е. при воздействии источника зажигания), поэтому более подробно остановится на нем.

С учетом того, что процесс горения жидкости значительно зависит от способности жидкости испаряться, при зажигании жидкости можно выделить три случая:

• t_ж  t_всп;

• t_всп  t_ж  t_воспл;

• t_ж  t_воспл.

Разберем эти случаи более подробно.

Схема воспламенения и распространения горения, если температура жидкости меньше температуры вспышки t_ж  t_всп (на примере дизтоплива с t_всп = 110C, керосина и т.д.):

• воздействие источника зажигания, воспламенения паров сразу не происходит, т.к. паров недостаточно над поверхностью жидкости;

• нагрев участка жидкости источником зажигания, испарение паров и смешивание их с воздухом;

• нагрев паровоздушной смеси и ее окисление;

• самовоспламенение паров, когда концентрация паров достигнет нижнего КПРП _{п н};

• горение паровоздушной смеси;

• выделение теплоты из пламени, за счет изучения от пламени и теплопроводности борта резервуара греются следующие участки жидкости, усиливая испарение паров;

• когда _п  _н, происходит распространение пламени в свежую смесь за счет диффузионно-теплового механизма (тепло передается излучением, (конвекция и теплопроводность практически не работают), а также диффузии активных центров) и так до тех пор, пока пламя не охватит всю поверхность;

• одновременно начинается прогрев в глубину. Верхний слой постепенно прогревается до температуры кипения. Прогрев жидкости в глубину в резервуаре может привести к таким опасным явлениям, как вскипание и выброс.

Таким образом, если t_жt_всп, то возникновению горения предшествует испарение жидкости до тех пор, пока _п_н. При распространении горения горючая жидкость прогревается из пламени за счет излучения и теплопроводности борта резервуара. Скорость распространения зависит от величины теплового потока из пламени.

Схема воспламенения и распространения горения, если температура жидкости выше температуры вспышки, но меньше температуры воспламенения t _всп  t_ж  t_воспл (на примере этилового спирта, t_всп = +13С; t_воспл = +18С):

• воздействие источника зажигания;

• так как t_ж  t _всп, концентрация паров выше нижнего КПРП и паровоздушная смесь уже готова – происходит нагревание паров и их окисление;

• самовоспламенение паров, когда концентрация паров достигнет нижнего КПРП _{п н}^;

• кратковременное сгорание паровоздушной смеси (как правило, в виде хлопка). Так как t_ж  t _восп – устойчивого горения не будет. Для устойчивого горения необходимо дальнейшее длительное нагревание жидкости источником зажигания, как в предыдущем случае.

Таким образом, при t _всп  t_ж  t_воспл скорости испарения паров недостаточно для устойчивого горения паров, произойдет лишь кратковременное сгорание паров (вспышка).

Схема воспламенения и распространения горения, если температура жидкости больше температуры ее воспламенения t_ж  t _восп (на примере бензина, t_всп = – 28С; t_воспл = – 23С):

• воздействие источника зажигания;

• так как t_ж  t _восп, паровоздушная смесь уже готова, происходит нагревание паров и их окисление;

• далее следует самовоспламенение смеси;

• горение паров как газов над всей поверхностью жидкости (взрывообразно, см. главу 4), пламя будет распространяться по паровоздушной смеси по диффузионно-тепловому механизму;

• устойчивое горение жидкости;

• теплота из пламени за счет излучения и теплопроводности борта будет прогревать жидкость в глубину, что усилит испарение и скорость горения.

Таким образом, при t_ж  t _восп наблюдается наиболее опасный случай, когда готовая паровоздушная смесь сгорит в виде взрыва и будет наблюдаться дальнейшее устойчивое горение.

Вопросы для самоконтроля

1. Какими механизмами описывают процесс возникновения горения?

2. В каком случае возникновению горения предшествует процесс испарения жидкости под действием источника зажигания?

3. Что является источником зажигания при распространении горения по поверхности жидкости?

4. Опишите процессы, протекающие при зажигании жидкости, если t_ж  t_всп, t_всп  t_ж  t_воспл и t_жt _восп.

5. В каком случае протекает больше процессов, в каком – меньше? Как это связано с уровнем пожарной опасности жидкости?

5.3. Процесс выгорания жидкости. Пожары резервуаров

Пожары резервуаров, которых ежегодно в стране происходит до десятка, часто носят длительный характер. Например, 85 часов длился пожар резервуара РВС-10000 с бензином на Киришинском нефтеперерабатывающем заводе (1986г.), для тушения было израсходовано 900 т пенообразователя. Пожары резервуаров часто сопровождаются такими опасными явлениями, как вскипание и выброс горящей жидкости.

Для понимания процесса горения жидкостей большое значение имеет прогрев жидкости в глубину.

После того, как возникнет горение паровоздушной смеси, происходит нагрев жидкости, в основном, за счет излучения и теплопроводности нагретого борта резервуара.

При нагреве жидкость испаряется и прогревается в глубину следующими способами:

• теплопроводности жидкости (не очень эффективна, прогревает до 2,5 см);

• теплопроводности стенок резервуара;

• конвекции в результате а) различия температур в центре резервуара и у стенок, а также в результате разгонки в верхнем слое и б) поднятие жидкости с пузырьками пара.

Существует два типа распределения температуры:

• слоем (так прогревается бензин (до температур tж = 100 С), нефть (t_ж = 350 С), мазут (t_ж = 300С));

• плавное, без образования слоя (так прогревается керосин, (до температур t_ж = 170-220 С), солярка (t_ж = 300 С), дизельное топливо (t_ж = 230 С), трансформаторное масло (t_ж = 300 С)).

Формирование слоя начинается через десять минут.

Скорость прогрева жидкости увеличивается с ростом:

• содержания влаги (но при этом уменьшается температура слоя);

• скорости ветра;

• диаметра резервуара.

При горении нефти, нефтепродуктов, других сложных жидкостей в верхнем слое происходит фракционная перегонка (бензин, керосин, масла). Поэтому состав нефтепродукта со временем будет отличаться от начального состава. Так как вначале испаряются и сгорают наиболее легколетучие компоненты (бензин), то со временем температуры кипения и скорость испарения, а, следовательно, пожарная опасность жидкости уменьшается, а вязкость и температура горения растет. Последнее связано с тем, что у темных нефтепродуктов чернота пламени, а значит и теплота излучения выше (их сложнее тушить).

Когда говорят о скорости горения жидкостей, то различают:

• нормальную скорость горения паров V_н;

• массовую скорость горения жидкости V_мас (масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади, кг/м²с). У бензина V_мас = 2,9 кг/м²с, дизельного топлива – V_мас = 3,3 кг/м²с;

• скорость выгорания V_выгор (высота слоя жидкости, выгорающая в единицу времени, V_выгор=h/ (м/мин)). У бензина V_выгор = 0,5 см/мин; у дизельного топлива – 0,33 см/мин;

• линейную скорость горения V_лин (расстояние, пройденное огнем по поверхности жидкости за единицу времени, V_лин=l/ (см/мин), V_м=V_л.)

Скорость горения непостоянна и зависит от следующих факторов:

• начальная температура (при низкой температуре теплопотери из пламени больше, скорость испарения меньше и т.д.);

• силы ветра (ветер усиливает подвод кислорода воздуха в зону горения);

• диаметр резервуара. С ростом диаметра скорость горения вначале уменьшается – в связи с уменьшением нагрева жидкости стенкой, а затем увеличивается – в связи с переходом горения в турбулентный режим, увеличением черноты пламени и, следовательно, – увеличением теплопотока к поверхности жидкости)

• уровень жидкости (с уменьшением уровня увеличивается отрыв пламени от поверхности жидкости, уменьшается теплопередача). В больших резервуарах не имеет практического значения. Теоретически возможна критическая высота борта, при которой горение невозможно. Этот фактор используют в установках самотушения, которые представляют собой технический пол, состоящий из трубок такой длины и диаметра, в которых горение жидкости при аварийном проливе невозможно.

Как указывалось выше, при пожарах резервуаров прогрев жидкости в глубину связан с опасностью вскипания и выброса.

Вскипание – переход в пар большого количества мелких капелек воды, находящейся в нефтепродукте, и образование переливающейся через борт пены.

Вскипание приводит к выходу горения из резервуара и распространению горения на окружающую территорию, что создает опасность для личного состава, техники, соседних резервуаров. Надо отметить, что вскипание – процесс достаточно медленный.

К вскипанию склонны те нефтепродукты, которые содержат воду и прогреваются до температуры, выше температуры кипения воды (более 100 °C). Например, нефть, содержащая 1% воды, вскипает через 45 мин.

Также вскипание часто наблюдается в момент подачи пены, при контакте сравнительно холодного огнетушащего вещества и высоконагретой горючей жидкости.

Механизм вскипания можно описать следующим образом:

• вода нефтепродукта опускается вниз вследствие снижения вязкости и скапливается на границе прогретого и холодного слоя;

• при повышении температуры до 100 °С вода превращается в пар, пузырьки которого образуют пену.

Признаки вскипания:

• увеличение размеров факела пламени;

• шипящий шум.

Следует учитывать, что вскипание часто происходит без указанных признаков.

Вторым опасным явлением при пожарах резервуаров является выброс – более быстрое и опасное, но сравнительно реже встречающееся явление.

Под выбросом понимают быстропротекающий переход в пар воды, находящейся в нефтепродукте (чаще на дне), образование повышенного давления и взрывообразный выброс нефтепродукта.

Условия выброса:

• под слоем продукта находится вода;

• продукт прогревается с образованием гомотермического слоя, достигающего слоя воды;

• температура продукта выше температуры кипения воды.

На практике выброс не наблюдался у керосина, дизтоплива, бензина. Это объясняется тем, что керосин и дизтопливо не образуют гомотермического слоя (не происходит «термоудара и мгновенного вскипания»), бензин образует слой, но температура, до которой он нагревается, ниже температуры кипения воды, поэтому вода не вскипает.

Время выброса можно рассчитать:

[мин], (5.5)

где Н_ж – высота жидкости в резервуаре, м;

h_в.п. – высота водяной подушки в резервуаре, м;

V_выгор – скорость выгорания жидкости, см/мин;

V_{прогрева} – скорость прогрева жидкости, см/мин.

Для мазута скорость выгорания V_выгор = 0,17 м/мин; V_{прогрева} = 0,55 м/мин.

Выбросу могут предшествовать вибрация стенок, шум, возрастание размеров факела.

В качестве защиты от вскипания и выброса используют следующие меры:

• очистка нефтепродукта от воды и примесей (центров парообразования);

• охлаждение стенок для предотвращения прогрева жидкости;

• оперативность (успеть потушить пожар до вскипания и выброса);

• подача пены порциями при угрозе вскипания для охлаждения поверхности;

• организационные мероприятия (назначение ответственного за выполнение требований безопасности, установление единого сигнала оповещения, ограничить нахождение личного состава и техники внутри обвалования [19]).

Вопросы для самоконтроля

1. Какими способами прогревается жидкость при горении по горизонтали и в глубину?

2. От каких факторов зависит скорость прогрева жидкости при горении в глубину?

3. Почему при длительном горении состав нефтепродукта со временем меняется?

4. Какие скорости горения различают при горении жидкости?

5. Какие факторы влияют на скорость горения?

6. Что понимают под вскипанием при пожарах горючих жидкостей? Опишите механизм вскипания и назовите его признаки.

7. Что понимают под выбросом при пожарах жидкостей? Назовите условия выброса.

8. Опишите меры защиты от вскипания и выброса.

Глава 6. Горение твердых горючих

веществ и материалов,

пылевоздушных смесей и металлов

1. Горение целлюлозных и полимерных

твердых горючих веществ и материалов

6.1.1. Влияние состава твердых горючих веществ и материалов

на особенности горения

На большинстве пожаров чаще всего приходится сталкиваться с горением твердых горючих веществ и материалов (ТГВМ). Поэтому изучение механизмов возникновения и развития горения ТГВМ является особенно важным в подготовке специалистов пожарной безопасности.

Состав ТГВМ оказывает влияние на особенности их горения, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.

Большинство ТГВМ относится к классу органических веществ (рис.6.1), состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органических веществ входит также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Как видим, большинство составляющих ТГВМ элементов являются горючими.

Рис. 6.1. Классификация твердых горючих веществ и материалов

Значительно меньшее количество ТГВМ относится к классу неорганических веществ, многие из которых также являются пожаровзрывоопасными. Хорошо известна пожарная опасность, например, магния, натрий склонен к самовозгоранию при контакте с водой. Кроме этого, как мы увидим далее, тушение пожаров металлов связано со значительными сложностями, в частности, из-за непригодности для этих целей большинства огнетушащих веществ.

Целлюлозные материалы, как видно из табл. 6.1, помимо 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 воздух не входит (например, пластмассы). Этим же объясняется сравнительно низкая теплота горения целлюлозных ТГВМ и их склонность тлению.

Таблица 6.1

Состав некоторых целлюлозных материалов