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

Свечение пламени имеет химическую природу, является результатом превращения вещества и определяется радикалами СН˙ и НСО˙. При этом толщина зоны свечения соответствует толщине зоны реакции. К настоящему времени можно считать доказанным, что в пламени имеет место как термическая ионизация газа, так и ионизация за счет элементарных химических актов (хемионизация).

При высоких температурах, какие имеют место в пламени, кинетическая энергия соударяющихся частиц (атомов, молекул) может быть достаточна не только для их возбуждения, но и ионизации, т.е. отщепления электронов. Естественно, возможен и обратный процесс – рекомбинация заряженных частиц с образованием нейтральных молекул. Основной причиной образования ионов и электронов в зоне пламени является хемионизация, механизм которой считают изученным недостаточно.

Цвет пламени – зависит от накаленных твердых частиц, находящихся в зоне горения и строения горючего вещества.

Частицы металлов придают пламени следующие цвета:

Al – белый, Cu – зеленый,

Mg – белый, Li – красный, Nа – желтый.

Кроме этого, цвет пламени зависит от строения вещества. Так, при горении капрона образуется голубое пламя; полиэтилена – снизу голубое, сверху желтое.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под пламенем?

2. Из каких зон состоит пламя?

3. Приведите примеры характерных температур пламени различных веществ.

4. Перечислите виды пламени.

5. От чего зависит свечение и цвет пламени?

1.2.3. Продукты горения. Дым

Продукты горения – газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом в процессе горения.

Состав продуктов горения зависит:

• от температуры и условий горения, наличия кислорода O₂. При низкой температуре и недостатке О₂ выделяются продукты неполного сгорания, при достаточном количестве воздуха и высокой температуре должны образоваться продукты полного сгорания. Продукты неполного сгорания очень токсичны;

• от состава горючего вещества (при наличии углерода в горючем веществе, в продуктах горения будет СО₂, Н₂ – Н₂О и т.д.).

По агрегатному состоянию продукты горения разделяют на следующие:

• твердые (образуются при горении неорганических веществ: Р2О5, Nа2О, СаО, МgО и т.д.);

• жидкие (пары воды, кислот, альдегидов, кетонов и т.д.);

• газообразные (СО, СН4, Н2 и т.д.).

Дым – дисперсная (измельченная) система, состоящая из мельчайших твердых и жидких частиц, взвешенных в смеси продуктов горения (полных и неполных), продуктов термоокислительного разложения и воздуха.

Горючие вещества выделяют значительный объем продуктов горения. Так, при горении 1 м³ бензина выделяется порядка 12,5 м³ продуктов горения, 1 кг бумаги – 4 м³; 1 м³ природного газа – 10 м³. Это способствует тому, что при пожарах создается избыточное давление и дым быстро распространяется по всему горящему зданию, создавая опасность для людей. Известно, что ¾ людей на пожарах гибнет от воздействия продуктов горения.

Цвет дыма зависит от состава горючего вещества и условий горения.

Так, при горении древесины образуется серый или черно-белый дым; резины – черный; соломы – желтый; тканей – бурый.

Иногда эти сведения становятся полезными при разведке пожара (в пути следования цвет дыма дает представление о виде горящих веществ), восстановлении картины пожара при расследовании (экспертизе) пожаров.

Опасность дыма определяется его:

• токсичностью (оксид углерода – угарный газ, синильная кислота, окислы азота и т.д.);

• высокой температурой (300 – 700 С, в то же время опасной для человека считается температура 70 С);

• непрозрачностью (при видимости менее 10 м у человека создается паническое состояние, которое мешает предпринять правильные действия для спасения);

• наличием в дыму несгоревших взрывоопасных продуктов горения (оксид углерода СО, метан СН₄, этилен С₂Н₄, водород Н₂, пары спиртов, альдегидов и т.д.);

• пониженным содержанием кислорода (до 12-15 %, тогда как для нормального функционирования организма необходимо порядка 21 % кислорода).

Действие токсичных продуктов горения и термоокислительного разложения в условиях пожара протекает при повышенных температурах, а повышение температуры, как правило, ускоряет развитие токсикологического процесса.

Повышение температуры способствует проявлению специфических особенностей токсического действия яда, малозаметного при обычных условиях, повышает чувствительность животных к токсическому действию практически всех исследованных ядов. Например, летальная концентрация оксида углерода при 18 – 20 °С для мышей составляет 8, а при 32 – 34 °С ‑ 4 мг/л.

Имеются данные о том, что повышение влажности и понижение парциального давления кислорода также усиливает токсическое действие ядов на организм.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляют собой продукты горения, от чего зависит их состав?

2. Что представляет собой дым и в чем его опасность?

3. Чем определяется цвет дыма?

1.2.4. Расчет объема воздуха, необходимого для горения

При расчете объема воздуха, необходимого для горения, выделяют горение индивидуальных химических соединений (твердые горючие вещества и жидкости, газы, смеси газов) и сложных смесей химических соединений.

Понятия индивидуальных химических соединений и сложной смеси химических соединений подробно рассмотрены в [21].

Используемые при расчетах формулы достаточно просто выводятся из уравнения материального баланса процесса горения. Покажем это на примере горения m кг твердого вещества А (углеводород).

Составим уравнение реакции горения в воздухе:

А + (О₂+3,76N₂) = m СО₂ + n Н₂О+3,76N₂, (1.2)

где  – стехиометрический коэффициент перед кислородом в реакции горения; m, n – число кмоль диоксида углерода и воды;

3,76 – число киломоль азота, который перешел из воздуха в продукты горения.

Из уравнения видно, что для сгорания киломоля горючего вещества А расходуется (4,76) киломоль воздуха (4,76 киломоля воздуха это 1 киломоль кислорода + 3,76 киломоль азота). Одна киломоль газа при заданных условиях температуры и давлении занимает объем, равный V_t [м³].

Таким образом, на сгорание одной кг/киломоль горючего вещества (М кг вещества А) расходуется (4,76V_t) м³ воздуха.

Теперь определим, какой объем воздуха потребуется для сгорания m кг вещества А.

Пропорции имеют вид

М кг  (4,76V_t);

m кг  V_в м³

Отсюда получим формулу для определения объема воздуха, необходимого для сгорания m (кг) вещества А (твердого или жидкого):

[м³], (1.3)

где m – масса вещества, кг;

β – стехиометрический коэффициент;

– объем одного кмоля вещества, см. формулу (1.6);

M – молекулярная масса.

Порядок расчета приведен в [21].

В расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха, формула для расчета общего количества воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества будет иметь вид

[м³]. (1.4)

Поясним физический смысл коэффициента избытка воздуха . Различают теоретически необходимое количество воздуха – минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы или объема горючего вещества. Но на пожаре горение чаще всего происходит с избытком воздуха, и, чтобы учесть этот факт, вводится понятие коэффициента избытка воздуха  (отношение фактического количества воздуха, пошедшего на горение, к теоретически необходимому). Так, если фактическое количество воздуха, пошедшего на горение, в два раза больше теоретически необходимого, то  = 2. Если =1, то объем воздуха, необходимый для горения V_в, равен теоретически необходимому, и такая концентрация воздуха и горючего называется, как мы знаем, стехиометрической.

Если количество жидкости дано в литрах, то для решения задачи по формуле (1.4) необходимо перевести литры в килограммы по формуле

m = V [кг], (1.5)

где m – масса вещества, кг;

V – объем вещества, м³, (в 1 м³ – 1000 литров);

 – плотность вещества, принимая по справочной литературе.

Если давление и температура по условиям задачи не соответствуют нормальным, то объем одного кмоля вещества рассчитывают по формуле, которая также выводится из уравнения материального баланса процесса горения:

[м³], (1.6)

где V_o – объем кмоля вещества при нормальных условиях Р_о = 101,3 кПа,

Т_о = 0 С или 273 К;

V_o= 22,4 м³.

Для газов формула для расчета V_в выглядит так:

[м³]. (1.7)

Для смесей газов:

[м³]. (1.8)

Для сложных смесей химических соединений:

[м³]. (1.9)

Под сложными смесями химических соединений мы будем понимать вещества, не имеющие химической формулы. Так, например, состав древесины будет задан следующим образом: углерода С – 45 %, водорода Н – 6 %, кислорода О₂ – 42 %.

Анализ формул показывает, что решение задач с их использованием сводится фактически к составлению уравнения горения и определению стехиометрического коэффициента .

Вопросы для самоконтроля

1. Для каких видов веществ имеются формулы для расчета объема воздуха, необходимого для горения?

2. Выведите формулу из уравнения материального баланса горения для расчета объема воздуха, необходимого для горения горючего газа.

3. Что понимают под сложными смесями химических соединений?

1.2.5. Расчет объема продуктов горения

Расчет объема продуктов горения V _пг применяется при расчете температуры горения Т_гор, температуры взрыва Т_взр, давления взрыва Р_взр (что, в свою очередь, необходимо при определении категории помещений по пожарной и взрывопожарной опасности).

Для расчета объема продуктов горения применяются следующие формулы.

Для твердых горючих веществ и материалов и жидкостей:

[м³], (1.10)

где _ni – количество киломолей продуктов горения;

m – масса горючего вещества, кг;

V_t – обьем одного киломоля горючего вещества при заданных условиях (1.6);

М – молекулярная масса.

Если давление и температура по условиям задачи не соответствую нормальным, то объем одного киломоля вещества рассчитывают по формуле

[м³]. (1.11)

Если горение протекает с избытком воздуха, то непрореагировавший кислород воздуха, а с ним и азот, будут попадать в продукты горения. Поэтому при расчете общего числа киломолей продуктов горения учитывается избыточное количество киломолей кислорода и азота:

О₂= (-1) [кмоль], (1.12)

N₂=3,76  (-1) [кмоль]. (1.13)

Объем продуктов горения, образующийся при горении газов, рассчитывается по формуле

[м³], (1.14)

где V_Г.Г – объем горючего газа (м³).

Объем продуктов горения, образующийся при горении сложных смесей химических соединений, рассчитывается по формуле

(1.15)

Подробней порядок решения задач рассмотрен в [21].

Вопросы для самоконтроля

1. Для каких целей производится расчет объема продуктов горения?

2. Для каких видов веществ производится расчет объема продуктов горения?

3. Как учитывается в расчетах объема продуктов горения избыток воздуха?

1.3. Тепловые эффекты и тепловой баланс процессов горения

1.3.1. Теплота горения

Химические реакции могут сопровождаться поглощением энергии (в этом случае они называются эндотермическими) и выделением энергии (экзотермические). Горение относится к экзотермическим реакциям.

Количество тепла, выделившееся при сгорании горючего вещества, называется теплотой горения Q_г [кДж].

Если выделившееся тепло приводится к единице количества вещества, то говорят об удельной теплоте горения [кДж/кг, кДж/м³, кДж/моль].

Значение теплоты горения Q_г (или теплового эффекта реакции горения) используют при определении концентрационных пределов распространения пламени (КПРП), температуры горения. Значения теплоты горения горючих веществ приведены в справочниках.

Теплота пожара Q_п практически всегда меньше табличных значений теплоты горения, так как на пожаре обычно сгорает не все горючее вещество, т.е. Q_п =  Q_гор, где – коэффициент недожога (0,7–0,8).