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

3.4. Микробиологические самовозгорание

Микробиологическим называется самовозгорание, вызванное самонагреванием в результате жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества.

Физическая основа – плохая теплопроводность. Способствует: плохая теплопроводность, влага (активизирует микроорганизмы), засоренность, нагрев.

Перечислим основные группы веществ, склонных к микробиологическому самовозгоранию.

Торф

Более склонен низинный торф, фрезерный (с ненарушенной структурой, позволяющей проникать воздуху).

Причина – биологические и химические процессы при низких температурах.

Первый импульс нагрева дает жизнедеятельность бактерий и грибков (от 10 – 18 ^оС разогревается до 70 ^оС, при этой температуре бактерии гибнут). Но при достигнутой температуре активизируются окислительные процессы, далее включается адсорбция образовавшегося угля, торф самонагревается до 160 ^оС, после чего начинается его тление.

Растительные материалы

К ним относятся силос, комбикорма, недозревшие, пророщенные зерновые, опилки.

В качестве примера приведем схему микробиологического самовозгорания зерна:

1. нагрев зерна вследствие жизнедеятельности микроорганизмов и клеток (60 – 70 С);

2. при этой температуре микроорганизмы гибнут, но начинается распад белковых соединений, образуется пористый уголь, нагрев за счет адсорбции угля (t = 100/130 ^оС);

3. образуются новые порции угля, t = 200 ^оС;

4. начинается окисление, разлагается клетчатка, t = 250 ^оС;

5. начинается выход летучих соединений (метана, оксида углерода, других горючих газов) и их окисление, t = 400 – 500 ^оС;

6. при наличии кислорода температура поднимается до 1000 – 1200 ^оС;

7. внизу зерновой массы образуется «кокон», газы проникают вверх, при наличии источника зажигания (например, при разрушении кокона газы будут контактировать с тлеющим углем) возможен взрыв.

Для предупреждения микробиологического самовозгорания зерна в элеваторах необходимо: закладывать на хранение сухое зерно, осуществлять газовый контроль надсилосного пространства (появление водорода и ацетилена говорит о высоких температурах в массе вещества, температурный контроль силосного пространства).

Необходимо отметить, что одно и то же вещество может быть склонно к разным видам самовозгорания (химическому, микробиологическому, тепловому), табл. 3.2

Таблица 3.2

Склонность веществ к разным видам самовозгорания

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите определение микробиологического самовозгорания. Что является физической основой этого вида самовозгорания, что способствует ему?

2. Перечислите основные группы веществ, склонных к микробиологическому самовозгоранию.

3. Опишите микробиологическое самовозгорание основных веществ.

4. Может ли вещество быть склонным к разным видам самовозгорания?

5. В чем состоит принцип предотвращения микробиологического самовозгорания?

Глава 4. Горение газопаровоздушных смесей

4.1. Основные закономерности горения газопаровоздушных смесей

Пожары парогазовоздушных смесей (ГПВС) могут происходить везде, где обращаются горючие газы или горючие жидкости.

Исследованием горения газов начал заниматься проф. В.А. Михельсон¹., посвятивший этому вопросу свою диссертацию «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей» (M., 1890)

Им, в частности, показано, что горение не может существовать не распространяясь. Основные положения теории горения газов сформулировал Я.Б.Зельдович в 1942 г. при участии Н.Н. Семенова, Д.А. Франк-Каменецкого, К.И. Щелкина, Кеннета Вильсона. Из числа современных исследователей горения газопаровоздушных смесей необходимо назвать в первую очередь А.Я. Корольченко, В.И. Макеева, С.И. Таубкина, Ю.Н. Шебеко, А.В. Мишуева, В.М. Казеннова, Т. Хирано (Токийский университет).

Основные закономерности горения ГПВС:

• смесь горючего газа с воздухом горит только в определенных количественных соотношениях. Существуют так называемые концентрационные пределы распространения пламени (КПРП, показатель пожаровзрывоопасности, подробнее см. раздел 4.2);

• концентрационные пределы распространения пламени не постоянны и зависят от многих факторов – мощности источника зажигания, концентрации флегматизаторов и т.д.;

• высокая скорость кинетического горения газопаровоздушных смесей образует избыточное давление  Р и ударную волну, т.е. часто протекает в виде взрыва;

• взрыву предшествует ряд физико-химических процессов (окисление, самовоспламенение, затем только горение газопаровоздушной смеси, высокая скорость горения которой сопровождается образованием избыточного давления и ударной волны);

• скорость пламени не постоянна, она стремится к возрастанию и переходу к детонации;

• распространение пламени подчиняется определенным закономерностям.

Понятие концентрационных пределов распространения пламени и факторов, влияющих на них, является очень важным для понимания природы горения ГПВС, поэтому рассмотрим их подробнее в следующих разделах.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите исследователей, занимавшихся проблемами горения газов.

2. Опишите основные закономерности горения газопаровоздушных смесей.

3. Как можно использовать для обеспечения ПБ зависимость КПРП от ряда факторов?

4. Что образует избыточное давление и ударную волну при горении ГПВС?

4.2. Концентрационные пределы распространения пламени (кпрп) газопаровоздушных смесей, снижение пожарной опасности веществ с помощью факторов, влияющих на кпрп

КПРП – минимальное и максимальное содержание горючего в смеси, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Например, нижний КПРП метана СН₄ равен 5 %, верхний КПРП – 15 %, другими словами, распространение горение будет происходить при концентрациях больше 5 % и меньше 15 %. Водород Н₂ имеет КПРП 1 – 80 %. [8, 9].

Ранее КПРП называли концентрационными пределами воспламенения (КПВ) или областью воспламенения. Эти названия могут встречаться в литературе до настоящего времени.

С помощью КПРП можно оценивать пожарную опасность вещества, они являются показателем пожаровзрывоопасности. Зная значение КПРП вещества, можно принимать меры по обеспечению пожаровзрывобезопасности, в частности, путем выбора безопасных концентраций.

Наличие КПРП объясняется тепловой и цепной теорией распространения пламени¹ (теориями с похожими названиями объясняют природу самовоспламенения, см. гл. 2).

Согласно тепловой теории наличие КПРП определяется тем, что при определенных концентрациях теплопотери из фронта пламени превышают тепловыделение и горение становится не возможным. Однако тепловая теория не объясняет эффекты ингибирования.

Согласно цепной теории наличие КПРП объясняется тем, что при определенных концентрациях скорость образования активных центров в разветвленных ценных реакциях равна скорости обрыва реакционных цепей, т.е. распространение пламени осуществляться не может.

В гомологическом ряду предельных и непредельных углеводородов нижний и верхний КПРП уменьшаются. Уменьшение НКПРП увеличивает пожарную опасность веществ, а уменьшение ВКПРП ее уменьшает. Несмотря на такое разнородное влияние, в общем можно говорить об увеличении пожарной опасности с ростом гомологического ряда.

КПРП вещества являются не постоянными величинами, они зависят от множества факторов. Применение влияния этих факторов на КПРП позволяет обеспечивать пожаровзрывоопасность ГПВС.

Факторы, влияющие на кпрп

1. Концентрация флегматизаторов

С увеличением концентрации негорючих газов (СО₂, N₂) КПРП сужаются, пожарная опасность – уменьшается.

Различные флегматизаторы в разной степени влияют на КПРП, что определяется их теплоемкостью. На рис. 4.1 показано влияние концентрации флегматизаторов (диоксид углерода СО₂, азота N₂, аргона Ar на КПРП метана.

Существует показатель пожаровзрывоопасности – минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора (см. прил.).

Рис. 4.1. Изменение КПРП метана под воздействием различных флегматизаторов

Для диоксида углерода СО₂ она равна 25 %, для аргона Ar – 50 %, т.е. диоксид углерода в данном случае в качестве флегматизатора эффективней аргона.

2. Мощность источника зажигания

Источник зажигания – средство энергетического воздействия, инициирующее горение.

Источником зажигания могут служить:

а) открытый огонь и раскаленные продукты горения;

б) тепловое проявление механической энергии;

в) тепловое проявление химической реакции;

г) тепловое проявление электроэнергии;

д) внезапное адиабатическое сжатие, ударная волна.

С уменьшением мощности источника зажигания КПРП вещества сужаются, пожарная опасность уменьшается.

Для каждой горючей смеси существует предельная мощность источника зажигания, начиная с которой смесь может воспламениться. Зная минимальную мощность источника зажигания для того или иного вещества, можно подбирать такие характеристики электросети, чтобы не допускать возникновения горения.

3. Концентрация кислорода

С уменьшением концентрации кислорода КПРП сужаются, пожаровзрывоопасность вещества уменьшается.

Указанный фактор характеризует такой показатель пожаровзрывоопасности, как минимальная концентрация кислорода, при которой горение не распространяется (МВСК).

4. Турбулентность

С увеличением турбулентности, увеличивается скорость движения газового потока, увеличивается теплоотвод, следовательно, КПРП сужаются, пожаровзрывоопасность вещества уменьшается.

5. Температура смеси

С уменьшением температуры смеси скорость химической реакции уменьшается, следовательно, область воспламенения сужается. Особенно сильно заметно на предельных концентрациях.

6. Давление

С ростом давления молекулам легче вступить в реакцию, следовательно, КПРП расширяются, а пожаровзрывоопасность смеси увеличивается. Особенно это заметно на верхних КПРП.

7. Объем и диаметр сосуда

При уменьшении объема и диаметра сосуда увеличивается площадь теплоотдачи на единицу объема, КПРП сужаются, пожаровзрывоопасность уменьшается. Существует минимальные объем и диаметр сосуда, меньше которых распространение пламени не происходит.

В связи с непостоянством значений КПРП вводится понятие предельно допустимой взрывоопасной концентрации (ПДВК).

ПДВК – максимальная концентрация горючего газа в воздухе, при которой обеспечивается пожаровзрывобезопасность (еще не происходит распространение пламени, какие бы факторы ни влияли).

Значение ПДВК определяется как произведение нижнего КПРП на коэффициент безопасности, значение которого определяется нормативными документами: