Физико-химический процесс горения

Рассмотрим физико-химические основы процесса горения. Горение — это сложное, быстропротекающее физико-химическое превращение веществ, сопровождающееся выделением тепла и света.

Таким образом, для протекания процесса горения требуется наличие трех факторов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (импульса). Чаще всего окислителем является кислород воздуха, но его роль могут выполнять и некоторые другие вещества: хлор, фтор, бром, йод, оксиды азота и др. Некоторые вещества (например, сжатый ацетилен, хлористый азот, озон) могут взрываться с образованием тепла и пламени. Горение большинства веществ прекращается, когда концентрация кислорода понижается с 21 до 14−18%. Некоторые вещества, например, водород, этилен, ацетилен, могут гореть при содержании кислорода воздуха до 10% и менее.

Источниками зажигания могут служить случайные искры различного происхождения (электрические, возникшие в результате накопления статического электричества, искры от газои электросварки и т. д.), нагретые тела, перегрев электрических контактов и др.

Различают полное и неполное горение. Процессы полного горения протекают при избытке кислорода, а продуктами реакции являются вода, диоксиды серы и углерода, т. е. вещества, не способные к дальнейшему окислению.

В зависимости от свойств горючей смеси горение бывает гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении горючее вещество и окислитель имеют одинаковое агрегатное состояние (например, смесь горючего газа и воздуха), а при гетерогенном — вещества при горении имеют границу раздела (например, горение твердых или жидких веществ в контакте с воздухом).

По скорости распространения пламени различают следующие виды горения: дефлаграционное (скорость распространения пламени — десятки метров в секунду), взрывное (сотни метров в секунду) и детонационное (тысячи метров в секунду). Для пожаров характерно дефлаграционное горение.

Принято различать бедные и богатые горючие смеси в зависимости от соотношения горючего и окислителя. Бедные смеси содержат в избытке окислитель, а богатые — горючее.

Процессы возникновения горения следующие:

• — Вспышка — быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов;
• — Возгорание — возникновение горения под действием источника зажигания;
• — Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени;
• — Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества при отсутствии источника зажигания;
• — Самовоспламенение — самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Взрыв — чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

При пожаре на людей воздействуют следующие опасные факторы: повышенная температура воздуха или отдельных предметов, открытый огонь и искры, токсичные продукты сгорания (например, угарный газ), дым, пониженное содержание кислорода в воздухе, взрывы и др.

Оценим пожарную опасность (пожароопасность) различных веществ и материалов, учитывая их агрегатное состояние (твердое, жидкое или газообразное). Основные показатели пожарной опасности — температура самовоспламенения и концентрационные пределы воспламенения.

Температура самовоспламенения — минимальная температура вещества или материала, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением. Отличие этого процесса от процесса возгорания заключается в том, что при последнем процессе загорается только поверхность вещества или материала, а при самовоспламенении горение происходит во всем объеме. Процесс самовоспламенения происходит только в том случае, если количество теплоты, выделяемое в процессе окисления, превысит ее отдачу в окружающую среду.

Смеси горючих газов, паров и пыли с окислителем способны гореть только при определенном соотношении в них горючего вещества. Минимальную концентрацию горючего вещества, при котором оно способно загораться и распространять пламя, называют нижним концентрационным пределом воспламенения. Наибольшую концентрацию, при которой еще возможно горение, называют верхним концентрационным пределом воспламенения. Область концентрации между этими пределами представляет собой область воспламенения[2].

Значения нижнего и верхнего пределов воспламенения не являются постоянными, а зависят от мощности источника воспламенения, содержания в горючей смеси инертных компонентов, температуры и давления горючей смеси. Кроме концентрационных различают и температурные пределы (нижний и верхний) воспламенения, под которыми понимают такие температуры вещества или материала, при которых его насыщенные горючие пары образуют в окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени.

Температура воспламенения — это минимальная температура вещества или материала, при которой они выделяют горючие пары и газы с такой скоростью, что при наличии источника зажигания возникает устойчивое горение. После удаления этого источника вещество продолжает гореть. Таким образом, температура воспламенения характеризует способность вещества к самостоятельному устойчивому горению.

Температура вспышки (t_всп) — это минимальная температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхнуть от источника. Скорость образования горючих газов при вспышке еще недостаточна для возникновения пламени.

Температура вспышки используется для характеристики всех горючих жидкостей по пожарной опасности. По этому показателю все горючие жидкости делятся на два класса: легковоспламеняющиеся (ЛВЖ), к которым относятся жидкости с температурой вспышки до 61 °C (бензин, ацетон, этиловый спирт и др.) и горючие (ПК) с температурой вспышки выше 61 °C (масло, мазут, формалин и др.).

Температура воспламенения, температура вспышки, а также температурные пределы воспламенения относятся к показателям пожарной опасности. В таблице 1.1 представлены эти показатели для некоторых технических продуктов.

Пыли многих твердых горючих веществ, взвешенные в воздухе, образуют с ним воспламеняющиеся смеси. Минимальную концентрацию пыли в воздухе, при которой происходит ее загорание, называют нижним концентрационным пределом воспламенения пыли. Понятие верхнего концентрационного предела воспламенения для пыли не применяется, так как невозможно создавать очень большие концентрации пыли во взвешенном состоянии.

ГОСТ 12.1.004−76 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» предусматривает следующую классификацию веществ:

НГ — негорючее вещество, т. е. вещество, неспособное к горению в атмосфере воздуха обычного состава;

ТГ — трудногорючее вещество, т. е. вещество, способное гореть под воздействием источника зажигания, но не способное к самостоятельному горению после удаления его;

ГВ — горючее вещество, т. е. вещество, способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания;

ГЖ — горючая жидкость, т. е. жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки выше 61 (в закрытом тигле) или 66 °C (в открытом тигле);

ЛВЖлегковоспламеняющаяся жидкость, т. е. жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки не выше 61 (в закрытом тигле) или 66 °C (в открытом тигле);

ГГ — горючий газ, т. е. газ, способный образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 55 °C;

ВВ — взрывоопасное вещество, т. е. вещество, способное к взрыву или детонации без участия кислорода воздуха.

Кроме рассмотренных характеристик пожароопасности веществ и материалов, используется понятие горючести вещества или материала, т. е. их способности к горению. По этому признаку все вещества делятся на горючие (сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).

Горючими называют такие вещества и материалы, которые продолжают гореть и после удаления источника зажигания. Трудносгораемые вещества способны возгораться на воздухе от источника зажигания, но после его удаления самостоятельно гореть не могут. Негорючие вещества и материалы не способны гореть на воздухе. Для количественной характеристики горючести веществ и материалов используют показатель возгораемости В, смотреть формулу 2.1.

где Q_u — количество теплоты, полученный от источника поджигания;

Q₀ — количество теплоты, выделяемой образцом при горении в процессе испытания.

Если величина В более 0,5, то материалы относят к сгораемым, для трудносгораемых В = 0,1−0,5, а для несгораемых — В менее 0,1.