При каких условиях происходит горение. Условия возникновения горения

Для возникновения процесса горения необходимы: горючее вещество, кислород, источник воспламенения. Некоторые вещества способны гореть без кислорода, в атмосфере хлора, брома и т.п., но это явление, скорее всего, следует отнести к исключениям из правил.

Горючие вещества могут быть в виде газов, пыли, твердых веществ и жидкостей. Углерод, водород, сера и фосфор, входящие в состав горючих веществ, при горении окисляются и образуют продукты сгорания, которые обычно представляют серьезную опасность для жизни и здоровья людей. Например, 0,4 % окиси углерода, вдыхаемого человеком, является смертельной дозой; вдыхание в течение нескольких минут горячего воздуха температурой 70 °С тоже приводит к летальному исходу.

Выделяющееся при пожаре тепло может оказать разрушительное воздействие на строительные конструкции и технологическое оборудование, что часто приводит к авариям и взрывам.

Чтобы предотвратить пожар, необходимо исключить горючее вещество, кислород или источник воспламенения. Исключить кислород воздуха чрезвычайно сложно, поэтому при разработке противопожарных мероприятий обычно заменяют материалы на менее горючие и ограничивают возможность наличия источника воспламенения.

По горючести вещества и материалы подразделяют на группы:

негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению на воздухе;

трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания;

горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). К легковоспламеняющимся относят жидкости с температурой вспышки не выше 61 °С в закрытом или 66 °С в открытом тигле.

Вспышкой называется быстрое сгорание горючей смеси, не переходящее в стационарное горение. Температура вспышки - минимальная температура, при которой данное количество паров над поверхностью жидкости может воспламениться. Горючая смесь - смесь паров горючего вещества с кислородом воздуха. Воспламенение такой смеси может произойти даже от маломощного и кратковременного источника воспламенения (искры).

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение пламени.

Температура самовоспламенения - температура, при которой начинается самонагревание смеси до воспламенения, заканчивающегося горением.

Нижний и верхний пределы воспламенения (взрываемость) - объемная доля горючего в смеси (%), ниже и выше которой смесь становится неспособной к воспламенению.

Предел распространения огня характеризуется способностью строительных конструкций к самостоятельному горению, измеряется в сантиметрах и представляет собой размер повреждения конструкции в контрольной зоне в течение 15 мин.

В строительном производстве при проектировании мероприятий по предотвращению пожаров ориентируются на недопустимость появления источника воспламенения, поскольку очень многие строительные материалы относятся к группе сгораемых и исключить их из технологических процессов невозможно.

ГЛАВА 21. ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Условия, необходимые для горения. Классификация видов горения

Мероприятия, при которых исключается возможность пожара и взрыва, в случае их возникновения предотвращается воздействие на людей опасных и вредных факторов пожара и взрыва и обеспечивается защита материальных ценностей, называют пожарной безопасностью.

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб народному хозяйству и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы, а иногда и гибель людей.

В Советском Союзе существует система государственных мер борьбы с огнем, которая осуществляется на стадии проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления (ли соединения горючего вещества и кислорода воздуха. Однако известно, что некоторые вещества, например сжатый ацетилен, хлористый азот, взрывчатые вещества, могут гореть, взрываться без кислорода с образованием тепла и пламени. Следовательно, горение может явиться результатом не только реакции соединения, но и разложения.

Горением называют быстро протекающую химическую реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества тепла и обычно свечением. В зависимости от скорости процесса процесса горение может происходить в форме собственно гонения, взрыва и детонации.

Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде,
наименьшая - при содержании в воздухе 14-15%(об.) кислорода,
При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большей
части веществ прекращается. Оно происходит тем быстрее, чем больше
удельная поверхность веществ; при тщательном смешении горючего
вещества и кислорода (окислителя) увеличивается скорость горения.

Для возникновения и развития процесса горения обычно необходимы,
горючее, окислитель и источник загорания. Горение прекращается, если нарушить какое – либо из этих условий. Так при тушении горящего дере­ва водой происходит охлаждение его ниже температуры воспламенения, при тушении горючих жидкостей пенами прекращается поступление паров горючего в зону горения.

Химический состав горючего вещества и соотношение компонентов горючей смеси имеет важное значение для процесса горения.

Различают два вида горения- полное (при достаточном и избыточном количестве кислорода) и неполное (при недостатке кислорода). Горение может быть диффузионным и кинети­ческим.

Рис. 21.1. Диффузионное пламя:

a - распределение концентрации газов в пла­мени; 1 - горючий газ; 2 - продукты сгора­ния; 3- фронт (поверхность) пламени; б - схематический разрез пламени (4, 5, 6 - зоны диффузионного пламени)

Если кислород проникает в зону гонения вследствие диффузии, то обра­зующееся пламя называется диффузи­онным (рис. 21.1). В зоне 6 находятся газы или пары; горение в этой зоне не происходит (температура в ней не превышает 500°С). В зоне 5 пары или газы сгорают неполностью и частично восстанавливаются до углерода. В зоне 4 происходит полное сгорание продук­тов зоны 5 и наблюдается наиболее высокая температура пламени. Высота пламени обратно пропорциональна ко­эффициенту диффузии, который в свою очередь пропорционален температуре в степени от 0,5 до 1. Высота пламени возрастает с увеличением скорости по­тока газов и изменяется обратно про­порционально плотности газов и паров.

От диффузионного отличается пла­мя, образующееся при кинетическом

горении, т. е. заранее перемешанного горючего газа с воздухом. Это пламя при воспламенении какой-либо части объема горючей смеси пред­ставляет собой светящуюся зону, в которой соприкасаются друг с другом свежая смесь и продукты горения; зона горения всегда движется в сто­рону свежей горючей смеси, а фронт пламени имеет большей частью сферическую форму. При сгорании смеси горючих газов или паров с воздухом, подаваемых с определенной скоростью в зону горения, образуется стационарное пламя, имеющее форму конуса. Во внутрен­ней части конуса смесь подогревается до температуры воспламенения. В остальной части конуса происходит горение, характер которого за­висит от состава смеси. Если в смеси недостаточно кислорода, то во внешней части конуса происходит полное сгорание продуктов, образо­вавшихся при неполном горении во внутренней части конуса.

Таким образом, в пламени одновременно могут происходит процес­сы диффузионного горения и горения предварительно смешанных ком­понентов горючей смеси.

Следует различать также гомогенное и гетерогенное горение. Гомо­генным является горение газообразных веществ, гетерогенным - ве­ществ других агрегатных состояний. Гетерогенное горение является од­новременно и диффузионным.

Для возникновения горения необходимо наличие в одном месте и в одно время трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (рис. 4.14). Кроме того, нужно, чтобы горючее вещество была нагрета до необходимой температуры и находилась в соответствующем количественном соотношении с окислителем, а источник зажигания мало необходимую энергию для начального импульса (зажигания). Так, спичкой можно зажечь лист бумаги, а деревянную колоду - невозможно. Необходимость для горения одновременно трех компонентов, так называемый треугольник огня, обнаружил еще в XVIII в. французский ученый Лавуазье.

Рис. 4.14.

После возникновения горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь контакта горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация окислителя, температура и давление. На пожарах температура достигает 1000-1300 ° С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов - 3000 ° С.

Горючими веществами считаются вещества, которые в случае воздействия на них высоких температур, открытого пламени или другого источника зажигания могут заниматься и в дальнейшем гореть с образованием тепла и, как правило, излучением света. К горючих веществ относятся: дерево, бумага, ткани, большинство пластмасс, природный газ, бензин, керосин и другие вещества в твердом, жидком, газообразном состоянии. Как правило, наиболее опасными в пожарном отношении являются горючие вещества в газообразном состоянии.

В состав подавляющего большинства горючих веществ входят углерод (Карбон) и водород (водород), которые являются основными горючими составляющими этих веществ. Поэтому и основными продуктами полного горения (при достаточном количестве кислорода) горючих веществ является С02 и Н20. Есть также целый ряд горючих веществ, которые представляют собой простые элементы, например, сера (Сера), фосфор (Фосфор), углерод (Карбон).

Горючие вещества имеют разную теплотворную способность, поэтому температура на пожарах зависит не только от количества вещества, горит, но и от ее качества (химического состава). В табл. 4.4 приведены температуру пламени при горении некоторых веществ и материалов.

Таблица 4.4.

Окислителем при горении веществ чаще всего выступает кислород воздуха - О.,. Однако с уменьшением содержания кислорода в воздухе замедляется скорость горения, а при содержании кислорода менее 14% (норма 21%) горения большинства веществ становится невозможным. Кроме кислорода, окислителями могут быть химические соединения, в состав которых входит кислород, например, селитра (KNO3), азотная кислота (HNO3), марганцовокислый калий (КМn2O4), а также отдельные химические элементы (фтор, хлор, бром). Некоторые вещества содержат в своем составе кислорода столько, что его достаточно для горения без доступа воздуха (порох, взрывчатка).

Источником зажигания, то есть инициатором пожара может быть: открытый огонь, раскаленные предметы, электрические заряды, тепловые процессы химического, электрического и механического происхождения, искры от ударов и трения, солнечная радиация, электромагнитные и другие излучения. Источники зажигания могут быть высоко-, средне- и маломощными (табл. 4.5):

Таблица 4.5.

Разновидности горения

Различают следующие разновидности горения: взрыв, детонация, вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, тления.

Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных выполнять механическую работу. Преимущественно эта механическая работа сводится к разрушениям, которые возникают во время взрыва и обусловлены образованием ударной волны - внезапного скачкообразно рост давления. При удалении от места взрыва механическое воздействие ударной волны ослабляется.

Детонация - это горение, которое распространяется со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и перемещением несгоревшей смеси перед фронтом пламени, что приводит к ускорению распространения пламени и возникновения в смеси ударной волны. Таким образом, наличие достаточно мощной ударной волны является необходимым условием для детонации, поскольку в этом случае передача теплоты в смеси осуществляется не путем медленного процесса теплопроводности, а распространением ударной волны.

Вспышка - кратковременное интенсивное сгорания ограниченного объема газовоздушной смеси над поверхностью горючего вещества или пылевоздушной смеси, сопровождается кратковременным видимым излучением, но без ударной волны и устойчивого горения.

Возгорания - начало горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенения - возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Тления - беспламенное горения материала (вещества) в твердой фазе с видимым излучением света из зоны горения.

Самовозгорание - начало горения вследствие самоиницийованих экзотермических процессов.

Самовоспламенение - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовозгорание возникает тогда, когда в результате экзотермических процессов скорость выделения тепла в массе горючего вещества превышает скорость его рассеивания в окружающую среду. Инициировать экзотермические процессы, а затем вызвать самовозгорание могут:

высокая температура горючего вещества, обусловленная действием внешнего источника нагрева (тепловое самовозгорание)

Жизнедеятельность микроорганизмов в массе горючего вещества, что приводит к ее самонагревания (микробиологическое самовозгорание)

Химические реакции, в результате воздействия на вещество воздуха, воды или химически активных веществ (химическое самовозгорание).

Тепловое самовозгорание возникает в массе материалов, находящихся в энергетически благоприятном исходном состоянии для вступления в реакцию обмена с кислородом воздуха, при нагревании извне. Такой нагрев может осуществляться следующими способами:

Контактным (вследствие теплообмена при контакте с нагретым предметом)

Радиационным (вследствие лучистого тепла);

Конвективным (вследствие передачи тепла воздушным потоком).

"Механизм" теплового самовоспламенения заключается в следующем. Во время внешнего нагрева материала Его температура постепенно повышается (фаза а, рис. 4.15). После достижения температуры самонагревания ТСН в материале происходит резкая интенсификация экзотермических процессов окисления и разложения, что приводит к самонагревания и повышение температуры материала (фаза б). Наиболее интенсивное самонагревания возникает в месте, где достигаются наилучшие условия аккумуляции тепла. Таким условиям отвечают глубинные места, поскольку именно в них худшие условия рассеивания тепла в окружающую среду. Так, центр самонагревания угля, составленного в кучу, находится, как правило, на глубине 0,5-0,8 м от поверхности.

При достижении температуры самовоспламенения ТСЗ возникает горения материала без источника зажигания (фаза в).

Рис. 4.15.

Тепловое самовозгорание наблюдается при хранении в кучах каменного угля (Та = 50-60 ° С) и хлопка (Та = 120-125 ° С), а также в кипах газетного (обойного) бумаги и гофрированного картона (Три = 100- 110 ° С).

Профилактика теплового самовоспламенения - предотвращение нагрева материалов (веществ) от внешних источников тепла.

К микробиологического самовозгорания способны органические дисперсные и волокнистые материалы, внутри которых возможна жизнедеятельность, так называемых термофильных микроорганизмов. Именно жизнедеятельность таких микроорганизмов приводит к первичному самонагревания массы материала. Особенно подвержены микробиологического самовозгорания невысушенные вещества растительного происхождения, сложенные в кучу (сено, солома, зерно, лен, хлопок, торф и т.д.). Микробиологическое самовозгорание возникает в период от 10 до 30 суток с момента начала процесса.

На рис. 4.16 приведены типичную кривую развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенного сена, заложенного на хранение.

Рис. 4.16. Типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенного сена, заложенного на хранение

Химическое самовозгорание возникает вследствие воздействия на горючее вещество воздуха, воды или химически активных веществ.

К веществам, способные самовозгораться вследствие воздействия на них кислорода воздуха, относятся масла, жиры и олифы. Однако для этого необходимы соответствующие условия. Так, при хранении этих веществ в таре самовозгорания не происходит, так как поверхность их соприкосновения с воздухом слишком мала. В то же время пропитанные ими волокнистые материалы имеют развитую поверхность окисления, что существенно увеличивает их способность к самовозгоранию. Однако еще одним непременным условием является составление пропитанных материалов в кучу, штабеля, пакеты. В этом случае поверхность окисления значительно превышает поверхность теплоотдачи, что приводит к самонагревания веществ с последующим их самовозгоранию.

По опытным данным, 50 г ваты, пропитанной 100 г льняного масла, показали такой рост температуры (табл. 4.6).

Таблица 4.6.

Через 15 ч с момента утечки образца его температура достигнет 170 ° С и он вспыхнет без источника зажигания.

К веществам, способные самовозгораться при воздействии на них воды, относятся калий, натрий, цезий, карбиды кальция и щелочных металлов и тому подобное. Эти вещества при взаимодействии с водой выделяют горючие газы, которые нагреваются за счет теплоты реакции и самовозгораются.

К химически активных веществ, которые могут вызвать самовозгорание, принадлежат главным образом окислители: сжатый кислород, азотная кислота, перманганат калия, перекись натрия, селитры, хлорная известь и др.

Например, сжатый кислород приводит к самовозгоранию минеральных масел, которые не занимаются на воздухе. А растительные материалы (солома, сено, лен, хлопок, опилки), скипидар, этиловый спирт самовозгораются в результате контакта с азотной кислотой.

Способность самовозгораться веществ и материалов необходимо учесть при разработке мер пожарной профилактики во время их хранения, транспортировки, термообработки, выполнения технологических операций и тому подобное.

Горение. Необходимые и достаточные условия, необходимые для обеспечения горения.

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся химическим превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Обычно в качестве окислителя участвует кислород, которого в воздухе 21%. Для обеспечения горения необходимо и достаточно: горючее вещество; окислитель; источник воспламенения определенной мощности, обеспечивающий реакцию между горючим веществом и окислителем. Для обеспечения горения горючее вещество и окислитель должны находится в определенных соотношениях друг с другом. Горение, характеризуемое наличием раздела фаз (например, горение твердого вещества), называется гетерогенным. Горение газообразных смесей называется гомогенным.

Горение может осуществляться в двух режимах: самовоспламенения и распространения фронта пламени. Важнейшая особенность процесса горения – самоускоряющийся характер химического превращения.

58.Пожар. Классификация пожаров в зависимости от веществ, подвергаемых горению. Пожаром называется – неконтролируемый процесс горения, сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей. Согласно ГОСТу 12.1.004 пожар осуществляется как неконтролируемое горение вне специального очага, причиняющее материальный ущерб. Классификация пожаров в зависимости от веществ, подверженных горению и рекомендуемые средства пожаротушения при этом приведены в таблице 2.4.

А-горение твердых веществ :А1- Горение твердых, веществ, сопровождаемое тлением (например, древесина, бумага, уголь, текстиль); А2-Горение твердых веществ, не сопровождаемое тлением (каучук, пластмассы); В-горение жидких веществ: В1-Горение жидких веществ, нерастворимых в воде (бензин, нефтепродукты), а также сжижаемых твердых веществ (парафин); В2-Горение жидких веществ, растворимых в воде (спирты, ацетон, глицерин и др.); С-горение газообразных веществ: Бытовой газ, пропан, водород, аммиак и др.; Д-горение металлов и металлосодержащих веществ: Д1-Горение легких металлов и их сплавов (алюминий, магний и др.) кроме щелочных; Д2-Горение щелочных металлов (натрий, калий и др.); Д3-Горение металлосодержащих соединений (металлоорганические соединения, гидраты металлов); Класс пожара Е – объект тушения (электроустановки), находящиеся под напряжением. Тушение производится газовыми составами и порошками.

Горением – называют физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света

Основа горения – окислительно-восстановительная реакция горючего вещества с окислителем. Окислителями могут быть хлор, бром, сера, кислород, кислородосодержащие и другие вещества.

Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород воздушной среды.

Для возникновения горения необходимо наличие:

горючего вещества;

окислителя;

источника воспламенения.

Но и в этом случае горение будет возможным, если горючее вещество и кислород или другой окислитель находятся в определенном количественном соотношении, а тепловой импульс имеет запас тепла, достаточный для нагревания веществ до температуры его воспламенения.

Если мало горючего вещества в смеси с воздухом или мало кислорода (менее 14-16% ), процесс горения не начинается.

Горение может быть вызвано непосредственным воздействием на горючее вещество открытого пламени или накаленного тепла, слабым, но беспрерывным и продолжительным нагреванием горючего вещества, самовозгоранием, химической энергией, механической энергией (трение, удар, давление), лучистой энергией тепла, нагретым до высоких температур воздухом и т.д.

Следовательно, следует различать условия, необходимые для возникновения горения и условия необходимые для протекания процесса горения.

Условия протекания горения:

1. Количество кислорода в составе воздуха, поступающего в зону горения, будет не менее 14–16% , т.е. вещество и окислитель находятся в определенном количественном соотношении.

Температура зоны горения, которая является постоянным источником воспламенения и источником нагрева верхнего слоя горючего вещества, выше температуры его воспламенения.

3. Скорость диффузии горючих газов и паров (продуктов разложения вещества) в зону горения будет несколько выше скорости горения.

4. Количества излучаемого зоной горения тепла при горении вещества будет достаточно для нагрева поверхностного слоя до температуры его воспламенения.

Если одно из этих условий отсутствует, то процесса горения не будет.

Пожарной опасностью называется возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе.

Из этого определения можно сделать вывод, что пожарную опасность представляют вещества и материалы, если они в силу своих свойств, благоприятствуют возникновению или развитию пожара. Такие вещества и материалы относятся к пожароопасным.

Классификация пожароопасных веществ

Пожароопасные вещества по способности к горению подразделяются на:

Трудногорючие;

Негорючие.

Горючими называются вещества, способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Горючие вещества в свою очередь разделяются на легковоспламеняющиеся и трудно воспламеняющиеся.

Легковоспламеняющимся веществом называется горючее вещество, способное воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры и тому подобных источников зажигания с низкой энергией.

К ним относятся:

Горючие жидкости (ГЖ):

Анилин ГЖ;

этиленгликоль ГЖ;

моторные и трансформаторные масла ГЖ;

ацетон ЛВЖ;

бензин ЛВЖ;

бензол ЛВЖ;

диэтиловый эфир и др.

ГЖ – жидкость способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки выше 66 0 С .

ЛВЖ – ГЖ, имеющая температуру вспышки не выше 66 0 С.

Горючие газы (ГГ):

пропан и др.

ГГ – газ способный образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 55 0 С .

Горючие вещества:

целлулоид;

полистирол;

нафталин;

древесная стружка;

бумага и т.д.

Трудно воспламеняющимися веществами называются горючие вещества, способные воспламеняться только под воздействием мощного источника зажигания.

К ним относятся:

гетинакс;

полихлорвиниловая плитка;

древесина.

Трудно горючими – называют вещества, способные гореть под воздействием источника зажигания, но не способные к самостоятельному горению после удаления его.

К ним относятся:

трихлорацетат натрия (Nа(СН 3 СОО)Сl 3 );

водные растворы спирта;

аммиачная вода и т.д.

Негорючими называют вещества, не способные к горению в атмосфере воздуха обычного состава. К ним относятся: кирпич, бетон, мрамор, и гипс. Среди негорючих веществ имеются много весьма пожароопасных, которые выделяют горючие продукты или тепло при взаимодействии с водой или друг с другом.

К ним относятся:

Карбид кальция (СаС 2 );

Негашеная известь (СаСО 3 );

Разбавленные кислоты с металлами (серная, соляная);

Окислители КМпО 4 , Са 2 О 2 , О 2 , Н 2 О 2 , НО 3 , сжатый и жидкий кислород.