Горіння твердих речовин та матеріалів

Спочатку розглянемо явища, що спричиняють пожежі з горінням твердих речовин. До них належать: полум'я, теплове випромінювання, розжарені матеріали.

Коли тверда речовина піддається впливу полум'я, його температура підвищується, що може викликати пожежу. Ймовірність виникнення пожежі залежить від таких факторів:

характеру твердої речовини, яка може бути горючою або негорючою;

маси твердої речовини - зрозуміло, що невелика кількість матеріалу не здатна виділити достатню кількість теплоти згоряння для розповсюдження пожежі;

стану твердої речовини - легко запалити за допомогою сірника деревну стружку або окремі листки паперу, оскільки у цих матеріалів більша площа поверхні, відкритої для доступу повітря, і, отже, висока швидкість окиснення, тоді як для займання колоди або щільної пачки паперу треба потужніше джерело запалювання;

Рис. 2.5. Зони пожежі

спосіб, за допомогою якого запалюється тверда горюча речовина; якщо предмет з цієї речовини знаходиться над вогнем вертикально, він загориться швидше, ніж при горизонтальному розташуванні.

Не завжди для виникнення горіння необхідно, щоб горючі речовини вступали в безпосередній контакт з полум'ям або сильно нагрітими матеріалами. Усі джерела тепла випромінюють видимі та інфрачервоні промені, тобто електромагнітні хвилі. Коли ці хвилі зустрічають перешкоду (в нашому випадку - горючу речовину), вони передають йому свою енергію, яка перетворюється в тепло. Таким чином, тіло, що опромінюється, нагрівається і, при недостатньому охолодженні, може досягти температури займання та загорітися. Так, дрова, складені на невеликій відстані від печі, яка топиться протягом тривалого часу, можуть зайнятися та викликати пожежу.

Нагрітий до високої температури розжарений матеріал, чи то паливо (наприклад, кокс), чи негорючий матеріал (наприклад, розжарений до червоного кольору метал), спроможний викликати загоряння при доторканні до горючого твердого тіла за умов, що його маса досить велика, щоб перешкодити надто швидкому охолодженню, і що саме горюче тіло знаходиться в стані, який забезпечує швидке окиснення (деревна стружка, тирса, нещільно складений папір тощо). В останньому прикладі достатньо бризок розплавленого металу від газового різака. Тверда речовина, нагріта вище температури, при якій вона розжарюється (наприклад, провідник електричного струму при перевантаженні), здатна запалити матеріал, з яким вона знаходиться в контакті, якщо тепло не буде розсіюватися достатньо швидко.

Ознайомимося з особливостями горіння твердих речовин на прикладі найбільш поширеної речовини цього класу - деревини та її похідних.

Деревина використовується у виробництві фанери, деревностружкових та деревноволокнистих плит, целюлози, паперу, плівок, смоли, багатьох інших продуктів та виробів. Широке використання деревини має свою негативну сторону з точки зору підвищення рівня пожежної небезпеки місць її накопичення та використання. Деревина належить до групи горючих матеріалів, займання яких за певних умов можливе навіть від малокалорійного джерела запалювання.

Речовина, з якої складається деревина, являє собою складний комплекс, де 99% маси - це органічні з'єднання. Близько 75% органічних речовин деревини складають вуглеводи, головним чином целюлоза, яка виконує функцію основного структурного компонента кліткових стінок рослин.

Розглядаючи деревні породи як горючий матеріал, необхідно враховувати їх елементний склад, за яким вони відрізняються незначною мірою.

Деревина вміщує 49-50% вуглецю, 43-44% кисню, 6,0-6,5% водню. Інші складові (азот та неорганічні елементи) - 0,1-0,3%.

Таким чином, деревина має великий вміст кисню, який бере участь в процесі горіння разом з киснем повітря. Цим зумовлена здатність деревини до тління, а також деякі інші характеристики її пожежної небезпеки. Необхідно враховувати, що деревина - пористий матеріал, в якому об'єм порожнин, заповнених повітрям, перевищує об'єм твердої речовини. Наявність таких повітряних включень зумовлює відносну низьку теплопровідність деревини та пов'язані з цим займистість та повільне прогрівання внутрішніх шарів.

При нагріванні деревини змінюється її структура, фізичні та хімічні властивості. Характер змін залежить від режиму нагрівання, складу газового середовища та тиску. Термічні перетворення відбуваються за полімерана логічними та макромолекулярними реакціями. Компоненти деревини у ЦЬОУ стані реагують на термічні впливи інакше, ніж всередині мікроструктур:: Взаємовплив компонентів під час нагрівання достатньо складний.

При швидкому підвищенні температури до 150 °С з деревини випаровується в основному волога (згадайте «шипіння» сирих дров, кинутих в багаття), потім починається її розкладання з виділенням летких горючих речовин. За температурою 160-170 °С відбувається як ендотермічна реакція часткового гідролізу, так і екзотермічні процеси ущільнення макромолекул.

Рис. 2.6. Класи пожеж за ГОСТ 27331-87

При нагріванні целюлози (основного компонента деревини) до 250 280 °С її деструкція (руйнування) розвивається дуже повільно. Подальше підвищення температури призводить до різкого зростання швидкості розкладання, яка досягає максимуму в діапазоні 325-380 °С.

Можна виділити чотири стадії процесу піролізу целюлози:

молекулярна реакція, що призводить до дегідратації (зневоднення

розрив зв'язків С-О-С з розвитком деполімеризації та утворювання інших сполук, що визначаються як фракції смоли;

розклад продуктів дегідратації до утворення вугілля та органічні: летких продуктів;

утворення оксидів вуглецю, води та водню.

Процес термічних перетворень целюлози, де нагрівання зумовлене зовнішнім джерелом або зворотним тепловим потоком продуктів горіння матеріалів, наведені на рис. 2.7.

Рис 2.7. Термічне перетворення целюлози

За температури 200-280 °С переважає дегідратація, але з різким зниженням ступеня полімеризації целюлози розвиваються деструктивні процеси. При температурі 280-340 °С домінує деполімеризація. Ці реакції є конкуруючими. Тому, у разі зміни умов, їх можна зсунути в тому чи іншому напрямку.

Горючі леткі продукти змішуються з киснем повітря та займаються. Реакція горіння в газовій фазі (полум'я) визначає 75% загальної теплоти згоряння целюлози. Вугілля (коксовий залишок) при з'єднанні з киснем повітря горить у конденсованій фазі, яку також називають тлінням. На частку тління випадає залишок - 25% теплоти згоряння целюлози.

В інтервалі температур 300-500 °С при піролізі деревини формується мікроструктура вугілля.

Горіння деревини включає в себе процес термічного розкладу з утворюванням летких та твердих продуктів та їх наступного окиснення. Парогазова суміш продуктів термічного розкладу деревини, що утворюється при температурах 200 °С, є горючою. Вона вміщує вуглеводи, водень, оксид вуглецю та пару органічних речовин. При досягненні певної концентрації та при наявності джерела запалювання вони займаються, що зумовлює подальше зростання температури та перехід процесу до екзотермічної стадії.

Деревина займається як від відкритого джерела вогню, так і від нагрітих предметів і горючих газів. За певних умов спостерігається самозаймання деревини, яке реєструється при температурі вище 330 °С. Проте в умовах тривалого нагрівання воно може спостерігатися при нижчих температурах.

Продовження самостійного горіння деревини проходить за умови, що кількість теплоти, що віддається поверхнею, яка горить, в одиницю часу в навколишнє середовище, не перевищує кількості теплоти, генерованої цією поверхнею.

Після займання температура поверхневого шару деревини підвищується до 290-400 °С. При цьому вихід газоподібних продуктів стає максимальним, що забезпечує подальший розвиток горіння. Як результат верхній шар перетворюється у деревне вугілля, яке в даних умовах ще не може горіти, оскільки кисень повітря витрачається в реакціях, що відбуваються в газофазній зоні, й не досягає поверхні.

Горіння деревини завжди проходить стадію розкладання, що характеризується явищами поглинання та виділення тепла. Між поверхнею, що горить, та близько розташованими ділянками знаходиться шар, в якому відбувається підготовчий ендотермічний процес, що перешкоджає розповсюдженню тепла.

При розкладанні деревини, особливо в процесі горіння, її склад змінюється: зменшується вміст водню та кисню, збільшується відносна частка вуглецю. При досягненні температури понад 400 °С у складі вугілля переважає вуглець, тому виділення газоподібних речовин різко скорочується.

Коли температура вугілля на поверхні складає 500-700 °С, розташовані за ним шари також розкладаються з виділенням горючих газів. Одночасно зростає шар вугілля, який перешкоджає виходу цих газів. Полум'я залишається тільки біля тріщин вугілля (знову згадаємо багаття), й кисень може досягти його поверхні. Внаслідок цього продовжується горіння летких продуктів розкладу й одночасно починається горіння твердого залишку.

При товщині шару вугілля 2-2,5 см має місце рівновага між лінійною швидкістю вигоряння вугілля, швидкістю прогрівання та розкладу деревини.

Після цього рівновага зсувається в бік перетворення у вугілля всього об'єму деревини. Отже,

процес горіння деревини складається з двох основних періодів: горіння парів й газів, що утворюються при її розкладанні; горіння вугілля, що утворилося.

Між зазначеними періодами є перехідний етап, що характеризується перебігом обох процесів.

В умовах пожежі більше значення має перший період, оскільки він супроводжується виходом основної маси нагрітих до високої температури летких горючих продуктів, на які припадає до 80% теплоти згоряння деревини. Частина цього тепла акумулюється «свіжою» поверхнею матеріалу, ініціює процес самостійного горіння.

Деревина належить до матеріалів, горіння яких за певних умов може відбуватися у вигляді тління.

ТЛІННЯ (ЖЕВРІННЯ) визначається як процес безполуменевого горіння твердого матеріалу (речовини), який установлюється за умови недостатнього припливу до матеріалу, що горить, кисню та тепла, та часто супроводжується виділенням диму.

Пожежі, що розвиваються у режимі тління, пов'язані з низкою проблем. До них належать: складність виявлення в початковій стадії, прогрівання поверхонь, що огороджують осередок тління; перехід до полуменевого горіння; труднощі гасіння заглиблених осередків пожежі; висока ймовірність повторних загорянь тліючих осередків.

Дослідженням кінетики температурних полів в осередку тління деревної тирси та об'ємі, що прилягає до нього, встановлено, що форма осередку тління близька до сферичної. Швидкість поширення фронту тління однакова у всіх напрямках і залежить від породи деревини, насипної щільності, вологості та розмірів частинок. Зі збільшенням розмірів частинок швидкість поширення фронту тління й температура в осередку знижуються. Підвищення насипної щільності в 2 рази порівняно з початковою припиняє процес тління.

У зонах, прилеглих до осередку, відзначаються аномальні теплофізичні властивості полімерного матеріалу, що утворюється: зменшення ефективного коефіцієнта теплопровідності, збільшення ефективної теплоємності та вологості.

Сферичний шар полімерного матеріалу, який оточує осередок тління, перешкоджає розсіюванню теплоти осередку в об'ємі та створює ефект «адіабатичної сорочки», що й пояснює високу «живучість» осередку тління та труднощі, пов'язані з гасінням.

Знання особливостей термічного розкладу й горіння деревини має основоположне значення для оцінки її пожежної небезпеки, а також для розробки засобів та способів її вогнезахисту.

Дата добавления: 2014-01-04