2.14.1. Общие сведения о процессе горения

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением теплоты и света. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения.

В условиях реального пожара окислителем в процессе горения является кислород воздуха. Однако окислителем могут быть и такие вещества, как хлор, бром, фтор, азотная кислота, перхлораты, нитросоединения.

Горючие вещества могут быть твердыми и жидкими и газообразными.

Твердые горючие вещества: уголь, торф, древесина, пластмасса, бумага и т.д..

Жидкости: нефть и нефтепродукты, лаки, краски, растворители, спирты и т.д..

Газы: метан, пропан, водород.

Внешнее проявление горения - пламя, которое характеризуется свечением и выделением тепла.

При горении концентрированных систем (твердых тел и жидкостей), т.е. систем не содержащих газообразных частей пламя может и не возникать, т.е. происходит беспламенное горение или тление.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, горение взрывчатых веществ и гетерогенное горение.

При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одном агрегатном состоянии. К этому типу относятся горение газовых смесей (природного газа, метана СН₄ , водорода с окислителем - обычно кислородом воздуха)

К гомогенному горению относятся также горение негазифицирующихся конденсированных веществ (например, термитов-смесей алюминия с оксидами различных металлов). При их горении диффузии обычно не происходит и процесс распространяется только в результате теплопроводности.

При гетерогенном горении исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения - горение угля, металла, жидких топлив, бумаги, пластмассы.

С_nH_2n+1OH+O₂=nH₂O+mCO₂ .

При гетерогенном горении химическое превращение сопровождается дроблением горючего вещества и переходом его в газовую фазу в виде капель и частиц, образование оксидных пленок на частицах металла, турбулизацией смеси и т.д.

Горение взрывчатых веществ связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-химический процесс, при котором выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне горения на некотором расстоянии от поверхности. Процесс осложняется явлением диспергирования, переходом части взрывчатого вещества в газовую форму в виде небольших частичек или капель.

Горение дифференцируется также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого параметра может быть нормальным (порядка десятка м/с), взрывным (сотни м/с) и детонационным (тысячи м/с). Пожарам свойственно нормальное горение.

В зависимости от соотношения горючего и окислителя процессы горения могут быть бедными и богатыми.

Бедными называются смеси, содержащие в избытке окислитель. Их горение лимитируется содержанием горючего вещества.

К богатым относятся смеси с содержанием свыше стехиометрического соотношения компонентов. Горение таких смесей лимитируется содержанием окислителя.

Для нормального распространения горения характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной свободными радикалами и продуктами их реакции смеси, перемещается в направлении к исходной горючей смеси. Нормальное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарному горению присуща нормальная скорость распространения пламени. Так называется скорость перемещения пламени относительно несогретого газа в направлении, перпендикулярном его поверхности.

Турбулентное пламя образуется при увеличении скорости распространения пламени, когда нарушается ламинарность его движения. В турбулентном пламени завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих газов, так как увеличивается поверхность, через которую происходит молекулярная диффузия.

Взрывное горение - быстрое превращение вещества, сопровождающееся выделением энергии и образованием старых газов, способных производить работу.

Пожарную опасность представляют ряд твердых горючих веществ, находящихся в пылевидном состоянии (уголь, канифоль, сера).

Взрыв, как правило приводит к интенсивному росту давления. В окружающей среде образуется и распространяется ударная волна.

Детонация - это процесс химического превращения системы окислитель-восстановитель, представляющий собой совокупность ударной волны, распространяющейся с постоянной скоростью и превышающей скорость звука, и следующей за фронтом зоны химических превращений веществ. Химическая энергия, выделяющаяся в детонационной зоне, подпитывает ударную волну, не давая ей затухать.

Возгорание горючей смеси, осуществляется вынуждено путем воспламенения (зажигания) или путем самовозгорания (самовоспламенения). Загорание, как правило начинается со вспышки.

Вспышка - это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием горючих газов. При этом для продолжения горения оказывается недостаточно того количества теплоты, которое образуется при кратковременном процессе вспышки.

Воспламенение - это возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной.

Область воспламенения - область концентрации горючего вещества, внутри которой его смесь с окислителем способна воспламеняться от источника зажигания.

Нижний предел воспламенения горючей смеси - концентрация горючего вещества в воздухе, ниже которой воспламенение не происходит.

Верхний предел воспламенения - концентрация горючего вещества в воздухе, выше которой воспламенение не происходит (С₂H₅OH - нижний предел - 3.3, верхний предел - 18.4 объемных процентов).

Температурой вспышки вещества называется наиболее низкая температура, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхнуть в воздухе от источника зажигания, но последующее горение не происходит.

Температура воспламенения - температура горения вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.