Вопрос №2 – «Основные характеристики и закономерности процессов возникновения, распространения и горения твердых органических веществ и материалов».
(70 минут)
Ранее, при рассмотрении алгоритма пожара были указаны только главные стадии процесса: нагрев, термическое разложение вещества и горение летучих продуктов деструкции. В действительности картина явлений здесь значительно сложнее, поскольку зависит не только от химических, но и от физических свойств вещества. Лучше всего представить ее в виде схемы (рис.3). Часть лучистого теплового потока от пламени падает на твердую горючую поверхность, которая нагревается, и под воздействием теплоты вещество претерпевает различные превращения.
Линейные полимеры - термопласты, а также многие индивидуальные вещества плавятся с образованием расплава. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, каучук, волокна капрона и нейлона, стеарин, парафин, битум, сера и многие другие. Часть горючих паров будет претерпевать дальнейшее разложение с образованием более низкомолекулярных горючих газов и паров.
 |
Рис.3. Алгоритм процессов, протекающих при горении ТГМ
Пространственно сшитые высокомолекулярные соединения с трехмерной структурой (это древесина, хлопок, резина, многие пластмассы, ископаемые угли, торф и т.д.) будут без плавления сразу разлагаться с образованием тех же продуктов: газов, паров и твердого остатка.
В природе существует много твердых веществ, которые при нагревании испаряются сразу, минуя стадию плавления. К ним относятся всем известные нафталин, витамин С (аскорбиновая кислота), уротропин (сухой спирт), камфара, щавелевая кислота и др. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой. Сублимация сразу приводит к образованию паров, которые далее будут расщепляться до более летучих продуктов.
Пространственно сшитые высокомолекулярные соединения с трёхмерным структурой ( древесина, хлопок, резина, многие пластмассы, ископаемые угли, торф и т.д.) будут без плавления сразу разлагаться с образованием тех же продуктов: газов, паров и твердого остатка.
В природе существует много твёрдых веществ, которые при нагревании испаряются сразу, минуя стадию плавления. К ним относится всем известный нафталин, витамин С(аскорбиновая кислота) , уротропин (сухой спирт) Камфора, щавелевая кислота и др. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой.Сублимация сразу приводит к образованию паров, которые далее будут расщепляться до более летучих продуктов.
Таким образом, независимо от физических свойств твердого горючего вещества при его термическом разложении образуются летучие горючие и инертные продукты (газы и пары) и твердый остаток (рис.3).
 |
Рис.4. Схема процесса горения ТГМ.
1 - сублимация, 2 - плавление, 3 - термическое разложение.
Образование горючей паро-воздушной смеси происходит на периферии потока за счет диффузии кислорода воздуха. Поэтому процесс горения ТГМ протекает в газовой фазе в диффузионном режиме. Закономерности его те же, что и при диффузионном горении горючих газов.
Естественно, летучие продукты выделяются не постоянно, выход их со временем уменьшается. Температура на горящей поверхности твердого органического вещества редко превышает 600-700 °С. После бурного горения в начальный период на ней образуется углистый остаток. Толщина его постепенно увеличивается, тем самым изолируя свежие слои вещества от лучистого теплового потока пламени. Выход летучих продуктов существенно снижается, пламя уменьшается, и воздух начинает доходить до поверхности углистого остатка, который тоже начинает гореть, но в гетерогенном режиме. По мере выгорания слой угля утончается, растрескивается, открывая доступ к свежим слоям горючего и т.д.; процесс продолжается до полного выгорания всех летучих веществ и, наконец, заканчивается гетерогенным горением угля.
На реальных пожарах твердые материалы, как и жидкие, горят в диффузионном режиме при недостатке воздуха, т.е. при коэффициенте избытка воздуха непосредственно в зоне горения a < 1. В таких условиях продукты термического разложения будут, естественно, сгорать не полностью. Состав образующихся продуктов термического разложения и неполного горения можно видеть из табл. 4.
Таблица 4
Состав газообразных продуктов неполного горения некоторых
твердых веществ (температура 500-550 °С)
| Горючее вещество | Содержание, % об. от суммы газов | |||
| СО2 | СО | Алканы | Прочие | |
| Древесина + воздух | 4-6 | 30-31 | 1,4-1,7 | 5-8 Н2; 0,4-0,8 О2; 54-58 N2 |
| Полиметилметакрилат + воздух - | 19,5 | 12,2 | 2,58 | 10,3 CO2; 52,4 мономер |
| Поливинилхлорид+воздух (при 600 °С) | 24,3 | 15,1 | 5,82 | 0,22 алкены; 50 HCl; 2,88 арены |
| Капрон + воздух | 6,5 | 8,0 | 6,42 | 2,6 Н2; 1,1 NH3; 2,4 HCN; 0,48 O2; 72,5 N2 |
Как видно из этих данных, газообразные продукты неполного горения большинства ТГМ содержат до 75 % горючих веществ. В этом заключается смысл химического недожога, о котором говорилось при изучении теплового баланса процессов горения.
В этом же заключается чрезвычайно высокая опасность пожаров в закрытых помещениях без доступа воздуха. В них накапливаются раскаленные горючие газообразные продукты термического разложения и неполного горения. При необдуманном, неосторожном вскрытии снаружи оконных проемов и дверей открывается доступ свежему воздуху в горящее помещение. Часто происходит мощный взрыв и так называемая "общая вспышка", когда загорается вся нагретая и подготовленная к воспламенению пожарная нагрузка. При этом пожарные получают травмы, сильные ожоги, а нередко и гибнут.
Продукты горения, особенно неполного, опасны также своей токсичностью. В них всегда содержатся оксиды углерода, а многие полимеры выделяют в больших количествах ряд других высоко токсичных веществ. Например, вдыхание некоторых из них в течение 5-10 мин. смертельно при следующих концентрациях в воздухе:
диоксид углерода. . . . . . . . . . . . 9,0 % об.
оксид углерода . . . . . . . . . . . . . 0,5 %
сернистый газ. . . . . . . . . . . . . . 0,3 %
хлористый водород. . . . . . . . . . 0,3 %
цианистый водород. . . . . . . . . . . 0,02 %
Хлористый водород и цианистый водород выделяются полимерами практически на всех пожарах. Для оценки токсичности продуктов горения применяется специальный показатель пожарной опасности:
Показатель токсичности продуктов горения - отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50 % подопытных животных.
По значению показателя токсичности материалы классифицируются на чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренноопасные и малоопасные.