Виды, состав и свойства твёрдых горючих веществ и материалов

ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

 

При тушении пожаров чаще всего приходится стал­киваться с горением твёрдых горючих веществ и материалов (ТГМ). Поэтому знание механизмов возникно­вения и развития горения ТГМ является важным при изучении дисциплины «Теория горения и взрыва».

Большинство ТГМ относится к классу органических веществ (см. рис. 5.1), состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органиче­ских веществ может входить хлор, фтор, кремний и другие химические элементы, причем большинство состав­ляющих ТГМ элементов являются горючими.

Значительно меньшее количество ТГМ относится к классу неорганических веществ, многие из которых также являются пожаровзрывоопасными. Хорошо известна по­жарная опасность, например, магния, натрия, который склонен к самовозгоранию при контакте с водой. Кроме того, тушение пожаров металлов связано со значительными сложностями, в частности, из-за непри­годности для этих целей большинства огнетушащих веществ.

Необходимо учитывать, что при измельченииТГМ их пожаровзрывоопасность резко усиливается, например, дре­весина, зерно, уголь всостоянии пыли становятся взрывоопасными. Древесная пыль в цехе по производству древесноволокнистых плит начинает взрываться уже при концентрации 13-25 г/м; мука пшеничная на мельницах – при концентрации 28 г/м³, угольная пыль в шахтах – при 100 г/м³. Металлы при измельчении их до пудры самовозгораются на воздухе. Можно привести и другие примеры.

Состав ТГМ оказывает влияние на особенности их горения (см. табл. 5.1). Так, целлюлозные материалы, кроме углерода и водорода, содержат кислород (до 40-46 %), который участвует в горении так же, как и кислород воздуха. Поэтому целлюлозным материалам не­обходим значительно меньший объем воздуха для горе­ния, чем для веществ, в состав которых кислород не входит (пластмассы).

Рис. 5.1. Классификация твердых горючих веществ и материалов

 

Этим же объясняется сравнительно низкая теплота горения целлюлозных материалов и их склонность к тлению. Среди них особо выделяются волокнистые (вата, лен, хлопок), полости и поpы которых также заполнены воздухом, что способствует их горению. В связи с этим они чрезвычайно склонны к тлению, для них неэффективен метод тушения изоляцией, более того, в реальных условиях они практи­чески не тушатся. Горение таких веществ протекает без об­разования сажи.

Характерным свойством других целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с об­разованием горючих паров, газов и углеродистого остатка. Так, при разложении 1 кг древесины образуется 800 г горю­чих газообразных продуктов разложения и 200 г древесного угля, при разложении 1 кг торфа – 700 г лету­чих соединений, а хлопка – 850 г. Кроме природы горючего, количест­во и состав выделяющихся летучих веществ зависит от темпера­туры и режима нагревания данного вещества.

Таблица 5.1.

Состав некоторых целлюлозных материалов

Горючий материал	Элементный состав, %	Влага W, %	Теплота горения кДж/кг	Объем воздуха для го­рения VB, м3/кг
С	Н	О	N
Древесина дуба						До 20000	5-6
Солома
Торф

 

Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением теп­ла, поэтому при затрудненном теплоотводе возможно их самонагревание и горение. Для предотвращения самовозго­рания необходимо следить, чтобы целлюлозные материалы в больших массах и при плотной укладке не нагревались выше 100 ⁰С.

Несколько иной состав имеют полимерные материалы (см. табл. 5.2). Они отличаются высоким содержанием углерода, большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объём воздуха (10-12 м³/кг), к тлению они, как правило, не склонны, поэтому для них эффективно прекращение горения методом изоляции. Горение полимера сопровождается выделением сажи и зна­чительного выделения теплоты горения, что затрудняет их тушение. Вода как огнетушащее средство недостаточно эф­фективна, лучший результат дает применение огнетушащей пены, порошковых составов.

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Некоторые из них разлагаются с выделением летучих продуктов реакции, подобно целлюлозным, однако большинство из них плавят­ся и образуют на поверхности материала жидкий слой (1-2, иногда 6-8 мм). Стекающий расплав образует жидкий слой толщиной несколько сантиметров и способствует быстрому распространению горения по наклонным и вертикальным поверхностям. В большинстве случаев горение является го­могенным, то есть горит смесь воздуха и газообразных про­дуктов разложения.

Таблица 5.2.

Состав некоторых полимерных материалов

Полимеры	Элементный состав, %	Влага W, %	Теплота горения кДж/кг	Объем воздуха для го­рения VB, м3/кг
С	Н	О	N
Каучук			-	-	-	До 50000	10-12
Полиэтилен			-	-	-
Капролактам					-

 

При газификации полимеры выделяют чрезвычайно токсичные продукты, такие как синильная кислота, хлористый во­дород, бензолы, диоксиды и т. д.

5.2. Поведение твердых горючих веществ и материалов при на­гревании

 

Химический состав и строение влияют также и на по­ведение ТГМ при нагревании. Если при нагревании жидко­стей происходит только испарение, то при нагревании ТГМ протекают более сложные процессы (см. рис. 5.2).

Большинство из ТГМ при нагревании меняют своё аг­регатное состояние, т. е. газифицируются: некоторые из них при нагревании разлагаются (например, древесина); другие плавятся (каучук, некоторые виды пластмасс, в частности, термопласты). В обоих случаях образуются газообразные продукты разложения, способные к горению.

Рис. 5.2. Поведение твердых горючих веществ и материалов при нагревании

 

При дальнейшем воздействии источника зажи­гания летучие продукты окисляются (экзотермический процесс), в какой-то момент скорость тепловыделения превышает ско­рость теплоотвода, происходит самовоспламенение, которое завершается самоподдерживающимся процессом горения. В процессе горения выделяется тепло, которое расходуется, в частности, на разложение или плавление (т. е. газификацию) новых участковТГМ и активацию молекул горючего, дру­гими словами, на поддерживание процесса горения. Необ­ходимо отметить, что существует сравнительно немногочисленная группа ТГМ, которая при нагревании источником зажигания не плавится и не разлагается. К ней относятся ан­трацит, кокс, древесный уголь и др. Процесс окисления у таких веществ протекает непосредственно на поверхности самого вещества. В этом случае пламя (область пространст­ва, где сгорают пары и газы) не образуется. Напомним, что такое горение называется гетерогенным.

Принцип действия огнезащиты состоит в том, чтобы: 1) направить пиролиз материала в сторону образования
негорючих газов (см. стадии воспламенения древесины); 2) снизить скорость нагрева поверхности материалов с целью образования слоя угля, обладающего плохой теплопроводностью; 3) создать условия для предотвращения тления угля.

Средства огнезащиты можно разделить на: покрытия, которые обеспечивают образование коксо­вого слоя и предотвращение его горения; пропитки, которые способствуют разложению вещества с минимальным выходом горючих газов и максимальным выходом угля.

Приведем некоторые способы огнезащиты: 1) огнезащитные покрытия, обмазки: суперфосфатная обмазка (СФО), состав: суперфосфат 70 %; вода 30 %; 2) известково-глино-солевая обмазка (ИГСО), состав: известко­вое тесто – 74 %, глина – 4 %, соль – 11 %, вода – 11 % (способ известен со времен Древнего Рима); огнезащитное покрытие, вспучивающееся ВПД и т. д.; огнезащитные лаки, краски, эмали: огнебиозащитный состав КСД, ЩИТ-1, КО-5221, Силикат-О; 3) огнезащитные пропиточные составы (антипирены): МС, ВИМ, ВАНН-1, NLA-8.