Пламя, продукты сгорания

 

Пространство, в котором развивается пожар, услов­но разделяется на три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зона горения – часть пространства, в котором про­текают процессы термического разложения или испарения горючих жидкостей и материалов (твердых, жидких, газов, паров) в объеме диффузионного факела и пламени.

Зона теплового воздействия примыкает к зоне горе­ния. В этой зоне протекают процессы теплообмена между поверхностью пламени и горючими материала­ми.

Зона задымления – часть пространства, примыкаю­щего к зоне горения, в котором невозможно пребывание людей без средств защиты органов дыхания и в котором затрудняется ведение боевых действий под­разделений (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зоны на пожаре: а – зона горения; б – зона теплового воздействия; в – зона задымления;

 

Пространство, в котором сгорают пары и газы называется пламенем или факелом. При внимательном рассмотрении пламени можно различить три его зоны (рис. 1.2). В нижней его части 3 происходит смешивание образующихся газов с воздухом. Если быстро внести в эту часть пламени головку спички и подержать ее некоторое время, то спичка загорается не сразу. Следовательно, в этой части пламени температура невысокая. Если в нижнюю часть пламени внести стеклянную трубочку и к ее отверстию приблизить зажженную спичку, то появляется пламя. Это доказывает, что в ниж­ней части пламени имеются несгоревшие газы. Средняя часть пламени 2является самой яркой, поскольку здесь под влиянием относительно высокой температуры происходит разложение углеродсодержащих продуктов и частицы угля сильно накаляются и излучают свет. Во внешней части пламени про­исходит полное сгорание газов с образованием оксида углерода (IV) СО₂ и воды Н₂О. Вслед­ствие этого пламя в этой части несветящееся. Описывая пламя, следует подчеркнуть, что многие его аспекты до сего времени остаются недостаточно изученными и ясными, представления о некоторых из них достаточно противоречивы. Наиболее близкой к реальной интерпретации феноменологических аспектов пламени является вывод о том, что реакция в пламени углеводородов начинается задолго до светящейся зоны при сравнительно невысоких температурах.

Рис. 1.2. Строение пламени

 

Пламя может быть диффузионным или кинетическим, в зависимости от того, горит ли заранее приготовленная смесь паров или газов с воздухом либо такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара горючие вещества: газы, жидкости, твёрдые – горят диффузионным пламенем.

По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. При пожарах, как правило, образуется турбулентное пламя, но оно изучено недостаточно, поэтому для объяснения этого явления используются положения теории ламинарного пламени.

Рассмотрим строение диффузионного ламинарного пламени жидкости, горящей в сосуде небольшого диаметра, а также газов и твердых веществ, если скорость движения газов соответствует ламинарному режиму (см. рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. Схема диффузионного ламинарного пламени: а – зона горючих паров; б – зона горения; в – окружающая среда (воздух)

 

Пламя состоит из зоны горения и зоны паров. Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывает возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении. Образующиеся в зоне горения продукты диффундируют как в воздух, так и в горючие пары. В пламени малого размера продукты сгорания находятся во всём объёме зоны паров, а в пламени большого размера, только в слое, прилегающем к зоне горения. Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие этого кислород не может диффундировать в зону паров и горение в ней отсутствует.

Отсутствие лишнего кислорода в зоне горения вызывает диффузию воздуха в неё из окружающей среды, который, диффундируя через слой продуктов сгорания, теряет часть кислорода и азота. Поступающий в зону горения кислород реагирует с диффундирующим в неё горючим, а азот диффундирует в зону образования паров. Поэтому состав горючей смеси по фронту пламени стремится к стехиометрическому. Температура пламени меняется по высоте зоны горения. Объясняется это изменением состава стехиометрической смеси в зоне горения и затратой тепла на нагрев поступающего в неё воздуха. В нижней части пламени, где образуется стехиометрическая смесь, которая должна характеризоваться наибольшей теплотой горения, температура горения не является максимальной, так как значительное количество тепла затрачивается на нагрев холодного воздуха. В средней части пламени теплота горения смеси меньше, чем в нижней, что обусловлено диффузией в неё продуктов сгорания. Однако поступающий в зону горения нагретый воздух компенсирует потери тепла, и температура горения в этой части пламени является максимальной. В верхней части диффузионного пламени горючая смесь имеет ещё меньшую теплоту горения, и нагретый воздух, поступающий для образования стехиометрической смеси не может компенсировать всех потерь тепла, поэтому температура горения здесь минимальная.

Цвет пламени зависит от термической диссоциации паров около зоны нагрева. Атомы углерода, поступая в зону горения, возбуждаются и, будучи некоторое время в свободном состоянии, светятся. Если вместо углерода вводить в пламя соли меди, то оно окрасится в зелёный или синий цвета, если в пламя попадёт соль стронция, то оно окрасится в красный цвет. Так, по цвету пламени и образующейся в некоторых случаях саже можно делать вывод о природе горящих веществ и правильно выбрать огнетушащий состав.

По внешним признакам турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет чётких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура турбулентного пламени всегда выше ламинарного.

Замечательной особенностью пламени является его способность самопроизвольно перемещаться по холодной горючей смеси. Это свойство характеризуется нормальной скоростью распространения пламени (U_н), которая является единственным параметром процесса горения, имеющим свойство физико-химической константы для конкретной горючей смеси. Сущность U_н схематически показана на рис. 1.4:

Рис. 1.4. Схема распространения пламени в гомогенной газовой смеси: 1 – стеклянная трубка, 2 – фронт пламени, 3 – направление распространения пламени

 

В трубе приготовлена гомогенная горючая смесь. Если открыть один её конец (в данном случае, левый) и поджечь эту смесь у открытого конца, то возникает фронт пламени, перемещающийся в сторону свежей смеси по нормали к фронту пламени. Горячие продукты горения будут истекать в окружающую среду, и поэтому на фронт пламени возмущающее воздействие оказываться не будет. Если закрыть и второй конец трубы, то скапливающиеся слева от фронта пламени продукты горения, нагретые до максимальной температуры горения, будут давить на фронт пламени, вызывая увеличение его скорости. Эта скорость, называемая видимой скоростью пламени, U_в и определяется выражением:

, (1.18)

где: U_в – видимая скорость пламени, м/с;

U_н – нормальная скорость распространения пламени, м/с;

ε – степень расширения продуктов сгорания;

h – отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей исходной смеси (для углеводородных горючих веществ близка к единице);

Т_г – температура горения, К;

Т₀ – начальная температура, К.

Для углеродных горючих смесей U_н составляет 0,30-0,45 м/с. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционным (U_в до 10 м/с) и детонационным (U_в примерно от 10³ м/с). Горение при скорости пламени между дефлаграцией и детонацией называют взрывным. При скорости U_в 60 м/с перед фронтом пламени формируется взрывная (ударная) волна, которая представляет собой скачкообразное изменение давления прилегающей к фронту среды, распространяющемуся со скоростью, близкой к скорости звука. Давление во фронте взрывной волны характеризует её разрушающую способность, но более подробно этот вопрос будет рассмотрен в последующих темах.

При горении веществ и материалов всегда образуются продукты сгорания, это газообразные, жидкие и твёрдые вещества, полученные в результате соединения горючего с окислителем (кислородом воздуха) в процессе горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества и условий его горения. При пожаре чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При их горении в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре горения образуются продукты полного сгорания: СО₂, Н₂О, N₂. При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов сгорания образуются продукты неполного сгорания: СО, С (сажа). Продукты сгорания могут быть влажными и сухими. Когда во время пожара горят неорганические вещества, такие как: сера, фосфор, натрий, калий, алюминий, титан, магний и другие, продуктами их сгорания в большинстве случаев будут твёрдые вещества: Na₂O₂, CaO, MgO, P₂O₅. Они образуются в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Продукты сгорания алюминия, титана и других металлов в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.

Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твёрдых частиц во взвешенном состоянии в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма на пожаре колеблется от 0,01 до 1 мкм. В составе дыма, образующегося при горении органических веществ, кроме продуктов полного сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих веществ. Они образуются при нагреве ещё не горящих горючих веществ, находящихся в среде воздуха или дыма, содержащего кислород. Обычно это происходит перед факелом пламени или в верхних частях помещений, где находятся нагретые продукты сгорания.

Дым, образующийся при пожарах, представляет большую опас­ность по следующим причинам: высокая температура; токсичность некоторых продуктов горения и термоокислительного разложения, входящих в его состав, например, HСN, CO, HC1, NO, NO₂, СО₂ и др.; непрозрачность дыма, снижающая видимость и затрудняющая действия людей при пожаре; возможность образования продуктами термоокислительного разложения и неполного горения, входящими в состав дыма, взры­воопасных смесей с воздухом.

Таким образом, опасность дыма обусловливается как его дис­персной фазой, так и компонентами, входящими в его дисперсионную среду. Так, дым, выходящий непосредственно из зоны реак­ции, может иметь температуру более 1000 ⁰С, а критической тем­пературой среды, в которой человек может пребывать длительное время, является температура 60 ⁰С.

Наличие в составе дисперсионной среды дыма таких газов, как HСN, CO, HC1, делает его опасным для вдыхания даже при низ­ких концентрациях. Например, вдыхание воздуха, содержащего 0,4 % СО в течение 300 секунд, приводит к летальному исходу. Содержание СО₂ в продуктах горения также делает дым опасным: пребывание в атмосфере с концентрацией 8¸10 % углекислого газа вызывает быструю потерю сознания и смерть. В продуктах горения обычно содержится 10¸12 % СО₂.

Существует несколько способов борьбы с дымом, снижающих его устойчивость. К ним относятся использование распыленных водяных струй, при этом снижается температура дыма, увеличивая его влажность, происходит нейтрализация заряженных частиц, их слипание иснижение агрегативной и кинетической устойчивости дисперсной системы (частицы дыма укрупняются и оседают). Кроме этого, борьба с дымом может осуществляться путем его механического удаления из задымленных помещений с помощью дымососов или созданием естественных конвективных потоков, например, с помощью дымовых люков.

Состав продуктов термоокислительного разложения зависит от природы горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем. При термоокислительном разложении горючих веществ, в молекулах которых содержатся гидроксильные группы, всегда образуется вода. Если в состав горючих веществ входит углерод, водород, кислород, то продуктами термоокислительного разложения являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и органические кислоты. Когда в состав горючих веществ, кроме перечисленных элементов будут входить хлор, азот, то в дыме будут хлористый и цианистый водород, оксиды азота и другие соединения. Так, в дыме при горении капрона содержится цианистый водород; при горении линолеума «РЕЛИН» – сероводород, диоксид серы; при горении органического стекла – оксиды азота. Продукты неполного сгорания и термоокислителного разложения в большинстве случаев являются токсичными веществами, поэтому люди, находящиеся в таких помещениях, получают отравление в течение достаточно короткого времени.