Сущность и виды горения. Классы пожаров

Для лучшего понимания условий образования горючей среды, источников зажигания, оценки и предупреждения взрывопожароопасности, а также выбора эффективных мероприятий и средств систем пожарной безопасности, надо иметь представление о природе процесса горения, его формы и видах.

Горение - экзотермическая реакция окисления вещества, которое сопровождается выделением дыма и возникновением пламени или свечением.

Для возникновения горения необходимо одновременное наличие трех факторов - горючего вещества, окислителя и источника зажигания. При этом, горючее вещество и окислитель должны находиться в необходимом соотношении друг к другу и образовывать таким образом горючую смесь, а источник зажигания должен иметь определенную энергию и температуру, достаточную для начала реакции.

Горючую смесь определяют термином "горючая среда".

Горючая среда - это среда, которая способна самостоятельно гореть после удаления источника зажигания.

Для полного сгорания необходимое присутствие достаточного количества кислорода, чтобы обеспечить полное превращение вещества в его насыщенные оксиды. При недостаточном количестве воздух окисляется только часть горючего вещества. Остаток разлагается с выделением большого количества дыма. При этом также образуются токсичные вещества, среди которых наиболее распространенный продукт неполного сгорания - оксид углерода (СО), который может привести к отравлению людей.

На пожарах, как правило, горение происходит с нехваткой окислителя, который серьезно усложняет пожаротушение в результате ухудшения видимости или наличия токсичных веществ в воздушной среде.

Следует заметил, что горение некоторых веществ (ацетилена, оксида этилена, и тому подобное), которые способны при разложении выделять большое количество тепла, возможно и при отсутствии окислителя.

Горение может быть гомогенным и гетерогенным.

При гомогенном горении вещества, которые вступают в реакцию окисления, имеют одинаковое агрегатное состояние - газо- или парообразное.

Если начальные вещества находятся в разных агрегатных состояниях и существует предел разделения фаз в горючей системе, то такое горение называется гетерогенным.

Пожары, преимущественно, характеризуются гетерогенным горением.

Во всех случаях для горения характерны три стадии: возникновение, распространение и угасание пламени.

Наиболее общими свойствами горения является способность ячейки пламени передвигаться по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частей из зоны горения в свежую смесь. Отсюда возникает и механизм распространения пламени, соответственно тепловой и диффузионный. Горение, как правило, проходит по комбинированному тепло - диффузионному механизму.

По скорости распространения пламени горение разделяется на дефлаграционное, взрывное и детонационное.

Дефлаграционное горение - скорость пламени в пределах нескольких м/с.

Взрывное - чрезвычайно быстрое химическое превращение, что сопровождается выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Эта работа может приводить к разрушениям, которые возникают под время взрыва в связи с образованием ударной волны - внезапного скачкоподобного роста давления. При этом скорость пламени достигает сотен м/с.

Детонационное - это горение распространяется со сверхзвуковой скоростью и достигает нескольких тысяч метров в секунду.

Возникновение детонаций объясняется сжатием, нагреванием и перемещением несгоревшей смеси перед фронтом пламени, которое приводит к ускорению распространения пламени и возникновения в смеси ударной волны, благодаря которой и осуществляется передача теплоты в смеси.

По происхождению и некоторыми внешними особенностями различают такие формы горения :

вспышка - быстрое загорание горючей смеси без образования сжатых газов, которое не переходит в стойкое горение;

воспламенение - горение, которое возникает под воздействием источника зажигания;

вспыхивание - воспламенение, которое сопровождается появлением пламени;

самовоспламенение - горение, которое начинается без влияния источника зажигания;

самовспыхивание - самовоспламенение, которое сопровождается появлением пламени;

тление - горение без излучения света, что, как правило, распознается по появлению дыма.

В зависимости от агрегатного состояния и особенностей горения разных горючих веществ и материалов, пожары по ГОСТ 27331187 разделяются на соответствующие классы и подклассы:

класс А - горение твердых веществ, которое сопровождается тлением (подкласс А1) или не сопровождается тлением (подкласс А2) ;

класс В - горение жидких веществ, которые не растворяются в воде (подкласс В2) ;

класс С - горение газов;

класс Д - горение легких металлов за исключением щелочных (подкласс Д1), щелочных (подкласс Д2), а также металлосодержащих соединений (подкласс Д3);

класс Е - горение электроустановок под напряжением.

Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов

Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - это совокупность свойств, которые характеризуют их склонность к возникновению и распространению горения, особенности горения и способность поддаваться гашению загораний.

По этим показателям выделяют три группы горючести материалов и веществ: негорючие, трудногорючие и горючие.

Негорючие - вещества и материалы, которые неспособны к горению или обугливанию в воздухе под воздействием огня или высокой температуры.

Это материалы минерального происхождения и изготовленные на их основе материалы, - красный кирпич, силикатный кирпич, бетон, камень, асбест, минеральная вата, асбестовый цемент и другие материалы, а также большинство металлов. При этом негорючие вещества могут быть пожарноопасными, например, вещества, которые выделяют горючие продукты при взаимодействии с водой.

Трудногорючие - вещества и материалы, которые способны загораться, тлеть или обугливать в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть или обугливать после его удаления (материалы, которые содержат горючие и негорючие компоненты, например, древесина при глубокой пропитке антипиреном, фибролит и т.п.);

Горючие - вещества и материалы, которые способны самовозгораться, а также загораться, тлеть или обугливать от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

В свою очередь, в группе горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы - это вещества и материалы, которые способны заниматься от кратковременного (до 30 с) действия источника зажигания низкой энергии.

С точки зрения пожарной безопасности решающее значение имеют показатели пожаровзрывоопасных свойств горючих веществ и материалов. ГОСТ 12.1.044189 предусматривает свыше 20 таких показателей. Необходимый и достаточный для оценки пожаровзрывоопасности конкретного объекта перечень этих показателей зависит от агрегатного состояния вещества, вида горения (гомогенное или гетерогенное) и тому подобное и определяется специалистами.

В таблице 4.1 приведенные даны основных показателей пожарноопасных свойств веществ разного агрегатного состояния, которые используются при определении категорий взрывоопасности помещений и взрывоопасных и пожарноопасных зон в помещениях и вне их.

t_всп - температура вспышки - это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний над ее поверхностью образуется пары или газы, которые способны загораться от источника зажигания, но скорость их образования еще не достаточна для стойкого горения, то есть имеет место только вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, которая не сопровождается образованием сжатых газов.

Значение температуры вспышки используется для характеристики пожарной опасности жидкостей.

t_воспл - температура воспламенения - это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после их зажигания от внешнего источника наблюдается вспыхивание - начало стойкого горения пламени.

Таблица 4.1

Основные показатели, которые характеризуют пожарноопасные свойства веществ разного агрегатного и дисперсного состояния ♦

Агрегатный (дисперсный) состояние вещества	Основные показатели пожежонебезпеки
	tвсп	tвоспл	tсвоспл	НКМПП	ВКМПП	tнкмпп	tвкмпп
Твердое вещество	-	+	+	-	-	-	-
Жидкости	+	+	+	+	+	+	+
Газы	-	-	+	+	+	-	-
Пыль	-	+	+	+	-	-	-

Температура вспышки и воспламенения легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) отличается на 5-15^оС. Чем ниже температура вспышки жидкости, тем меньшей является эта разница, и, соответственно, более пожарноопасной эта жидкость. Температура воспламенения используется при определении группы горючести веществ, при оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.

t_своспл - температура самовоспламенения - это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходят резкое увеличение скорости экзотермических объемных реакций, которая приводит к возникновению горения пламени или взрыву при отсутствии внешнего источника пламени.

Температура самовоспламенения вещества зависит от ряда факторов и изменяется в широких пределах. Наиболее значительной является зависимость температуры самовоспламенения от объема и геометрической формы горючей смеси. С увеличением объема горючей смеси при неизменной ее форме температура самовоспламенения уменьшается, потому что уменьшается площадь теплоотдачи на единицу объема вещества и создаются более благоприятные условия для накопления тепла в горючей смеси. При уменьшении объема горючей смеси температура ее самовоспламенения повышается.

Для каждой горючей смеси существует критический объем, в котором самовоспламенение не происходит в силу того, что площадь теплоотдачи, которая приходится на единицу объема горючей смеси, настолько большая, что скорость теплообразования за счет реакции окисления даже при очень высоких температурах не может превысить скорость теплоотвода. Это свойство горючих смесей используется при создании препятствий для распространения пламени. Значение температуры самовоспламенения используется для выбора типа взрывозащищенного электрооборудования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывоопасности технологических процессов, а также при разработке стандартов или технических условий на вещества и материалы.

Температура самовоспламенения горючей смеси значительно (на сотни градусов) превышает температуру вспышки и температуру воспламенения.

НКПРП и ВКПРП - соответственно, нижние и верхние концентрационные пределы распространения пламени - это минимальная и максимальная объемная (массовая) доля горючего вещества в смеси с данным окислителем, при которых возможно воспламенение (самовоспламенение) смеси от источника зажигания с последующим распространением пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Смеси, которые содержат горючее вещество ниже, чем НКПРП или выше, чем ВКПРП, гореть не могут: в первом случае при недостаточном количестве горючего вещества, а во втором - окислителя. Наличие областей негорючих концентраций веществ и материалов предоставляет возможность выбрать такие условия их хранения, транспортировки и использования, при которых исключается возможность возникновения пожара или взрыва. С другой стороны следует отметить, что пары и газы с НКПРП до 10% по объему в воздухе, а также горючие пылевидные вещества, особенно в зависшем состоянии при значении НКПРП менее 65 г/м³ являются чрезвычайно взрывоопасными.

КПРП включаются в стандарты, технических условий на газы, легковоспламеняющиеся жидкости и твердые вещества, способные образовывать взрывоопасные газо-, паро- и пылевоздушные смеси, при этом для пыли устанавливается только НКПРП, потому что большие концентрации взвешенной пыли практически не могут быть достигнуты в открытом пространстве, а при любых концентрациях пыли сгорает только и ее часть, которая обеспечена окислителем. Значения концентрационных пределов применяются при определении категории помещения и класса зон по взрывопожарной и пожарной опасности, при расчете предельно-допустимих взрывобезопасных концентраций газов, паров и пыли в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.

t_НКПРП и t_ВКПРП - соответственно, нижние и верхние температурные пределы распространения пламени (КПРП) - температуры материала (вещества), при которых его(ее) насыщенные пары или горючие летучие образуют в окислительной среде концентрации, которые равняются нижний или верхний концентрационным пределам распространения пламени.

Значения КПРП используются во время разработки мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности объектов, при расчете пожаровзрывобезопасних режимов работы технологического оборудования, при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей, для расчета КПРП и тому подобное.

Безопасной, с точки зрения вероятности самовоспламенения газовоздушной смеси, принято считать температуру на 10^оС меньше нижней или на 15^оС выше верхнего температурного предела распространения пламени для данного вещества.

Наличие разного набора показателей пожарноопасных свойств веществ разного агрегатного состояния (см. табл. 4.1) связана с особенностями их горения.

Твердые горючие вещества в большинстве случаев сами по себя в твердом состоянии не горят, а горят горючие летучие продукты их распада под действием высоких температур в смеси с воздухом - пламенное горение. Таким образом, горение твердых веществ в большинстве случаев связано с переходом их горючей составляющей в другое агрегатное состояние - газовый. И только твердые горючие вещества с высоким содержанием горючих составляющих (антрацит, графит и т.п.) могут гореть в твердом агрегатном состоянии практически беспламенно. Поэтому твердые горючие вещества, в целом более инертные относительно возможного загорания, а большинство приведенных в табл. 4.1 показателей пожарноопасных свойств для твердых веществ, за исключением t_воспл и t_своспл, не имеют существенного значения.

Для твердых веществ, в целом, величины t_воспл и t_своспл колеблятся в пределах (2…6) 10^2оС.

Воспламеняющиеся жидкости. Характерным для процесса горения этих жидкостей является то что сами жидкости не горят, а горит их пар в смеси с воздухом. Если над поверхностью горючей жидкости концентрация пара будет меньше НКПРП, то зажечь такую жидкость от внешнего источника зажигания невозможно, не доведя температуру жидкости до значения, больше за tНКПРП. Таким образом, горение жидкостей связано с переходом их из одного агрегатного состояния (жидкости) в другой (в пар). В связи с этим для оценки взрывопожароопасных свойств горючих жидкостей имеют значение все показатели, приведенные в табл. 4.1.

Среди приведенных показателей особенное значение имеет t_всп, при которой горючие жидкости разделяются на 5 классов:

1. t_всп < -13^оС;

2. t_всп = - 13..28^оС;

3. t_всп = 29..61^оС;

4. t_всп = 66..120^оС;

5. t_всп < 120^оС.

Первые 3 класса жидкостей условно относятся к легковоспламеняющимся (ЛВЖ). Характерной особенностью для ЛВЖ является то, что большинство из них даже при обычных температурах в производственных помещениях могут образовывать паровоздушные смеси с концентрациями в пределах распространения пламени, то есть взрывоопасные паровоздушные смеси.

4-й и 5-й классы жидкостей по t_всп относятся к горючим (ГЖ). Паровоздушные смеси с концентрациями в пределах распространения пламени для ГЖ могут иметь место при температурах, не характерных для производственных помещений, - при температурах, которые превышают соответствующие t_всп этих жидкостей. Такие температуры возможны в технологических процессах, связанных с нагревом ГЖ к температурам, больших t_всп и при таких условиях ГЖ тоже

Горючие газы горят в смеси образуют взрывоопасные паровоздушные смеси с воздухом в концентрациях в пределах НКПРП - ВКПРП, и такие смеси газы создают без агрегатных переходов веществ. Поэтому горючие газы имеют большую готовность к горению, чем твердые горючие вещества и воспламеняющиеся жидкости, следовательно являются более опасными с точки зрения взрывопожарной опасности, а соответствующие их свойства характеризуются только тремя показателями - t_{своспл,} НКПРП и ВКПРП (см. табл. 4.1).

Пылевоздушные смеси - смеси с воздухом измельченных к размерам до 850 мкм частей твердых горючих веществ. Процесс горения пыли, в целом, подобный процессу горения твердых веществ. Но наличие большой удельной поверхности пылинок (отношение площади поверхности к их массе), которая контактирует с окислителем (воздухом), и способность к быстрому их прогреву по всей массе под действием источника зажигания, делают пыль опаснее с точки зрения пожарной опасности, чем твердые вещества, из которых он создан. Для оценки взрывопожароопасных свойств пыли используют, в основном, показатели t_воспл, t_своспл и НКПРП (см. табл. 4.1).

По способности к загоранию и особенностями горения пыль разделяют на взрывоопасную и пожарноопасную.

К взрывоопасной относится пыль из НКПРП до 65 г/м³. При этом выделяют особенно взрывоопасную пыль по НКПРП до 15 г/м³ и взрывоопасную - НКПРП равно 15…65 г/м³.

К пожарноопасной относится пыль с НКПРП более 65 г/м³.

При этом, пыль с t_своспл до 250^оС относится к особенно пожарноопасной, а при t_своспл > 250^оС - к пожарноопасной.