1.10 Горение твердых веществ

Особенность горения твердых горючих веществ состоит в том, что при нагреве они частично разлагаются, образуя парогазовую горючую систему. Эту часть горючих веществ называют летучей. Для объяснения процессов горения летучих веществ применимы закономерности, используемые при горении газов и паров.

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых веществ, происходит не только их выгорание, но и распространение пламени по еще не горящей поверхности. Горение твердых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твердого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. При быстром нагревании частиц топлива (для частиц малого диаметра) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается четкая стадийность начального этапа горения – сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твердого, так называемого коксового остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива – золу.

Пожарная опасность твердых веществ и материалов характеризуется их склонностью к возгоранию и самовозгоранию. К возгоранию относятся случаи возникновения горения при воздействии внешних источников зажигания с температурой выше температуры самовозгорания. К самовозгоранию относятся случаи горения, возникающие при температуре окружающей среды.

Химический состав твердых горючих веществ очень разнообразен. Большинство из них относится к классу органических веществ, состоящих в основном из углеро­да, водорода, кислорода и азота. В состав многих орга­нических веществ входят также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Значительно меньшее ко­личество твердых горючих веществ относится к классу неорганических веществ. Среди них металлы (калий, натрий, магний, алюминий, титан и др.), металлоиды (се­ра, фосфор, кремний), а также их соединения друг с дру­гом.

В условиях большинства пожаров горят твердые ве­щества, которые широко используются в народном хозяй­стве и быту. К ним в первую очередь относятся мате­риалы, изготовленные на основе целлюлозы (таблица 1.4): древесина, хлопок, хлопчатобумажные ткани, бумага; на основе углеводородов и их производных: резина, пластмассы, химические волокна и ткани из них; про­дукты питания: зерно и зернопродукты, жиры, сахар и т. д.

Целлюлозные материалы, как видно из таблицы 1.4, со­держат кислород, который участвует в процессе горе­ния так же, как кислород воздуха. В связи с этим объем воздуха, теоретически необходимый для их горения, зна­чительно меньше, чем для горения горючих веществ, в со­став которых кислород не входит. Этим же объясняется низкая теплота сгорания целлюлозных материалов и способность их к тлению. Полости и поры волокнистых и пористых целлюлозных материалов, кроме того, запол­нены воздухом, что способствует их горению. Горение таких веществ происходит без образования сажи.

Таблица 1.4 - Состав целлюлозных материалов

Горючий материал	Вещества, входящие в состав целлюлозных материалов, %
	углерод	водород	кислород	азот	влага	сажа
Древесина: дуб	46,08	5,50	38,18	1,14	7,00	2,10
сосна	46,00	5,50	39,2	0,9	7,00	1,40
Солома	39,06	4,70	42,2	1,04	8,00	5,00
Хлопок	42,40	5,92	46,6	0,58	4,00	0,50

Характерным свойством целлюлозных материалов яв­ляется их способность при нагревании разлагаться с об­разованием паров, газов и углеродистого остатка. Коли­чество образующихся при этом газообразных продуктов (летучих) и их состав зависят от температуры и режима нагревания горючих веществ. Торф начинает разлагаться уже при температуре от 100 до 105 °С, заметное разложение протекает при 150 °С. Мед­ленное разложение древесины начинается при температуре от 160 до 170 °С, а заметный выход газообразных продуктов про­исходит при температуре от 250 до 300 °С.

При начальной температуре разложения твердых веществ скорость образования газообразных продуктов не­большая, с повышением температуры она увеличивается. При дальнейшем повышении температуры скорость выде­ления газообразных продуктов уменьшается, приближа­ясь к некоторому минимальному значению. Таким обра­зом, газообразные продукты при на­гревании твердых веществ образу­ются в определенном интервале тем­ператур и с переменной скоростью, причем при разложении разных горючих материалов выделяет­ся различное количество газообраз­ных продуктов. Так, при разложе­нии 1 кг древесины выделяется 800 г газообразных продуктов и об­разуется 200 г древесного угля, при разложении 1 кг торфа выделяется 700 г газообразных продуктов, а при разложении 1 кг хлопка - 850 г газообразных продуктов.

Состав газообразных продуктов разложения не постоянен, он изме­няется в зависимости от температу­ры разложения твердых веществ. При низких температурах преобла­дает двуокись углерода и водяной пар, при более высоких образуются горючие газы: водород, метан и др. В таблице 1.5 приведен со­став неконденсирующихся газов, образующихся при раз­личной температуре разложения древесины.

Таблица 1.5 - Состав газов при разложении березовой древесины

Температура, °С	200	300	400	500	600	700
Выход газов на 100 кг древесины, м3	0,4	5,6	9,5	12,8	14,3	16,0
Состав газов, объемный процент
СО2	75,00	75,00	49,36	3,20	40,98	38,56
СО	25,00	40,17	34,00	29,01	27,20	25,19
СН4	-	3,76	14,31	21,72	23,42	24,94
С2Н4	-	-	0,86	3,68	5,74	8,50
Н2	-	-	1,47	2,34	2,66	2,81

В таблице 1.6 приведен полный состав продуктов, полу­чающихся при разложении березовой древесины. Если из них исключить уголь, то оставшиеся 68,2 весового процента составляют газообразные продукты, из которых около 30 % являются негорючими (вода и двуокись углерода), око­ло 38 % - горючими. В таблице 1.6 приведены также коли­чества тепла, выделяющегося при горении угля и газо­образных продуктов, полученных при сухой перегонке древесины без доступа воздуха. Суммарное количество выделенного тепла при горе­нии 1 кг древесины равно теплоте сгорания древесины. Согласно данным, приведенным в таблице 1.6, теплота сгорания березовой древесины равна 18750 кДж/кг.

При горении древесины в условиях пожара количе­ство образующегося угля несколько меньше и составля­ет 20 весовых процентов от массы древесины.

Состав угля не постоянен и меняется в зависимости от температуры разложения. Так, при 150 °С уголь, обра­зующийся при разложении древесины, содержит 51,7 % углерода, 5,9 % водорода и 42,4 % связанного кислорода, а при 450 °С - 84,9 % углерода, 3,1 % водорода и 12 % кислорода.

Таблица 1.6 - Теплота сгорания продуктов сухой перегонки березовой древесины

Продукты сухой перегонки березовой древесины	Выход на 100 кг абсолютно сухой древесины (В), кг	Теплота сгорания, МДж
		1 кг (z)
Уголь	31,80	32,2	10,2
Смола	15,80	29,6	4,7
Уксусная кислота	7,08	14,3	1,0
Метиловый спирт	1,60	22,2	0,4
Ацетон	0,19	32,5	0,06
СО2	9,96	-	-
СО	3,32	10,1	0,3
СН4	0,54	50,0	0,3
С2Н4	0,19	47,1	0,09
Разные органические вещества	10,03	16,2	1,7
Вода	19,49	-	-
Итого:	100,00	-	18,75

Разложение целлюлозных материалов сопровождает­ся выделением тепла, поэтому при малой скорости теплоотвода возможно самонагревание их и возникновение го­рения. Самый высокий тепловой эффект разложения у древесины (1090 кДж/кг), поэтому надо следить, чтобы она не нагревалась в больших массах (при плотной укладке) выше 100 °С.

Таблица 1.7 - Удельная весовая скорость выгорания некоторых материалов

Горючие материалы	Удельная весовая скорость выгорания, кг/(м2 · мин)			Принимаемая скорость выгорания, кг/(м2·мин)
	при 500 °С	при 700 °С	при 900 °С
Древесина (влага до 10%)	0,34	0,45	0,65	0,5
Стеклопластик	0,74	0,90	1,10	1,0
Каучук СКИ-3	0,45	0,85	-	1,12

Как и при горении жидкостей, весовую скорость вы­горания твердых веществ относят к единице поверхности горения, т. е. поверхности горючего вещества, с которой в данный момент времени в зону горения поступают па­ры и газы. Такая весовая скорость выгорания твердых веществ называется удельной. Удельная весовая ско­рость выгорания не зависит от величины поверхности твердых веществ и изменяется в зависимости от темпе­ратуры и влажности вещества (таблица 1.7).

Практическое определение удельной скорости выго­рания твердых материалов очень затруднено, так как по­верхность горения многих из них не представляет ровную плоскость. В связи с этим принято скорость выгорания принимать с единицы площади пожара, т. е. единицы площади проекции поверхности горения на горизонталь­ную плоскость. Такую величину принято называть при­веденной весовой скоростью выгорания и обозначать (таблица 1.8).

Таблица 1.8 – Приведенные весовые скорости выгорания твердых веществ

Вещество	Приведенная весовая скорость выгорания, кг /(м2 · мин)
Бумага разрыхленная	0,48
Древесина (конструкции здания, мебель)	0,84
Пиломатериалы в штабеле	7,0 - 8,0
Резино-технические изделия	0,67
Текстолит	0,4
Хлопок разрыхленный	0,24

Эту величину можно определять опытным путем на спе­циальной установке, называемой камера-весы.

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых материалов, происходит не толь­ко их выгорание, но и перемещение фронта пламени по еще негорящей поверхности. Перемещение фронта пламени по поверхности твердых веществ называется рас­пространением горения и характеризуется линейной ско­ростью распространения горения :

, (1.28)

где - расстояние, пройденное фронтом пламени, м;

- время пе­ремещения фронта пламени, мин.

Различают две линейные скорости распространения горения - по вертикальной поверхности (вниз и вверх) и горизонтальной поверхности. Однако, в расчетах по тушению пожаров практически применяется только ско­рость распространения по горизонтальной поверхности. На величину линейной скорости распространения горения влияет много факторов: состояние поверхности вещества, интенсивность излучения зоны горения, направление и скорость ветра и др.

Твердые материалы при хранении на открытой мест­ности и в зданиях располагают, как правило, не сплош­ным слоем, а с разрывами, достигающими иногда не­скольких метров. Однако в условиях пожара такие раз­рывы не могут предотвратить распространение горения. В связи с этим, при определении линейной скорости рас­пространения горения во время пожара в расстояние, пройденное фронтом горения в данном направлении, включают и разрывы между скоплениями горючих мате­риалов, если они не препятствовали распространению го­рения.

Таким образом, линейная скорость распространения горения в условиях пожара отличается от линейной ско­рости распространения горения по поверхности твердого горючего вещества. В таблице 1.9 приведены наблюдаемые ли­нейные скорости распространения горения в условиях пожара при горении различных материалов.

Таблица 1.9 - Линейные скорости распространения горения в условиях пожара при горении твердых веществ

Вещество	Линейные скорости распространения горения в условиях пожара, м/мин
Бумага в рулонах	0,27
Резиново-технические изделия	1,10
Синтетический каучук	0,40
Текстильные изделия	0,38
Штабели торфоплит	1,00
Штабели досок (влага от 8 до 10 %)	4,00