Общие закономерности воспламенения и горения твердых горючих материалов

Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с процессами горения газов и жидкостей. Однако кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.

Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:

• Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.

• Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода – сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.

• Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев.

• Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.

Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме того, необходимы затраты на плавление и разложение.

На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы.

Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.

Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии, для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала.

Распространениепламени поповерхноститвердыхгорючихматериалов

После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих с этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения.

Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы:

– природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов);

– влажность материала;

– ориентация образца материала в пространстве;

– скорость и направление воздушных потоков;

– начальная температура материала;

– геометрические размеры образца материала (толщина, дисперсность).

На ординарных пожарах наиболее распространенным горением является горение материалов, основой которых является целлюлоза. Характерный пример материала такого рода – древесина.

Древесина состоит из комплекса органических веществ, в состав которых входит углерод (49,5 %), кислород (44,1 %), водород (6,3 %) и азот (0,1 %). Кроме органических веществ древесина содержит минеральные соединения, которые при сгорании дают 0,2–1,7 % золы. Наибольшее количество золы приходится на кору и листья. В золе из древесины сосны, ели и березы содержится свыше 40 % солей кальция, более 20 % солей калия и натрия и до 10 % солей магния.

Рассмотрим поведение древесины (как наиболее распространенного горючего материала) при нагревании.

Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов и может протекать сразу в двух режимах – гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы:

1) гомогенное (то есть пламенное) горение газообразных продуктов разложения;

2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз – процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый остаток – древесный уголь.

В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200–260, 240–350 и 250–400 °C. Пиролиз древесины – экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150 кДж/кг).

Если пиролиз протекает без доступа воздуха, то при повышении температуры до 170 °Cиз древесины выделяется вода, при температуре от 170 до 270 °Cначинается разложение древесины и при 270–280 °Cпроисходит энергичное обугливание древесины с бурным выделением тепла. С 280 до 380 °Cидет главный период сухой перегонки с выделением жидких веществ – уксусной кислоты, метилового спирта, скипидара и легкой смолы. Перегонка практически заканчивается при температуре 430 °Cс образованием черного угля (примерно в количестве 19 % от веса сухой древесины).

Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) при пиролитическом разложении древесины без доступа воздуха включают диоксид (45–55 % по объему) и оксид (28–32 %) углерода, водород (1–2 %), метан (8–21 %) и другие углеводороды (1,5–3,0 %).

Но так как пламенное горение – это процесс, идущий только при доступе воздуха в зону горения, то и состав продуктов пиролиза в этом случае будет отличаться. В целом можно спрогнозировать обогащение зоны горения также и парами жидкофазных продуктов пиролиза, снижение содержания СО₂ за счет разбавления зоны горения воздухом, а также наличие газообразных продуктов пиролиза в концентрациях между нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения.

Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55–60 % всей энергии. Скорость же гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности. Часто гетерогенное горение называют тлением.

Тление – это беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление может происходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, содержащегося в порах и химической структуре материала.

К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалов растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.