oOL23V78K6

3

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проблемы национальной безопасности и промышленной безопасности, защиты населения от чрезвычайных ситуаций становятся все более актуальными. Реальную угрозу представляют крупные промышленные предприятия, нефтепроводы, газовые магистрали, на которых наблюдается устойчивая тенденция роста числа аварийных ситуаций, связанных с пожарами и взрывами. В последние годы участились аварии на шахтах, приводящие к человеческим жертвам и значительным материальным потерям. Из-за неисправностей оборудования, транспортных средств, а также изза действий человека растет число аварий на авиационном, железнодорожном, автомобильном транспорте. Наибольшую опасность представляют аварии с выбросом химически опасных и радиоактивных веществ, разливом нефтепродуктов, разрушением оборудования с опасными веществами и работающего под высоким давлением.

Чрезвычайные ситуации в сфере материального производства всегда сопровождали человечество. Можно вспомнить взрыв и утечку 40 т метилизоцианата на химическом комбинате в городе Бхопал (Индия) в декабре 1984 г. – погибло 3 150 чел. и около 200 000 отравились; взрыв скопившегося природного газа на железнодорожном перегоне Челябинск – Уфа в 1989 г., когда погибло 575 чел. и 623 получили тяжелые ранения и стали инвалидами; аварию на Чернобыльской АЭС в 1986 г., потери от которой еще долго нельзя будет окончательно подсчитать; аварию на японской АЭС «Фукусима» в 2011 г. и др.

Пожары всегда были одними из самых тяжелых бедствий. За последние десятилетия в России произошли: крупнейший пожар в гостинице «Россия» в Москве в 1977 г. (погибло 42 чел.); пожар в школе села Сыдыбыл Республики Саха (Якутия) в 2003 г. (погибли 22 ребенка и педагог); пожар в доме престарелых в станице Камышеватская Краснодарского края в 2007 г. (погибли 63 чел.). Наиболее часто и, как правило, с тяжелыми последствиями происходят пожары на пожаровзрывоопасных объектах: предприятиях химической и нефтехимической промышленности, газо- и нефтепроводах, нефтеперерабатывающих предприятиях и др. Следует отметить, что относительный уровень людских потерь от пожаров в нашей стране остается одним из самых высоких среди показателей развитых стран мира и превышает их в 3–5 раз.

Не меньшие потери приносят и взрывы. К числу таких катастроф следует отнести взрыв трех вагонов с промышленной взрывчаткой на станции Ар-

4

замас в июне 1988 г. (разрушены вокзал и 185 близлежащих зданий). Очень опасной остается добыча угля. От взрывов метана и угольной пыли в забоях ежегодно гибнут сотни шахтеров. Так, в 1906 г. вспышка нескольких динамитных патронов привела к взрыву угольной пыли на французском руднике «Курьер» – это была самая крупная катастрофа за всю историю горного дела. Взрыв охватил почти все выработки, имевшие общую протяженность свыше 100 км. Погибли 1 099 чел., многие были тяжело ранены. Еще более тяжелая авария произошла 26 апреля 1942 г. на шахте «Хонкейко» (Манчжурия – Япония (Китай)), когда при взрыве погибло 1 549 чел. При взрыве угольной пыли на шахте «Миикэ» в Японии в ноябре 1963 г. погибло 458 чел. и были тяжело ранены 742 шахтера. В марте 2007 г. произошел взрыв на шахте «Ульяновская» в Новокузнецке, унесший жизни 110 горняков, а в ноябре 2007 г. при взрыве метана на «Шахте им. А. Ф. Засядько» в Донецке на Украине погиб 101 шахтер.

Ущерб от пожаров и взрывов на потенциально опасных производствах растет во всех индустриально развитых странах, включая Россию. Причинами этого являются:

–расширение производств и усложнение технологических процессов;

–повышение объемов производства материалов и изделий, что влечет накопление в технологиях большого количества пожаровзрывоопасных материалов и веществ;

–перегрузки человеческого организма, приводящие к ошибкам обслуживающего персонала, и др.

Развитие промышленности и технологических процессов, а также внедрение современной техники и технологий немыслимо без использования процессов горения и управляемых взрывов: это переработка нефти и производство металлов, обжиг керамических изделий и выпечка хлеба, получение тепловой энергии для нужд отопления и пара для производственных нужд, разрушение скального грунта и штамповка металлических изделий методом взрыва и др.

Для того чтобы правильно выбирать направления и методы борьбы с пожарами и неуправляемыми взрывными явлениями, важно знать основные причины, приводящие к ним, а также характер их развития. Вместе с тем этого бывает недостаточно, так как часто пожары и взрывы вызывает пресловутый человеческий фактор. Исследования американской фирмы «Дюпон» за

5

2005 г. показали, что причиной 96 % всех происшествий на производстве являлся человеческий фактор – действия работников.

Предотвращение крупных пожаров, аварий и катастроф в России в последнее время затруднено в связи с нехваткой профессионалов в области техносферной безопасности. Корни этого явления в том, что информация о таких авариях и катастрофах ранее в нашей стране была засекречена. Снятие ограничений по их освещению привлекло внимание общественности к проблемам промышленной безопасности, что позволяет надеяться на изменения к лучшему.

Предлагаемое учебное пособие призвано сформировать у студентов представление о характере процессов горения и взрыва, умение предвидеть и предотвращать опасные явления, приводящие к пожарам, взрывам.

1. ГОРЕНИЕ И УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРЕНИЯ

Горением называется физико-химический процесс, при котором горючие вещества под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем, превращаясь в продукты горения.

Горение сопровождается интенсивным выделением теплоты и световым излучением.

По этим признакам горение можно отличить от других явлений. Например, горение электрической лампочки нельзя назвать горением, хотя при этом выделяется теплота и излучается свет. В этом явлении нет одного из главных признаков горения – химической реакции, приводящей к выделению огромного количества теплоты с последующим образованием пламени.

Горение в большинстве случаев – сложный химический процесс, состоящий из реакций окислительно-восстановительного типа. Для возникновения горения необходимы определенные условия.

Для возникновения, развития и распространения процесса горения и его длительного существования необходимо выполнение определенных условий, без которых этот процесс невозможен.

Для возникновения горения необходимы:

–наличие горючей смеси, т. е. определенное сочетание горючего вещества с окислителем (обычно кислородом воздуха);

–инициация реакции между горючим веществом и окислителем. Основными факторами, определяющими возникновение реакции между

горючим веществом и окислителем, являются:

6

–нагревание горючей смеси до температуры самовоспламенения или самовозгорания;

–воздействие внешнего источника зажигания (ИЗ).

При возникновении горения в случае нагревания горючей смеси до температуры самовоспламенения или самовозгорания процесс горения осуществляется в режиме самовоспламенения (самовозгорания). При возникновении горения от источника зажигания происходит вынужденное воспламенение или вынужденное зажигание горючей смеси.

Основными условиями вынужденного зажигания является наличие:

–горючего вещества или горючей смеси веществ;

–окислителя;

–источника зажигания, под воздействием которого начинается протекание химической реакции горения между компонентами горючей смеси.

1.1. Горючее вещество Горючее вещество – это вещество, способное к горению. Горючие ве-

щества характеризуются горючестью.

Горючесть – способность вещества или материала к распространению пламенного горения или тления.

Тление – беспламенное горение твердого вещества (материала) при сравнительно низких температурах (400...600 °С), часто сопровождающееся выделением дыма.

Горючесть вещества характеризуется физико-химическими свойствами, агрегатным состоянием, особенностями загорания и горения.

Способность к горению определяется основными показателями, приведенными в таблице, набор которых зависит от агрегатного состояния и условий процесса горения.

По горючести вещества и материалы подразделяют на три группы:

–негорючие (несгораемые);

–трудногорючие (трудносгораемые);

–горючие (сгораемые).

Негорючие вещества не могут гореть на воздухе (это металлы, их сплавы, керамические материалы и др.).

Трудногорючие вещества и материалы могут загораться на воздухе от источника зажигания, но неспособны самостоятельно гореть после его удаления. К таким веществам относятся полихлорвиниловая плитка, фенолфор-

7

мальдегидный стеклопластик, древесина, подвергнутая поверхностной огнезащитной обработке, и др.

Основные показатели пожаро-, взрывоопасности

Примечание. Знак «+» означает применяемость, знак «–» – неприменяемость показателя.

Горючие вещества и материалы способны самовозгораться или возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления (это древесина, торф, уголь, нефтепродукты, органические химические вещества и пр.).

Горючее вещество и окислитель образуют горючую смесь – горючую систему.

Горючие вещества или системы могут быть химически однородными и химически неоднородными.

Химически однородные горючие системы – это смеси горючих газов,

паров или пылей с воздухом, в которых равномерно перемешаны горючее вещество и воздух. Горение таких горючих смесей называется гомогенным.

Химически неоднородные горючие системы – это системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют границу раздела фаз. Однако такими системами могут быть и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух. Горение таких веществ называется гетерогенным.

Горючие вещества представляют собой сложные химические соединения. Элементный химический состав горючего вещества включает углерод (С), водород (Н), серу (S), а также кислород (О), азот (N). Кроме того, в смеси горючих веществ (например, в нефти, мазуте и др.) могут присутствовать минеральные примеси, превращающиеся при сжигании в золу (А) и влагу (W).

8

Горючая смесь сложного состава, используемая для сжигания с целью получения теплоты, называется топливом. В общем виде элементный химический состав топлив может быть представлен следующим образом:

Cр + Hр + Oр + Nр + Sр + Aр + Wр = 100 %,

где индекс «р» означает рабочую массу топлива (в масс. %), поступающего к потребителю. Например, рабочая масса древесины имеет состав (в масс. %): 49 С, 6 Н, 43 О и 2 других примесей, включая влагу. Обычно при расчетах используются массовые проценты и обозначение «масс.» опускается (как это делается далее по тексту).

Важное значение имеет содержание в составе топлив золы (А) и влаги (W), так как эти составляющие определяют качество и теплотехнические характеристики топлив. Для сравнительной теплотехнической оценки топлив ввели условные понятия сухой, горючей и органической масс топлив. Содержа-

ние сухой, горючей, органической масс выражается в процентах и обозначается соответственно индексами «с», «г», «о» вместо рабочей массы «р».

Сухое горючее вещество не содержит влаги, и такое топливо называется обезвоженным. Элементный состав сухого горючего топлива записывается с индексом «с» следующим выражением: Cс + Hс + Oс + Nс + Sс + Aс = 100 %.

Топливо, которое содержит влагу либо приобретает влагу при хранении, транспортировке, называется воздушно-сухим, и состав такого топлива за-

писывается с индексом «а»: Cа + Hа + Oа + Nа + Sа + Aа + Wа = 100 %.

Безводная и беззольная масса топлив называется горючей, и состав ее отмечается индексом «г»:

Cг + Hг + Oг + Nг + Sг = 100 %.

Топлива с органической массой – это особый вид топлив, в которых присутствует сера в виде органических соединений и отсутствует сера в неорганической форме (например, нет примесей серного колчедана). Уравнение таких топлив записывается с индексом «о», указывающим на органическую массу: Cо + Hо + Oо + Nо + Sо = 100 %.

Расчет содержания в топливе сухой, горючей, органической или воз- душно-сухой массы определяет качество топлива и его горючесть. Такие характеристики топлива представляют значительный интерес для теплоэнергетиков.

9

1.2. Окислители

Горение – сложный химический процесс, состоящий из окислительновосстановительных химических реакций. В качестве окислителей могут выступать не только кислород или воздух, но и множество других соединений: хлор, бром, сера, марганцовокислый калий, различные перекиси и другие кислородосодержащие вещества. Однако на практике чаще всего горение протекает в атмосфере воздуха.

Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются (в об. %): азот – 78.084, кислород – 20.948, аргон – 0.934. Объемный процент – то же, что объемная доля. Для смесей газов – это объемная концентрация газа в смеси газов, взятых при нормальных условиях. В незначительных количествах в воздухе присутствуют неон, гелий, криптон, аммиак, диоксиды углерода и серы и др. Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не принимает. Азот также не участвует в химическом взаимодействии с горючим веществом. Однако азот оказывает существенное влияние на скорость протекания процесса горения. Присутствие азота следует учитывать, так как он участвует во многих физических процессах, сопровождающих горение: участвует в диффузии воздуха в горючее вещество; выступает в качестве инертного разбавителя горючего и окислителя (кислорода); влияет на скорость нагревания и скорость горения горючей смеси.

При составлении уравнения реакции горения вещества в воздухе необходимо учитывать присутствие азота следующим образом: в левой части уравнения записываются горючее вещество и участвующий в горении воздух, а после знака равенства – образующиеся продукты реакции. На примере горения метана (природного газа) составим уравнение горения. Для простоты расчетов принимаем, что воздух состоит из 21 об. % кислорода и 79 об. % азота с другими инертными газами, т. е. на один объем кислорода приходится 79 : 21 = 3.76 объема азота, или, с учетом равенства объемных долей количеству соответствующего компонента газовой фазы, на каждый моль кислорода приходится 3.76 моль азота.

Таким образом, состав воздуха может быть представлен следующим выражением: О2 + 3.76N2.

Исходя из этого выражения, уравнение горения природного газа с учетом коэффициентов перед формулами будет иметь следующий вид:

СН4 + 2О2 + 2·3.76N2 = СO2 + 2Н2О + 2·3.76N2.

10