5.3. Процесс выгорания жидкости. Пожары резервуаров

Пожары резервуаров, которых ежегодно в стране происходит до десятка, часто носят длительный характер. Например, 85 часов длился пожар резервуара РВС-10000 с бензином на Киришинском нефтеперерабатывающем заводе (1986г.), для тушения было израсходовано 900 т пенообразователя. Пожары резервуаров часто сопровождаются такими опасными явлениями, как вскипание и выброс горящей жидкости.

Для понимания процесса горения жидкостей большое значение имеет прогрев жидкости в глубину.

После того, как возникнет горение паровоздушной смеси, происходит нагрев жидкости, в основном, за счет излучения и теплопроводности нагретого борта резервуара.

При нагреве жидкость испаряется и прогревается в глубину следующими способами:

• теплопроводности жидкости (не очень эффективна, прогревает до 2,5 см);

• теплопроводности стенок резервуара;

• конвекции в результате а) различия температур в центре резервуара и у стенок, а также в результате разгонки в верхнем слое и б) поднятие жидкости с пузырьками пара.

Существует два типа распределения температуры:

• слоем (так прогревается бензин (до температур tж = 100 С), нефть (t_ж = 350 С), мазут (t_ж = 300С));

• плавное, без образования слоя (так прогревается керосин, (до температур t_ж = 170-220 С), солярка (t_ж = 300 С), дизельное топливо (t_ж = 230 С), трансформаторное масло (t_ж = 300 С)).

Формирование слоя начинается через десять минут.

Скорость прогрева жидкости увеличивается с ростом:

• содержания влаги (но при этом уменьшается температура слоя);

• скорости ветра;

• диаметра резервуара.

При горении нефти, нефтепродуктов, других сложных жидкостей в верхнем слое происходит фракционная перегонка (бензин, керосин, масла). Поэтому состав нефтепродукта со временем будет отличаться от начального состава. Так как вначале испаряются и сгорают наиболее легколетучие компоненты (бензин), то со временем температуры кипения и скорость испарения, а, следовательно, пожарная опасность жидкости уменьшается, а вязкость и температура горения растет. Последнее связано с тем, что у темных нефтепродуктов чернота пламени, а значит и теплота излучения выше (их сложнее тушить).

Когда говорят о скорости горения жидкостей, то различают:

• нормальную скорость горения паров V_н;

• массовую скорость горения жидкости V_мас (масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади, кг/м²с). У бензина V_мас = 2,9 кг/м²с, дизельного топлива – V_мас = 3,3 кг/м²с;

• скорость выгорания V_выгор (высота слоя жидкости, выгорающая в единицу времени, V_выгор=h/ (м/мин)). У бензина V_выгор = 0,5 см/мин; у дизельного топлива – 0,33 см/мин;

• линейную скорость горения V_лин (расстояние, пройденное огнем по поверхности жидкости за единицу времени, V_лин=l/ (см/мин), V_м=V_л.)

Скорость горения непостоянна и зависит от следующих факторов:

• начальная температура (при низкой температуре теплопотери из пламени больше, скорость испарения меньше и т.д.);

• силы ветра (ветер усиливает подвод кислорода воздуха в зону горения);

• диаметр резервуара. С ростом диаметра скорость горения вначале уменьшается – в связи с уменьшением нагрева жидкости стенкой, а затем увеличивается – в связи с переходом горения в турбулентный режим, увеличением черноты пламени и, следовательно, – увеличением теплопотока к поверхности жидкости)

• уровень жидкости (с уменьшением уровня увеличивается отрыв пламени от поверхности жидкости, уменьшается теплопередача). В больших резервуарах не имеет практического значения. Теоретически возможна критическая высота борта, при которой горение невозможно. Этот фактор используют в установках самотушения, которые представляют собой технический пол, состоящий из трубок такой длины и диаметра, в которых горение жидкости при аварийном проливе невозможно.

Как указывалось выше, при пожарах резервуаров прогрев жидкости в глубину связан с опасностью вскипания и выброса.

Вскипание – переход в пар большого количества мелких капелек воды, находящейся в нефтепродукте, и образование переливающейся через борт пены.

Вскипание приводит к выходу горения из резервуара и распространению горения на окружающую территорию, что создает опасность для личного состава, техники, соседних резервуаров. Надо отметить, что вскипание – процесс достаточно медленный.

К вскипанию склонны те нефтепродукты, которые содержат воду и прогреваются до температуры, выше температуры кипения воды (более 100 °C). Например, нефть, содержащая 1% воды, вскипает через 45 мин.

Также вскипание часто наблюдается в момент подачи пены, при контакте сравнительно холодного огнетушащего вещества и высоконагретой горючей жидкости.

Механизм вскипания можно описать следующим образом:

• вода нефтепродукта опускается вниз вследствие снижения вязкости и скапливается на границе прогретого и холодного слоя;

• при повышении температуры до 100 °С вода превращается в пар, пузырьки которого образуют пену.

Признаки вскипания:

• увеличение размеров факела пламени;

• шипящий шум.

Следует учитывать, что вскипание часто происходит без указанных признаков.

Вторым опасным явлением при пожарах резервуаров является выброс – более быстрое и опасное, но сравнительно реже встречающееся явление.

Под выбросом понимают быстропротекающий переход в пар воды, находящейся в нефтепродукте (чаще на дне), образование повышенного давления и взрывообразный выброс нефтепродукта.

Условия выброса:

• под слоем продукта находится вода;

• продукт прогревается с образованием гомотермического слоя, достигающего слоя воды;

• температура продукта выше температуры кипения воды.

На практике выброс не наблюдался у керосина, дизтоплива, бензина. Это объясняется тем, что керосин и дизтопливо не образуют гомотермического слоя (не происходит «термоудара и мгновенного вскипания»), бензин образует слой, но температура, до которой он нагревается, ниже температуры кипения воды, поэтому вода не вскипает.

Время выброса можно рассчитать:

[мин], (5.5)

где Н_ж – высота жидкости в резервуаре, м;

h_в.п. – высота водяной подушки в резервуаре, м;

V_выгор – скорость выгорания жидкости, см/мин;

V_{прогрева} – скорость прогрева жидкости, см/мин.

Для мазута скорость выгорания V_выгор = 0,17 м/мин; V_{прогрева} = 0,55 м/мин.

Выбросу могут предшествовать вибрация стенок, шум, возрастание размеров факела.

В качестве защиты от вскипания и выброса используют следующие меры:

• очистка нефтепродукта от воды и примесей (центров парообразования);

• охлаждение стенок для предотвращения прогрева жидкости;

• оперативность (успеть потушить пожар до вскипания и выброса);

• подача пены порциями при угрозе вскипания для охлаждения поверхности;

• организационные мероприятия (назначение ответственного за выполнение требований безопасности, установление единого сигнала оповещения, ограничить нахождение личного состава и техники внутри обвалования [19]).

Вопросы для самоконтроля

1. Какими способами прогревается жидкость при горении по горизонтали и в глубину?

2. От каких факторов зависит скорость прогрева жидкости при горении в глубину?

3. Почему при длительном горении состав нефтепродукта со временем меняется?

4. Какие скорости горения различают при горении жидкости?

5. Какие факторы влияют на скорость горения?

6. Что понимают под вскипанием при пожарах горючих жидкостей? Опишите механизм вскипания и назовите его признаки.

7. Что понимают под выбросом при пожарах жидкостей? Назовите условия выброса.

8. Опишите меры защиты от вскипания и выброса.

Глава 6. Горение твердых горючих

веществ и материалов,

пылевоздушных смесей и металлов

1. Горение целлюлозных и полимерных

твердых горючих веществ и материалов

6.1.1. Влияние состава твердых горючих веществ и материалов

на особенности горения

На большинстве пожаров чаще всего приходится сталкиваться с горением твердых горючих веществ и материалов (ТГВМ). Поэтому изучение механизмов возникновения и развития горения ТГВМ является особенно важным в подготовке специалистов пожарной безопасности.

Состав ТГВМ оказывает влияние на особенности их горения, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.

Большинство ТГВМ относится к классу органических веществ (рис.6.1), состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих органических веществ входит также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Как видим, большинство составляющих ТГВМ элементов являются горючими.

Рис. 6.1. Классификация твердых горючих веществ и материалов

Значительно меньшее количество ТГВМ относится к классу неорганических веществ, многие из которых также являются пожаровзрывоопасными. Хорошо известна пожарная опасность, например, магния, натрий склонен к самовозгоранию при контакте с водой. Кроме этого, как мы увидим далее, тушение пожаров металлов связано со значительными сложностями, в частности, из-за непригодности для этих целей большинства огнетушащих веществ.

Целлюлозные материалы, как видно из табл. 6.1, помимо углерода и водорода, содержат кислород (до 40 – 46 %), который участвует в горении так же, как и кислород воздуха. Поэтому целлюлозным материалам необходим значительно меньший объем воздуха для горения, чем для веществ, в состав которых воздух не входит (например, пластмассы). Этим же объясняется сравнительно низкая теплота горения целлюлозных ТГВМ и их склонность тлению.

Таблица 6.1

Состав некоторых целлюлозных материалов

Горючий материал	Элементный состав, %				Влага W, %	Теплота горения Qг, кДж/кг	Объем воздуха для горения Vв, м3/кг
	С	Н	О	N
Древесина дуба Солома Торф	46 39 38	6 5 6	39 42 14	1 1 19	7 8 8	до 20 000	5-6

Среди целлюлозных особо выделяются волокнистые (вата, лён, хлопок), полости и поры которых также заполнены воздухом, что способствует их горению. В связи с этим они чрезвычайно склонны к тлению, для них неэффективен метод тушения изоляцией, более того, в практических условиях они этим способом практически не поддаются тушению. Горение таких веществ протекает без образования сажи.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием горючих паров, газов и углеродистого остатка. Так, при разложении 1 кг древесины образуется 800 г горючих газообразных продуктов разложения (летучих) и 200 г древесного угля, торфа – 700 г летучих, хлопка – 850 г. Кроме природы горючего, количество и состав выделяющихся летучих и зависит от температуры и режима нагревания горючих веществ. Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при затрудненном теплоотводе возможно их самонагревание и горение. Для предотвращения пожаров необходимо следить, чтобы целлюлозные ТГВМ в больших массах и при плотной укладке не нагревались выше 100 С.

Несколько иной состав имеют полимерные материалы (табл. 6.2). Они отличаются высоким содержанием углерода, большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10-12 м³/кг), к тлению они, как правило, не склонны, поэтому для них эффективно прекращение горения методом изоляции. Горение полимеров сопровождается выделением сажи и значительного количества теплоты горения, что затрудняет их тушение (вода как огнетушащее средство недостаточно эффективна, лучший результат дает применение огнетушащей пены, порошковых составов).

Таблица 6.2

Состав некоторых полимерных материалов

Полимеры	Состав, %				Влага W, %	Теплота горения Qг, кДж/кг	Объем воздуха для горения Vв, м3/кг
	С	Н	О	N
Каучук Полиэтилен Капролактам	88 86 63	11 14 9	- 14	- 12	- - -	до 50 000	10-12

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Некоторые из них разлагаются с выделением летучих, подобно целлюлозным, однако большинство из них плавятся и образуют на поверхности материала жидкий слой (1 – 2, иногда 6 – 8 мм). Стекающий расплав образует жидкий слой толщиной несколько сантиметров и способствует быстрому распространению горения по наклонным и вертикальным поверхностям. В большинстве случаев горение является гомогенным, т.е. горит смесь воздуха и газообразных продуктов разложения.

При газификации полимеры выделяют чрезвычайно токсичные продукты – синильную кислоту, хлористый водород, бензолы, диоксины и т.д.

Необходимо учитывать, что при измельчении ТГВМ их пожаровзрывоопасность резко обостряется. Так, древесина, зерно, уголь и т.д. в состоянии древесной пыли становятся взрывоопасными (древесная пыль в цехе по производству древесноволокнистых плит начинает взрываться уже при концентрации 13 – 25 г/м³; мука пшеничная на мельницах – при 28 г/м³, угольная пыль в шахтах – при 100 г/м³). Металлы при измельчении их до пудры самовозгораются на воздухе и т.д.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите различия состава целлюлозных и полимерных ТГВМ.

2. Как строение и свойства целлюлозных и полимерных ТГВМ влияют на их пожарную опасность и особенности горения.

3. Как влияет измельчение на пожаровзрывоопасность ТГВМ?