10.3. Оценка пожарной опасности веществ

Оценка пожарной опасности веществ состоит в определе­нии ряда параметров, характеризующих качественно и коли­чественно условия возникновения и развития процесса горения и зависящих от агрегатного состояния вещества. Правильная оценка пожарной опасности вещества означает технически гра­мотный подход к определению категории производств по сте­пени взрыво- и пожароопасности и разработку профилактических мероприятий, направленных на предупреждение воз­никновения пожаров.

При оценке степени пожарной опасности необходимо тща­тельно изучить вещество при его использовании, взаимодей­ствии с другими активными веществами, длительном нагреве или хранении под воздействием внешних факторов, в резуль­тате которых с течением времени могут измениться его фи­зико-химические свойства. Необходимо определить степень влияния изменения физико-химических свойств на изменение параметров пожароопасности вещества.

Основные параметры, характеризующие пожарную опас­ность веществ, положены в основу разработки нормативно-тех­нических требований и правил, направленных на обеспечение пожарной безопасности технологических процессов производ­ства.

Для всех веществ определяют степень их горючести. После определения степени горючести:

- для жидкостей определяют сначала температуру вспышки, затем температуру самовоспла­менения и температурные и концентрационные пределы вос­пламенения;

- для газов определяют нижний концентрационный предел воспламенения и температуру самовоспламенения;

- для твердых веществ - температуру самовоспламенения, условия теплового самовозгорания и нижний предел воспламенения аэровзвеси.

После оценки степени пожарной опасности жидкостей и газов, наряду с установлением основных параметров их взрыво- и пожароопасности, необходимо определить рекомен­дуемые средства пожаротушения, а также минимальную взры-вобезопасную концентрацию кислорода в смесях паров от­дельных жидкостей и газов с воздухом при разбавлении их инертными газами - флегматизаторами.

Горение жидкостей и большинства твердых веществ про­исходит в паровой или газовой фазе. При нагревании жидко­сти испаряются и над их поверхностью образуются паровоз­душные смеси. При нагревании твердых веществ последние разлагаются с выделением газообразных продуктов разложе­ния. При достаточной скорости испарения жидкости или ско­рости образования газообразных продуктов разложения твер­дого вещества и при воздействии источника зажигания воз­никает устойчивое пламенное горение.

Наименьшая температура вещества, при которой в резуль­тате воздействия источника зажигания возникает устойчивое пламенное горение, называется температурой воспла­менения вещества Т_В. Эта температура характеризует подго­товленность вещества к горению.

Наименьшая температура горючего вещества, при которой тепловыделение в результате реакции окисления начинает пре­вышать теплоотдачу в окружающую среду, называется тем­пературой самовоспламенения T_С. При достижении этой температуры дальнейшего нагревания горючей смеси не требуется, так как в этом случае начинается процесс само­нагревания смеси за счет избыточного тепловыделения по сравнению с теплоотдачей. Температура самовоспламенения является характеристикой начала процесса теплового само­воспламенения. Горючая смесь саморазогревается до темпера­туры горения Т_Г, в результате чего возникает ее пламенное горение.

Температура самовоспламенения Т_С положена в основу клас­сификации газов и паров жидкостей по группам взрывоопас­ных смесей. В соответствии с группой взрывоопасной смеси устанавливается максимально допустимая температура на­грева поверхности электрического оборудования во взрыво­опасных помещениях и наружных установках, если с этими поверхностями возможен контакт взрывоопасной среды. Так как температура самовоспламенения веществ не является по­стоянной величиной и зависит от многих факторов, то для по­лучения воспроизводимых сравнительных результатов испыта­тельную аппаратуру и методику определения температуры самовоспламенения стандартизуют. Поэтому температуру самовоспламенения веществ, определенную на стандартных приборах и по стандартным методам, называют стандартной температурой самовоспламенения.

В условиях производства, связанных с применением, хра­нением или получением горючих газов, легковоспламеняю­щихся и горючих жидкостей, возможно образование смесей паров и газов с воздухом. Концентрация горючего в этих сме­сях может изменяться от долей процента до 100%. Образова­ние высоких концентраций горючего в смесях характерно для закрытых аппаратов, технологического оборудования, сосудов, в которых обращаются или хранятся жидкости и газы. При нарушении герметичности таких аппаратов или изменении температурных условий хранения жидкостей концентрации смесей паров и газов с воздухом могут изменяться в широких пределах. В особенно широких пределах изменяются концент­рации горючих паров и газов в производственных помещениях при аварийных ситуациях, при выходе жидкостей, паров и га­зов из аппаратов и трубопроводов, но не все из этих концент­раций взрывоопасны.

Для каждого газа или пара жидкости в смеси с воздухом существуют граничные условия воспламенения.

На рис. 51 по­казаны концентрационные пределы воспламенения горючих смесей паров и газов с воздухом. На оси абсцисс отложены значения возможных концентраций смесей, а на оси ординат - температура самовоспламенения этих смесей.

Смеси воздуха с горючими газами и парами, концентрации которых лежат в интервале слева от точки А и справа от точки В, не способны воспламеняться даже при наличии мощ­ного источника зажигания. Только в интервале концентраций,

находящихся между точками А и В, смеси способны воспла­меняться с распространением пламени на весь объем горючей смеси.

Концентрации горючих газов и паров в смесях, лежащие в интервале слева от точки А, составляют область безопасных концентраций. Такие смеси характеризуются малым содержа­нием горючего и высоким содержанием воздуха.

Минимальную концентрацию горючих газов или паров в смеси, при которой смесь воспламеняется от постороннего источника зажигания с последующим распространением пла­мени по всему объему, назвали нижним концентраци­онным пределом воспламенения (НПВ).

На нижнем концентрационном пределе воспламенения горючая смесь характеризуется:

- высокой температурой самовоспламенения Т_С,

- низкой температурой горения Т_Г ~ 1300⁰К,

- медленным распрост­ранением пламени по объему горючей смеси,

- небольшим дав­лением взрыва (294,2 • 10³ Па).

С увеличением концентрации горючих газов и паров в смеси температура самовоспламене­ния снижается, а температура горения и давление при взрыве увеличиваются.

Наименьшая температура самовоспламенения Т_Сmin и наиболь­шие значения температуры горения Т_Гmax и давления p_max при взрыве теоретически соответствуют стехиометрическим концентрациям горючих газов и паров в смеси с воздухом (В действительности скорость химического превращения горючей смеси наибольшая при концентрациях несколько выше стехиометрической, так как моментального воспламенения всей горючей смеси не происходит, а имеется фронт распространения пламени), когда соотноше­ние компонентов смеси точно соответствует соотношению моле­кул вещества в уравнении химической реакции горения. На рис. 51 значение этой концентрации обозначено точкой С. Стехиометрическую концентрацию рассчитывают по уравнению химической реакции горения вещества (горение при котором количество атомов топлива и окислителя соответствует требуемым пропорциям химической реакции, к примеру для 2-х атомов водорода надо 1 атом кислорода 2Н+О=Н₂О).

При увеличении концентрации горючих веществ в смеси выше стехиометрической температура самовоспламенения бу­дет повышаться, а температура горения и давление при взрыве - понижаться. Это объясняется тем, что при воспламе­нении такой газовоздушной смеси часть тепла, образованного в результате химической реакции, расходуется на нагрев не участвующих в реакции горючих газов и паров. Наконец на­ступает такое соотношение горючего газа или пара с возду­хом, когда смесь не способна воспламеняться из-за недостатка кислорода воздуха. На рис. 51 область таких концентраций лежит справа от точки В.

Наивысшая концентрация горючих газов или паров, при которой смесь еще воспламеняется от постороннего источника зажигания с распространением пламени по всему объему смеси, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВПВ).

Концентрации паров и газов в смесях, лежащие между НПВ и ВПВ, составляют область воспламеняющихся, а ле­жащие выше ВПВ — область пожароопасных концентраций. Опасность их заключается в том, что концентрация воздуха в таких смесях может быть увеличена (например, за счет на­рушения герметичности аппарата) и пожароопасные концент­рации перейдут в область воспламеняющихся. Концентрацион­ные пределы воспламенения имеются и у пылевоздушных смесей.

Для большинства жидкостей, газов и пылей пределы вос­пламенения указаны в специальной и справочной литературе. При отсутствии справочных данных концентрационные пре­делы воспламенения определяют экспериментальным путем на специальных приборах в соответствии с действующими ГОСТами и инструкциями или же расчетными методами.

Как было отмечено, горение жидкости происходит в газо­образной фазе, которая образуется в результате испарения жидкости. Под испарением жидкости понимается процесс па­рообразования с ее поверхности. Это эндотермическая реакция, сопровождающаяся большим поглощением энергии. Испарение также прямо зависит от давления жидкости. Чем меньше давление, тем более интенсивно происходит испарение. Растворимость газов в жидкости сильно зависит от величины давления жидкости. Даже незначительное давление жидкости резко повышает растворимость газов. Жидкость, испаряясь, обра­зует над поверхностью насыщенный пар, т. е. пар, находя­щийся в динамическом равновесии с жидкостью. Количест­венно процесс испарения характеризуется концентрацией об­разующихся паров в смеси с воздухом над поверхностью жидкости. Концентрация насыщенного пара индивидуальной жидкости является однозначной функцией температуры. Чем выше температура жидкости, тем выше концентрация ее на­сыщенных паров.

Следовательно, концентрация насыщенных паров жидкости, соответствующая нижнему и верхнему концентрационным пре­делам воспламенения, может образоваться только при строго определенных температурах данной жидкости. Наименьшая (или наибольшая) температура жидкости, при которой над ее поверхностью образуется концентрация насыщенных паров, со­ответствующая нижнему (или верхнему) концентрационному пределу воспламенения, называется нижним (или верх­ним) температурным пределом воспламе­нения.

Температурные пределы воспламенения применяют при рас­чете безопасных температурных режимов работы закрытых технологических аппаратов и сосудов с жидкостями при ат­мосферном давлении.

Нижний температурный предел воспламенения называют температурой вспышки жидкости. Температуру вспышки берут за основу при классификации жидкостей на горючие и легковоспламеняющиеся, а также при определении категории производства по степени взрыво- и пожароопасности.

Если жидкость нагреть до температуры вспышки и к ее поверхности поднести источник зажигания, то произойдет вспышка (сгорание) ее паров. Дальнейшего горения жидкости происходить не будет, если в момент вспышки источник зажи­гания убрать.

Для того чтобы произошла не только вспышка паров жидкости, но и ее дальнейшее горение, необходимо поверхно­стный слой жидкости нагреть несколько выше температуры вспышки. Это объясняется тем, что если жидкость нагрета до температуры вспышки, то сгорание ее паров происходит зна­чительно быстрее, чем их образование. С повышением темпе­ратуры скорость испарения жидкости увеличивается. При до­стижении определенной температуры скорость испарения пре­вышает скорость сгорания паров, что обеспечивает дальнейшее горение жидкости после удаления источника зажигания. Наи­меньшая температура жидкости, при которой она загорается и продолжает гореть при кратковременном воздействии источ­ника зажигания, называется температурой воспламе­нения. Температура воспламенения у легковоспламеняю­щихся жидкостей выше температуры вспышки на 1-5⁰С. Чем ниже температура вспышки жидкости, тем меньше разность между ней и температурой воспламенения. Для горючих жидкостей разность между температурой вспышки и темпера­турой воспламенения может достигать t_{восплам}- t_{вспышки}= 30—35° С.

Температура вспышки жидкости определяется на приборах двух типов: закрытого и открытого. При определении темпе­ратуры вспышки на приборах закрытого типа получаемый ре­зультат несколько ниже, чем на приборах открытого типа, что объясняется различными условиями нагревания и испарения испытуемой жидкости в этих приборах.

Контрольные вопросы:

1. Какое состояние промышленного объекта соответствует его пожарной безопасности?

2. Какие основные задачи пожарной охраны?

3. Какой процесс называется горением? Какие два типа типа горения существуют? Что называется горючей средой?

4. На какие три основные группы по способности к горению делятся вещества?

5. Дайте определение температуры воспламенения и температуры самовоспламенения.

6. Что называется нижним концентрационным пределом воспламенения горючих смесей?

7.Какой температуре самовоспламенения, горения и давления соответствуют стехиометрические концентрации горючих газов и паров в смеси с воздухом?

8. Какая концентрация горючих газов или паров называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВПВ).

9. Что называется нижним (или верхним) температурным пределом воспламенения, температурой вспышки, температурой воспламенения?

9