Что является необходимым для процесса горения. Базовые виды горения. Классификация пожароопасных веществ

Для возникновения процесса горения необходимы: горючее вещество, кислород, источник воспламенения. Некоторые вещества способны гореть без кислорода, в атмосфере хлора, брома и т.п., но это явление, скорее всего, следует отнести к исключениям из правил.

Горючие вещества могут быть в виде газов, пыли, твердых веществ и жидкостей. Углерод, водород, сера и фосфор, входящие в состав горючих веществ, при горении окисляются и образуют продукты сгорания, которые обычно представляют серьезную опасность для жизни и здоровья людей. Например, 0,4 % окиси углерода, вдыхаемого человеком, является смертельной дозой; вдыхание в течение нескольких минут горячего воздуха температурой 70 °С тоже приводит к летальному исходу.

Выделяющееся при пожаре тепло может оказать разрушительное воздействие на строительные конструкции и технологическое оборудование, что часто приводит к авариям и взрывам.

Чтобы предотвратить пожар, необходимо исключить горючее вещество, кислород или источник воспламенения. Исключить кислород воздуха чрезвычайно сложно, поэтому при разработке противопожарных мероприятий обычно заменяют материалы на менее горючие и ограничивают возможность наличия источника воспламенения.

По горючести вещества и материалы подразделяют на группы:

негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению на воздухе;

трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания;

горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). К легковоспламеняющимся относят жидкости с температурой вспышки не выше 61 °С в закрытом или 66 °С в открытом тигле.

Вспышкой называется быстрое сгорание горючей смеси, не переходящее в стационарное горение. Температура вспышки - минимальная температура, при которой данное количество паров над поверхностью жидкости может воспламениться. Горючая смесь - смесь паров горючего вещества с кислородом воздуха. Воспламенение такой смеси может произойти даже от маломощного и кратковременного источника воспламенения (искры).

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение пламени.

Температура самовоспламенения - температура, при которой начинается самонагревание смеси до воспламенения, заканчивающегося горением.

Нижний и верхний пределы воспламенения (взрываемость) - объемная доля горючего в смеси (%), ниже и выше которой смесь становится неспособной к воспламенению.

Предел распространения огня характеризуется способностью строительных конструкций к самостоятельному горению, измеряется в сантиметрах и представляет собой размер повреждения конструкции в контрольной зоне в течение 15 мин.

В строительном производстве при проектировании мероприятий по предотвращению пожаров ориентируются на недопустимость появления источника воспламенения, поскольку очень многие строительные материалы относятся к группе сгораемых и исключить их из технологических процессов невозможно.

Горением называется химическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Горение может возникнуть только при одновременном наличии трех условий: присутствии горючего вещества, окислителя и источника (импульса) зажигания . Горючее вещество и окислитель составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию окисления (горения).

Окислителем в процессах горения обычно является газообразный кислород, находящийся в воздухе, но горение может быть и в среде хлора, брома, озона и других окислителей.

Источником зажигания могут быть открытые или светящиеся источники – пламя, раскаленные поверхности, лучистая энергия, искры, а также скрытые (несветящиеся) – трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция и т.д. Например, температура пламени спички составляет 750-860 0 С, тления сигареты – 700-750 0 С, пламени древесной лучины – 850-1000 0 С.

В некоторых случаях при горении конденсированных систем (твердых, жидких веществ или их смесей) пламя может и не возникать, т.е. происходит беспламенное горение , или тление .

Во всех случаях для горения характерны три типичных стадии: возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения:

- гомогенное горение газов и газообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя (такое горение может представлять собой взрыв или детонацию) – исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии;

- гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя – исходные вещества, например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель, находятся в разных агрегатных состояниях (горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в топках, двигателях внутреннего сгорания и т.д.);

- горение взрывчатых веществ и порохов – сопровождается переходом вещества из конденсированного в газовое состояние.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть:

- диффузионным (несколько метров в секунду) – все пожары представляют собой диффузионное горение;

- дефлаграционным или взрывным (десятки и сотни метров в секунду);

- детонационным (тысячи метров в секунду).

Пожарная профилактика при проектировании и строительстве предприятий. Огнестойкость и возгораемость строительных материалов и конструкций. Классификация производств по их пожаро- и взрывоопасности.

Взрыво- и пожароопасность производства определяется технологиями, в которых используются или могут образовываться вещества, материалы и смеси с определенными взрыво- и пожароопасными свойствами. Более высокую опасность представляют технологии, в которых используются вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости и т.п.).

При проектировании и строительстве производственных зданий необходимо учитывать пожарную опасность производства. Согласно Строительным нормам и правилам все производства в зависимости от применяемых или хранимых на них материалах и веществ по взрыво- и пожароопасности подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г и Д.

К категории Г относятся производства, в которых используются негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, обработка которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются в качестве топлива.

Большинство предприятий связи относятся к категории В (пожароопасные). К этому типу относятся помещения производств предприятий связи, в которых имеются кабели с горючей обмоткой, оборудование с применением дерева и пластика, бумага, мешкотара, горючая пленка и т.п.

Категорирование производств по пожаровзрывоопасности имеет важное значение, так как в значительной степени позволяет определить требования к зданию, его конструкции и планировке, организации пожарной охраны и ее техническую оснащенность, требования к режиму и эксплуатации технологического оборудования.

Расположение зданий на местности;

Материалы и конструкции, используемые для строительства;

Этажность и планирование внутренних помещений;

Пути эвакуации людей;

Системы отопления и вентиляции.

Выбор местоположения зданий должен определяться с учетом рельефа местности и господствующих ветров. Объекты с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны по отношению к объектам с меньшей пожарной опасностью. Складские помещения и пожароопасные цехи должны располагаться отдельно на определенном расстоянии от основного помещения, чтобы при их возгорании пожар не распространялся на основное здание. Возможно зонирование территории, которое предполагает группирование производственных объектов предприятия, родственных по функциональному назначению и признаку пожарной опасности в отдельные комплексы.

Материалы и конструкции, применяемые на строительстве, определяют степень огнестойкости зданий и сооружений, т.е. способность противостоять воздействию огня. Материалы и конструкции по возгораемости делятся на негорючие, трудногорючие и горючие. В зависимости от огнестойкости здания выбираются те либо другие материалы. Огнестойкость конструкций оценивается минимальным пределом огнестойкости и максимальными пределами распространения по ним огня. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время (в часах), определяемое от начала испытания на огнестостойкость до возникновения одного из следующих признаков:

Образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или дым;

Повышенная температура на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 0 С по сравнению с температурой до испытания;

Потеря конструкцией несущей способности.

Пределы огнестойкости основных строительных конструкций, выполненных на негорючих или трудногорючих материалов, изменяются от 0,5 до 2,5 часа.

Пределы распространения огня по строительным конструкциям определяют размеры повреждения конструкции в сантиметрах вследствие ее горения за пределами зоны нагрева – в контрольной зоне.

В проектах всех сооружений предприятий связи должны быть предусмотрены пути для быстрой и безопасной эвакуации людей и материальных ценностей в случае возникновения пожара. Эвакуационные пути должны обеспечивать эвакуацию всех людей, находящихся в помещениях предприятий связи в течение необходимого времени.

Требования пожарной безопасности должны соблюдаться при проектировании и эксплуатации систем отопления и вентиляции. На предприятиях связи применяются различные виды отопления: печное, электрическое, газовое воздушное, водяное и паровое. Наиболее пожароопасным является печное отопление, так как поверхности печей могут нагреваться до 400-500 0 С. Системы центрального отопления менее пожароопасны, чем системы местного отопления, так как температура поверхности нагревательных приборов колеблется от 85 до 110 0 С. Такие системы опасны тем, что по трубопроводам пожар может распространиться в другие помещения. В связи с этим не допускается прокладка трубопроводов отопления совместно с трубопроводами, по которым транспортируются горючие жидкости, пары или газы.

Вентиляционные системы зданий и сооружений проектируются с учетом степени пожарной опасности производства. Для производств категорий А.Б вентиляционные воздуховоды и ограждающие конструкции вентиляционных камер выполняются из негорючих материалов; для производств остальных категорий – из трудногорючих. Чаще всего воздуховоды располагают в стенах зданий, но допускается их прокладка и внутри помещений. Вентиляционные устройства следует регулярно проверять, очищать от пыли и отходов производства. Проверки фиксируются в специальном журнале. В случае возникновения пожара вентиляционная система должна быть отключена.

Известно, что для возникновения горения необходимо наличие:
1. Горючего вещества
2. Окислителя
3. Источника зажигания (энергетический импульс)
Эти три составляющие часто называют треугольником пожара. Если исключить одну из них, то горение возникнуть не может. Это важнейшее свойство треугольника используется на практике для предотвращения и тушения пожаров.

Воздух и горючее вещество составляют систему, способную гореть, а температурные условия обуславливают возможность самовоспламенения и горения системы.

Наибольшая скорость горения получается при горении вещества в чистом кислороде, наименьшая (прекращение горения) – при содержании 14–15% кислорода.

Горение веществ может происходить за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных легко его отдавать. Такие вещества называются окислителями. Приведем наиболее известные окислители.

· Бертолетова соль (KClO 3).

· Калийная селитра (KNO 3).

· Натриевая селитра (NaNO 3).

В составе окислителей содержится кислород, который может быть выделен путем разложения соли, например:

2 KClO 3 = 2KCl + 3 O 2

Разложение окислителей происходит при нагревании, а некоторых из них даже под воздействием сильного удара.

2. Продукты горения. Полное и неполное сгорание. Экологические аспекты процессов горения.

В процессе горения образуются продукты сгорания. Состав usшвисит от горящего вещества и условий горения. Продукты сгорания, за исключением окиси углерода, гореть не способны.

Дым, образующийся при горении органических веществ, содержит твердые частицы и газообразные продукты (углекислый газ, окись углерода, азот, сернистый газ и другие). В зависи­мости от состава веществ и условий их горения получается различный по содержанию дым. Дымы, образующиеся при горении разных веществ, отличаются не только составом, но цветом и запахом. По цвету дыма можно определить, какое вещество горит, хотя цвет дыма изменяется в зависимости от условий трения. При горении древесины дым имеет серовато-черный пнет; бумаги, сена, соломы - беловато-желтый; ткани и хлоп­ка- бурый; нефтепродуктов - черный и т. д.

Продукты горения – это газообразные, жидкие или твердые вещества, образующиеся в процессе горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества и от условий его горения. Органические и неорганические горючие вещества состоят, главным образом, из углерода, кислорода, водорода, серы, фосфора и азота. Из них углерод, водород, сера и фосфор способны окисляться при температуре горения и образовывать продукты горения: СО, CO 2 , SO 2 , P 2 O 5 . Азот при температуре горения не окисляется и выделяется в свободном состоянии, а кислород расходуется на окисление горючих элементов вещества. Все указанные продукты сгорания (за исключение окиси углерода СО) гореть в дальнейшем больше не способны. Они образуются при полном сгорании, то есть при горении, которое протекает при доступе достаточного количества воздуха и при высокой температуре.

Углекислый газ или двуокись углерода (СО 2) – продукт полного горения углерода. Не имеет запаха и цвета. Горение магния, например, происходит в атмосфере углекислого газа по уравнению:

CO 2 +2 Mg = C + 2 MgO.

При концентрации углекислого газа в воздухе, превышающей 3-4.5%, нахождение в помещении и вдыхание газа в течение получаса опасно для жизни.

Оксид углерода или угарный газ (СО) – продукт неполного сгорания углерода. Этот газ не имеет запаха и цвета, поэтому особо опасен.

Сернистый газ (SO 2) – продукт горения серы и сернистых соединений. Бесцветный газ с характерным резким запахом.

Дым При горении многих веществ, кроме рассмотренных выше продуктов сгорания выделяется дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в каком-либо газе.

При неполном сгорании органических веществ в условиях низких температур и недостатка воздуха образуются более разнообразные продукты – окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные химические соединения. Они получаются при частичном окислении как самого горючего, так и продуктов его сухой перегонки (пиролиза). Эти продукты образуют едкий и ядовитый дым. Кроме того, продукты неполного горения сами способны гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Такие взрывы бывают при тушении пожаров в подвалах, сушилках и в закрытых помещениях с большим количеством горючего материала. Рассмотрим кратко свойства основных продуктов горения.

Экологические аспекты процессов горения. Применение природного газа позволяет уменьшить загрязнение атмосферы оксидам серы, твердыми частицами и окисью углерода, однако в атмосферу поступает большое количество оксидов азота, окиси углерода и канцерогенных веществ (3,4-бенз(о)перен). Правильная организация горения, выбор рациональных способов сжигания позволяет свести к минимуму образование вредных веществ и выделение их в воздушный бассейн. Использование природного газа позволяет вести не только пассивную, но и активную борьбу за чистоту воздуха: использование установок для дожигания, использование выбросных газов для подачи в газовый горелки вместо соответствующего количества воздуха.

Экологические проблемы горения. Задача – не навредить при сжигании топлив. Негативные проявления:

Техногенное тепловыделение соизмеримо с компонентами теплового баланса атмосферы;

Акустический шум турбулентных пламен при работе авиационных и ракетных двигателей – загрязнитель окружающей среды.

Выброс вредных продуктов сгорания – окислов азота, окислов металлов, угарного газа (при высоких Тг), окислов серы, канцерогенных веществ – продуктов неполного пиролиза органических горючих, сажи, углекислого газа (при низких Тг) – является причиной: изменения оптических свойств атмосферы и уменьшения потока солнечного излучения, возникновения кислотных дождей, усиления «парникового эффекта», разрушения озонового слоя Земли, негативного воздействия на флору и фауну, здания и конструкции. Общий итог: глобальное потепление, климатические катастрофы (циклоны, бураны, смерчи, цунами, наводнения, засухи, сходы лавин, сели)..

3. Уравнения горения веществ в кислороде и на воздухе, методика их составления. Термодинамика процессов горения. Тепловые эффекты реакций горения.

Общее уравнение реакции горения любого углеводорода
C m H n + (m + n/4) O 2 = mCO 2 + (n/2) Н 2 O + Q (8.1)
где m, n - число атомов углерода и водорода в молекуле; Q - тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Тепловой эффект (теплота сгорания) Q - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м 3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Q в и низшую Q н теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).
КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому - активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.
Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению
Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8.2)
где r 1 , r 2 , …, r n - объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q 1 , Q 2 , …, Q n - теплота сгорания компонентов.
Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н 2 О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.
Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода - метана:

1. Н + О 2 -› ОН + О
СН 4 + ОН -› СН 3 + Н 2 О
СН 4 + О -› СН 2 + Н 2 О
2. СН 3 + О 2 -› НСНО + ОН
СН 2 + О 2 -› НСНО + О
3. НСНО + ОН -› НСО + Н 2 О
НСНО + О -› СО + Н 2 О
НСО + О 2 -› СО + О + ОН
4. СО + О -› СО 2
СО + ОН -› СО 2 + Н

Итог единичного цикла:
2СН 4 + 4О 2 -› 2СО 2 + 4Н 2 О

Термодинамика горения

Исходный состав горючей смеси характеризуется молярными или массовыми долями компонентов и начальными давлением и температурой. Если состав смеси подобран так, что при её сгорании и горючее, и окислитель полностью преобразуются в продукты реакции, то такая смесь называется стехиометрической. Смеси с избытком топлива называются богатыми , а с недостатком топлива - бедными . Степень отклонения состава смеси от стехиометрического характеризуется коэффициентом избытка топлива (англ. equivalenceratio ) :

где Y F и Y O - массовые доли топлива и окислителя соответственно, а (Y F /Y O) st - их отношение в стехиометрической смеси. В русскоязычной литературе используется также коэффициент избытка окислителя (или воздуха), обратный коэффициенту избытка топлива.

Адиабатическая температура горения смесей CH 4 с воздухом в зависимости от коэффициента избытка топлива. P = 1 бар, T 0 = 298,15 K.

Если горение происходит адиабатически при постоянном объёме, то сохраняется полная внутренняя энергия системы, если же при постоянном давлении - то энтальпия системы. На практике условия адиабатического горения приближённо реализуются в свободно распространяющемся пламени (без учёта теплопотерь излучением) и в других случаях, когда потерями тепла из зоны реакции можно пренебречь, например, в камерах сгорания мощных газотурбинных установок или ракетных двигателей.

Адиабатическая температура горения - это температура продуктов, достигаемая при полном протекании химических реакций и установлении термодинамического равновесия. Для термодинамических расчётов используются таблицы термодинамических функций всех компонентов исходной смеси и продуктов. Методы химической термодинамики позволяют рассчитать состав продуктов, конечное давление и температуру при заданных условиях сгорания. В настоящее время доступно много программ, способных выполнять эти расчёты .

Теплота сгорания - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании исходных компонентов, то есть до CO 2 и H 2 O для углеводородных топлив. На практике часть выделившейся энергии расходуется на диссоциацию продуктов, поэтому адиабатическая температура горения без учёта диссоциации оказывается заметно выше той, что наблюдается на практике .

Термодинамический расчёт позволяет определить равновесный состав и температуру продуктов, но не даёт никакой информации о том, с какой скоростью система приближается к равновесному состоянию. Полное описание горения требует знания механизма и кинетики реакций и условий тепло- и массообмена с окружающей средой.

4. Типы пламени и скорость горения. Теории горения: тепловая, цепная, диффузионная.

В общем случае скорость горения зависит от скорости смешения исходных компонентов в зоне прогрева и зоне реакции (для гетерогенных систем), от скорости химических реакций между компонентами, от скорости передачи тепла и активных частиц из зоны реакции к исходной системе. Нормальная скорость горения (и тем более форма фронта горения) зависит от условий течения свежей смеси и продуктов горения (особенно при горении в двигателях).

Поэтому в теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному и практическому значению и степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший интерес для данного типа пламени. Существенно отличается подход к теоретическому рассмотрению каждого типа пламени. Некоторые различия имеются и в экспериментальных методах.

Перечислим наиболее важные для теории горения типы пламен:

1) ламинарное пламя в гомогенной газовой смеси. К этому же типу относится пламя при горении летучих взрывчатых веществ;

2) ламинарное диффузионное пламя при горении струи горючего газа в окислительной атмосфере. К этому типу примыкает пламя при диффузионном горении жидкого горючего, налитого в цилиндрический сосуд, и т. п.;

3) пламя при горении капли жидкого горючего или частицы твердого горючего в окислительной атмосфере;

4) турбулентные пламена в гомогенных или в предварительно не смешанных газовых смесях;

5) пламя при горении нелетучих взрывчатых веществ, порохов и т. д. в тех случаях, когда существенную роль играет реакция в конденсированной фазе.

Коротко рассмотрим некоторые характеристики основных типов пламен в той мере, в какой это полезно для понимания закономерностей горения конденсированных смесей.

Предварительно следует остановиться на определении скорости горения . При ламинарном горении газовых смесей и гомогенных конденсированных систем большое принципиальное значение имеет понятие нормальной скорости горения (uн ). По определейию, uн равна скорости перемещения пламени относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном поверхности пламени в данной точке. Размерность uн в системе СИ - м/сек, однако для скорости горения эта единица пока употребляется редко и только для газовых систем. Обычно величину uн для газовых систем выражают в см/сек, а для конденсированных систем в мм/сек (если выражать скорость горения конденсированных систем в м/сек, то в обычном диапазоне давлений получаются очень малые дробные числа).

Для гомогенных конденсированных систем чаще всего измеряется скорость горения цилиндрических зарядов, горящих с торца, причем фронт горения полагается плоским (опыт показывает, что в большинстве случаев при наличии надлежащей оболочки это допущение справедливо, и искажения наблюдаются лишь на краях заряда). К тому же для твердых веществ (и достаточно вязких жидких веществ) исходное (твердое или жидкое) вещество неподвижно во время горения. Поэтому в данном случае нормальная скорость горения просто равна видимой скорости пламени (в лабораторной системе координат) и постоянна в различных точках заряда.

Виды горения — это классификация физико-химического процесса в зависимости от характеристик его протекания.Деление на виды может производиться на основе анализа экзогенных и эндогенных характеристик.

Горение — это стремительно протекающая химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и свечением. Особенностью этого процесса является наличие цепной реакции распространения огня с ускорением и увеличением количества выделяемого тепла по мере вовлечения в процесс нового материала.

Для обеспечения горения необходимо наличие следующих факторов:

• окислителя (чаще всего это кислород);
• горючего вещества;
• возгорания.

Эти факторы можно разделить на две части: условия и стартовый механизм. К первым относятся:

• состояние среды;
• состояние материала.

Главным фактором среды является наличие такого количества окислителя, который мог бы достаточно долго поддерживать ускоряющуюся цепную реакцию окисления.

Материал должен быть горючим, то есть способным к окислению. К состоянию материала как фактору горения относится и его структура. Пористый материал горит лучше, потому что в нем созданы все условия для лучшего доступа окислителя на всех стадиях процесса.

Стартовый механизм — это возгорание, после которого начинается цепная реакция распространения пламени. Может быть экзогенным и эндогенным. Обычно стремительное окисление начинается от поджога, осуществляемого человеком или природными стихиями.

Человек преднамеренно или нечаянно резко поднимает температуру материала в какой-либо его части, формируя управляемое или неуправляемое (пожар) распространение пламени. Природные стихии — это любой источник высокой температуры. Обычно это вулканы, метеориты, разряды молнии.

Эндогенные причины возгорания — это переход окисления из медленной стадии в быструю. Обычно сам по себе огонь появляется при помещении большого количества горючего материала в среду со значительным содержанием окислителя. Ярким примером является самовозгорание угля или торфа, извлеченных из бескислородной среды на воздух.

Существует еще теория самовозгорания органики при активном действии разлагающих микроорганизмов. Ее суть состоит в том, что бактерии или грибы, разлагая много органики, могут повысить температуру, после чего появляется пламя.

Однако у этой теории есть один изъян: при повышении температуры до определенного предела микроорганизмы перегреваются и прекращают свою деятельность, после чего температура органики снижается. Кроме того, бактерии и грибы могут активно жить только во влажной среде, в которой возникновение пламени невозможно.

Максимальное повышение температуры в разлагающейся куче травы достигает +60°С. После этого бактерии или погибают, или впадают в анабиоз. Через какое-то время на смену перегревшимся микроорганизмам придут другие, но уже в остывшем субстрате.

Виды горения по скорости

Горение — это по определению высокая скорость распространения реакции окисления. Однако есть показатели и побольше. С этой точки зрения виды горения делятся на следующие:

• дефлаграционное — скорость около 10 м/с;
• взрывное — около100 м/с;
• детонационное — около 5000 м/с.

Дефлаграционное горение — это процесс, сопровождаемый передвижением пламени по всему материалу.

Взрыв — это процесс одновременного стремительного окисления всего горючего материала сразу. Обычно он происходит при возгорании очень мелкого и сильно горючего материала.

Детонация — это процесс, при котором распространяется ударная волна, инициирующая реакцию окисления. Последняя поддерживает движение первой за счет стремительно выделяющегося тепла. Ударная волна и экзотермические реакции развивают сверхзвуковую скорость, формируя детонацию.

Эту классификацию не стоит путать с видами пожаров. Понятие последнего произошло не совсем от физики и химии. Это оценка степени управляемости процесса. Горение дров в печке поддается контролю, поэтому это не пожар. В отличие от горения травы и деревьев в лесу.

Разновидности по признакам горючего материала

Конечной стадией горения является сгорание. Оно делится на полное и неполное. Первое — это образование продуктов, которые не являются больше горючим материалом. Обычно это вода, газообразные окислы и минерализованные твердые частицы (зола, пепел). Неполное сгорание происходит в условиях, препятствующих распространению огня. При этом образуются обугленные частички горючего материала.

Внешние условия и виды горения находятся в причинно-следственной взаимосвязи. Примером этого утверждения является деление видов по состоянию смесей.

1. Бедные горючие смеси. Это связь какого-либо материала с окислителем, в которой воспламеняющихся компонентов слишком мало для продолжительного процесса окисления. Иными словами, это такая смесь, в которой окислителя много, а гореть нечему. Возможно и обратное: материал горючий и его много, а окислителя слишком мало.
2. Богатые смеси. В них соотношение окислителя и горючего материала способствует возникновению устойчивого окисления с высокой температурой. В этой смеси есть чему гореть долго и с большим жаром. Главное, чтобы на этот процесс хватило окислителя.

В норме в воздухе содержится около 21% кислорода. Процесс горения стремительно меняет пропорции состава воздуха. Горение часто становится невозможным при снижении содержания кислорода до 14-18%. В этих неблагоприятных условиях гореть продолжают только некоторые вещества, например водород, этилен, ацетилен. При уменьшении количества кислорода менее 10% горение невозможно для всех смесей.

Процесс хоть и быстрый, но многофакторный. Это позволяет создавать большое количество таксонов и классификаций. Так что разнообразие видов горения зависит не только от среды и материала, но и от фантазии человека.

Для осуществления горения необходимо выполнение определенных условий, без которых горение невозможно. Первое условие состоит в том, что все процессы горения протекают исключительно в парогазовой фазе. Вторым условием осуществления горения является наличие трех компонент:

• горючего газа или пара в определенной концентрации с определенной областью воспламенения;
• окислителя, способного в определенных условиях вступать в химическую реакцию с реагирующим горючим газом;
• источника воспламенения с достаточной энергией для поджигания и осуществления химической реакции воспламенения горючей смеси.

Характерной особенностью процессов горения является их большая скорость; она обусловлена протеканием реакций в пламени при высокой температуре и сильной зависимостью от температуры скоростей большинства химических процессов. В ряде случаев, когда реагирующая среда неоднородна, результирующая скорость превращения зависит в первую очередь от скорости доставки компонентов в зону реакции, а скорость собственно химического процесса становится несущественной. В такой ситуации решающее значение имеет физическое состояние реагирующих компонентов. В неоднородной среде, например на границе раздела фаз, горение протекает обычно гораздо медленнее, чем в однородной смеси.

Наиболее важным видом горения является горение газов. Большинство твердых и жидких продуктов, участвующих в горении, перед вступлением в основную реакцию либо испаряется, либо разлагается с частичным превращением в газо- образные продукты (газифицируется), которые затем реагируют в газовой фазе. Это происходит в результате прогрева соответствующего компонента (обычно горючего), обусловленного теплопередачей из зоны пламени. Лишь нелетучие горючие, например кокс, твердые продукты пиролиза каменного угля, некоторые металлы, сгорают собственно гетерогенно, на границе раздела фаз. Поэтому закономерности горения газов представляют наибольший интерес.

В повседневной практике принято связывать процесс горения с окислением кислородом различных горючих – угля, газообразных углеводородов, нефтепродуктов и др.

В горючих системах различают горючее и окислитель. В современной технике часто встречаются системы, в которых окислителем служат оксиды азота, галоиды, озон. В ряде случаев в горении участвует только один исходный продукт – эндотермическое соединение, способное к быстрому распаду, полимеризации или самоокислению (взрывчатые вещества и пороха) со значительным тепловыделением. Все же горючие системы, в которых окислителем служит кислород воздуха, наиболее распространены.

Для того чтобы могли протекать реакции горения, необходимо создать условия для воспламенения смеси топлива и окислителя.

Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным. Под самовоспламенением понимается такое прогрессирующее самоускорение химической реакции, в результате которого медленно протекающий в начальной стадии процесс достигает больших скоростей и на завершающей стадии протекает мгновенно.

Вынужденное воспламенение (зажигание ) обусловлено внесением в реагирующую смесь источника теплоты, температура которого выше ее температуры воспламенения. Газо-воздушная смесь, не воспламеняющаяся при низкой температуре, может воспламениться при повышенной температуре, когда создаются благоприятные условия для возникновения активных центров в результате потери устойчивости сложных исходных молекул веществ.

Процесс воспламенения характеризуется тем, что имеются определенные границы (пределы), вне которых воспламенение не наступает ни при каких условиях. Известно, что газо-воздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. При незначительном содержании газа количество теплоты, выделившейся при горении, недостаточно для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения, т.е. для распространения пламени. То же наблюдается и при слишком большом содержании газа в газо-воздушной смеси. Недостаток кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в результате чего соседние слои смеси не нагреваются до температуры воспламенения. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости. Для метана нижний предел воспламеняемости в воздухе составляет 5,3%, верхний – 14,0%. Смесь метана с кислородом имеет нижний предел 5,1%, а верхний – 61%. Поэтому кроме перемешивания газа с воздухом в определенных пропорциях должны быть созданы начальные условия для воспламенения смеси.

Температура воспламенения газа зависит от ряда факторов, в том числе от содержания горючего газа в газо-воздушной смеси, давления, способа нагрева смеси и т.д., и поэтому не является однозначным параметром. Температура воспламенения метана в воздухе составляет от 545 до 850°С.

В практике используются оба способа воспламенения горючих смесей: самовоспламенение и зажигание. При самовоспламенении весь объем горючей газо-воздушной смеси постепенно путем подвода теплоты или повышения давления доводится до температуры воспламенения, после чего смесь воспламеняется уже без внешнего теплового воздействия. В технике широко применяется второй способ, именуемый зажиганием. При этом способе не требуется нагревать всю газо-воздушную смесь до температуры воспламенения, достаточно зажечь холодную смесь в одной точке объема каким-нибудь высокотемпературным источником (искра, накаленное тело, дежурное пламя и т.д.). В результате воспламенение передается па весь объем смеси самопроизвольно путем распространения пламени, происходящего не мгновенно, а с определенной пространственной скоростью. Эта скорость называется скоростью распространения пламени в газо-воздушной смеси и является важнейшей характеристикой, определяющей условия протекания и стабилизации горения.

Пределы воспламенения газо-воздушных смесей расширяются с повышением температуры, влияние же давления носит более сложный характер. Повышение давления выше атмосферного для некоторых смесей (например, водорода с воздухом) сужает пределы воспламенения, а для других (смесь метана с воздухом) – расширяет. При давлении ниже атмосферного верхний и нижний пределы сближаются, т.е. концентрационные пределы воспламенения сужаются.

Условиями осуществления вынужденного воспламенения являются наличие эффективного источника зажигания и способность образовавшегося фронта пламени самопроизвольно перемещаться (распространяться) в объеме газовоздушной смеси. Этот процесс носит название распространения пламени.

Различают два режима стационарного распространения пламени: в покоящейся или ламинарно движущейся среде и в турбулентном потоке. Первый носит название нормального распространения пламени, а второй – турбулентного.

Рассмотрим явления, происходящие в холодной горючей среде при ее локальном поджигании, которое заключается в быстром разогреве малого объема горючей среды до весьма высокой температуры. Полагаем, что она достаточна для того, чтобы в разогретой области практически мгновенно закончились возможные химические реакции и установилось состояние равновесия, поскольку скорость реакции сильно зависит от температуры. К такому локальному нагреванию обычно приводит газовый разряд либо пережигание тонкой короткой металлической нити током короткого замыкания.

Если реакция в разогретом газе экзотермическая, как это всегда имеет место при горении, то происходит разогрев соседнего слоя газа, обусловленный теплопроводностью. В этом слое в свою очередь произойдут химическое превращение и сопровождающее его выделение тепла Так возникает процесс послойной передачи импульса, инициирующего реакцию и выделение тепла по всему объему, заполненному горючей средой. Зона интенсивной реакции, или зона горения, перемещается в пространстве – происходит распространение пламени.

Реакция в пламени – самоускоряющаяся, обычно до практически полного ее завершения: тепловыделение и химический процесс взаимно ускоряют друг друга. Скорость перемещения пламени определяет интенсивность процесса горения и является его важнейшей характеристикой. Распространение пламени по однородной горючей среде, при котором зона самоускоряющейся реакции движется вследствие послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов превращения, называют нормальным горением или дефлаграцией. Изложенные качественные представления о механизме горения были развиты одним из основоположников теории горения В. А. Михельсоном.

Зону изменения температуры и состава от начальных, соответствующих холодной горючей среде, до конечных, которые имеют продукты реакции, называют фронтом пламени. Опыт показывает, что эти величины изменяются во фронте пламени очень резко; ширина фронта пламени, границы которого, естественно, строго не фиксированы, при нормальном атмосферном давлении обычно не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому во многих случаях можно рассматривать фронт пламени как поверхность, разделяющую холодную горючую среду и нагретые продукты сгорания. Такой прием облегчает установление ряда общих закономерностей, не связанных со спецификой реакций в пламени. При этом скорость реакции и скорость тепловыделения мы будем рассматривать не как объемные, а как поверхностные характеристики и будем относить их к единице поверхности фронта пламени.