Загальні відомості про процес горіння

Пожежа – неконтрольоване горіння поза спеціальним вогнищем, що наносить матеріальний збиток. Небезпечними факторами, що впливають на людей при пожежі, є: відкритий вогонь і іскри; підвищена температура повітря, предметів і т. п.; токсичні продукти горіння; дим; знижена концентрація кисню; обвалення й ушкодження будинків, споруд, установок; вибухи.

Горіння являє собою швидкопротікаюче хімічне перетворення речовин, яке супроводжується виділенням великих кількостей теплоти і звичайно яскравим світінням (полум’ям). Воно може стати результатом окислювання, сполучення горючої речовини з киснем, або розкладання речовин.

Зовнішній прояв горіння, що супроводжується світінням і полум’ям, називається вогнем.

Полум’я – це освітлений простір, в якому згорають реагуючі речовини. Колір полум’я залежить від хімічного складу компонентів, що згорають.

У звичайних умовах горіння являє собою процес окислювання, або сполучення горючої речовини з киснем, який знаходиться у вільному стані в повітрі або в хімічно зв’язаному стані в різних хімічних сполуках. Однак відомо, що деякі речовини, наприклад зжатий ацетилен, хлористий азот, озон і деякі інші, можуть вибухати і без кисню з утворенням теплоти і полум’я. Отже, горіння може бути результатом не тільки реакції сполучення, але і розкладання. Відомо також, що водень і деякі метали можуть горіти в атмосфері хлору, мідь – у парах сірки, магній – у диоксиді вуглецю і т.д.

З практичної точки зору найбільш важливе значення має горіння, що виникає при окислюванні горючої речовини киснем повітря. Для виникнення такого горіння крім пального й окислювача необхідна наявність імпульсу (джерела запалювання), здатного повідомити горючій системі необхідну початкову кількість енергії.

Горіння буває повне і неповне. Повне горіння протікає при достатній кількості кисню і продуктами реакції в цьому випадку є вода, диоксиди сірки і вуглецю, азот, тобто речовини, які нездатні до подальшого горіння (окислювання). Якщо кисню недостатньо для горіння (окислювання), відбувається неповне горіння, яке супроводжується утворенням горючих і, як правило, токсичних продуктів реакції (сажі, оксиду вуглецю (СО), спиртів, кетонів, альдегідів і ін.).

Процес горіння можна собі представити в такий спосіб. При введенні в холодну горючу суміш джерела підпалювання відбувається швидкий розігрів суміші в обмеженому об’ємі до певної температури і її підпалювання. У цьому об’ємі протікає екзотермічна реакція окислювання горючої речовини киснем, що дифундує у вогнище горіння з повітря. Завдяки теплопровідності горючої суміші теплота, що виділяється в процесі окислювання, розігріває сусідній прошарок, викликаючи його згоряння, і т. д. При такому пошаровому згорянні горючої суміші відбувається переміщення зони горіння; швидкість цього переміщення визначає інтенсивність процесу горіння і є його найважливішою характеристикою.

У залежності від швидкості поширення полум’я розрізняють дефлаграційне, вибухове та детонаційне горіння. Варто підкреслити умовність такого поділу процесів горіння.

Нормальною швидкістю горіння називається швидкість переміщення полум’я по нерухомій суміші уздовж нормалі до її поверхні.

При дефлаграційному горінні ця швидкість, як правило, складає від декількох сантиметрів до декількох метрів у секунду. Наприклад, нормальна швидкість горіння суміші метану (10, 5%) з повітрям дорівнює 37 см/с.

Повільне рівномірне поширення горіння (дефлаграційне горіння) стійке лише в тому випадку, якщо воно не супроводжується підвищенням тиску. Коли горіння відбувається в замкнутому просторі або вихід газу утруднений, продукти реакції не тільки нагрівають прилягаючий до фронту полум’я шар незгорілого газу шляхом теплопровідності, але і, розширюючись за рахунок високої температури, приводять незгорілий газ у рух. Неупорядкований рух об’ємів газу в палаючій суміші викликає значне збільшення поверхні фронту полум’я, що приводить до вибуху.

Вибух (вибухове горіння) (ГОСТ 12.1.010–76) – це швидке перетворення речовини, яке супроводжується виділенням енергії й утворенням зжатих газів, здатних виконувати роботу. Швидкість поширення полум’я при вибуху досягає сотень метрів у секунду.

При подальшому прискоренні поширення полум’я підсилюється стискання незгорілого газу перед фронтом полум’я. Цей стиск поширюється по незгорілому газі у вигляді послідовних слабких ударних хвиль. Кожна наступна ударна хвиля йде зі швидкістю, більшою, ніж попередня, і відповідно доганяє її.На деякій відстані перед фронтом полум’я сукупність ударних хвиль з’єднується в одну могутню ударну хвилю. Виникнення такої хвилі приводить до сильного стиску і розігріву газу. Коли температура в ударній хвилі стане досить високою, виникає новий стійкий режим поширення реакції – детонація, при якій передача теплоти від шару до шару здійснюється не шляхом повільного процесу теплопровідності, а шляхом поширення ударної хвилі.

Детонація (детонаційне горіння) – це надзвичайно швидке горіння, яке поширюється зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку (тисячі метрів у секунду (до 5000 м/с)). Детонація характеризується різким стрибком тиску в місці вибухового перетворення (до 20-30 кПа). Детонація газових сумішей може відбуватися тільки при певному мінімально необхідному початковому тиску і певній концентрації горючої речовини в суміші. Наприклад, детонація ацетилен-повітряної суміші може мати місце тільки при об’ємному вмісті ацетилену від 6, 5 до 15%.

Горіння буває гомогенним і гетерогенним.

При гомогенному горінні всі реагуючі речовини мають однаковий агрегатний стан, наприклад газоподібне. Якщо при цьому горюча речовина й окислювач не перемішані, то відбувається дифузійне горіння, процес горіння в такому випадку лімітується дифузією окислювача в зону полум’я.

Гетерогенним є горіння, при якому вихідні речовини знаходяться в різних агрегатних станах та існує границя розділу фаз у горючій системі. Гетерогенне горіння, пов’язане з утворенням потоку горючих газоподібних речовин, є одночасно і дифузійним.

Процес горіння підрозділяється на такі види: спалах, займання, запалювання, самозаймання, самозапалювання, тління, вибух і детонацію.

Спалах – це швидке згоряння горючої суміші, яке не супроводжується утворенням зжатих газів.

Займання (загорання) – це горіння, яке виникло під дією джерела займання.

Запалювання – це займання, що супроводжується появою полум’я.

Самозаймання (самозагорання) – це явище різкого збільшення швидкості екзотермічних реакцій у речовині, яке приводить до виникнення його горіння під час відсутності джерела запалювання. Самозаймання може бути тепловим – при впливі зовнішнього нагрівання речовини; мікробіологічним– за рахунок самонагрівання під впливом життєдіяльності мікроорганізмів у речовині; хімічним – у результаті хімічного впливу різних речовин.

Самозапалювання – це самозаймання, що супроводжується появою полум’я.

У виробничих умовах можуть самозайматися тирса, промаслене дрантя, вугілля, гній.

Самозапалюватися можуть бензин, гас.

Тління – безполум’яне горіння твердої речовини, поверхня якої розпалена та випромінює світло і тепло.

Визначення вибуху та детонації давалось вище.