Состав и свойства твердых горючих веществ

В условиях большинства пожаров горят твердые вещества, которые широко используются в народном хозяйстве и быту. К ним в первую очередь относятся материалы, изготовленные на основе целлюлозы, древесина, хлопок, хлопчатобумажные ткани, бумага; на основе углеводородов и их производных — резина, пластмассы, химические волокна и ткани из них; продукты
питания — зерно и зернопродукты, жиры, сахар и т. д.

Целлюлозные материалы содержат кислород, который участвует в процессе горения так же, как кислород воздуха. Поэтому объем воздуха, теоретически необходимого для их горения, значительно меньше, чем для горения горючих веществ, в состав которых кислород не входит.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с при 150°С. Медленное разложение древесины начинается при 160—170°С, а заметный выход газообразных продуктов происходит при 250—300 °С.

При начальной температуре разложения твердых веществ скорость образования газообразных продуктов небольшая, с повышением температуры она увеличивается. При дальнейшем повышении температуры скорость выделения газообразных продуктов уменьшается, приближаясь к некоторому минимальному значению. Таким образом, газообразные продукты при нагревании твердых веществ образуются в определенном интервале температур и с переменной скоростью, причем при разложении разных горючих материалов выделяется различное количество газообразных продуктов.

Суммарное количество выделенного тепла при горении 1 кг древесины равно теплоте сгорания древесины. Теплота сгорания березовой древесины равна 18343,3 кДж/кг. При горении древесины в условиях пожара количество образующегося угля несколько меньше составляет 20% от массы древесины.

Полимеры отличаются высоким содержанием углерода, и большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10—12-м³/кг). Горение полимеров происходит с образованием продукта неполного сгорания — сажи.

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Большинство из них при нагревании плавится и образует в процессе горения на поверхности жидкий слой. На вертикальных и наклонных поверхностях горения жидкий слой удерживаться не может и стекает. Поэтому на таких поверхностях горения слой жидкости имеет постоянную толщину, которая не превышает 1—2, мм. Стекающая жидкость образует на полу помещения или на поверхности земли слой в несколько сантиметров, который, растекаясь, распространяет горение на негорящие еще предметы.

Неорганические твердые горючие вещества — металлы, металлоиды и их соединения при нагревании почти все плавятся, и над поверхностью образуется слой паров.

Практическое определение удельной скорости выгорания твердых материалов очень затруднено, так как поверхность горения многие из них не представляет ровную плоскость. В связи с этим расчет скорости выгорания ведут на единицу площади пожара, т. е. на единицу площади проекции поверхности горения на горизонтальную плоскость. Такую величину принято называть приведенной массовой скоростью выгорания и обозначать v_м. Эту величину можно определять из опыта на специальной установке, называемой камера-весы.

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых материалов, происходит не только выгорание их, но и перемещение фронта пламени по еще негорящей поверхности. Перемещениефронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения и характеризуется скоростью распространения горения v (в м/мин)

V = l/

где l — расстояние, пройденное фронтом пламени, м; — время пе-
ремещения фронта пламени, мин.

Различают две скорости распространения горения — по вертикальной (вниз и вверх) и горизонтальной поверхности. Однако в расчетах по тушению пожаров практически применяют только скорость распространения по горизонтальной поверхности. На величину скорости распространения горения влияет много факторов:

состояние поверхности вещества,

интенсивность излучения зоны горения,

направление и скорость ветра и др.

Cкорость распространения горения в, условиях пожара отличается от скорости распространения горения по поверхности твердого горючего вещества.

Горение древесины

Древесина является самым распространенным горючим материалом в условиях пожара, По структуре она представляет собой пористый материал с множеством ячеек, заполненных воздухом. Стенки ячеек состоят из целлю-
лозы и лигнина. Объем пустот в древесине превышает объем твердого вещества.

Характер строения древесины определяет весьма низкую ее теплопроводность и связанные с нею быструю воспламеняемость и медленный прогрев внутренних слоев. При соприкосновении древесины с источником воспламенения, например пламенем, происходит быстрое нагревание тонкого поверхностного слоя ее, испарение влаги и затем разложение. Продукты разложения древесины, полученные при температуре ниже 250 °С, содержат в основном водяной пар, диоксид углерода С0₂ и немного горючих газов, поэтому гореть не способны. Продукты разложения, полученные при 250—260°С, содержат большое количество оксида углерода СО и метана и становятся горючими. Они воспламеняются от источника зажигания (пламени) и с этого момента древесина начинает самостоятельно гореть.

Как и у жидкостей, наименьшая температура древесины, при которой продукты разложения способны воспламеняться от источника зажигания, называется температурой воспламенения древесины.

Температура воспламенения древесины зависит от степени ее измельчения. Так температура воспламенения сосновой древесины 255 °С, а сосновых опилок 230 °С.

После воспламенения температура верхнего слоя древесины повышается за счет тепла, излучаемого пламенем, и достигает 290—300°С. При этой температуре выход газообразных продуктов максимальный и высота, факела пламени наибольшая. В результате разложения верхний слой древесины превращается в древесный уголь, который в данных условиях гореть не может, так как кислород, поступающий из воз-
духа, весь вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля на поверхности к этому времени достигает 500—700 °С. По мере выгорания верхнего слоя древесины и превращения его в уголь нижележащий
слой древесины прогревается до 300 °С и разлагается. Таким образом, пламенное горение древесины при образовании на ее поверхности небольшого слоя угля еще не прекращается, однако скорость выхода продуктов разложения начинает уменьшаться. В дальнейшем рост слоя угля и уменьшение выхода продуктов разложения приводят к тому, что пламя остается только у трещин угля, и кислород может достигать поверхности угля. С этого момента начинается горение угля и одновременно продолжается горение продуктов разложения. Толщина слоя угля, которая к этому моменту достигает 2—2,5см, остается постоянной, так как наступает равновесие между линейной скоростью выгорания угля и скоростью прогрева и разложения древесины. Одновременное горение угля и продуктов разложения древесины продолжается до тех пор, пока не превратится в уголь вся древесина. После этого выход газообразных продуктов разложения древесины прекращается, а продолжается только горение угля.

Таким образом, процесс горения древесины состоит из двух фаз: пламенного горения и горения угля.

Между ними имеется переходная фаза, характеризуемая одновременным протеканием двух фаз.

В условиях пожара основную роль играет первая фаза, так как она сопровождается выделением большого объема нагретых до высокой температуры продуктов сгорания и интенсивным излучением (пламя). Все это способствует быстрому распространению горения и увеличению площади пожара. Поэтому при тушении пожаров в первую очередь стараются ликвидировать очаги, где протекает первая фаза горения.

Горение металлов

Металлы отличаются от других твердых горючих веществ тем, что на их поверхности в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту реагирующих веществ. Опыты по возгоранию металлов показали, что некоторые из них (Fе, А1, Zn, Sn) в компактном состоянии способны гореть только в виде кусочков, проволочек, фольги, ленты. В виде же порошка они способны даже самовозгораться и гореть в большой массе. Другие металлы (К, Nа, Li) способны возгораться и гореть в компактном состоянии и в большой массе.

На способность металлов возгораться и гореть большое влияние оказывают химические и физические свойства как самих металлов, так и их оксидов. Особенно большое влияние на возгораемость и характер горений оказывают температуры плавления и кипения металлов и их оксидов. По этим физическим свойствам металлы подразделяются на летучие и нелетучие.

Все эти металлы имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура кипения их (кроме калия) ниже температуры плавления оксидов, поэтому на жидком металле могут
находиться твердые оксиды.

Температура плавления оксидов часто ниже температуры кипения металлов, поэтому они могут находиться на поверхности металла в жидком состоянии. Поэтому оксиды в значительной степени замедляют окисление металлов. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоянии
порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма.

Титан способен образовывать твердый раствор оксида в металле, поэтому у него отсутствует отчетливая поверхность раздела между оксидом и металлом. Кислород воздуха имеет возможность диффундировать через
оксид, в результате этого горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердого оксида. Температура горения титана около 3000 °С, т. е. ниже, чем температура кипения его оксида. В связи с этим в зоне горения
оксид титана находится в жидком состоянии, поэтому при горении титана плотного белого дыма также не образуется.

8 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А. М. БУТЛЕРОВА
И КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ