В реальных условиях горения (при пожарах), как правило, окислителем является кислород воздуха. Поэтому для решения некоторых практических задач противопожарной защиты необходимо знать количество воздуха, требуемое для полного сгорания единицы количества горючего вещества. Например, важно знать какое количество горючих веществ может выгореть до самопроизвольного потухания пожара в замкнутом объёме помещения, где содержится определённый объём воздуха.
Теоретическое количество воздуха для указанных выше условий горения можно рассчитать по уравнению химической реакции с учётом стехиометрических коэффициентов, а также с использованием обобщённого уравнения материального и теплового баланса (5), которое для данного случая принимает вид:
(7)
где 3,76 – коэффициент, показывающий отношение объёма азота в воздухе к объёму кислорода в нём (79 об. %N2/21 об. %О2 = 3,76).
При расчёте теоретического количества воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества горючего вещества, вся совокупность горючих веществ делится на три группы, для которых существуют некоторые особенности методики решения уравнения (2.5):
1. индивидуальные химические вещества, состав которых выражается конкретной химической формулой, например, СН4, СО, С2Н5ОН и др.;
2. сложные смеси веществ, состав которых задаётся весовым процентным содержанием в них различных химических элементов, например, древесина, резина, керосин и др.;
3. смеси газов, например, природный газ, генераторный газ, коксовый газ и др.
Расчёт количества воздуха, необходимого для горения 1-й группы горючих веществ (индивидуальные химические вещества).
Для этой группы веществ теоретическое количество воздуха определяется непосредственно из уравнения (2.5) с использованием закона Авогадро и следствия из него. Расчёт производится по формуле:
где – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг горючего, м3;
b = nо /nг;
Vt – объём одного киломоля воздуха при заданных условиях (м3), определяется по формуле:
где Т, Р, Т0, Р0 – значения температуры и давления соответственно при заданных и нормальных условиях, К, Па;
Мг – масса одного киломоля горючего вещества, кг/моль.
Расчёт количества воздуха для 2-й группы веществ (сложные смеси веществ).
К этому типу веществ относятся различные естественные и искусственные полимеры (древесина, торф, каменный уголь, нефть и продукты её переработки, резина, пластмассы и др.), состав которых выражается, как правило, весовым процентом содержанием в них химических элементов. Для большинства горючих материалов – это С, Н, О, S, N. Кроме этого, в них содержится влага (W) и зола, как неорганический остаток (А).
Кислород воздуха при горении таких веществ будет расходоваться на окисление С, Н и S, причём необходимо учитывать, что кислород, содержащийся в веществе, уже использован на их частичное окисление. Таким образом, общий объём воздуха, необходимый для сгорания единицы массы горючего вещества, будет складываться из объёмов воздуха, необходимых для сгорания каждого из названных химических элементов, за вычетом объёма воздуха, соответствующего количеству кислорода, содержащегося в веществе:
где С, Н, S, О – содержание соответствующего химического элемента в горючем веществе, масс. %;
Для нормальных условий, когда Vt = 22,4 м3/кмоль, уравнение (2.8) принимает вид:
Расчёт количества воздуха для 3-й группы веществ (смесь газов).
Объём воздуха, необходимый для полного сгорания смеси газов можно определить по формуле (2.6). Расчёт при этом производится для каждого компонента смеси отдельно и полученные результаты складываются. Если газовая смесь и воздух находятся в одинаковых условиях, то расчёт производится по формуле:
где φi – содержание i-того горючего компонента в газовой смеси, об. %;
n – количество горючих газов;
φо – содержание кислорода в газовой смеси, об. %.
Избыток воздуха.
В реальных условиях горения (например, при пожарах) количество воздуха, поступившего в реакционную зону, не соответствует теоретическому. Для характеристики степени обеспеченности зоны горения окислителем (воздухом) вводится понятие коэффициента избытка воздуха (αβ), который показывает, во сколько раз объём воздуха, фактически поступающего в зону горения, больше теоретического количества, необходимого для полного сгорания единицы количества горючего вещества:
где – фактический объём воздуха, поступающего в зону горения на единицу количества горючего вещества, м3/кг.
Величина коэффициента избытка воздуха характеризует глубину протекания процесса горения и соотношение горючего вещества и окислителя в смеси:
– если αβ=1, то состав горючей смеси стехиометрический, горение полное и вероятнее всего является кинетическим;
– если αβ<1, то смесь является богатой по горючему веществу, горение неполное и диффузионное;
– если αβ>1, то смесь является бедной по горючему веществу, горение полное и вероятнее всего является кинетическим;
Прогнозировать параметры процесса горения, например, объём и состав продуктов горения, можно только для горючих смесей, коэффициент избытка воздуха в которых удовлетворяет условию αβ³1.
4.3.8. Продукты горения.
Объём и состав продуктов горения.
Состав продуктов горения зависит от величины коэффициента избытка воздуха: если αβ = 1, то образуются продукты полного горения (CO2, H2O), включающие и азот воздуха; если αβ > 1, то к продуктам полного горения добавляется кислород воздуха; если αβ < 1, то образуются продукты неполного горения (CO, H2, С (сажа), бензпирен, органические смолы и др., всего около 300 химических соединений и элементов).
При горении веществ в условиях αβ≥ 1 можно рассчитать качественный и количественный состав и объём продуктов горения, которые необходимы для оценки их токсичности, определения температуры горения и других параметров.
Дым.
При горении веществ в условиях реальных пожаров, кроме газообразных продуктов полного и неполного горения образуются различные твёрдые и жидкие частицы (сажа, смолы, оксиды, соли, вода и др.), что в совокупности представляет собой дисперсную (аэрозольную) систему называемую дымом. Мельчайшие твёрдые и жидкие частицы дыма (дисперсная фаза) находятся во взвешенном состоянии в газообразных продуктах горения (дисперсионная среда). Размер частиц дисперсной фазы составляет ~ 10-2 …102мкм. Эти частицы из-за малой массы и высокой удельной поверхности медленно оседают в дисперсионной среде, что делает систему устойчивой во времени. Размеры частиц соизмеримы с длиной свободного пробега молекул газовой фазы, поэтому устойчивости системы способствует также броуновское движение, в которое вовлекаются частицы за счёт ударов молекул. Рассмотренный процесс обеспечивает так называемую кинетическую устойчивость дыма.
Кроме этого, дым, как дисперсная система, обладает агрегативной устойчивостью, которая возникает за счёт наличия на частицах одноимённого электрического заряда. Частицы могут приобретать заряд при трении друг о друга или с газом, а также за счёт адсорбции на них ионов, образующихся при горении. Одноимённые заряды частиц препятствуют их коагуляции и слипанию, т. е. способствуют сохранению кинетической устойчивости дыма.
Дымообразующая способность веществ при горении характеризуется коэффициентом дымообразования (Dm, кг/м2) – количеством дыма, выделяющегося при сгорании единицы массы вещества.
Дым, образующийся при пожарах, опасен для человека, других живых организмов и окружающей природной среды по следующим причинам:
– высокая температура (>1000 ºС);
– токсичность продуктов горения (наличие HCN, CO, HCl, Na2O, SO2, NO2, бензпирена и др. веществ);
– непрозрачность, снижающая видимость объектов, затрудняющая действия людей на пожаре, уменьшающая количество солнечного света, поступающего в приземный слой атмосферы;
– образование взрывоопасных смесей продуктов неполного горения с воздухом.
Например, дым, вдыхаемый человеком, с содержанием СО ~ 0,4 об. % приводит к летальному исходу в течение 300 с, а с содержанием СО2 ~ 8 … 10 об. % вызывает потерю сознания с последующей смертью. В продуктах горения этих веществ может быть значительно больше.
4.4. Показатели и классификация взрывопожарной и пожарной опасности веществ и материалов.
Показатели взрывопожарной и пожарной опасности веществ и материалов (далее – показатели)используются для установления требований к применению веществ и материалов в технологических процессах, при хранении, транспортировке и расчёте пожарного риска. Перечень основных показателей, необходимых для оценки взрывопожарной и пожарной опасности веществ и материалов в зависимости от их агрегатного состояния, приведен в табл. 1. Показатели могут определяться расчётными и экспериментальными методами. Методы определения показателей веществ и материалов, приведенных в табл. 1, устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности.
Для характеристики различных этапов развития и прекращения горения все показатели делятся на несколько групп.
Первая группа характеризует горючесть веществ (негорючих, трудногорючих, горючих).
Вторая группа характеризует способность веществ к самовоспламенению и зажиганию от внешних источников (температура самовоспламенения, температура вспышки, минимальная энергия зажигания, температурные условия самовозгорания, кислородный индекс, МВСК, НКПВ, ВКПВ, НТПВ, ВТПВ и др.).
Третья группа характеризует способность веществ к распространению пламени (скорость выгорания, коэффициент дымообразования, удельная скорость дымообразования, токсичность продуктов горения и др.)
Четвёртая группа относится к средствам пожаротушения (концентрация флегматизатора, минимальная концентрация средств объёмного тушения, характер взаимодействия с водопенными средствами пожаротушения и др).
(7)
– теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг горючего, м3;
– фактический объём воздуха, поступающего в зону горения на единицу количества горючего вещества, м3/кг.