Классификация твердых горючих материалов (ТГМ)

В соответствии с ГОСТ 12.1.044–89 „Пожаровзрывоопасность веществ и материалов“ твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина, ткани и др.).

ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам:

1. по химическому составу,
2. по поведению при нагревании.

К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды — это материалы однородного строения.

В отдельную подгруппу относят природные органические вещества, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение в условиях пожара всех растительных материалов похоже, и по этой причине их объединяют в одну группу — целлюлозосодержащих материалов.

Элементорганические соединения — органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галоиды и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества и по этой причине их выделяют в особую группу.

Неорганические твердые горючие вещества — это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочноземельные металлы.

К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов.

Как видно из схемы, все твердые вещества по поведению при нагревании можно разделить на два класса: безгазовые и газифицирующиеся при нагревании.

Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся ко второму классу. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации. В свою очередь газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы по тому, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода.

Процесс воспламенения ТГМ 1-го рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме.

Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода. При горении веществ этой группы возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения.

Общие закономерности воспламенения и горения ТГМ

Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с изучаемыми нами ранее процессами горения газов и жидкостей. Однако, кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.

Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры ИЗ возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:

1. Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.
2. Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода — сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.
3. Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев.
4. Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.

Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме этого, необходимы затраты на плавление и разложение.

На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы. Этим стадиям соответствуют следующие зоны:

где Т₀, Т_пир, Т_з, Т_гор — температура начальная, температура пиролиза, температура зажигания, температура горения соответственно.

1. зона исходного материала;
2. зона предварительного нагрева материала до температуры физико-химических превращений;
3. она фазового перехода, в которой происходит плавление или разложение материала;
4. зона образования горючей смеси и ее нагрев до температуры зажигания;
5. зона фронта пламени, где выделяется основная часть тепловой энергии и наблюдается максимальная температура;
6. зона продуктов горения, где продукты реакции смешиваются с холодным воздухом.

Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.

Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии и для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала.

Распространение пламени по поверхности ТГМ

После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения.

Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы:

1. природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов);
2. влажность материала;
3. ориентация образца в пространстве;
4. скорость и направление воздушных потоков;
5. начальная температура материала;
6. геометрические размеры образца (толщина, дисперсность).

Горение целлюлозосодержащих материалов

Целлюлозосодержащими называются растительные материалы, основой которых является целлюлоза.

Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид, состоящий из молекул глюкозы.

Рассмотрим поведение при нагревании древесины как наиболее распространенного горючего материала.

Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов, и может протекать сразу в нескольких режимах - гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы: 1) гомогенное (т.е. пламенное) горение газообразных продуктов разложения и 2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Стадия пламенного горения занимает более короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55—60% всей энергии. Скорость гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности.

Тление

Тление — беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление происходит за счет кислорода, содержащегося в порах материала.

К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалы растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.

Горение пыли

Пыль — коллоидная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и газообразной дисперсионной среды, т.е. представляет собой твердое вещество, диспергированное (тонко размельченное) в газообразной среде.

Дисперсная фаза может состоять из частиц одинаковой величины (монодисперсная система) или частиц разной величины (полидисперсная система). Все промышленные пыли полидисперсные.

В зависимости от среднего размера частиц пыль может длительно находиться во взвешенном состоянии или сразу же оседать после кратковременного перехода во взвешенное состояние.

Дисперсная система, представляющая собой пыль, взвешенную в воздухе, называется аэрозолем. Осевшая пыль называется аэрогелем.

Даже в осевшем состоянии каждая отдельная частица раздробленного вещества со всех сторон окружена газовой (воздушной) оболочкой.

Аэрозоли по своим свойствам занимают промежуточное положение между аэрогелем и гомогенной газовоздушной смесью. Также как и аэрогели являются гетерогенными дисперсными системами с одинаковой твердой фазой, и поведение их определяется физико-химическими свойствами этой твердой фазы. С газовоздушными смесями аэрозоли сходны тем, что горение большинства из них протекает со взрывом, и характеризуются они многими параметрами, типичными для газовых смесей.

Из свойств пыли, определяющих их пожарную опасность, наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Особенности горения аэрогеля

Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения.

В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние. При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материал, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления. Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку 1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое; 2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли..

Особенности горения аэрозоля

Аэрозоли воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПРП, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва.

Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением, испускаемым фронтом пламени.

Воспламенение и распространение пламени в аэрозоле происходит только в том случае, если концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения.

Наименьшая концентрация пыли в воздухе, при которой смесь способна воспламениться от источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется, Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

В состоянии аэрозоля пыль может воспламеняться и гореть в кинетическом режиме, т.е. со взрывом, поэтому за основной параметр пожарной опасности принимается НКПРП. В осевшем состоянии пыль может самовоспламеняться и самовозгораться, по этому для оценки пожароопасных свойств аэрогеля используют температуру самовоспламенения Т_св.

Все горючие пыли можно разделить на две группы и четыре класса:

Первая группа — взрывоопасные пыли. Пыли способные к кинетическому горению и имеющие нижний концентрационный предел распространения пламени до 65 грамм на кубический метр включительно.

1 класс — наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП 15 г/м и ниже;

2 класс — взрывоопасные пыли с НКПРП от 15 и до 65 г/м;

Вторая группа — пожароопасные пыли

3 класс — наиболее пожароопасные пыли с Т_св не выше 250°C;

4 класс — пожароопасные пыли с Т_св выше 250°C.

НКПРП пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются:

1. мощность ИЗ;
2. влажность пыли;
3. зольность материала;
4. содержание летучих компонентов;
5. содержание негорючих газов;
6. дисперсность пыли.