Теоретические основы предотвращения пожаров и прекращения горения на производстве
ГОСТом 12.1.004-91[1] определено, что пожарная безопасность объекта должна обеспечиваться системами предотвращения пожара и противопожарной защиты, в том числе организационно-техническими мероприятиями. Предотвращение пожара должно достигаться предотвращением образования горючей среды (горючего вещества и окислителя) и/или предотвращением образования в ней источника зажигания. Общеизвестно, что предотвращение пожаров и прекращение горения на них принципиально достигается устранением одного или нескольких условий горения (элементов «треугольника горения»): горючего вещества, окислителя (чаще всего кислород воздуха) или источника зажигания (при развившемся горении им выступает пламя).
В качестве примеров предотвращения пожара путем устранения одного или нескольких условий горения можно привести следующие случаи: замена горючих жидкостей на негорючие моющие средства (устраняется горючее вещество); устройство молниезащиты (устраняется источник зажигания) и т. д.
Кроме предотвращения пожара необходимо предпринимать меры по организации противопожарной защиты, которая достигается применением средств пожаротушения, автоматических установок пожарной сигнализации и пожаротушения, огнезащитных составов, средств противодымной защиты и т. д.
Под прекращением горения понимают создание таких физико-химических условий, при которых горение невозможно ни в пламенной, ни в беспламенной форме.
В качестве примеров прекращения горения путем устранения одного или нескольких условий горения можно привести следующие случаи: перекрытие вентиля при пожаре газопровода (из зоны горения устраняется горючее вещество); закрытие кошмой горловины горящей цистерны с топливом (опять же из зоны горения устраняется горючее вещество); срыв пламени при пикировании горящего самолета (устраняется источник зажигания – пламя).
Необходимо учитывать, что это – качественная картина. Чаще достаточно не полностью исключить элемент «треугольника горения», а, снижая его количественное значение, достичь предельного параметра процесса горения (или иначе предела горения).
Так, для того, чтобы прекратить пламенное горение, нет необходимости устранять весь кислород из воздуха. Пламенное горение прекращается при снижении концентрации кислорода в воздухе до 12-15 %. Следовательно, предельный параметр процесса горения по кислороду воздуха составляет 12-15%.
Другой пример. Если на мгновение открыть и тут же зажечь кран газовой плиты на кухне и после этого зажечь спичку, то горение в объеме помещения не возникнет, несмотря на то, что все три условия возникновения горения в помещении присутствуют: кислород воздуха, источник зажигания (пламя спички) и горючий газ. В этом случае говорят, что не достигнут предельный параметр процесса горения по горючему веществу (в данном случае, концентрация горючего газа в воздухе должна быть не менее НКПРП, для ацетилена 2%).
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для прекращения горения достаточно устранить одну из причин его начала, но не полностью, а лишь снизить значение этого параметра ниже определенного уровня (концентрационного предела, температурного предела, температуры потухания пламени и др. предельных параметров горения).
Пределы горения и основанные на них способы предотвращения и прекращения горения
Предельными параметрами процесса горения (пределами горения) называют параметры, без достижения которых процесс горения возникнуть или существовать не может.
Пределов горения различают достаточно много. Большинство из них были рассмотрены ранее: КПРП, ТПРП, МЭЗ, МВСК и др.
Наиболее важными пределами горения являются те, которые доступны нашему влиянию. На использовании пределов горения основаны все способы предотвращения и прекращения горения.
Рассмотрим некоторые из пределов горения и их применение для предотвращения и прекращения горения.
Концентрационные пределы процессов горения. К ним относят: КПРП; пределы по негорючим газам (флегматизаторам); пределы по кислороду – МВСК. Рассмотрим эти пределы горения подробнее.
Как было показано ранее, концентрационные пределы распространения пламени – минимальное или максимальное содержание горючих паров в смеси с окислителем, при котором пламя будет распространяться по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Пример для ацетилена: НКПРП – 2 %, ВКПРП – 81 %. Вне этих пределов, т. е. при концентрации ацетилена менее 2 % и более 81 %, горение при обычных условиях не происходит. С учетом этого, для предотвращения пожара контролируют с помощью газоанализаторов концентрацию горючих газов и паров и не допускают, чтобы она достигла НКПРП. Таким образом, предотвращают пожары, например, при ремонте резервуаров горючих жидкостей с применением газоэлектросварки, а также в газовых котельных, помещениях заправки бытовых газовых баллонов и т. д.
Необходимо напомнить, что значения КПРП, как и других пределов горения, не постоянны. Они изменяются в зависимости от мощности источника зажигания, состава воздуха и других факторов. Это необходимо учитывать при обеспечении пожарной безопасности.
К концентрационным пределам горения можно отнести и предельные концентрации негорючих газов (иначе – нейтральных газов, инертных разбавителей, флегматизаторов). Для тушения пожаров с помощью автоматических установок пожаротушения, огнетушителей и предотвращения пожаров методом флегматизации используются следующие нейтральные газы: диоксид углерода СО2, водяной пар, реже азот N2, аргон Аг, гелий Не и др. Например, для предотвращения взрыва продуктов разложения самовозгоревшегося зерна на хлебокомбинатах применяют такой метод, как заполнение объема бункера одним из вышеперечисленных флегматизаторов. Причем их концентрация должна быть не ниже огнетушащей. Для разных горючих веществ огнетушащие концентрации нейтральных газов составляют: СО2 – jтуш> 25-30 %; Н2О(пар) – jтуш>30-35 %; N2, He – jтуш> 35-40 %; Аг – jтуш>50- 55 %.
Отметим, что разная огнетушащая концентрация негорючих газов связана со свойствами, которые подробно будут рассмотрены далее.
К пределам горения относят также и МВСК (минимальное взрывоопасное содержание кислорода) - концентрация кислорода в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становится невозможным. Известно, что гомогенное горение прекращается при концепции кислорода 12-15 %, гетерогенное горение – 5-6 % (напомним, что в атмосферном воздухе содержится порядка 21 % кислорода). Ранее такой способ прекращения горения широко применялся на судах: при возникновении горения задраивались все люки и иллюминаторы, и горение через некоторое время прекращалось. Отметим, что такой способ прекращения горения будет неэффективным для веществ, содержащих в своем составе кислород (лен, хлопок, сено, вата, и т. д.).
Предельные энергии зажигания (Еmin). Предельной энергией зажигания Еmin называют наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли.
Известно, что источники зажигания имеют различную мощность. Понятно, что, чем меньше мощность источника, тем меньше пожарная опасность. Известна предельная величина мощности электрической искры, которая не может зажечь, в частности, углеводороды: Еmin = 0,1 МДж. Значение предельной энергии зажигания Еmin – непостоянно, оно изменяется при изменении давления, состава воздуха и др., например, чем выше давление, тем меньшая мощность источника зажигания необходима для того, чтобы зажечь вещество и наоборот.
Предельные значения энергии зажигания используются при предотвращении пожара, например, в пожаровзрывоопасных помещениях, где содержатся горючие газы, путем замены обычной электросети, имеющей достаточно высокую мощность возможного источника зажигания, на низковольтную.
Пределы по давлению. Известно, что скорость химической реакции горения прямо пропорциональна количеству соударения молекул реагентов. При уменьшении давления количество соударений молекул уменьшается, следовательно, уменьшается и скорость химической реакции горения. Чем меньше давление, тем труднее протекает процесс горения, тем меньше пожарная опасность. При определенном значении давления горение становится невозможным. Так, предел по давлению для большинства органических веществ составляет порядка Рпр = 1кПа ≈ 0,01 атм. В то же время, уже при давлении Р = 10 кПа (0,1 атм) большинство веществ становится трудновоспламеняющимися. При давлении Р = 50 кПа значительно снижается интенсивность горения всех горючих веществ. С другой стороны, чем выше давление – тем выше пожарная опасность, процесс горения протекает легче. Повышение давления используется в различных технологических процессах для улучшения сгорания используемого топлива.
Предельные скорости распространения пламени. Еще в начале ХХ в. профессор Московского университета Михельсон доказал, что горение не может существовать не распространяясь. Встречаются такие минимальные скорости, медленнее которых пламя существовать не может. Для углеводородных газов минимально возможная скорость пламени – Vпpnл = 0,02 - 0,04 м/с. Для сравнения напомним, что обычная скорость пламени по газовоздушным смесям Vпл = 0,4-100 м/с, скорость турбулентного пламени – 300-400 м/с; скорость детонационного горения – до 2-3 км/с.
Необходимо добавить, что горение прекратится также и тогда, когда скорость истечения газовоздушной смеси станет выше предельного значения скорости распространения турбулентного пламени, то есть когда nсм<nтурбраспр. В этом случае говорят, что горение прекратилось вследствие аэродинамического срыва пламени.
Пределы по теплоте горения. Теплота горения газовоздушных смесей органических веществ лежит в пределах Qн = 10-100 тыс. кДж/кг. Горючие вещества не имеют значений теплоты горения ниже Qnp. = 1083 кДж/м3 для газов, Qпр = 2095 кДж/кг для жидкостей.
Таким образом, мы повторно можем сделать вывод о том что, для прекращения горения достаточно устранить одну из причин не полностью, а лишь снизив значение этого параметра ниже определенного уровня (концентрационного предела, температурного предела, температуры потухания пламени и др. предельных параметров горения).