3.10. ПОЖАРООПАСНОСТЬ КАК ФАКТОР ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ

Горючие системы бывают однородные и неоднородные. К химически однородным относят системы, в которых горючее вещество и воздух перемешаны друг с другом. Горение таких газо-, паро- или пылевоздушных систем называют кинетическим. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхность раздела (например, твердые горючие вещества и жидкости, находящиеся на воздухе). При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу. В месте химического взаимодействия участвующих в реакции веществ образуется зона горения - пламя, в которой прореагировавшие вещества нагреваются до температуры горения и за счет своего тепла воспламеняют следующие порции еще непрореагировавших веществ, поступающих в зону горения за счет диффузии. Этот вид горения

150

определяется явлениями диффузии и теплопроводности и поэтому называется диффузионным (горение свечи, дров в костре и др.). Пожар также представляет собой диффузионный процесс неконтролируемого горения, происходящего вне специального очага.

Кинетическое горение отличается тем, что реакция между горючим и окислителем имеет объемный характер. Примером такой системы служит газовоздушная смесь, помещенная в сосуд, или паровоздушная смесь в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Скорость реакции горения системы зависит от концентрации исходных веществ и температуры, т.е. определяется кинетическими параметрами участвующих в реакции веществ. Если такое горение происходит в замкнутом объеме, то оно сопровождается повышением давления и носит характер взрыва.

Возникновение горения чаще всего связано с нагреванием горючей системы тем или иным источником воспламенения. При этом энергия молекул горючего и кислорода увеличивается и при достижении определенного значения энергии молекулы горючего вещества вступают в соединение с кислородом воздуха.

В основе теории горения лежит учение академика Н.Н. Семенова о цепных реакциях. Согласно теории цепных реакций процесс окисления начинается с активации горючего вещества. Реакция окисления сопровождается выделением тепла и при определенных условиях может самоускоряться. Этот процесс самоускорения реакции окисления с переходом ее в горение называется самовоспламенением. Самовоспламенение может быть тепловое и цепное. В первом случае самовоспламенение возникает вследствие превышения скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода.

Рассмотрим процесс теплового самовоспламенения на примере смеси горючего газа с воздухом, помещенной в сосуд объемом V. При атмосферном давлении и комнатной температуре реакция между горючим газом и кислородом воздуха в сосуде практически не идет. Как известно, скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ и возрастает с повышением температуры. При повышении температуры сосуда и смеси скорость реакции и выделения тепла соответственно увеличится. Зависимость скорости выделения тепла от температуры имеет вид:

q₁ = Q V K C ^v e-

E

RT

,

где q₁ - скорость выделения тепла; Q - теплота сгорания газа; V - объем горючей смеси; К - константа скорости реакции; С - концентрация реагирующего вещества; v - порядок реакции; Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура смеси. Графически эта зависимость показана на рис. 3.12.

Необходимость активации, т.е. затраты некоторой энергии при химическом превращении, обусловлена затратой энергии на разрыв

151

Рис. 3.12. Зависимость скорости тепловыделения q₁ и теплоотвода q₂ от температуры Т

старых (существующих) межатомных связей. Реакция возможна лишь в том случае, если взаимодействующие молекулы получают определенный запас энергии, достаточный для разрыва или ослабления межатомных связей. Выделяющееся тепло передается горючей смеси и она нагревается. Как только температура смеси превысит температуру стенок сосуда, начнется отвод тепла через стенки сосуда в окружающую среду. Количество тепла, отводимого через стенки сосуда в единицу времени, пропорционально разности температур смеси и стенок сосуда, т.е.

q₂ = αS(T - T₀ ) ,

где q₂ - скорость отвода тепла через стенки сосуда; α - коэффициент теплоотдачи; S - поверхность стенок сосуда; Т - температура смеси; T₀ - температура стенок сосуда.

На рис. 3.12 представлена зависимость скорости тепловыделения q₁ и теплоотвода q₂ от температуры Т. С помощью графика легко проследить изменение соотношения выделяющегося тепла в результате реакции и рассеивающегося через стенки сосуда. При температуре Т₀ смесь будет вначале нагреваться и температура ее повысится до значения Т_А соответствующего точке А (точки пересечения кривой q₁ (T) и прямой q₂ (T) при начальной температуре (T₀). Саморазогрев смеси выше температуры Т_А невозможен, так как теплоотвод через стенки будет превышать тепловыделения. При начальной температуре смеси и стенок сосуда Т₁ прямая q₂(T) будет касаться кривой q₁(T) в точке В. В этом случае саморазогрев смеси возможен до температуры Т_B. Кроме того, дальнейший саморазогрев смеси также возможен, так как выше и ниже точки В скорость выделения тепла в результате химической реакции превышает теплоотвод через стенки сосуда. В точке В тепловой режим будет неустойчивым - при отклонении от состояния, отвечающего точке B система в В не возвратится, а будет удаляться от этого состояния. При сколь угодно малом повышении температуры стенок сосуда кривые не будут иметь общих точек и, следовательно, равновесный тепловой режим невозможен, произойдет резкое повышение температуры и соответственно скорости реакции.

Одной из особенностей пожара, вызванного горением газовоздушных и паровоздушных смесей, является образование огневого шара, время существования которого колеблется от нескольких секунд до

152

нескольких минут. Опасным фактором огневого шара является тепловой импульс. Размеры огневого шара, время его существования и величина теплового импульса зависят от количества сгораемого вещества.

Тепловое поражение человека определяется величиной теплового импульса: тепловой импульс от 80 до 160 кДж/м² вызывает первую степень ожоговой травмы (болезненное покраснение кожи), от 160 до 400 кДж/м² - вторую степень (образование пузырей на коже человека); от 400 до 600 кДж/м²- третью степень (омертвление кожи с частичным поражением росткового слоя); более 600 кДж/м² - четвертую степень (омертвление кожи и поражение глубинных слоев тканей). Тепловое поражение более 25 % поверхности кожи человека практически приводит к его гибели.

Опасными факторами пожара, воздействующими на людей и материальные ценности, помимо указанных ранее открытого пламени, повышенной температуры корпусов оборудования и окружающей среды, являются также токсические продукты горения и термического разложения, пониженная концентрация кислорода в воздухе рабочей зоны и вызванные описанными факторами их вторичные проявления: осколки, движущиеся части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций, токсические вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок, электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов, опасные факторы взрыва, происходящие вследствие пожара.

Эти факторы приводят к отравлениям, ухудшению работы органов дыхания, к травмированию работающих.

Согласно ССБТ ГОСТ 12.1.004-91 допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10^-6 воздействия опасных факторов пожара, превышающих допустимые значения, в год в расчете на каждого человека.

Непревышение такого уровня опасности обеспечивается созданием на предприятиях системы пожарной безопасности.

153