ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЗМОВ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ

1. Эффективное тушение пожаров как последняя мера обеспечения пожарной безопасности При возникновении пожара перед специалистами пожарной охраны встает вопрос, как локализовать и ликвидировать его, т.е. свести к минимуму размеры его путем ограничения зон распространения пожара, снизить возможную скорость его распространения даже в тех пределах, где нет ограничений по площади его развития; снизить интенсивность процесса горения и особенно снизить возможную плотность задымления и допустимые зоны задымления, для обеспечения безопасной эвакуаций людей и облегчения условий борьбы с пожаром.

Это достигается различными путями и средствами: строительными нормами и правилами ограничениями по допустимым совмещениям различных видов пожарной нагрузки; конструктивно-планировочными решениями и специальными техническими устройствами (огнестойкие двери; двери с дожимателями; вентиляционные люки и каналы; принудительная вентиляция, создающая подпор воздуха в определенном направлении и обеспечивающая не задымляемость лестничных клеток и путей эвакуации людей при пожаре и т.д.). И, наконец, это достигается активно действующими системами автоматической подачи огнетушащих средств, локализующими пожар в зоне его возникновения, или, по крайней мере, ограничивающими скорость его распространения. Для успешного решения всех этих вопросов необходимо знать законы горения и физико- химические основы развития пожаров в зависимости от их вида, режима горения, условий и специфических особенностей объекта пожара.

Основной боевой задачей личного состава пожарной охраны является защита жизни и здоровья людей от пожара, ликвидация пожара в тех размерах, которые он принял к моменту прибытия подразделений пожарной охраны и сохранение материальных ценностей от их повреждения или уничтожения огнем, эта задача должна решаться наиболее эффективными приемами и способами, в кратчайшее время, с расчетно обоснованными силами и средствами, с минимальным побочным (дополнительным) ущербом, наносимым в процессе тушения пожаров. Достичь этого можно только при условии применения научно обоснованных приемов и способов тушения пожара, правильным определением решающего направления на пожаре, умелой организацией тушения, выбором наиболее эффективных огнетушащих средств и оптимальной интенсивности их подачи и др.

Таким образом без знания физико-химических основ развития и тушения пожаров невозможно ни правильное проектирование и применение автоматических систем сигнализации о пожаре и автоматических систем пожаротушения, ни разработка тактических приемов и способов тушения пожаров, ни проектирование пожарной техники для реализации наиболее эффективных способов тушения пожаров силами и средствами пожарной охраны. В то же время правильно и хорошо организованная оперативная служба пожаротушения является одним из радикальных путей борьбы с пожарами и последним звеном в цепи средств, призванных обеспечивать пожарную безопасность. В некоторых частных случаях этот путь является даже наиболее целесообразным.

Однако возведение его в принцип - чревато серьезными ошибками, связанными с тяжелыми социальными и экономическими последствиями. Примером порочности такого пути осуществления пожарной безопасности в стране, когда тушение уже возникших пожаров считается главным способом борьбы с пожарами, является многолетний опыт деятельности пожарной охраны Соединенных Штатов Америки. Имея первоклассную пожарную технику, хорошо налаженную систему оповещения, отличную боевую подготовку пожарных подразделений, США в то же время вышли на первое место в мире по числу жертв от пожаров и размерам материального ущерба *. Причину этого пожарные специалисты США видят в том, что 95% материальных средств, расходуемых на противопожарную безопасность в штатах тратится на тушение уже возникших пожаров и только 5% - на их предупреждение. Тем не менее, эффективные приемы и способы тушения пожаров, хорошо организованная служба пожаротушения безусловно являются важным звеном в обеспечении пожарной безопасности.*

*Закон о снижении жертв и убытков от пожаров путем улучшения профилактики и тушения пожаров. (Закон конгресса Соединенных Штатов Америки). Ежегодное среднестатическое число человеческих жертв со смертельным исходом от пожаров в США примерно в 2-2,5 раза выше, чем в нашей стране, что в пересчете на миллион жителей примерно в 33,5 раза больше, чем в Советском Союзе. А среднестатистический размер ежегодного материального ущерба от пожаров в США примерно в раз выше, чем в нашей стране. Возможно, от части, это объясняется различиями в методах оценки величины материального ущерба. Но качественно, картина очевидна. Одностороннее предпочтение оперативных методов борьбы с пожарами не может дать положительных результатов.

7.2. Тушение пожара как осуществление физического процесса Потушить пожар, с физической точки зрения означает, прежде всего, прекратить процесс горения во всех видах, т.е. создать в зоне горения условия, исключающие' возможность продолжения процесса горения в любой форме (пламенного горения, беспламенного гетерогенного горения, тления и т.п.). Анализ этих условий удобнее начать методом "от противного", т.е. с анализа условий "необходимых и достаточных" для горения на пожаре, имея в виду, главным образом диффузионный процесс горения. Качественно эти условия "необходимые и достаточные" можно представить в виде мнемонической схемы "классического треугольника пожара"- горючее- окислитель-источник зажигания (рис.)

Схема «классического треугольника пожара» При такой схеме достаточно "оборвать" одну из связей в треугольнике и горение станет невозможным, а тем более если "отсечь" один из углов треугольника. Действительно, если исключить из треугольника пожара, например, горючий материал, т.е. изолировать горючее от зоны горения, пожар прекратится. Если изолировать окислитель,' т.е. Полностью прекратить доступ воздуха в зону горения, диффузионное горение прекратится. Точно также, если исключить источник зажигания (при неразвившемся горении, в начальной стадии пожара источником зажигания чаще всего является сама зона горения, т.е. факел пламени), то горение также прекратится.

Простейшим примером тушения пожара методом "изъятия горючего", т.е. путем "отсечения одного из углов треугольника пожара", является тушение пожара, связанного с горением горючего газа или ЛВЖ, ГЖ на технологической установке, путем закрытия вентиля на магистральном трубопроводе или прекращения течи горючего какими-либо другими способами (в тех случаях, когда это возможно). Другим примером тушения пожара, "отсечением одного из углов треугольника пожара" или разрывом связей в этом треугольнике, является тушение пожаров на резервуарах с ЛВЖ, ГЖ малых размеров, путем покрытия их металлическим листом, кошмой, асбестовым полотном или мокрым брезентом и т.д. (когда это возможно по геометрическим размерам резервуара и условиям боевой обстановки на пожаре). Тушение пожаров в резервуарах с ЛВЖ, ГЖ методом перемешивания или изолирующими пенами – тоже в конечном счете изъятие горючего материала из зоны горения, т.е. 'отсечение угла" или разрыв связей в треугольнике пожара. Применение этого метода возможно даже на пожарах, связанных с горением твердых горючих веществ и материалов.

Так, например, разборка горящих конструкций или растаскивание штабеля древесины тоже является своего рода, условно, 'изъятием' горючего материала из зоны горения и отсечением одного из углов классического треугольника пожара. Очевидно, что возможны и многие другие примеры. Например, закрытие доступов воздуха в помещение, применяемое иногда при тушении пожаров в подвалах и туннелях, в шахтах и трюмах судов, есть частный случай 'изъятия окислителя' из треугольника пожара, также нередко приводящий к прекращению горения. Таким образом можно прекратить только пламенное диффузионное горение (ниже 14-15% кислорода), а беспламенное горение и тление, идущие при более низких концентрациях кислорода (5-6% О 2 ) будет продолжаться. Нужно помнить, что при открытии помещения и интенсивном доступе свежего воздуха с высоким содержанием кислорода, могут привести к внезапному воспламенению и даже к взрыву накопившихся там газообразных горючих продуктов неполного сгорания.

Наглядной иллюстрацией механизма прекращения горения пламени методом отсечения третьего угла у треугольника - методом изоляции источника зажигания от горючей смеси может служить опыт по тушению диффузионного пламени газовой горелки теплоемкой металлической сеткой, которая вводится в мертвую зону под диффузионное пламя, а затем поднимается вверх до полного отрыва факела пламени от устья горелки. Почти таков же в основном механизм тушения газовых фонтанов с помощью взрыва над устьем фонтана заряда ВВ (в 'мертвой зоне' факела пламени). Факел пламени на какое-то время отделяется от свежей горючей смеси и горение прекращается. Но это только приблизительное, чисто качественное представление о механизмах и способах прекращения процессов горения на пожаре.

Более строгое, научно обоснованное представление о физико-химической сущности и механизме прекращения процессов горения можно получить из анализа структуры пламени, поля температур, тепловых и кинетических процессов в зоне горения, приняв за основу тепловую модель механизма горения. Эта теория называется тепловой теорией потухания пламени. Она разработана советскими учеными, в частности, академиком Я.Б. Зельдовичем, профессорами Д.А. Франк-Каменецким, Л.А. Вулисом, В.И. Блиновым и другими и находит все более широкое применение в пожарно-технической литературе и практике пожаротушения.

3. Тепловая теория потухания пламени Наиболее распространенной научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени или тепловая теория прекращения горения. Суть ее сводится к тому, что при нарушении условий теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения самопроизвольное и непрерывное течение этих реакций становится невозможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда в результате нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения температура снизится до некоторого критического значения: Т кр = Т пл - Т.

Из анализа выражения для массовой скорости выгорания при диффузионном горении предварительно неперемешанных газов, которая возрастает с увеличением интенсивности подачи горючих компонентов в зону горения, в работе Я.Б. Зельдовича, получена максимально возможная величина снижения температуры пламени (до момента срыва пламени): где R - универсальная газовая постоянная, 4,19 кДж/(моль*К); Т ад - адиабатическая температура пламени, 2300 К; Е - энергия активации, кДж/моль. Подставив численные значения входящих величин, получим величину критической температуры пламени или теоретической температуры потухания:

Температура кинетического пламени значительно меньше адиабатической Ткин< Тад из-за теплопотерь из зоны горения на излучение пламени. В диффузионных пламенах, которые наиболее часто встречаются на пожаре, доля тепловых потерь на излучение значительно больше. Во-первых, потому, что у диффузионных пламён выше светимость изза наличия в них твердых частиц углерода. Углерод образуется в пред пламенной зоне прогрева углеводородных горючих при недостатке кислорода. В кинетическом пламени такой нагрев давал бы окисление углерода до СО или СО 2, а в диффузионном - приводит к образованию свободного углерода С, коагулирующего до твердых сажистых частиц значительных размеров, резко увеличивающих светимость диффузионных пламен. Это приводит и к увеличению теплопотерь от диффузионного факела пламени излучением и к снижению интенсивности тепловыделения из-за неполноты сгорания, так как углеродные частицы не успевают сгорать до СО или СО 2 из-за недостатка кислорода.

Во-вторых, при диффузионных пламенах больше зона реакции и, соответственно - больше поверхность излучения пламени и ниже интенсивность тепловыделения на единицу объема зоны реакции. В-третьих, при диффузионном горении больше удельная величина тепловых потерь от факела пламени за счет конвективного теплообмена зоны горения с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузионных пламен составляют до 40% от всего количества тепла, выделяющегося в зоне горения. Поэтому реальная температура диффузионного пламени получается примерно на 40*45% ниже Тад, соответствующей низшей теплоте сгорания углеводородных горючих веществ и материалов.

Принимая условно среднюю теплоемкость газов в зоне пламени постоянной С р, можно записать, что в расчете на единицу массы горючего вещества Т ад =Т 0 +Т ад, где Т ад - повышение температуры в зоне горения за счет выделения теплоты химических реакций горения или где Т К, откуда К.

Если количество тепла, идущего на повышение температуры среды в зоне пламени за вычетом теплопотерь, в расчете на единицу массы горючего обозначить Q ПЛ, то можно записать, что Q ПЛ Q р Н - Q ПОТ, где Q ПОТ составляет примерно 40% от всего выделившегося в факеле пламени тепла, т.е. Q ПОТ 0,4 Q р Н. Откуда Q ПЛ 0,6 Q р Н. Тогда, соответственно, Т ПЛ = =1500 К. Эта величина температуры факела диффузионного пламени t пл ~ 1200°С довольно хорошо согласуется с результатами экспериментальных данных t пл ~ 1100 ± 1300 °С.

Следовательно, для того чтобы снизить температуру в зоне горения до температуры потухания, равной 1250 К, температуру факела диффузионного пламени в условиях пожара надо понижать не на три характеристических интервала температур ~ 1060 К, а всего на 150 ÷ 200 К, что соответствует интервалу, так как при t min пл ~1100 С, T пл ~130 К, что соответствует Т пот ~ T пл - T пл ~ =1270 К (т.е. t пот ~1000°С), а при t max пл ~ 1200°С. T пл ~ 150 К; что соответствует Т пот ~ T пл - T пл ~ ~1350 К (т.е. t пот ~1050°С). Таким образом, согласно тепловой теории потухания пламени задача сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания путем нарушения теплового равновесия в зоне горения.

Нарушение теплового равновесия в зоне химических реакций горения можно осуществить либо снижением интенсивности тепловыделения в зоне реакции, ниже некоторого предельного значения, при котором невозможно самопроизвольное непрерывное продолжение реакций горения, либо повышением интенсивности теплоотвода, либо одновременно снижением интенсивности тепловыделения и повышением интенсивности теплоотвода до тех пор, пока температура в зоне химических реакций не снизится до температуры потухания. Аналитически интенсивность процесса тепловыделения во фронте пламени в зависимости от вида горючего, его концентрационного состава и температуры пламени выражается через скорость химических реакций уравнением вида:

Интенсивность суммарного процесса теплоотвода от фронта пламени по механизму лучистой теплопередачи и передачи тепла конвекцией описывается уравнением вида: Приравнивая правые части двух последних выражений и решая полученное трансцендентное уравнение относительно Tпл, можно найти температуру пламени. Однако строгое аналитическое решение этого уравнения представляет значительные трудности. Графически, температуру диффузионного пламени, как результат динамического равновесия процессов тепловыделения и теплоотвода во фронте пламени можно найти и как численное значение проекции точки пересечения кривых q 1 =f(T) и q 2 =f(T) на ось абсцисс (рис., точка 1). В точке пересечения кривых q 1 =f(T) q 2 =f(T) величины q1 и q 2 всегда равны между собой.

Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры При нарушении условий тепловыделения в зоне горения за счет каких-либо внешних причин (например, при снижении интенсивности тепловыделения в пламени за счет изменения концентрационного состава горючей смеси) кривая q' 1 =f(T) пойдет положе (см. пунктирную S - образную кривую) и температура во фронте пламени снизится до нового равновесного значения T'пл соответствующего точке 2. При нарушении условий теплоотвода от пламени (например, повышение его интенсивности за счет снижения окружающей температуры), температура во фронте пламени вновь понизится до T'пл, соответствующей пересечению кривых q 1 =f(T) и q' 2 =f(T) в точке 3.

Если нарушение теплового баланса происходит одновременно за счет снижения интенсивности тепловыделения во фронте пламени и повышения интенсивности отвода тепла от него, то кривые q' 1 =f(T) и q' 2 =f(T) пересекутся в новой точке 4, лежащей еще левее, чем точки А температура пламени будет равна T' пл. Изменяя и дальше условия тепловыделения (снижая его интенсивность) и теплоотвода (повышая его интенсивность), можно довести систему до состояния, соответствующего критическим условиям самовоспламенения исходных компонентов горючей смеси. При этом температура самовоспламенения будет соответствовать точке касания кривых q 1 =f(T) и q 2 =f(T) и равна Т св, а температура возникшего пламени будет соответствовать точке пересечения кривых q 1 =f(T) и q' 2 =f(T) и равна Т пл IV.

Снижая дальше интенсивность тепловыделения или повышая интенсивность теплоотвода, можно перевести систему в новое положение, соответствующее рис. Для простоты изложения будем только повышать интенсивность теплоотвода путем снижения окружающей температуры, т.е. передвигать кривую q 2 =f(T) влево параллельно самой себе. Таким способом можно достичь такого положения, когда кривые q 1 =f(T) и q 2 =f(T) будут иметь три точки пересечения (рис.). Точка а лежит в области низких температур, ниже температуры самовоспламенения (Та Тсв ) и характеризует неустойчивое состояние. При малейшем снижении температуры в точке б (смещение по стрелке влево вниз) система перейдет в состояние в точке а и горения не произойдет; а при незначительном повышении температуры в точке б (смещение по стрелке вправо вверх) система перейдет в устойчивое состояние в точке д и температура пламени Тд будет выше, чем в точке II Т П и пламя не погаснет, а его температура будет соответствовать значению Тд > Т П.

Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (увеличение теплоотвода за счет уменьшения температуры окружающей среды) Продолжая путем внешней воздействия на зону горения повышать интенсивность теплоотвода от фронта пламени (или снижением интенсивности тепловыделения или одновременным изменением обоих этих процессов), переведем систему в новое состояние, когда кривые q 1 =f(T) и q 2 =f(T) имеют только две общих точки: точку пересечения а в области низких температур и точки П - точку касания кривых. В точках пересечения и в точках касания кривых, значения q 1 и q 2 равны друг другу. Проведем анализ состояния системы в точке П методом малых возмущений. Снизим температуру системы на незначительную величину Т, т.е. сместимся влево от точки П. При этом кривая интенсивности теплоотвода q 2 =f(T) идет выше q 1 =f(T) и система за счет ее охлаждения в результате нарушения теплового баланса перейдет из точки II в точку а ( q 1 = q 2 ), т.е. процесс горения прекратится.

Теперь, наоборот, повысим температуру системы в точке II на незначительную величину Т, т.е. сместимся вправо вверх от точки II. В этом случае значение функции теплоотвода q 2 =f(T) опять больше, чем функции q 1 =f(T), т.е. теплоотвод интенсивнее тепловыделения (кривая q 2 идет выше, чем q 1 ) и температура системы вновь понизится, возвращая ее в точку П. Значит, в точке П система находится в относительно устойчивом положении, при котором повышение температуры системы ведет к ее стабилизации и возврату системы в прежнее состояние, а малейшее понижение температуры (повышение интенсивности теплоотвода или снижение интенсивности тепловыделения) ведет к неизбежному потуханию пламени (т.е. к возврату системы в точку а'). Это значит, что малейшее смещение кривой q 2 =f(T) влево или кривей q 1 =f(T) вправо приведет к тому, что эти кривые разойдутся, не имея ни одной общей точки, которая лежала бы выше температуры самовоспламенения, и будут иметь только одну общую точку а – в области низких температур, т.е. в области бесконечно медленного беспламенного окисления.

Таким образом, точка П соответствует критическим условиям потухания пламени, а температура Т п называется условно температурой потухания пламени. Точка П есть общая точка кривых q 1 =f(T) и q 2 =f(T), значит, в этой точке при Т=Т п ; q 1 = q 2. В то же время, это точка касания кривых q 1 =f(T) и q 2 =f(T), значит, в этой точке равны не только сами функции q 1 и q 2 от Т, но и их первые производные по температуре, т.е.

Тогда, аналитически, условие потухания пламени запишется так: q 1 (TП) = q 2 (TП); или Независимо от того, каким образом будет осуществляться снижение температуры пламени до температуры потухания, процесс пламенного горения прекратится.

Снижения температуры в зоне горения до температуры потухания можно добиться и при меньших интенсивностях теплоотвода от пламени (рис.). Кривая q' 1 =f(T) идет правее и ниже, чем q=f(T), которая была бы касательной к функции q' 2 =f(T), если бы интенсивность тепловыделения не снижалась. Из графика (рис.) видно, что тушение пламени в этом случае возможно при менее интенсивном теплоотводе. Кривая q' 2 =f(T) идет правее и ниже кривой q'' 2 =f(T), а также при более высокой температуре окружающей среды (Т П > Т' П ). Температура потухания Т П не является строго постоянной величиной, а зависит от соотношения, вида и взаиморасположения кривых q 1 =f(T) и q 2 =f(T), т.е. от законов изменения интенсивности тепловыделения и теплоотвода. Температура потухания Т П =1000°С выше температуры самовоспламенения*. _________________________________________________ * Это явление в физике горения известно под названием гистерезисного характера процессов воспламенения и потухания.

Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (уменьшение скорости тепловыделения) Это справедливо и для случая, когда одновременно со снижением интенсивности тепловыделения в факеле пламени q 1 =f(T) и повышением интенсивности теплоотвода более интенсивное охлаждение зоны горения будет осуществляться не только за счет снижения окружающей температуры Т окр, а и за счет повышения коэффициента теплопередачи а или степени черноты пламени ε, или их обеих вместе.

Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (увеличение скорости теплоотвода) Повышение интенсивности теплоотвода от пламени будет выражаться графически не только путем смещения кривой q 2 =f(T) влево, а и одновременным увеличением ее угла наклона (кривая q''q 2 =f(T) пойдет круче по отношению к оси абсцисс). График такого процесса показан на рис. При повышении коэффициента теплопередачи (что соответствует одновременно и большему углу наклона кривой q 2 =f(T) гашение пламени возможно при более высокой окружающей температуре.

4. Физико-химические механизмы прекращения горения пламени Прекращение горения любым способом сводится к снижению температуры в зоне реакции до Тп.

Пути прекращения горения: 1. Снижение интенсивности тепловыделения в зоне реакции 1.1. Изменение концентрации реагентов в зоне реакции Са и Св: - разбавление смеси одним из ее компонентов или прекращение доступа второго компонента - разбавление смеси введением нейтральных (инертных) разбавителей (НГ) 1.2. Снижение давления в зоне реакции 1.3. Химическое торможение скорости реакции с понижением Кр и повышением Е, т.е. введение в зону реакции химически активных ингибиторов (ХАИ) 2. Повышение интенсивности теплоотвода от зоны реакции 2.1. Повышение коэффициента теплопередачи из зоны реакции - введение в зону реакции компонентов с большим С и S - введение в зону реакции компонентов с высокой теплопроводностью 2.2. Повышение коэффициента черноты зоны реакции 2.3. Снижение температуры окружающего пространства: - введение в зону реакции и окружающее пространство компонентов с высоким значением теплоты фазовых превращений (т.е. веществ, изменяющих свое агрегатное состояние) - внезапным изъятием, физическим отделением всех источников зажигания горючей смеси и отделением ее от фронта пламени.

Некоторые из перечисленных механизмов прекращения горения не всегда можно осуществить при тушении большинства характерных (ординарных) пожаров. Например, прекращение горения внезапным снижением давления в зоне реакции, резкое повышение теплоотвода повышением коэффициента черноты излучающих сред в зоне реакции, а также изъятие, внезапное физическое отделение всех источников зажигания горючей смеси в зоне реакции. Но в некоторых частных случаях каждый из них может быть применен. Скорость химической реакции зависит от числа эффективных соударений молекул горючего и окислителя. А количество этих соударений - прямо пропорционально числу молекул в единице объема зоны реакции. Поэтому интенсивность процесса горения зависит от давления. Для интенсификации процессов горения в различных технических устройствах, камерах сгорания, топках, технологических установках - повышают давление. При снижении давления интенсивность диффузионного горения снижается. А снизив давление до определенного значения, можно настолько уменьшить число молекул в единице объема зоны реакции, что горение прекратится.

В физике горения известны не только концентрационные пределы горения, но и пределы горения по давлению. Для большинства углеводородных горючих веществ они близки к 0,1 атм. (В специальных устройствах удается поддерживать горение и при значительно более низких давлениях, почти до 0,01 атм, т.е. до 7 мм рт.ст., но для прекращения диффузионного горения достаточно понизить давление до р = 0,40,5 атм). При таком разрежении скорость тепловыделения резко уменьшится, температура в зоне реакции понизится до Тп и горение прекратится. Таким способом внезапного разрежения можно прекратить горение в некоторых технологических установках и аппаратах, а также при пожарах в пилотских кабинах, в пассажирских салонах самолетов, в кабинах космических кораблей и на орбитальных станциях при космических полетах. При горении некоторых горючих материалов (например, водорода, магния) температура пламени очень высока и количество отводимого из зоны горения тепла должно быть очень большое (так как q'' 2 =εσ(Т -4 Г. - Т -4 Х ), но эти пламена, как правило, бесцветны и коэффициент их черноты очень низкий. Поэтому теплопотери из зоны реакции не так велики, как могли бы быть при больших значениях е, Введение специальных добавок в пламя повысит излучающую способность пламени, приведет к резкому увеличению интенсивности теплоотвода из зоны реакции и к быстрому прекращению процесса горения.

Наиболее естественный способ прекращения горения – это снижение интенсивности тепловыделения. Этого можно добиться двумя путями: изменением концентрационного состава реагирующей смеси С А и С В или изменением химических констант скорости реакции К и Е. Простейший и наиболее естественный способ изменения состава смеси в зоне протекания химических реакций горения прекращение доступа в зону реакции одного из компонентов: горючего или окислителя. Но и этот способ применяется только тогда, когда это достижимо одними техническими или механическими средствами. Закрытие вентилей на трубопроводах горючего газа или покрытие емкостей небольших размеров металлическим листом и другими способами прекращения доступа горючего в зону горения. Частным способом прекращения доступа горючего в зону реакции горения без применения огнетушащих средств (составов) является тушение пожаров в резервуарах с горючей жидкостью методом ее перемешивания. Он сводится к следующему.

При горении жидкостей со свободной поверхности горючее в зону горения поступает за счет испарения его из верхних слоев. В нижних слоях жидкости температура меньше, чем в верхних и, если она ниже температуры вспышки для этой жидкости, то интенсивным механическим перемешиванием ее можно добиться того, что на поверхность жидкости поступят холодные нижние слои. А более разогретые слои жидкости будут либо перемешаны и охлаждены, либо «насильно загнаны» вниз (временно). Тогда на поверхности будет расположен слой «холодной» жидкости с температурой не только ниже температуры ее воспламенения, но и ниже температуры вспышки ее паров, При этой температуре упругость и парциальное давление паров незначительно, т.е. количество паров недостаточно для создания над поверхностью жидкости горючей паровоздушной смеси. Поэтому в зоне горения перестанет поступать необходимое количество паров горючего и пламя погаснет.

В динамике процесс тушения таким способом выглядит так. При постепенном снижении температуры жидкости в поверхностном слое смесь паров жидкости с воздухом над резервуаром «обеднится» горючим, она будет разбавлена окружающим воздухом настолько сильно, что скорость реакции резко упадет, интенсивность тепловыделения в зоне горения уменьшится и понизится температура в зоне реакции, что, в свою очередь, приведет к понижению скорости протекания химической реакции. Снижение интенсивности тепловыделения и температуры пламени приведет к уменьшению интенсивности теплового потока от факела пламени к зеркалу горючей жидкости. Эго еще больше снизит интенсивность парообразования и поведет к дальнейшему разбавлению, обеднению горючим зоны реакции. Когда совокупность всех этих взаимосвязанных процессов приведет к снижению температуры в зоне реакции до температуры потухания, процесс горения прекратится и пламя погаснет.

В принципе возможно тушение пламени и переобогащением горючей смеси в зоне реакции, т.е. более интенсивной подачей горючего в зону реакции горения. Но так как на пожарах, как правило, доступ окислителя в зону реакции горения очень велик и трудно регулируем, то увеличение интенсивности подачи горючего не приведет к пере обогащению смеси и тушению пожара, а, наоборот, интенсифицирует процесс горения за счет увеличения размеров факела пламени. Переобогащением возможно тушение пламени лишь в замкнутых объемах с ограниченным доступом воздуха в зону горения. Снизить интенсивность подачи воздуха в зону горения можно при тушении пожаров в подвалах, туннелях, шахтах, трюмах и т.п. Эго приведет к обеднению зоны горения окислителем (или относительному переобогащению ее горючим), интенсивность горения снизится и пламя погаснет. Характер изменения основных показателей процессов горения от состава смеси выглядит так: скорость реакции, а стало быть и интенсивность тепловыделения, и температура пламени, и скорость распространения пламени снижаются как при обеднении, так и при обогащении смеси, так как эти параметры имеют максимальное значение лишь в области стехиометрических концентраций состава горючей смеси либо вблизи этих концентраций.

Все другие способы тушения пламени, по какому бы механизму прекращения процесса горения они не осуществлялись, так или иначе связаны с применением специальных огнетушащих средств (точнее огнетушащих составов, вводимых в зону горения или в горючие компоненты). Выбор огнетушащих средств и способов их введения в зону горения зависит от вида горючего вещества, режима его горения и ряда дополнительных обстоятельств.

Зависимость механизма прекращения горения от режима горения и агрегатного состояния горючих веществ Механизм прекращения процессов горения на пожаре в значительной степени зависит от вида и режима горения, окружающих условий, исходного состояния горючего вещества и многих других факторов. От предполагаемого механизма и способа прекращения процессов горения зависит выбор огнетушащего средства, способ его подачи в зону горения, требуемые количества огнетушащего средства и интенсивность его подачи и другие факторы, определяющие в конечном итоге эффективность и качество тушения того или иного вида пожаров.

Например, при кинетическом горении гомогенных, предварительно перемешанных газовых или парогазовых смесей в замкнутом объеме невозможен механизм тушения, путем изоляции одного из компонентов горючей смеси (так как смесь образовалась ранее, до момента ее воспламенения). Фронт пламени движется по горючей смеси самопроизвольно и остановить его можно только внешним воздействием: химическим торможением реакций горения во фронте пламени, экстренным введением химически активных ингибиторов, внезапным охлаждением фронта пламени (отводом тепла на теплоемком мелкоячеистом огнепреградителе). Если же кинетическое пламя стационарно (факел пламени «сидит неподвижно» на устье трубопровода, неплотности фланца и т.д.), то прекратить горение можно: изменением состава смеси (соотношения компонентов в смеси, если оно поддается регулированию); введением в состав горючей смеси нейтральных газов или химически активных ингибиторов; охлаждением факела пламени, введением охлаждающих средств в зону горения либо аэродинамическим срывом факела пламени. (Если нет постоянно действующих внешних источников повторного зажигания).

При диффузионном режиме горения существует больше механизмов прекращения горения: изоляций компонентов горючей смеси друг от друга; введение огнетушащих средств в один на компонентов смеси; снижение интенсивности поступления одного из компонентов смеси в зону горения, а также охлаждение зоны горения и др. Рассмотрим наиболее рациональные механизмы тушения в зависимости от исходного агрегатного состояния горючих веществ и материалов, при диффузионном горении (которое чаще всего встречается на пожаре). При диффузионном горении факела пламени на устье газового, газонефтяного или нефтяного фонтана, если нет возможности с помощью технических средств прекратить поступление горючего или изменить его состав введением в него огнетушащих средств, то единственный возможный способ тушения - это воздействие на факел пламени, так как прекратить доступ воздуха в зону горения факела пламени на фонтане или отток продуктов сгорания практически невозможно. При этом воздействовать на факел пламени можно различными механизмами прекращения горения. Отрывом источника зажигания (факела пламени) от устья фонтана: взрывом ВВ; охлаждением факела пламени, введением в него теплоемких компонентов (воды, порошковых составов и др.); разбавлением концентрации реагентов в факеле пламени интенсивным введением нейтральных газов или еще лучше - химически активных ингибиторов или порошковых огнетушащих средств, обладающих свойством химического торможения реакций горения.

При тушении пожаров на фонтанах охлаждать горящее вещество практически бесполезно, так как горючие газы способны гореть при любой начальной температуре, а горючие жидкости в условиях фонтана распыляются так интенсивно, что охладить их ниже температуры вспышки почти невозможно. Поэтому охлаждать необходимо факел пламени, Т.е. отводить тепло непосредственно из зоны горения. Это оказывается технически осуществимо потому, что при горении фонтана факел пламени имеет форму конуса с вершиной внизу, а основанием вверху, область зажигающего кольца находится в вершине конуса, т.е. внизу, поэтому достаточно прекратить пламенное горение одновременно в области «зажигающего» кольца (рис.) на непродолжительное время (на 1-2 с), чтобы горение прекратилось полностью и пожар был потушен (см. следующий рис.).

Механизмы прекращения горения газового фонтана На рис. показаны последовательные стадии тушения' газового фонтана. При тушении протяженность зоны 'зажигающего' кольца сужается (оно перемещается в пространстве), его мощность уменьшается, факел пламени перемешается вверх, и гак только его мощность достигнет критического значения, процесс горения прекратится - факел оторвется. (Естественно, если нет внешних, посторонних источников зажигания, в виде раскаленных элементов конструкции, электрических искр, разрядов статического электричества и др.).

При пожарах в резервуарах факел пламени имеет иную форму. Он представляет собой обычно (особенно в безветренную погоду или при слабом ветре) конус в 'нормальном' положении, с вершиной вверху и широким основанием внизу. Высота конуса может достигать полутора-двух диаметров основания. Периметр основания конуса пламени равен, как правило, периметру резервуара (или вскрытой его части) и может составлять несколько десятков метров. Конвективные потоки воздуха вокруг периметра основания факела пламени менее интенсивны. А поток паров горючей жидкости обладает очень малой кинетической энергией. Он поднимается вверх по законам диффузии или за счет конвективных газовых потоков. Интенсивность (начальная скорость) этих потоков на несколько порядков ниже, чем скорость горючего в устье скважины. Поэтому при тушении резервуаров с ГЖ подавать огнетушащие средства необходимо в зону горения, от основания до вершины факела пламени, чтобы прекратить процесс горения одновременно во всем объеме факела пламени.

Обеспечить равномерную и одновременную подачу огнетушащих средств по периметру резервуара и во весь объем факела пламени три горении паров ЛВЖ, ГЖ на большой площади - задача очень сложная (и, как правило, неосуществимая). Поэтому, несмотря на то, что прекратить пламенное горение над поверхностью ЛВЖ, ГЖ нужно всего на 1-2 с (но одновременно во всем объеме факела пламени), тушение таких пожаров способом подачи огнетушащих средств непосредствен но в факел пламени по механизму отвода тепла от факела пламени, на практике почти не применяют. Да и другими механизмами объемного воздействия на факел пламени, например, с помощью порошковых составов или химически активных ингибиторов, почти не пользуются.

Такие пожары, как правило, тушат либо путем охлаждения ЛВЖ, ГЖ, снижая тем самым интенсивность их испарения, что, в свою очередь, приводит к обеднению смеси в факеле пламени, снижению его интенсивности и температуры, и, таким образом, доводя процесс горения до полного прекращения. Либо путем изоляции горючей жидкости от зоны горения, подачей на поверхность ЛВЖ, ГЖ пены или порошка, которые также приводят к снижению интенсивности испарения ЛВЖ, ГЖ, обеднению смеси в факеле пламени, снижению его интенсивности и температуры и т.д. - до полного потухания. Наконец, при тушении пожаров, связанных с горением твердых горючих материалов, охлаждение зоны горения (факела пламени) вообще имеет лишь второстепенное значение. Оно снижает лишь интенсивность лучистого и конвективного тепловых потоков к поверхности горючего материала и облегчает боевую обстановку в зоне горения на пожаре. Охлаждение зоны горения и даже полное прекращение пламенного горения над поверхностью ТГМ не означает, что пожар потушен. Так как ТГМ, как правило, кроме гомогенного диффузионного пламенного горения, склонны к гетерогенному, беспламенному диффузионному горению и тлению (менее интенсивная форма гетерогенного диффузионного горения). Поэтому прекратить пламенное горение ТГМ, даже на достаточно продолжительное время - еще не означает потушить пожар. Он будет продолжаться по механизму беспламенного горения (которое может быть и весьма интенсивным).

В отличие от горючих газов, имеющих до воспламенения невысокую температуру, и от ЛВЖ, ГЖ - максимальные температуры которых при горении на пожарах не выше температуры их кипения, температура поверхности твердых горючих материалов, как правило, значительно выше не только температуры самовоспламенения продуктов их пиролиза, но даже выше температуры их вынужденного зажигания. Она может достигать С. И при этом в поверхностных слоях ТГМ продолжается процесс гетерогенного диффузионного горения. Поэтому после прекращения диффузионного пламенного горения продуктов пиролиза ТГМ над их поверхностью, если она не охлаждена до температуры ниже температуры самовоспламенения продуктов разложения ТГМ, вновь может возникнуть пламенное горение. Причем этот процесс может повторяться неоднократно, пока не будут достигнуты условия, необходимые (прекращение пламенного горения над поверхностью ТГМ) и достаточные (снижение температуры поверхности и поверхностных слоев ТГМ ниже температуры самовоспламенения продуктов их термического разложения). Еще строже было бы принять за условия достаточные для полного тушения пожара снижение температуры ТГМ до температуры ниже температуры их самовозгорания. Но в динамических условиях тушения пожаров эта разница не так существенна.

В квазистационарных условиях медленного самонагревания опасность возникновения пожара по механизму саморазогрева достаточно велика. На пожаре же она менее существенна. Поэтому за условия, достаточные для прекращения пожаров ТГМ с точки зрения физико-химических процессов горения, можно принять условия снижения температуры этих материалов ниже температуры начала их пиролитического разложения. При этом снизится выход летучих в зону горения и прекратится процесс пламенног о горения. (Сначала зона горения обеднится горючим, снизится интенсивность процесса горения и тепловыделения, это приведет, в свою очередь, к снижению температуры пламени; снижение температуры пламени - приведет к снижению интенсивности теплового потока к поверхности горючего и дальнейшему снижению ее температуры и интенсивности выхода летучих и т.д. до полного потухания пламени). При тушении пространственных конструкций ТГМ в виде штабелей древесины и т.п. огнетушащим средством, действующим по механизму охлаждения, необходимо воздействовать им на все поверхности ТГМ способные генерировать летучие продукты их пиролиза и служащие мощным постоянно действующим источником зажигания.

Таким образом, механизм прекращения горения того или иного пожара зависит от вида горючего вещества и его агрегатного состояния. А это, в свою очередь, определяет способ тушения пожара, вид огнетушащих средств и зону их подачи, способ подачи и оптимальную интенсивность. Так, например, при тушении пожаров газовых и газонефтяных фонтанов могут применяться все виды огнетушащих средств: нейтральные газы, химически активные ингибиторы, вода, порошковые составы, комбинированные средства тушения и т.д., кроме изолирующих средств типа пен. При тушении пожаров, связанных с горением ЛВЖ, ГЖ, могут применяться без исключения все виды огнетушащих средств. Но возможность их практического применения и эффективность действия зависят от условий горения. При больших размерах факела пламени горючей жидкости, горящей в открытом пространстве (вне помещений), затруднительно применение огнетушащих средств, действующих по механизму объемного тушения: нейтральных газов, химически активных ингибиторов, порошковых огнетушащих средств объемного тушения (действующих преимущественно на факел пламени), и распыленной воды, действующей по механизму прекращения горения охлаждением факела пламени.

Более эффективны изолирующие средства типа пен и порошков, действующих по поверхности горючей жидкости и охлаждающих средств, действующих по механизму прекращения горения охлаждением жидкой фазы горючего. Наоборот, при внутренних пожарах, связанных с горением ЛВЖ, ГЖ внутри зданий и помещений, эффективны такие средства объемного тушения, как нейтральные газы, химически активные ингибиторы, порошковые составы и др. При тушении пожаров, связанных с горением твердых горючих материалов наиболее эффективны охлаждающие огнетушащие средства: вода, водные растворы загустителей и смачивателей, действующие по механизму прекращения горения охлаждением горючих материалов (прекращением выхода летучих в зону горения) и изолирующие огнетушащие средства типа пен и порошков, приводящие к тому же эффекту.

Наоборот, мало эффективны при тушении пожаров ТГМ, способных к гетерогенному диффузионному горению, такие огнетушащие средства, как нейтральные разбавители, химически активные ингибиторы, порошковые огнетушащие средства, воздействующие преимущественно на факел пламени. Эти общие рекомендации по физико-химии механизмов прекращения процессов диффузионного горения в условиях пожаров следует учитывать и при проектировании автоматических систем пожаротушения и при проектировании пожарной техники и при разработке методов тушения пожаров силами и средствами пожарной охраны.

СПАСИБО за внимание