высшее профессиональное образование

Б а К а Л а в р и аТ

С. а. Карауш

Теория горения

и взрыва

учеБниК

Допущено

Учебно-методическим объединением вузов

по университетскому политехническому образованию

в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся

по направлению подготовки «Техносферная безопасность»

(квалификация «бакалавр»)

УДК 614.841.41(075.8)

ББК 24.54я73

К215 Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой парогенераторостроения и парогенераторных установок Национального исследовательского Томского политехнического университета, д-р техн. наук, профессор А. С. Заворин;

зав. кафедрой экологии и промышленной безопасности МГТУ имени Н. Э. Баумана, д-р техн. наук, профессор Г. П. Павлихин;

зав. кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Тюменского государственного архитектурно-строительного университета, д-р техн. наук, профессор М. Н. Чекардовский Карауш С. А.

К215 Теория горения и взрыва : учеб. для студ. учреждений высш.

проф. образования / С. А. Карауш. — М. : Издательский центр «Академия», 2013. — 208 с. — (Сер. Бакалавриат).

ISBN 978-5-7695-5910- Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки «Техносферная безопасность» (квалификация «бакалавр»).

Приведены теоретические основы процессов горения и взрыва. Рассмотрены химические и физические процессы, протекающие при горении веществ, возникновении взрывных и детонационных явлений. Дан анализ процессов горения газообразных, жидких, твердых веществ и аэрозолей. Описаны схемы организации топочных процессов и особенностей горения органического топлива. Рассмотрены методы и способы защиты технологических процессов и оборудования от промышленных взрывов.

Для студентов учреждений высшего профессионального образования.

УДК 614.841.41(075.8) ББК 24.54я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Карауш С. А., © Образовательно-издательский центр «Академия», © Оформление. Издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-5910- Предисловие Пожары и взрывы в сфере материального производства всегда причиняли и будут причинять значительный материальный и социальный ущерб экономике любой страны, а в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Вот почему так необходима подготовка специалистов по направлению 280700 «Техносферная безопасность», которые занимаются решением вопросов предотвращения пожаров и взрывов, обеспечением безопасности технологических процессов и производств, где используются горючие вещества и материалы: добыча, транспорт и переработка углеводородного сырья;

лесная и деревообрабатывающая промышленность; пищевая, угольная и металлургическая отрасли и др.

Учебная дисциплина «Теория горения и взрыва» относится к циклу математических и естественно-научных дисциплин. В ней рассматриваются вопросы горения и взрыва, сжигания горючих веществ и топлива, безопасного обслуживания технологических процессов, использующих горение и взрывы.

Основной целью учебника является формирование представлений об управлении процессами горения, теоретических основах прогнозирования условий образования горючих и взрывоопасных систем, определения параметров инициирования горения и взрыва и оценки возможности перехода горения во взрыв. Студенты должны научиться анализировать потенциальную взрывоопасность смесей горючего с окислителем и определять термодинамические параметры процессов горения и взрыва, узнать методы расчета давления в ударных волнах и прогнозирования разрушающего действия взрыва.

В результате студенты должны: уметь рассчитывать и экспериментально определять критические условия теплового самовоспламенения, определять скорость распространения пламени и оценивать возможность и условия перехода горения во взрыв, вычислять параметры ударных волн, рассчитывать термодинамические параметры процессов горения и взрыва, экспериментально определять параметры детонации.

«Теория горения и взрыва» опирается на базовые дисциплины:

математику, химию, физику, гидравлику, теплотехнику, экологию и др. Вместе с тем она сама является базой при изучении других профессиональных дисциплин, связанных с обеспечением безопасности производственных процессов и оборудования, в которых используются взрывоопасные смеси и взрывчатые вещества.

В учебнике изложены основы взрывных явлений и процессов горения в объеме, необходимом для понимания и анализа студентами и специалистами, обучающимися и работающими в этой области.

Поскольку направление инженерно-техническое, рассматриваются некоторые технические вопросы. Автор осознает, что при ограниченном объеме учебника многие теоретические вопросы остались не затронутыми. Следует отметить, что дисциплина «Теория горения и взрыва» еще недостаточно обеспечена учебно-методическими материалами: только в последнее время ситуация стала улучшаться и появились учебные пособия [1 — 4].

В основу учебника были положены разработки автора [5], который читает данный курс более 10 лет в Томском государственном архитектурно-строительном университете.

Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам за ценные указания и примет любые замечания и пожелания, способствующие улучшению содержания настоящего учебника.

Условные обозначения Emin — минимальная энергия зажигания вещества H, h — полная и удельная энтальпия k — постоянная адиабаты (коэффициент Пуассона);

— коэффициент теплоотдачи; степень диссоциации a — коэффициент температуропроводности U, u — полная и удельная внутренняя энергия W, w, wG — скорость, линейная и массовая скорость cP, cV — удельные теплоемкости при постоянном давлении Qн, Qв — низшая и высшая теплота сгорания T, t — абсолютная температура в градусах Кельвина и температура по шкале Цельсия (T = t + 273,15) tв, tвз, tсв — температура вспышки, самовозгорания и самовоспламенения R — универсальная газовая постоянная x, y, z — декартова система координат Общие сведения О прОцессах гОрения и взрыва 1.1. состояние пожаровзрывобезопасности в техносфере Чрезвычайные ситуации в сфере материального производства всегда сопровождали человечество. Можно вспомнить взрыв и утечку 40 т метилизоцианата на химическом комбинате в городе Бхопал (Индия) в декабре 1984 г. — погибло 3 150 чел. и около 200 000 отравились; взрыв скопившегося природного газа на железнодорожном перегоне Челябинск — Уфа в 1989 г., когда погибли 575 чел. и получили тяжелые ранения и стали инвалидами; аварию на Чернобыльской АЭС в 1986 г., потери от которой еще долго нельзя будет подсчитать; аварию на японской АЭС Фукусима в 2011 г. и др.

Пожары всегда были одними из самых тяжелых бедствий. За последние десятилетия в России случились крупнейший пожар в гостинице «Россия» в Москве в 1977 г. (погибло 42 чел.); пожар в школе села Сыдыбыл Республики Саха (Якутия) в 2003 г. (погибли 22 ребенка и педагог); пожар в доме престарелых в станице Камышеватская Краснодарского края в 2007 г. (погибли 63 чел.). Наиболее часто и, как правило, с тяжелыми последствиями происходят пожары на пожаровзрывоопасных объектах: предприятиях химической и нефтехимической промышленности, газо- и нефтепроводах, нефтеперерабатывающих предприятиях и др. Анализируя состояние дел в России, следует отметить, что относительный уровень людских потерь от пожаров в нашей стране остается одним из самых высоких среди показателей развитых стран мира и превышает их в 3 — 5 раз.

Не меньшие потери приносят и взрывы. К таким катастрофам следует отнести взрыв трех вагонов с промышленной взрывчаткой на станции Арзамас в июне 1988 г. (разрушены вокзал и 185 близлежащих зданий) и др. Очень травмоопасной остается добыча угля. От взрывов метана и угольной пыли в забоях ежегодно гибнут сотни шахтеров. Так, в 1906 г. вспышка нескольких динамитных патронов привела к взрыву угольной пыли на французском руднике «Курьер» — это была самая крупная катастрофа за всю историю горного дела.

Взрыв охватил почти все выработки, имевшие общую протяженность свыше 100 км. Погибли 1 099 чел., многие были тяжело ранены. Еще более тяжелая авария произошла 26 апреля 1942 г. на шахте «Хонкейко» (Манчжурия — Япония (Китай)), когда при взрыве погибли 1 549 чел. При взрыве угольной пыли на шахте «Миикэ» в Японии в ноябре 1963 г. погибли 458 чел. и были тяжело ранены 742 шахтера.

В марте 2007 г. произошел взрыв на шахте «Ульяновская» в городе Новокузнецке, который унес жизни 110 горняков, а в ноябре 2007 г.

при взрыве метана на шахте имени Засядько в г. Донецке на Украине погиб 101 шахтер.

Ущерб от пожаров и взрывов на потенциально опасных производствах растет во всех индустриально развитых странах, включая Россию. Причинами этого являются:

• расширение производств и усложнение технологических процессов;

• повышение объемов производства материалов и изделий, что влечет накопление в технологиях большого количества пожаровзрывоопасных материалов и веществ;

• перегрузки человеческого организма, приводящие к ошибкам обслуживающего персонала, и др.

Развитие промышленности и технологических процессов, а также внедрение современной техники и технологий немыслимо без использования процессов горения и управляемых взрывов: это переработка нефти и производство металлов, обжиг керамических изделий и выпечка хлеба, получение тепловой энергии для нужд отопления и пара для производственных нужд, разрушение скального грунта и штамповка металлических изделий методом взрыва и др. Для правильного выбора направлений и методов борьбы с пожарами и неуправляемыми взрывными явлениями важно знать основные причины, приводящие к ним, а также характер их развития. Вместе с тем этого бывает недостаточно, так как часто пожары и взрывы вызывает пресловутый человеческий фактор. Исследования американской фирмы «Дюпон» за 2005 г. показали, что причиной 96 % всех происшествий на производстве являлся человеческий фактор — действия работников.

Предотвращение крупных пожаров, аварий и катастроф в России в последнее время затруднено в связи с недостатком профессионалов в области техносферной безопасности. Корни этого явления лежат в том, что информация о таких авариях и катастрофах ранее в нашей стране была засекречена. Снятие ограничений по их освещению привлекло внимание общественности к проблемам промышленной безопасности, что позволило надеяться на изменения к лучшему.

1.2. процессы горения Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями и сопровождающийся выделением большого количества теплоты, света и дыма. Окислителем при этом чаще всего является кислород воздуха (в атмосфере его содержится по объему около 21 %), иногда другие химические элементы:

хлор, фтор и др. Например, медь может гореть в парах серы, магний — в диоксиде углерода. В дальнейшем будут рассматриваться процессы горения, когда окислителем является кислород воздуха.

Для возникновения процесса горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и достаточного по мощности источника зажигания. Общая схема возникновения горения приведена на рис. 1.1 [6].

Горючим называется вещество (материал, смесь, конструкция), способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания — горячего или раскаленного тела, а также электрического разряда, обладающего запасом энергии и температурой, достаточной для возникновения горения других веществ (пламя, искры, раскаленные предметы, выделяемая при трении теплота и др.).

При горении часто можно наблюдать пламя — видимую зону горения, от которой идет свечение и излучение теплоты, и дым, представляющий собой аэрозоль, образуемую жидкими и твердыми продуктами неполного сгорания материалов. Вместе с тем в определенных условиях при температурах от 400 до 600 °С может наблюдаться беспламенное горение твердого вещества, сопровождающееся выделением дыма и называемое тлением.

В зависимости от соотношения горючего и окислителя различают процессы горения богатых и бедных горючих смесей. Богатыми называют смеси, содержащие горючее в количествах, бо2льших стехиометрического соотношения компонентов, бедными — содержащие в избытке окислитель. Наиболее опасными в пожарном отношении являются смеси стехиометрического состава: они легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, выделяют максимальное количество теплоты. Здесь под стехиометрическим составом горючей смеси понимают состав, в котором Рис. 1.1. Общая схема возникновения процесса горения окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.

Горение бывает полным и неполным. Полное протекает при достаточном количестве окислителя, в результате чего образуются вещества, не способные к длительному окислению: диоксид углерода, водяной пар и др. При недостаточном содержании окислителя может происходить тление, сопровождающееся образованием токсичных и горючих продуктов (спиртов, кетонов, оксида углерода и др.). Вот почему удаление окислителя из зоны горения является одной из мер пожарной профилактики.

Если горение происходит вне специального очага или при этом наносится материальный ущерб, т. е. идет неконтролируемое горение, его называют пожаром.

При анализе начала процесса горения следует различать самовозгорание (вынужденное воспламенение — зажигание) и самовоспламенение (самопроизвольное воспламенение).

Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в системе, приводящее к горению вещества, материала или смеси от внесенного источника зажигания и продолжающееся в его отсутствии. Оно может быть тепловым, химическим и микробиологическим.

При т е п л о в о м в о з д е й с т в и и на материал (например, солнечная или тепловая энергия) может произойти его самовозгорание при достаточно низких температурах. Например, температура самовозгорания tвз торфа и бурого угля составляет 50 — 60 °С, хлопка — 120 °С, бумаги — 100 °С, линолеума — 80 °С.

веществ и материалов вступать в химическую реакцию с кислородом воздуха или другими окислителями при нормальных условиях с выделением теплоты, достаточной для возгорания: самовозгораются промышленная ветошь и фосфор на воздухе, легковоспламеняющаяся жидкость при контакте с марганцовкой, древесные опилки при контакте с кислотами. К самовозгоранию предрасположены и обычные химикаты, такие как скипидар, камфора, барий, пирамидон и др.

деятельностью мельчайших насекомых. Они в огромном количестве размножаются в спрессованных материалах, поедают все органическое и там же погибают. При их разложении выделяется теплота, которая накапливается внутри материала. Наиболее характерным примером является самовозгорание прошлогодних скирд сена.

Под самовоспламенением горючих смесей понимается такой процесс, когда при нагреве замкнутого объема горючей смеси до некоторой температуры она самостоятельно спонтанно воспламеняется по всему объему. Самовоспламенение сопровождается исключительно появлением пламени. Температуру реагирующей среды, выше которой в системе возможно самоускорение реакции, называют т е мп е р а т у р о й с а м о в о с п л а м е н е н и я tсв. Для большинства технических горючих жидкостей она находится в пределах 250 — 700 °С, а твердых горючих веществ — от 140 до 700 °С.

Температура самовоспламенения tсв всегда выше температуры самовозгорания tвз, а их разность представляет собой температурный интервал саморазогрева системы, предшествующий самовоспламенению.

1.3. взрывные явления Особую опасность с точки зрения возможных потерь и ущерба для производства представляют взрывы различной природы.

Взрыв — это быстрое неуправляемое физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся образованием большого количества сжатых газов, под давлением которых могут происходить разрушения объектов. При взрыве потенциальная энергия системы переходит в механическую работу. Его горючие газообразные продукты, соприкасаясь с воздухом, часто воспламеняются, что может привести к пожару, усугубляющему негативные последствия.

В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения источниками начала процесса взрыва могут быть как химические, так и физические процессы, поэтому различают химические и физические взрывы.

Применительно к производственным процессам при химических взрывах идет химическое взаимодействие между горючим и окислителем. Участвующие в реакциях горючие вещества могут быть твердыми, жидкими, газообразными, а также аэрозолями (жидкие капли и твердые частицы в воздухе). При взаимодействии этих веществ с кислородом воздуха или другим окислителем происходит лавинообразная химическая реакция, называемая взрывом.

Физический взрыв чаще всего связан с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов, паров или жидкостей из замкнутых объемов сосудов, машин и аппаратов. Например, ГОСТ Р 22.0.08 — 96 [7] трактует физический взрыв как взрыв, вызываемый изменением физического состояния вещества. При этом сила взрыва зависит от внутреннего давления и объема газа в резервуаре.

Для взрывного горения характерны следующие особенности:

• большая скорость химического превращения;

• большое количество образующихся газообразных продуктов сгорания;

• мощное дробящее (бризантное) действие;

• сильный звуковой эффект.

Динамика процесса взрывного горения облака парогазовой смеси зависит не только от физико-химических свойств среды, формы и объема самого облака, но и от места его инициирования (у центра или края). Наиболее тяжелыми последствиями сопровождаются взрывные процессы при центральном инициировании в результате первичных взрывов в закрытой аппаратуре. При воспламенении у края облака с большой массой взрывные процессы также весьма разрушительны, и последствия аварий в ряде случаев существенно не отличаются от взрывов с центральным инициированием.

При химических взрывах, когда достигаются скорости распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 — 320 м/с), происходит взрывное горение. При этом генерируются ударные волны с максимальным давлением от 20 до 100 кПа, т. е. часть энергии взрывного горения переходит в волну. Такое горение всегда сопровождается образованием горячих продуктов сгорания, температура которых может достигать до 1 500 — 3 000 °С, а давление в закрытых системах может увеличиваться до 0,6 — 0,9 МПа.

Взрывному горению газо- и пылевоздушных смесей всегда предшествует период дефлаграционного горения. Поскольку такое горение протекает сравнительно медленно (до нескольких метров в секунду) и с переменной скоростью, которая существенно зависит от многих факторов (внешнего давления, температуры, концентраций и др.), то на открытом воздухе его начало не сопровождается сильными звуковыми явлениями. Продолжительность реакции дефлаграционного горения газо- и пылевоздушных смесей до взрывного режима составляет: для газов — около 0,1 с, паров — 0,2 — 0,3 с, пыли — 0,5 с. Затем оно переходит во взрывное, отличительными чертами которого являются резкий скачок давления в месте горения, переменная и достаточно высокая скорость распространения ударной волны. Характер действия взрыва — резкий удар газов по окружающей среде, вызывающий разрушение предметов, конструкций на относительно небольших расстояниях от места взрыва.

Принципиально дефлаграционное и взрывное горение отличаются друг от друга только скоростями распространения пламени. При взрывном горении обычно образуется огненный шар, который составляют светящиеся раскаленные продукты взрыва.

В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационное, при котором скорость распространения пламени является максимальной и превышает скорость распространения звука в окружающей среде. Такое горение может произойти при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающих значительное искривление фронта пламени и большое увеличение его поверхности.

Во фронте ударной волны более резко, чем при взрывном горении, повышаются плотность, давление и температура смеси. При возрастании этих параметров до температуры самовоспламенения горючих веществ смеси возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси. Избыточное давление в пределах детонирующего газового облака смеси может достигать 2 МПа.

Принципиально детонация не отличается по характеру и сущности от взрывного горения, а лишь представляет собой его предельную стационарную форму. Скорость детонации является максимальной постоянной величиной для данного вещества. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва.

Детонация характерна для военных и промышленных взрывчатых веществ, а также для топливно-воздушных смесей, находящихся в замкнутом объеме, например цилиндре двигателя внутреннего сгорания. При детонационном режиме горения облака горючих веществ бо2льшая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну.

К опасным и вредным факторам, воздействующим на обслуживающий персонал в результате взрыва, относят:

• ударную волну;

• пламя;

• обрушивающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания и сооружения и их разлетающиеся части;

• образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества, содержание которых в воздухе рабочей зоны превышает установленные нормы.

Возникшая при взрыве ударная волна — это движение окружающей среды. Она образуется газообразными продуктами взрыва, которые, расширяясь, производят резкий удар (по грунту, воздуху, воде и т. п.). В результате такого удара прилегающий к заряду слой окружающей среды сжимается и, стремясь расшириться, сжимает следующий слой среды, затем следующий и т. д. Одновременно со сжатием в слоях среды происходит резкое повышение давления — скачок, и вся масса сжатой среды приходит в движение в направлении от центра взрыва. Граница, отделяющая невозмущенную окружающую среду от среды, подвергшейся действию ударной (взрывной) волны, называется фронтом ударной волны.

Фронт (передняя граница) ударной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область, охваченная движением, быстро расширяется. Посредством ударной волны (или разлетающихся продуктов взрыва в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, находящиеся на пути движения ударной волны. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие ударной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.

Взрывы могут быть управляемыми и неуправляемыми.

В строительстве и народном хозяйстве управляемые взрывы используются при разрушении горных пород, сносе старых зданий и сооружений, разрушении ледяных заторов на реках, штамповке и сварке изделий, т. е. во многих технологических процессах.

Неуправляемые взрывы могут происходить в технологических процессах и оборудовании при нештатных ситуациях или нарушении технологических режимов при эксплуатации сушил и обжиговых печей для производства строительных материалов и изделий, котлов и огнетехнических и топливосжигающих устройств, а также установок, работающих на органическом топливе.

Статистика 150 аварий в России и странах СНГ в 1970 — 1989 гг.

показала [8], что в 42,5 % случаев взрывов облаков газопаровоздушных смесей воспламенялись углеводородные газы (аммиак, хлор, фреоны), в 15,5 % — пары легковоспламеняющихся жидкостей, в 18 % — водород, в 5,3 % случаев — пыль органических продуктов.

Из 150 крупных взрывов 84 произошли в технологической аппаратуре, а 66 — в атмосфере. В 73 случаях при взрывах были серьезные разрушения зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий.

Изучению взрывных явлений человечество уделяет особое внимание. Развитие самой теории взрывных явлений связано с именами выдающихся ученых, таких как Л. Эйлер, Д. Чепмен, В. А. Михельсон, Е. И. Забабахин [8], Я. Б. Зельдович [6], Ю. Б. Харитон, Н. Н. Семенов [9] и др.

Взрывы также можно подразделить на сосредоточенные и объемные.

Сосредоточенный (точечный) взрыв — взрыв конденсированного взрывчатого вещества или конденсированной взрывоопасной системы, когда само взрывчатое вещество занимает небольшой объем по отношению к объему окружающей среды, где было воздействие взрыва. Под конденсированными понимают вещества в твердом и жидком состояниях.

Объемный взрыв — детонационный или дефлаграционный взрыв газовоздушных, пылевоздушных и пылегазовых облаков достаточно больших объемов [7].

При сосредоточенных взрывах внутренняя энергия конденсированных взрывчатых веществ выделяется практически мгновенно в небольшом объеме — поэтому такие взрывы получили название точечных — и происходит образование сильных ударных волн. Продолжительность взрыва при этом лежит обычно в пределах от 10-5 до 10-6 с, что приводит к большой мощности даже при малых запасах внутренней энергии взрывчатого вещества.

При изучении взрывных явлений отдельно следует выделить ядерный взрыв — процесс быстрого освобождения ядерной энергии в ограниченном объеме, который отличается чрезвычайно высокой концентрацией выделяющейся энергии, крайне малым временем ее выделения (доли микросекунд), разнообразием поражающих факторов. Бо2льшая часть внутриядерной энергии выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции, нейтронного и гамма-излучения. Температура и давление в зоне реакции достигают десятков миллионов градусов Цельсия и сотен миллионов атмосфер. В данной книге ядерные взрывы не рассматриваются.

1.4. показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов Вопросы пожаровзрывоопасности технологического оборудования и материалов рассматриваются во многих нормативных документах [10 — 14] и учебной литературе [1 — 4, 15 — 18]. Эти вопросы важны для большинства отраслей народного хозяйства. Приведем некоторые используемые понятия и определения по пожаровзрывоопасности веществ и материалов.

Пожаровзрывоопасность — сравнительная вероятность зажигания и горения веществ в равных условиях. Она определяется следующими основными свойствами вещества:

• склонность к возгоранию;

• температура воспламенения, вспышки, самовоспламенения;

• концентрационные пределы воспламенения;

• минимальная энергия зажигания;

• дисперсность и др.

По возгораемости материалы, в том числе и строительные, делят на три большие группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под воздействием источника зажигания не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относят гранит, мрамор, кирпич, бетон, железобетон, стекло, сталь и др.

Трудносгораемые материалы воспламеняются, тлеют и обугливаются при наличии источника зажигания, но после его удаления самостоятельно гореть не могут. Такими материалами являются некоторые виды пластмасс (например, стеклопластик на фенольной смоле), гипсовая сухая штукатурка, асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина и др.

Сгораемыми называют материалы, которые могут самостоятельно гореть или тлеть после удаления от них источника зажигания.

К этой группе относят древесину, линолеум, войлок, рубероид, древесноволокнистые и полистирольные плиты и др.

Для перевода материалов из группы сгораемых в группу трудносгораемых их пропитывают антипиренами (греч. anti — против, pyr — огонь) — веществами, предохраняющими материалы органического происхождения от воспламенения и самостоятельного горения. Так, осуществляют пропитку древесины, тканей, теплоизоляционных материалов и др.

Смеси некоторых видов пыли с воздухом также являются чрезвычайно взрывоопасными. Известно, что любое твердое вещество образует пыль разной влажности и размеров частиц. Оба эти качества определяют его воспламенение: чем суше и меньше размеры частиц пыли, тем легче она воспламеняется и взрывается.

Взрывы пыли представляют одну из основных опасностей в технологических процессах и производствах. Они происходят в ограниченных пространствах (в помещениях зданий, внутри оборудования, в штольнях шахт, транспортирующих каналах и др.). Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль), в фармацевтической промышленности, при производстве красителей, серы, сахара, порошкообразных веществ, на установках дробления топлива (угольной пыли), в текстильном производстве и т. п.

По данным зарубежных источников [8], из 1 120 взрывов пылевоздушных смесей на производствах 540 произошли при работах с зерном, мукой, сахаром и другими пищевыми продуктами, 80 — с металлами, 63 — с угольной пылью на установках дробления топлива, 33 — с серой, 61 — в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

По степени взрывной опасности всю пыль делят на четыре класса [12]:

• I — наиболее взрывоопасные пыли с нижним пределом воспламенения до 15 г/м3 (пыли крахмала, пшеничной муки, серы, торфа и др.);

• II — взрывоопасные пыли с нижним пределом воспламенения от 16 до 65 г/м3 (пыли алюминия, древесной муки, каменного угля, сахара, сена, сланца и др.);

• III — пожароопасные пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м3 и температурой воспламенения соответственно до 250 °С;

• IV — пожароопасные пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м3 и температурой воспламенения более 250 °С.

Верхние концентрационные пределы взрываемости пыли достаточно велики, и на практике достичь их в производственных помещениях можно только при возникновении нештатных ситуаций или неправильных действиях обслуживающего персонала.

В процессах горения и взрыва особое место занимает минимальная энергия воспламенения смеси, которая определяется в стационарных условиях как энергия, требующаяся для того, чтобы пламя могло распространяться в самоподдерживающемся режиме. Минимальная энергия воспламенения определяет чувствительность вещества к источникам инициирования и характеризует вероятность воспламенения горючей смеси. Стандартизованные значения минимальной энергии воспламенения характеризуют уровень стабильности горючих веществ и зависят главным образом от их химического строения. Численные значения приводятся в справочной литературе [8].

Пожарная опасность твердых горючих веществ характеризуется также удельной теплотой сгорания, температурой горения, скоростью выгорания и распространения фронта горения по поверхности материалов.

При сжигании топлива в огнетехнических установках и топочных камерах образуется факел — мощный источник тепловой энергии, передаваемой излучением. Этот источник лучистой энергии может в определенных условиях вызвать воспламенение горючих материалов или огнеопасных паров и газов и способствовать возникновению и Т а б л и ц а 1.1. пороговое количество веществ для некоторых технологических производств [14] Наименование веществ Категория опасности количество Газы горючие сжатые, сжиженные и растворенные под давлением Все остальные сжатые, сжиженные и 231, 232, 241, 911 растворенные под давлением горючие газы Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости Все остальные легковоспламеня- 311, 312, 321, 322, ющиеся и горючие жидкости 324, 325, 335, 314, Саморазлагающиеся вещества 415, 416, 417, 418, развитию пожара при несоблюдении противопожарных мероприятий. Температура пламени факела в огнетехнических устройствах может достигать в реальных условиях высоких значений, К [16]:

мазут, торф

древесина, бурый уголь, сырая нефть

каменный уголь, резина, бензин

антрацит, сера

горючие газы

При пожарах температура пламени веществ обычно ниже, чем температура пламени аналогичных веществ при сжигании в топочных устройствах, что объясняется различиями в условиях горения, К [16]:

мазут в резервуарах

бензин в резервуарах

древесина

древесина в штабелях пиломатериалов

дизельное топливо и нефть в резервуарах

резинотехнические изделия

этиловый спирт

торф

При горении в топочных устройствах и в замкнутых объемах часть выделившейся тепловой энергии от стен возвращается на очаг горения и как бы подогревает его.

По уровню пожарной опасности все технологические процессы подразделяются на два типа:

• повышенной опасности, в которых обращаются пожаровзрывоопасные вещества в количестве, равном или большем порогового значения, указанного в табл. 1.1;

• те, в которых обращаются пожаровзрывоопасные вещества в количестве, меньшем порогового значения, указанного в табл. 1.1.

1.5. Основные источники инициирования и энергии взрывов и процессов горения В разных производственных процессах в воздухе может образоваться взрывоопасная смесь, например при окраске или пропитке строительных изделий, шлифовке древесины и т. п. Образование взрывоопасной газо- или пылевоздушной смеси может иметь место при утечках газа, нештатной работе горелок и форсунок, подтекании жидкого топлива, погашении пламени горелок или форсунок в процессе их эксплуатации, при неправильно выбранных технологических режимах и др.

Взрыв может быть вызван разными причинами:

• детонацией конденсированных взрывчатых веществ;

• быстрым сгоранием воспламеняющегося облака газа или пыли с переходом дефлаграционного горения во взрывное;

• внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или перегретой жидкостью;

• смешиванием перегретых твердых веществ (расплавов) с холодными жидкостями и т. д.

Особую роль при возникновении процессов горения и взрыва играет источник энергии зажигания. Такими источниками наиболее часто служат тепловыделения при тепловых, химических и микробиологических процессах. Это могут быть открытое пламя, искры, электрическая дуга или нагретая поверхность. Необходимо отметить, что открытое пламя практически во всех случаях вызывает зажигание горючей смеси, так как его температура находится в пределах 700 — 1 500 °С и превышает температуру воспламенения смеси. В промышленности источниками зажигания наиболее часто служат искры, которые могут образовываться при электрическом разряде, трении или ударе. Электрические искры приводят к воспламенению горючих веществ, так как в канале электрического разряда достигается температура до 1 000 °С. Искры, образующиеся при ударе, например, стальных стержней, имеют температуру до 1 630 °С. Температура искр, возникающих при трении стали о сталь, также достаточно высокая и составляет около 1 640 — 1 660 °С.

Довольно опасно в отношении начала пожаров и взрывов химическое взаимодействие некоторых веществ. При производстве сварочных работ с использованием газовой сварки или резки при получении ацетилена (действием воды на карбид кальция) в зоне реакции температура может повыситься до 830 °С, что способно привести к самовоспламенению не только образовавшегося ацетилена, но и других горючих веществ, оказавшихся в зоне реакции. Азотная кислота часто вызывает самовозгорание древесных стружек, опилок, соломы; марганцовокислый калий — глицерина. Ацетилен, водород, метан, скипидар и этилен под действием хлора самовозгораются на свету. Масло и промасленная ветошь в среде чистого кислорода могут воспламениться и привести к взрыву: это достаточно часто происходит при проведении сварочных работ с использованием баллонов со сжатым кислородом и неправильными действиями обслуживающего персонала.

Источниками энергии в процессах горения и химических взрывах являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений. Энергию взрыва парогазовых сред определяют по теплотам сгорания горючих веществ в смеси с воздухом (окислителем); конденсированных взрывчатых веществ — по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения).