§ I. Общие сведения о горении

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Окислителями в процессе горения могут быть кислород, хлор, бром и некоторые другие вещества, в том числе сложные: азотная кислота, бертолетова соль и перекись натрия.

Однако, за исключением некоторых видов ракетного топлива, взрывчатых веществ, пиротехнических составов, обычным окислителем в процессах горения является газообразный кислород, находящийся в воздухе. Условиями для возникновения и протекания горения в этом случае является наличие горючего вещества, кислорода (воздуха) и источника воспламенения. Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения. При установившемся горении источником воспламенения служит зона реакции.
Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (например, смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом).
К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (например, твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся на воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т. д.). При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу
и затем вступает с ним в реакцию. Этот процесс схематически показан на рис. 1.1, а при горении антрацита, а при горении струи газа — на рис. 1.1, б.
Если время полного сгорания какого-либо вещества обозначить тг, время, необходимое для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха (при газообразном состоянии горючих веществ — время смесеобразования), — Тф и время, за-

Рис. 1.1. Схема диффузии кислорода к зоне горения: а — антрацита; б — горючего газа


трачиваемое на протекание самой химической реакции горения, — тх, то
Для неоднородной горючей системы Тф значительно больше Tx и практически тг~ Тф.
Такое горение называют диффузионным, так как его скорость определяется главным образом сравнительно медленно протекающим процессом — диффузией.
При горении однородных горючих систем тф^тх, при этом можно считать, что тг~тх.
Такое горение называют кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре, в связи с чем горение таких однородных горючих систем представляет собой взрыв или детонацию.
Определение количества воздуха, необходимого для горения, производится по различным формулам в зави-
симости от химического состава и агрегатного состояния горючего вещества:
а)              горючее вещество — индивидуальное химическое соединение:
(Li)
где V0b—теоретическое количество воздуха, необходимое для горения I кг горючего вещества, м3/кг; О, N — соответственно число молей кислорода и азота в уравнении горения при сгорании моля горючего вещества; 22,4 — объем килограмм-моля газа при O0C и 760 мм рт. ст., мъ\ M — молекулярный вес, кг\
б)              горючее вещество — сложная смесь химических соединений. Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь, нефть, бензин и др. Для расчета необходимого количества воздуха нужно знать элементный состав рабочей массы, т. е. весовой процент углерода Cp, водорода Hp, кислорода Op и органической серы S? (проценты азота, золы и влаги не приводятся, так как они не влияют на количество воздуха). Определение объема воздуха, необходимого для горения, производят по формуле
(1.2)
в)              горючее вещество — смесь газов. К этой группе веществ относятся технические горючие газы: природный, водяной, газогенераторный и др. Все они в том или другом количестве содержат CO, CIT4, H2, H2S, C2H4 и другие газы. Состав технических газов выражается обычно в объемных процентах. Объем воздуха, необходимый для горения, определяется по формуле
Л.З)
где CH4, H2, CO, H2S, O2 — объемные проценты метана, окиси углерода, водорода, сероводорода и кислорода в составе газа. Цифры в числителе формулы (1.3) являются коэффициентами при кислороде в уравнениях реакций горения компонентов технического газа. Поэтому, если в
составе газа будут находиться другие горючие компоненты, кроме указанных в формуле (1.3), то они могут быть внесены в числитель с коэффициентами, взятыми из уравнений реакции горения их.
В табл. 1.1 приведено теоретическое количество воздуха, необходимое для горения различных веществ.
Таблица 1.1

Горючее вещество	Количество воздуха, необходимое для горения I кг вещества		Горючее вещество	Количество воздуха, необходимое для горения I м3 вещества
	кг	M9		кг	M»
Ацетон	9,45	7,35	Ацетилен	15,4	11,9
Бензол ... . I . .I. .	13,2	10,25	Бутан	39,8	30,94
Бензин              I. .	15,0	11,1	Водород	3.0	2,38
Древесина (W=7%)	5,9	4,18	Водяной газ . .	2,86	2,22
Керосин	14,8	11,5	Метан	12,3	9,52
Толуол	13,3	10,3	Пропан	30,6	23,8

Практически при горении, особенно диффузионном, воздуха расходуется значительно больше, чем теоретически необходимо. Разность между количеством воздуха, практически идущим на горение Vb, и теоретически необходимым V0n. называется избытком воздуха. Отноше- Vb
ние же — называется коэффициентом избытка воздуха
в
и обозначается a. Ha пожарах, где горение протекает при естественном газообмене, а колеблется в широких пределах — от 2 до 7 и выше. Расчет а производится по данным анализа продуктов сгорания:
(1.4) />где О2 — процент кислорода в продуктах сгорания.
Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. На пожарах чаще всего горят органические

вещества (древесина, ткани, бензин, резина и др.)» в состав которых главным образом входят углерод, водород, кислород и азот. При горении их образуются продукты горения: CO2, CO, H2O, N2, которые при высоких температурах находятся в газообразном состоянии. Реже на пожарах горят неорганические вещества: сера, фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, магний, титан и др. При горении большинства из них образуются твердые продукты сгорания: P2Os, Na2O, CaO, MgO, Al2O3, TiO2. Некоторые из них (P2Os, Na2O, MgO) образуются в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Другие (Al2O3, TiO2) в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.
Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется между IO-4— 10~6 см.
При горении органических веществ твердыми частицами дыма чаще всего является углерод (сажа), который образуется в результате неполного сгорания. Объем продуктов сгорания, как и объем необходимого для горения воздуха, определяется различно в зависимости от состава горючего вещества. Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение.
Расчет продуктов сгорания для I кг горючего вещества ведется по формуле
(1.5)
где Vn°c —объем продуктов полного сгорания, мг1кг\ CO2, H2O, N2, SO2 — число молей углекислого газа, паров воды, азота и сернистого газа в уравнении горения моля горючего вещества.
Если горючее вещество газ, то формула (1.5) упрощается и принимает вид Vп?с =CO2 +H2O+ N2 + + SO2 [м*/м*]. Горючее вещество — сложная смесь химических соединений.
Если известен элементный состав сложного горючего вещества, то объем сухих (без учета влаги) продуктов сгорания его можно определить по формуле
И
rf.o = 8,860» + 21 ( № — ^ ) + 3,3sS ± 0,8№ [mgt;/«].

' 8 (1.6);
Объем влажных продуктов сгорания определяется по формуле
Vrn0C = 8,86Ср + 32,2№ + 3,3S0P+ 0,8№^-
+ 1,24'Wp — 2,6250 [мукг],              (1.7)
где Cp, Hp, Sg , Np, Wp, Op — весовые проценты углерода, водорода, органической серы, азота, влаги, кислорода. Горючее вещество — смесь газов.
Если известен состав смеси газов в объемных процентах, то объем продуктов сгорания I м3 такой смеси можно определить по формуле о
Vnc = 2,88Н2 + 2,88СО + 7,64H2S + 10,52СН4 +
+ 12,4С2Н2+ 15,28С2Н4 + CO2 + N2 [ж3/ж3],              (1.8)
где H2, CO, H2S, CH4, C2H2, C2H4, CO2, N2 — объемы компонентов I м3 смеси газов, ж3.
Цифры в формуле (1.8) представляют собой объемы продуктов сгорания, образующихся при сжигании I мъ газов. Если в составе горючей смеси будут находиться другие компоненты, кроме указанных в формуле (1.8), то они могут быть внесены в нее с коэффициентами, найденными по уравнениям реакции горения их.
В табл. 1.2 приведен объем продуктов сгорания некоторых горючих веществ при а = I.
Таблица 1.2

Горючее вещество	Влажность, %	Объем продуктов сгорания, м*1кг	Горючее вещество	Влажность, %	Объем продуктов сгорания, мъ!кг
Ацетон ....		8,14	Керосин		12,30
Бензин ....	—	12,60	Мазут	—	11,35
Бумага ....	12	4,20	Торф	11	5,18
Древесина . . .	20	4,40	Хлопок	4,5	4,52
» ...	7	4,90	Этиловый спирт . .	—	7,76
Каучук CK-C	I	10,80

Горение, особенно диффузионное, протекает при избытке воздуха, поэтому в дыме всегда присутствует кислород. Количество его зависит от состава горючего вещества и условий притока к нему воздуха.
Кроме кислорода, в дыме могут находиться продукты разложения горящих веществ и их частичного окисления (продукты неполного сгорания). К ним, кроме сажи, относятся окись углерода, сероводород, хлористый водород, окислы азота, спирты, альдегиды, кетоньт, кислоты (в том числе и синильная) и другие вещества. Большинство из них способно гореть, когда концентрация их в дыме велика (например, при тлении твердых веществ). Смешиваясь с воздухом, они образуют взрывчатые смеси. При тушении пожаров были случаи, когда после открывания закрытых помещений, где происходило тление, возникал взрыв. Продукты полного и неполного сгорания в определенных концентрациях представляют опасность для жизни человека. Так, концентрация CO2, равная 3—4,5%, становится опасной при получасовом вдыхании его, а 8—10%-ная вызывает быструю потерю сознания и смерть. Окись углерода является отравляющим газом. Вдыхание воздуха, содержащего 0,4% окиси углерода, смертельно. На пожарах в помещениях с низкой интенсивностью газообмена (подвалы, сушилки, склады, трюмы судов и т. д.) концентрация окиси углерода в дыме превышает указанную.
Дым от пожаров в зданиях, при строительстве которых применялись пластмассы, может содержать очень вредные для дыхания вещества. Так, при горении линолеума «Релин» образуется сероводород и сернистый газ, при горении пенополиуретана — цианистый водород (синильная кислота) и толуилендиизоцианат, при горении винипласта — хлористый водород и окись углерода, при горении капрона — цианистый водород.
В процессе горения одновременно с образованием продуктов сгорания происходит выделение тепла. Наиболее важной теплотехнической характеристикой горючего вещества является теплота сгорания. Под теплотой сгорания понимается количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кг, г!моль) или единицы объема (мъ) горючего вещества.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания больше низшей на величину теплоты испарения влаги, находящейся в продуктах сгорания. Во всех расчетах выделения тепла на пожарах принимается низшая теплота сгорания, так как образующийся при горении водяной пар уходит в атмосферу, не конденсируясь в воду.
Теплота сгорания горючих веществ определяется экспериментально на калориметрах или может вычисляться расчетным путем. В табл. 1.3 приведена низшая теплота сгорания ряда горючих веществ, полученная экспериментально.
Таблица 1.3

Горючее вещество	Низщая теплота сгорания
	шал\кг	ккал\мг	ккал\г-молъ
Ацетилен                            . .	11 521	/>13 387	300,0
Бензин	10 450	—	—
Древесина (W=7—10%)	4000-4074	—	—
Метан	11958	8 562	191,8
Пропан	11 084	21 802	488,7

Теплота сгорания веществ, состав которых непостоянен (древесина, каменный уголь, нефть и т. д.), может определяться по данным элементарного состава, для чего наиболее применима формула Д. И. Менделеева:
(1.9)
где Cp, Hp, Op, S0p, Wp — доли углерода, водорода, кислорода (совместно с азотом), органической серы и влаги в процентах на рабочую массу.
Местом выделения тепла при горении газов и паров является зона горения пламени, а при горении твердых веществ, не способных выделять пары и газы, их светящийся поверхностный слой.
Зона горения диффузионного пламени (рис. 1.2) представляет собой тонкий светящийся слой газов, в который с одной стороны поступает горючее, а с другой стороны из воздуха диффундирует кислород. Образующаяся стехиометрическая смесь (т. е. смесь в соответствующем количественном соотношении между реагирующими ве-
ществами, в данном случае — между горючим и кислородом) сгорает в течение доли секунды, поэтому концентрация кислорода и горючего в зоне горения (рис. 1.2,а) равна нулю (в местах пересечения кривых I и 4), а концентрация продуктов сгорания (кривая 2)

Рис. 1.2. Диффузионное пламя:
а — распределение концентрации газов в пламени; б — схема пламени


максимальна. Так как весь кислород в зоне горения вступает в реакцию, то в зоне паров и газов (кривые 3 и 4 между пунктирными линиями) горение отсутствует. Здесь движущиеся вверх пары и газы постепенно нагреваются за счет диффундирующих из зоны горения нагретых продуктов сгорания и азота и около зоны горения распадаются с образованием атомов, радикалов и новых, меньшего размера молекул. В таком
виде горючее в смеси с продуктами сгорания поступает в зону горения.
Выделившаяся в зоне горения теплота воспринимается продуктами сгорания, вследствие чего они нагреваются до высокой температуры, называемой температурой горения.
Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения.
Калориметрической температурой горения называется та температура, до которой нагреваются продукты полного сгорания, когда вся выделившаяся при горении теплота расходуется на их нагревание. Потери тепла при этом принимаются равными нулю. Если температура горючего вещества и воздуха равна O0 С, то
(1.10)
где Cp — средняя теплоемкость продуктов сгорания, ккал/м3 • град.
Калориметрическая температура горения является максимальной для горючего вещества и применяется для его качественной оценки. В действительности же при горении всегда имеются потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания, излучение, нагрев избыточного воздуха и окружающей среды.
Учет потерь тепла на диссоциацию продуктов сгорания производится, когда температура горения превышает 1700° С. В этом случае найденную температуру горения называют теоретической.
Под действительной температурой горения открытого пожара понимают температуру пламени, а внутреннего — среднеобъемную температуру помещения, где происходит пожар. При расчете ее учитываются потери тепла на нагрев избыточного воздуха, нагрев конструкций здания, неполноту сгорания и излучение через окна и двери.

Еще по теме § I. Общие сведения о горении:

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2. 11.1. Общие сведения
3. Часть 1. Общие сведения.
4. § 7. Общие сведения о пожарной технике
5. 5.3. ВЕЛЕС, ВОЛОС ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
6. Глава вторая ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ШАМАНИЗМЕ У НАНАЙЦЕВ И УЛЬЧЕЙ
7. 1. Общие сведения об образовании и состоянии Астраханского ханства
8. § 5. СВИДЕТЕЛЬСКИЕ ПОКАЗАНИЯ 261. Исторические сведения. Общие положения.
9. § I. Общие сведения о мерах противопожарной защиты, осуществляемых при строительном проектировании
10. ГЛАВА СЕДЬМАЯ [Общие замечания о всех трех фигурах силлогизма. Сведёние второй и третьей фигур к первой]
11. § 4. Диффузионное горение
12. § 3. Кинетическое горение
13. § 2. Возникновение горения
14. ГЛАВА 1 ГОРЕНИЕ И ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
15. 4. Распространение порочащих сведений