Продукты горения (сгорания)
Продукты горения – это вещества (газообразные, жидкие или твердые вещества) и соединения, образующиеся в результате сложного физико-химического процесса горения веществ (материалов).
Под продуктами горения чаще всего понимают дым, токсичные продукты горения, сажу и другие.
Продукты горения сухой травы
Состав
Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. В условиях пожара чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При горении их в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре образуются продукты полного сгорания: СО2, Н2О, N2. При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания: СО, С (сажа).
Продукты сгорания называют влажными, если при расчете их состава учитывают содержание паров воды, и сухими, если содержание паров воды не входит в расчетные формулы.
Реже во время пожара горят неорганические вещества, такие как сера, фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, титан, магний и др. Продуктами сгорания их в большинстве случаев являются твердые вещества, например Р2О5, Na2O2, CaO, MgO. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Продукты сгорания алюминия, титана и других металлов в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.
При неполном сгорании органических веществ в условиях низких температур и недостатка воздуха образуются более разнообразные продукты – окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные химические соединения. Они получаются при частичном окислении как самого горючего, так и продуктов его сухой перегонки (пиролиза). Эти продукты образуют едкий и ядовитый дым. Кроме того, продукты неполного горения сами способны гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Такие взрывы бывают при тушении пожаров в подвалах, сушилках и в закрытых помещениях с большим количеством горючего материала. Рассмотрим кратко свойства основных продуктов горения.
Углекислый газ
Углекислый газ или двуокись углерода (СО2) – продукт полного горения углерода. Не имеет запаха и цвета. Плотность его по отношению к воздуху равна 1,52. Плотность углекислого газа при температуре Т = 0 ° С и при нормальном давлении р = 760 миллиметров ртутного столба (мм Hg) равна 1,96 кг/м 3 (плотность воздуха при этих же условиях равна ρ = 1,29 кг/м 3 ). Углекислый газ хорошо растворим в воде (при Т = 15 °С в одном литре воды растворяется один литр газа). Углекислый газ не поддерживает горение веществ, за исключением щелочных и щелочно-земельных металлов. Горение магния, например, происходит в атмосфере углекислого газа по уравнению:
Токсичность углекислого газа незначительна. Концентрация углекислого газа в воздухе 1,5 % безвредна для человека длительное время. При концентрации углекислого газа в воздухе, превышающей 3-4,5 %, нахождение в помещении и вдыхание газа в течение получаса опасно для жизни. При температуре Т = 0 °С и давлении р = 3,6 МПа углекислый газ переходит в жидкое состояние. Температура кипения жидкой углекислоты составляет Т = –78 °С. При быстром испарении жидкой углекислоты газ охлаждается и переходит в твердое состояние. Как в жидком, так и твердом состоянии, капли и порошки углекислоты применяются для тушения пожаров.
Оксид углерода
Всем известная вода – Н2О – также выделяется во время горения виде газа – как пар. Вода является продуктом горения газа метана – СН4. Вообще, вода и углекислота в основном выделяются при полном сгорании всех органических веществ.
Цианистый водород
Акролеин
Пропеналь, акролеин, акрилальдегид – все это названия одного вещества, ненасыщенного альдегида акриловой кислоты: СН2=СН-СНО. Этот альдегид тоже является сильно летучей жидкостью. Акролеин бесцветен, с резким запахом, очень ядовит. При попадании жидкости или ее паров на слизистые, особенно в глаза, вызывает сильное раздражение. Пропеналь является высокореакционным соединением, и это объясняет его высокую токсичность.
Формальдегид
Подобно акролеину, формальдегид принадлежит к классу альдегидов и является альдегидом муравьиной кислоты. Также это соединение известно как метаналь. Это токсичный, бесцветный газ с резким запахом.
Азотсодержащие вещества
Чаще всего во время горения веществ, содержащих азот, выделяется чистый азот – N2. Этот газ и так содержится в атмосфере в большом количестве. Азот может быть примером продукта горения аминов. Но при термическом разложении, к примеру, солей аммония, а в некоторых случаях и при самом горении, в атмосферу выбрасываются и его оксиды, со степенью окисления азота в них плюс один, два, три, четыре, пять. Оксиды – газы, имеют бурый цвет и чрезвычайно токсичны.
Сернистый газ
При горении многих веществ, кроме рассмотренных выше продуктов сгорания выделяется дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в каком-либо газе. Диаметр частиц дыма составляет от 10 −4 до 10 −6 см (от 1 до 0,01 мкм). Отметим, что 1 мкм (микрон) равен 10 −6 м или 10 −4 см. Более крупные твердые частицы, образующиеся при горении, быстро оседают в виде копоти и сажи. При горении органических веществ дым содержит твердые частицы сажи, взвешенные в CO2, CO, N2, SO2 и других газах. В зависимости от состава и условий горения вещества получаются различные по составу и по цвету дымы. При горении дерева, например, образуется серовато-черный дым, ткани – бурый дым, нефтепродуктов – черный дым, фосфора – белый дым, бумаги, соломы – беловато-желтый дым.
В составе дыма, образующегося на пожарах при горении органических веществ, кроме продуктов полного и неполного сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих веществ. Образуются они при нагреве еще негорящих горючих веществ, находящихся в среде воздуха или дыма, содержащего кислород. Обычно это происходит перед факелом пламени или в верхних частях помещений, где находятся нагретые продукты сгорания.
Состав продуктов термоокислительного разложения зависит от природы горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем. Так, исследования показывают, что при термоокислительном разложении горючих веществ, в молекулах которых содержатся гидроксильные группы, всегда образуется вода. Если в составе горючих веществ находятся углерод, водород и кислород, продуктами термоокислительного разложения чаще всего являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и органические кислоты. Если в составе горючих веществ, кроме перечисленных элементов, есть хлор или азот, то в дыме находятся также хлористый и цианистый водород, оксиды азота и другие соединения. Так, в дыме при горении капрона содержится цианистый водород, при горении линолеума «Релин» – сероводород, диоксид серы, при горении органического стекла – оксиды азота. Продукты неполного сгорания и термоокислительного разложения в большинстве случаев являются токсичными веществами, поэтому тушение пожаров в помещениях производят только в кислородных изолирующих противогазах.
Пепел, зола, копоть, сажа, уголь
Копоть, или сажа – остатки углерода, который не вступил в реакцию, по разным причинам. Сажу называют также амфотерным углеродом. Зола, или пепел – мелкие частицы неорганических солей, не сгоревших или не разложившихся при температуре горения. При выгорании топлива эти микросоединения переходят во взвешенное состояние или скапливаются внизу. А уголь – это продукт неполного сгорания дерева, то есть не сгоревшие его остатки, но при этом еще способные гореть. Конечно, это далеко не все соединения, которые выделятся при сгорании тех или иных веществ. Перечислить их всех нереально, да и не нужно, потому что другие вещества выделяются в ничтожно малых количествах, и только при окислении определенных соединений.
Классификация
Большинство продуктов горения являются отравляющими веществами. Поэтому, говоря об их классификации, будет правильным ознакомить вас со следующим термином:
Классификация опасности веществ по степени воздействия на организм – это установление (ранжирование) уровней опасности веществ по их поражающему и повреждающему воздействию на организм человека и (или) животного. Более подробно о данной классификации читайте в материале по ссылке >>
Также ознакомьтесь с познавательным материалом по теме:
Формулы для расчета объема
Вид формулы для расчета объема продуктов полного сгорания при теоретически необходимом количестве воздуха зависит от состава горючего вещества.
Индивидуальное химическое соединение
В этом случае расчет ведут, исходя из уравнения реакции горения. Объем влажных продуктов сгорания единицы массы (кг) горючего вещества при нормальных условиях рассчитывают по формуле:
Vп.с. – объем влажных продуктов сгорания, м 3 /кг; – число киломолей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего вещества в уравнении реакции горения; М – масса горючего вещества, численно равная молекулярной массе, кг.
Например, чтобы определить объем сухих продуктов сгорания 1 кг ацетона при нормальных условиях, составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе:
Определяем объем сухих продуктов сгорания ацетона:
Объем влажных продуктов сгорания 1 м 3 горючего вещества (газа) можно рассчитать по формуле:
Vп.с. – объем влажных продуктов сгорания 1 м 3 горючего газа, м 3 /м 3 ; – число молей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего вещества (газа).
Сложная смесь химических соединений
Если известен элементный состав сложного горючего вещества, то состав и количество продуктов сгорания 1 кг вещества можно определить по уравнению реакции горения отдельных элементов. Для этого составляют уравнения реакции горения углерода, водорода, серы и определяют объем продуктов сгорания, приходящийся на 1 кг горючего вещества. Уравнение реакции горения имеет вид:
С + О 2 + 3,76N 2 = СО 2 + 3,76N 2
При сгорании 1 кг углерода получается 22,4 / 12 = 1,86 м 3 СО 2 и 22,4 × 3,76/12 = 7,0 м 3 N 2.
Аналогично определяют объем (в м 3 ) продуктов сгорания 1 кг серы и водорода. Полученные данные приведены ниже:
| СО2 | N2 | Н2О | SO2 | |
| Углерод | 1,86 | 7,00 | – | – |
| Водород | – | 21,00 | 11,2 | – |
| Сера | – | 2,63 | – | 0,7 |
При горении углерода, водорода и серы кислород поступает из воздуха. Однако в состав горючего вещества может входить кислород, который также принимает участие в горении. В этом случае воздуха на горение вещества расходуется соответственно меньше.
В составе горючего вещества могут находиться азот и влага, которые в процессе горения переходят в продукты сгорания. Для их учета необходимо знать объем 1 кг азота и паров воды при нормальных условиях.
На основании приведенных данных определяют состав и объем продуктов сгорания 1 кг горючего вещества.
Например, чтобы определить объем и состав влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля, состоящего из 75,8 % С, 3,8 % Н, 2,8 % О, 1,1 % N, 2,5 % S, W = 3,8 %, A = 11,0 %.
Объем продуктов сгорания будет следующий, м 3 :
| Состав продуктов сгорания | СО2 | Н2О | N2 | SO2 |
| Углерод | 1,86 × 0,758 = 1,4 | – | 7 × 0,758 = 5,306 | – |
| Водород | – | 11,2 × 0,038 = 0,425 | 21 × 0,038 = 0,798 | – |
| Сера | – | – | 2,63 × 0,025 = 0,658 | 0,7 × 0,025 = 0,017 |
| Азот в горючем веществе | – | – | 0,8 × 0,011 = 0,0088 | – |
| Влага в горючем веществе | – | 1,24 × 0,03 = 0,037 | – | – |
| Сумма | 1,4 | 0,462 | 6,7708 – 0,0736 = 6,6972 | 0,017 |
Vп.с. = 1,4 + 0,462 + 6,6972 + 0,017 = 8,576 м 3 /кг.
Смесь газов
Количество и состав продуктов сгорания для смеси газов определяют по уравнению реакции горения компонентов, составляющих смесь. Например, горение метана протекает по следующему уравнению:
СН 4 + 2О 2 + 2 × 3,76N 2 = СО 2 + 2Н 2О + 7,52N 2
Согласно этому уравнению, при сгорании 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 паров воды и 7,52 м 3 азота. Аналогично определяют объем (в м 3 ) продуктов сгорания 1 м 3 различных газов:
| СО2 | Н2О | N2 | SO2 | |
| Водород | – | 1,0 | 1,88 | – |
| Окись углерода | 1,0 | – | 1,88 | – |
| Сероводород | – | 1,0 | 5,64 | 1,0 |
| Метан | 1,0 | 2,0 | 7,52 | – |
| Ацетилен | 2,0 | 1,0 | 9,54 | – |
| Этилен | 2,0 | 2,0 | 11,28 | – |
На основании приведенных цифр определяют состав и количество продуктов сгорания смеси газов.
Анализ продуктов сгорания, взятых на пожарах в различных помещениях, показывает, что в них всегда содержится значительное количество кислорода. Если пожар возникает в помещении с закрытыми оконными и дверными проемами, то пожар при наличии горючего может продолжаться до тех пор, пока содержание кислорода в смеси воздуха с продуктами сгорания в помещении не снизится до 14-16 % (об.). Следовательно, на пожарах в закрытых помещениях содержание кислорода в продуктах сгорания может быть в пределах от 21 до 14 % (об.). Состав продуктов сгорания во время пожаров в помещениях с открытыми проемами (подвал, чердак) показывает, что содержание в них кислорода может быть ниже 14 % (об.):
| СО | СО2 | О2 | |
| В подвалах | 0,15-0,5 | 0,8-8,5 | 10,6-19 |
| На чердаках | 0,1-0,6 | 0,3-4,0 | 16,0-20,2 |
По содержанию кислорода в продуктах сгорания на пожарах можно судить о коэффициенте избытка воздуха, при котором происходило горение.
Действие на организм человека
Степень токсичности веществ связана с их физической и химической природой. Взаимодействуя с организмом, продукты горения вызывают патологические синдромы.
Международная классификация болезней десятого пересмотра МКБ-10 определяет отравление продуктами горения кодом Т59 – «Токсическое действие других газов, дымов и паров».
По механизму действия на человека отравляющие компоненты в составе дыма делятся на пять групп.
Многие токсины, образующие в продуктах горения «универсальны», так как вызывают поражение сразу нескольких систем организма.
Первая помощь при отравлении
Симптомы интоксикации разными веществами могут отличаться, но принципы оказания первой помощи всегда одинаковые.
Большинство ядов поступает через дыхательные пути. Первое, что необходимо сделать при отравлении – прекратить поступление продуктов горения в организм. Для этого необходимо:
Острая интоксикация требуют оказания экстренной помощи. Действия при отравлении продуктами горения, следующие:
Некоторые ингаляционные отравления продуктами горения имеют период мнимого благополучия. Даже при отсутствии патологических симптомов, стоит внимательно следить за состоянием тех, кто может быть отравлен. При первых же признаках неблагополучия необходимо вызывать соответствующих специалистов.
Отравление продуктами горения у детей развивается быстрее, чем у взрослых. Это объясняется более высоким уровнем кислородного обмена. У малышей появляются жалобы на головную боль, сонливость, слезотечение, тошноту. При осмотре заметны изменения цвета кожи, учащение и затруднение дыхания, нарушения координации. Принципы оказания первой помощи для детей те же, что и для взрослых. При отсутствии специализированной медицинской помощи, пострадавшему ребенку угрожают необратимые изменения центральной нервной системы.
Источник: Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник. Баратов А.Н., Корольченко А.Я. –М., 1990.
Опасные факторы пожара
Неконтролируемый огонь – жестокий противник. Поэтому борьба с ним приравнивается к военным действиям. Для победы в войне необходимо знать о своих врагах как можно больше. Уровень угрозы в военных сражениях оценивается наличием факторов опасности, которые в войне с огнем называются опасными факторами пожара.
Определение и разновидности
Что такое опасные факторы пожара (ОФП)? Само слово фактор обозначает причину, силу, источник какого-нибудь процесса, который определяют его характер либо некоторые черты, направление развития. С этой точки зрения факторы пожара – это показатели, явления, которые способствуют развитию пожара. Что относится к опасным факторам пожара? Это то, что приводит к потере здоровья, инвалидности, гибели людей и животных, к порче, потере имущества, загрязнению окружающей среды.
Определены следующие основные факторы пожара:
Что из перечисленного относится к опасным факторам? Основной пожарный закон в России или «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» разделяет показатели возгорания на
1. Опасные факторы пожара, воздействующие на людей и имущество:
2. сопутствующие явления ОФП:
Предельные показатели
Часто возникает вопрос: что не относится к опасным факторам пожара? С точки зрения здравого смысла все на пожаре представляет собой опасность. Точнее, эти же показатели называются вредными, пока их величина не достигла предельного значения. Вредными называются факторы, которые представляют риск для здоровья, но не оказывают губительного влияния. Они снижают работоспособность, раздражающе действуют на органы человека.
Предельные показатели ОФП определены следующие:
| Параметры | Единица измерения | Предельная величина |
| пониженная видимость | м | 20 |
| температура воздуха | о С | 70 |
| концентрация кислорода в воздухе | % | 15 |
| тепловой поток | кВт/м2 | 1,4 |
Концентрация кислорода в воздухе
Воздух, которым мы дышим, не является простым веществом. Он представляет собой смесь газов:
Наиболее ценная часть воздуха – кислород. Он поступает в организм человека через органы дыхания. Попадая в клетки, участвует в процессе окисления (сжигании питательных веществ), вследствие чего выделяется энергия, необходимая для других жизненных процессов.
Горение – это химический процесс окисления, при котором горючий материал реагирует с кислородом. В результате реакции выделяется тепло, образуются жидкие, твердые, газообразные продукты горения. Доля погибших людей от понижения уровня кислорода среди всех причин гибели составляет примерно 3-4 %.
Концентрация отравляющих веществ в воздухе
Наиболее распространенными отравляющими веществами при возгорании являются:
Реакция человеческого организма на изменение в воздухе:
Доля погибших людей от продуктов горения 77-78 %.
Дымообразование и снижение видимости
Некоторые вещества на пожаре сгорают (окисляются) полностью, другие частично. Не полностью сгоревшие образуют сложные химические соединения: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и другие. Они способны гореть длительное время. Продукты неполного горения создают ядовитый, едкий дым. Воздух, насыщенный горючими веществами, становится взрывоопасным. Ситуация осложняется наличием высоких температур, которые ускоряют химические процессы.
Жидкие и твердые частицы продуктов горения ограничивают прохождение солнечного света. Большая их концентрация делает невозможной эвакуацию людей из горящих зданий, помещений. Ограничение видимости не позволяет ориентироваться в незнакомом месте. Такая ситуация может сопровождаться паникой. Прямой угрозы жизни людей от ограничения видимости нет, но во время хаотичного движения толпы они могут погибнуть или покалечиться. Доля погибших людей от психических факторов приблизительно 0,08 %.
Искры, пламя, тепловой поток
Пламя непременный атрибут любого пожара. Если провести спичкой по шершавой поверхности, материал головки нагревается, начинает активно окисляться, вырабатывая тепло и свет. В сущности, пламя – это раскаленные газы, участвующие в процессе горения. Температура их настолько высока, что может воздействовать, разогревать другие вещества, вовлекая их в процесс. Поэтому пламя способно осваивать большую территорию.
Температура горения зависит от горючего материала. Она может достигать 2000-3000 о С. Не смотря на то, что человек на 80 % состоит из воды, при длительном контакте с огнем он сгорает полностью. Непродолжительный контакт с пламенем вызывает повреждения тела – ожоги. Они могут быть поверхностными и глубокими. По глубине воздействия они разделяются на степени:
Искра – это горящая частичка вещества, она не всегда опасна. Пожар от искры возникает при наличии определенных показателей. Горение от маленькой частички может возникнуть при контакте с легко воспламеняемыми материалами, например, с жидкостями: бензином, ацетоном, спиртом, керосином и т.д. Еще опаснее, если искра попадает в пространство, насыщенное парами, газами. Например, смесь воздуха с парами нефтепродукта взрывоопасна. Она сгорает мгновенно, выделяет большое количество раскаленных газов, создает ударную волну с разрушительной силой.
Тепловой поток и высокая температура воздуха
При крупных пожарах вблизи фронта огня создаются мощные тепловые потоки, здесь находится до 90 % всего выделяемого горением тепла. Его воздействие на человека зависит от интенсивности в кВт/м 2 :
| Значение интенсивности | Физиологическая реакция организма |
| 1,4 | Без видимых последствий, время не ограничено. |
| 4,2 | Без последствий для человека в брезентовом защитном костюме. |
| 7,0 | Через 15-20 минут ожог 1 степени, через 30-40 минут – 2 степени. |
Разумеется, температура воздуха вблизи возгораний может достигать величины 100-150 о С. Человеческий организм также испытывает перегрев – гипертермию. Из-за перегрева у человека появляются тепловые поражения, характеризующиеся нарушениями нервной системы, желудочно-кишечными, сердечнососудистыми синдромами.
Защита от ОФП
Как же защитится от перечисленных опасных факторов пожара? Существует три направления деятельности:
Заключение
Стоит отметить, что если человек не пожарный, у него отсутствует знания и навыки пожарной безопасности, нет защитной одежды, то единственный способ защитить себя от воздействия ОФП – это незамедлительная эвакуация, как можно дальше от места пожара.
