Дым – это дисперсная система, состоящая из твердых или жидких частиц (дисперсной фазы), взвешенных в дисперсионной газообразной среде (продуктов горения или смеси их с воздухом, или в чистом воздухе).
Образование дыма в результате горения склада
Дым представляет собой аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером от 10−7 до 10−5 м. В отличие от пыли, которая является более грубодисперсной системой, частицы дыма обладают свойством почти не оседать под действием силы тяжести. Это объясняет, почему дым, в отличие от пыли, может долго находиться в воздухе. Более того, частицы дыма могут выполнять функцию ядер конденсации для атмосферной влаги, что приводит к образованию тумана. Туман формируется, когда водяные капли конденсируются на этих микроскопических частицах, что способствует снижению видимости и созданию специфических атмосферных условий. Таким образом, дым играет важную роль в атмосферных процессах, особенно в контексте конденсации и формирования тумана.
Дым, образующийся при пожарах, различается по внешнему виду, составу, свойствам; его цвет может меняться от белого до черного. Состав дыма включает в себя: углерод, окись и двуокись углерода, пары воды, окислы азота, цианистый водород и т.п. Например, при горении древесины в 1 см3 дыма содержится около 3·107 частиц углерода.
Как образуется дым
Химический состав и строение влияют также и на поведение твердых горючих материалов при нагревании. Если при нагревании жидкостей происходит только испарение, то при нагревании твердых горючих материалов протекают более сложные процессы.
Большинство из твердых горючих материалов при нагревании меняют своё агрегатное состояние, т.е. газифицируются: некоторые из них при нагревании разлагаются (например, древесина); другие плавятся (каучук, некоторые виды пластмасс, в частности, термопласты). В обоих случаях образуются газообразные продукты разложения, способные к горению.
Поведение твердых горючих веществ и материалов при нагревании
При дальнейшем воздействии источника зажигания летучие продукты окисляются (экзотермический процесс), в какой-то момент скорость тепловыделения превышает скорость теплоотвода, происходит самовоспламенение, которое завершается самоподдерживающимся процессом горения. В процессе горения выделяется тепло, которое расходуется, в частности, на разложение или плавление (т.е. газификацию) новых участков твердых горючих материалов и активацию молекул горючего, другими словами, на поддерживание процесса горения. Необходимо отметить, что существует сравнительно немногочисленная группа твердых горючих материалов, которая при нагревании источником зажигания не плавится и не разлагается. К ней относятся антрацит, кокс, древесный уголь и др. Процесс окисления у таких веществ протекает непосредственно на поверхности самого вещества. В этом случае пламя (область пространства, где сгорают пары и газы) не образуется. Напомним, что такое горение называется гетерогенным.
Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, в отличие от газов характеризуются наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения летучих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе. Истинно гетерогенными является горение нелетучих металлов.
При распространении волны горения по твердым материалам выделяются следующие зоны:
Модель горения твердых материалов
Зона без реакции – зона прогрева конденсированной фазы. У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента температуропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.
Зона пиролиза – реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.
Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диффундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.
Зона пламени (реакционная зона в газовой фазе). В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура.
Зона продуктов сгорания содержит предельные оксиды, образующиеся при полном сгорании.
Таким образом, характерной особенностью горения твердых материалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.
Этот процесс включает в себя следующие стадии: поглощение твердым материалом тепловой энергии от источника зажигания; разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов и карбонизированного остатка; воспламенение газообразных продуктов пиролиза; горение газообразных продуктов пиролиза.
Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и термическое разложение твердого материала. Первичное возникновение пламени рассматривается как процесс зажигания. Зажигание является сложным нестационарным процессом, который заключается в быстром разогреве локального участка твердого материала до высокой температуры открытым пламенем, электрической искрой, накаленным телом. В результате такого воздействия над поверхностью твердого материала возникает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть доведена до температуры, близкой к температуре поверхности при горении в условиях стационарного процесса. Переход от зажигания к стационарному режиму горения твердого материала возможен с момента появления пламени.
Воспламенение твердых материалов в воздухе рассматривается с позиций теории воспламенения газов. Однако возможны условия, когда процесс горения начинается вследствие гетерогенной реакции взаимодействия кислорода с поверхностным слоем.
Характер переноса тепла к твердому материалу для его нагрева и воспламенения зависит от вида источника зажигания и условий воздействия теплового потока на поверхность. В условиях пожара твердые материалы разогреваются в основном за счет конвективного и радиационного переноса тепла от пламени. Поглощение тепла твердым материалом при излучении зависит от спектральных характеристик материала и источника теплового потока.
В нагретом под действием потока тепла поверхностном слое происходит пиролиз твердых материалов. При этом основную роль играет термоокислительная деструкция. Однако преобладание термической или термоокислительной деструкции в процессе газификации твердых материалов при горении зависит от природы материала, механизма его разложения, температуры пиролиза, зависящей от температуры поверхности горящего материла, а также от условий диффузии кислорода к горящей поверхности.
Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горючих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами являются Н2О, СО2 и галогенводороды. Горючая часть состоит из Н2, СО, насыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиролиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пиролиза, температуры разложения.
Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигает нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП). Это условие является необходимым, но недостаточным для возникновения устойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло, необходимо передать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточного количества горючих газообразных веществ.
После воспламенения твердого материала начинается процесс перемещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характеристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени – расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени.
Схема распространения фронта пламени по поверхности твердого материала
1 – твердый материал; 2 – зона диффузионного горения; 3 – передняя кромка пламени; 4 – зона пиролиза; 5 – зона газообразных продуктов разложения; 6 – зона начала разложения твердого материала перед фронтом пламени; 7 – газообразные продукты горения; 8 – дым
Так же читайте дополнительные материалы по теме:
Выгорание (потеря массы) и Скорость выгорания
Виды дыма
Дым, состоящий из мелкодисперсных частиц, образуется в результате неполного сгорания. Он образуется как при беспламенном, так и при пламенном горении, хотя характер частиц и формы их образования весьма различны. Дым при тлении аналогичен дыму, который получается, когда любой углеродсодержащий материал нагревается до температур, при которых происходит химическое разложение и эволюция летучих продуктов горения. Фракции с большим молекулярным весом конденсируются по мере их перемешивания с холодным воздухом, что приводит к образованию тумана, состоящего из мельчайших капель смолы и высококипящих жидкостей. Эти капли стремятся в условиях спокойного воздуха слипаться, образуя мелкие частицы со средним диаметром порядка одного микрона, и осаждаются на поверхностях, образуя маслянистый остаток.
По своему характеру дым при пламенном сгорании материалов отличается от дыма при тлении. Он состоит почти целиком из твердых частиц. В то время как небольшая часть этих частиц может быть образована при абляции твердого материала в условиях воздействия на этот материал мощного теплового потока, большая часть частиц образуется в газовой фазе в результате неполного сгорания и высокотемпературных реакций пиролиза при низких концентрациях кислорода. Следует заметить, что дым, состоящий из твердых частиц, может образоваться даже, если исходным горючим материалом является газ или жидкость.
Дымы обоих типов являются возгораемыми и могут образовывать воспламеняемую атмосферу. При поджигании такой атмосферы может произойти взрыв.
Концентрация дыма
Концентрацию твердых частиц в дыме выражают в кг/м3 или количеством частиц в единице объема (в 1 м3). Весовая концентрация дисперсной фазы в дыме, образующейся на пожарах, колеблется в широких пределах и составляет обычно от десятых долей до (6-7)·10−3 кг/м3, что соответствует содержанию в 1·10−6 м3 (1 см3) дыма нескольких миллионов твердых частиц. Так, на пожаре при горении древесины и хлопчатобумажной ткани концентрация твердых частиц в дыме в разных местах помещения составляла от 0,1·10−4 до 6,5·10−3 кг/м3.
Кинетическая устойчивость
Частицы, составляющие дым, подвергаются воздействию двух противоположно направленных сил: силы тяжести, которая увлекает твердые частицы вниз и ведет к их оседанию, и силы аэродинамического сопротивления. Твердые частицы дисперсной фазы дыма с радиусом менее 10−5 м при падении быстро достигают постоянной скорости, при которой аэродинамическое сопротивление, действующее на частицу, становится равным силе тяжести, действующей на частицу.
Если размер частицы дисперсной фазы соизмерим со средней длиной свободного пробега молекул дисперсионной среды дыма, то удары молекул газа о поверхность частицы приводят к броуновскому движению, которое накладывается на процесс оседания частиц. Следовательно, броуновское движение придает кинетическую устойчивость частицам дисперсной фазы.
Кинетической устойчивостью называется способность дисперсных частиц удерживаться по взвешенном состоянии, не оседая и распределяясь в пространстве (по высоте) по определенному закону.
Решающим условием кинетической устойчивости дисперсной фазы дыма является степень ее дисперсности. Чем выше степень дисперсности фазы, тем больше сказывается броуновское движение. Следовательно, тем выше кинетическая устойчивость.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что скорость оседания частиц уменьшается с уменьшением радиуса частиц, а скорость броуновского движения возрастает.
Следовательно, перемещение облака дыма в основном определяется ветром, а при его отсутствии – конвективными потоками в атмосфере, а не воздействием силы тяжести.
Агрегативная устойчивость
Дым как дисперсная система проявляет, кроме того, и агрегативную устойчивость.
Под агрегативной устойчивостью дисперсных систем понимается способность твердых частиц дисперсной фазы удерживать определенную степень дисперсности этой фазы путем сопротивления частиц к слипанию.
Эта устойчивость возникает за счет имеющегося на частицах одноименного электрического заряда или пленки адсорбированного газа. Приобрести электрический заряд частицы дисперсной фазы дыма могут при трении о дисперсионную газовую среду либо за счет адсорбции, возникающих при горении ионов.
Дым на пожаре
Дым, образующийся при пожарах, особенно в закрытых помещениях, затрудняет действие пожарных подразделений. Во время организации тушения пожара принимают меры по устранению устойчивости дыма. Для этого используют оборудование, принудительно создающие поток дыма. Во время движения дымового облака столкновение частиц приводит к их слипанию (коагуляции), что ведет к увеличению размера частиц, а, следовательно, к быстрому выделению их из дисперсионной среды и рассеиванию дыма.
На движение дыма в условиях пожара влияют следующие факторы:
- Воздействие ветра. Ветер создает избыточное давление и с обратной стороны сооружения – разрежение. Его сила превосходит другие, возникающие на пожаре естественные явления. Ветер может изменить продолжительность пожара. Он может дуть в разных направлениях на различных уровнях высотного здания, особенно в местах скопления газов, способствующих проявлению «каньон эффекта». Действие ветра усиливается при наличии открытых проемов в здании. Следует особо отметить, что особенности движения воздушного потока, создаваемого ветром на пожаре, могут не соответствовать информации, сообщаемой ближайшей метеорологической станцией.
- Эффект дымовой трубы. Эффект этот создается в результате различия в температурах внутри и снаружи здания. Чем больше это различие, тем больше эффект дымовой трубы. Создающееся по этой причине движение воздуха с нижнего до верхнего этажа здания, благодаря имеющимся отверстиям, может сигнализировать также о начавшемся в нижних этажах пожаре по присутствию газообразных продуктов разложении примешивающихся к воздушному потоку.
- Действие системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Должно учитываться возможное влияние этой системы на развитие пожара.
- Действие дымоудаляющего оборудования, которое может устанавливаться в зданиях для вентиляции площади возможного пожара.
- Влияние открытых проемов в здании. Особенно большие проемы могут разрывать действие эффекта дымовой трубы, усиливать влияние ветра и препятствовать операциям механического оборудования по дымоудалению. В связи с этим важной информацией для исследователя развития пожара является знание, когда и каким путем образовались открытые проемы.
- Влияние атмосферных условий. Падение температуры, наблюдаемое в атмосфере по высоте, способствует движению дыма вверх и удалению от места пожара. Наличие слоя воздуха, более теплого по сравнению с нижележащим, создает условия, при которых такой слой (инверсионный слой) может действовать как крыша для поднимающегося дыма. В высотных домах последний может проникать в инверсионный слой, что служит причиной значительных различий в местонахождении дыма выше и ниже такого слоя.
Плотность дыма
Присутствие твердой дисперсной фазы обусловливает непрозрачность дыма. Степень понижения прозрачности зависит от концентрации, размера и природы частиц дисперсной фазы. Частицы дыма способны как поглощать свет, так и рассеивать его. В том случае, когда размер частиц дыма значительно меньше длины волны проходящего через него света, интенсивность рассеянного света быстро растет с увеличением размера частиц дыма.
Задымление на пожаре резко ухудшает видимость, что значительно затрудняет действия пожарных подразделений и осложняет обстановку тушения пожара. В связи с этим большой интерес представляет оценка плотности дыма на пожарах.
Под плотностью дыма понимают отношение интенсивности света, прошедшего через слой дыма, к интенсивности падающего света.
Интенсивность или плотность задымления
Один из основных параметров, характеризующих обстановку на пожаре – интенсивность или плотность задымления.
Интенсивность или плотность задымления, z [г/м3], [м] – это параметры пожара, характеризующиеся ухудшением видимости и степенью токсичности в зоне задымления.
Ухудшение видимости при задымлении определяется оптической плотностью дыма. Она оценивается по толщине слоя дыма, через которую не виден свет эталонной лампы (мощностью 21 Вт) или по количеству твердых частиц, содержащихся в единице объема.
В зависимости от плотности задымления дым бывает оптически плотный, средней плотности, оптически слабый.
| Наименование дыма | Плотность дыма, г. твердой фазы/м3 | Видимость предметов, освещаемых лампой (21 Вт), м |
| Оптически плотный | > 1,5 | до 3 |
| Средней плотности | 0,6-1,5 | до 6 |
| Оптически слабый | 0,1-0,6 | до 12 |
Для улучшения видимости в сильно задымленной воздушной среде прибегают к осаждению дыма тонкораспыленной водой. При этом снижается температура дыма, увеличивается его влажность, происходят нейтрализация заряженных частиц, их слипание и снижение агрегативной и кинетической устойчивости дисперсной системы. Кроме этого, борьба с дымом может осуществляться путем его механического удаления из задымленных помещений с помощью пожарных дымососов или создания естественных конвективных потоков (например, с помощью дымовых люков).
Дымообразование
Под дымообразованием на пожаре понимают количество дыма (м3/с), выделяемого со всей площади пожара.
В большинстве случаев при пламенном горении выделяется меньше дыма, чем при тлении.
В составе дисперсионной среды 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 химической природы горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем (в частности,– от коэффициента избытка воздуха). 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, окислы азота и другие соединения.
Концентрация продуктов термоокислительного разложения в дыме одних и тех же горючих веществ непостоянна и во многом зависит от условий горения. В связи с этим концентрацию их в дыме определяют опытным путем.
Большинство продуктов термоокислительного разложения, так же как и продукты неполного сгорания, способны гореть. На пожарах при достаточном притоке воздуха к очагу горения эти вещества в дыме смешаны с продуктами полного сгорания и концентрация их невелика, поэтому горючей смеси они образовать не могут. На пожарах в зданиях при недостаточном притоке воздуха к очагу горения или при тлении твердых горючих веществ концентрация продуктов неполного сгорания и термоокислительного разложения в дыме значительно увеличивается, а продуктов полного сгорания – уменьшается. Это ведет к образованию дыма, способного гореть при условии притока к нему свежего воздуха и даже создавать взрывоопасную газовую смесь. В практике тушения пожаров были случаи, когда после открывания закрытых помещений, где происходил пожар, наблюдался взрыв. Взрывоопасная смесь возникала в результате поступления в помещение воздуха и смешения его с дымом, содержащим большое количество продуктов неполного сгорания и термоокислительного разложения.
Так же читайте следующие познавательные материалы:
Коэффициент дымообразования и Дымообразующая способность
Опасные факторы дыма
В последние десятилетия наблюдается резкое расширение производства и использования новых химических материалов в промышленности, строительстве и быту (различные полимерные материалы: пластмассы, декоративные пластики и др.). В дыме этих продуктов могут присутствовать хлористый водород, сероводород, окислы азота, синильная кислота и многие другие вредные для дыхания вещества.
Пожарный с дыхательным аппаратом на сжатом воздухе (ДАСВ)
Объем выделившегося дыма, его плотность и токсичность зависят от свойств горящего материала и условий протекания процесса горения. Дым является одним из опасных факторов пожара и, обладая высокой токсичностью, часто приводит к гибели людей и животных. Так, дым, выходящий непосредственно из зоны реакции, может иметь температуру более 1000 °C, а критической температурой среды, в которой человек может пребывать длительное время, является температура 60 °C. Основная составная часть дыма углекислый газ – в малых концентрациях не представляет большой опасности: его 1,5%-ную концентрацию в воздухе человек переносит без вреда для организма при многочасовом воздействии. При концентрации 3-4,5% этот газ становится опасным для жизни при получасовом вдыхании, а концентрация 8-10% вызывает быструю потерю сознания и смерть. Кроме того, высокая коррозионная активность дыма выводит из строя радиоэлектронную аппаратуру.
Другой продукт окисления углерода – окись углерода – присутствует не в каждом дыме, а только при горении органических веществ, особенно, когда горение протекает при недостатке воздуха. Окись углерода – отравляющее вещество. Вдыхание воздуха, содержащего 0,4% окиси углерода в течение 300 с – смертельно. На пожарах в помещениях концентрации окиси углерода в дыме могут превышать указанную величину, поэтому тушение пожаров в помещениях производят только в дыхательных аппаратах на сжатом воздухе или кислороде.
Так же дым представляет большую опасность по следующим причинам:
- высокая температура;
- непрозрачность дыма, снижающая видимость и затрудняющая действия людей при пожаре;
- возможность образования продуктами термоокислительного разложения и неполного горения, входящими в состав дыма, взрывоопасных смесей с воздухом.
Дым неблагоприятно влияет на здоровье человека, способствует развитию болезненных состояний (катаров верхних дыхательных путей, бронхитов, фиброзных изменений лёгких и др.). Содержание в дыме конденсатов тяжёлых металлов (свинец, ртуть и др.) вызывает изменения в крови, отставание в физическом развитии детей и др. Некоторые компоненты дыма содержат канцерогенные (т.е. способствующие развитию опухолей) вещества; крупные частицы при попадании в глаз повреждают его роговую и слизистую оболочки.
При неполном сгорании топлива в отопительной печи дома, топке теплогенерирующего аппарата и т.п. удаляемый по дымовому каналу дым теряет часть содержащихся в нем твердых частиц, которые осаждаются на стенках трубы (дымохода) в виде сажи.
Для обнаружения дыма используются извещатели пожарные дымовые, на базе которых существуют автоматические установки пожаротушения (АУП) и автоматические системы пожарной сигнализации (АСПС).
Для безопасной эвакуации применяется система противодымной защиты.
Чем дым отличается от пара
Дым и пар — это два разных физических явления, и их различия можно объяснить с точки зрения природы образования и состава.
- Дым — это смесь газа и твердых частиц, которые образуются при неполном сгорании органических веществ (например, деревьев, угля, бумаги). Дым содержит не только газ (в основном углекислый газ и водяной пар), но и мелкие частицы (сажу, золу и т.д.), а также другие химические соединения.
- Пар — это газообразное состояние вещества, которое образуется при испарении (например, воды) или кипении. В его составе находятся молекулы вещества (например, водяные молекулы), которые переходят из жидкого состояния в газообразное.
Почему дым белый
Белый дым обычно возникает из-за конденсации водяного пара. Когда сгорает топливо, например, древесина или уголь, выделяются горячие газообразные продукты сгорания, которые содержат водяной пар. Если температура газа понижается, водяной пар конденсируется и образует мелкие капельки воды, что и создает видимость белого дыма.
Также белый дым может свидетельствовать о неполном сгорании топлива, наличии влаги в топливе (как правило, на начальном этапе горения) или наличии определенных материалов, таких как пластик, которые при сгорании образуют аналогичные облака.
В некоторых случаях, например, при двигателе автомобиля, белый дым может указывать на проблемы с охлаждающей системой, такие как утечка антифриза.
Источники: Батчер Е., Парнэлл А. Опасность дыма и дымозащита. –М., 1983; Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения: учебное пособие. –М., 1984.