Химический состав твердых горючих веществ очень разнообразен. Большинство из них относится к классу органических веществ, состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. В состав многих химических веществ входят также хлор, фтор, кремний и другие химические элементы. Значительно меньшее количество твердых горючих веществ относится к классу неорганических веществ. Среди них – металлы (калий, натрий, магний, алюминий, титан и др.), металлоиды (сера, фосфор, кремний), а также их соединения.

В условиях большинства пожаров горят твердые вещества, которые широко используются в народном хозяйстве и быту. К ним в первую очередь относятся материалы, изготовленные на основе целлюлозы (табл. 7.1), древесина, хлопок, хлопчатобумажные ткани, бумага; на основе углеводородов и их производных – резина, пластмассы, химические волокна и ткани из них; продукты питания – зерно и зернопродукты, жиры, сахар и т.д.

Таблица 7.1

Состав целлюлозных материалов

Целлюлозные материалы, как видно из табл. 7.1, содержат кислород, который участвует в процессе горения так же, как кислород воздуха. Поэтому объем воздуха, теоретически необходимого для их горения, значительно меньше, чем для горения горючих веществ, в состав которых кислород не входит. Этим же объясняется низкая теплота сгорания целлюлозных материалов и способность их к тлению. Полости и поры волокнистых и пористых целлюлозных материалов, кроме того, заполнены воздухом, что способствует их горению. Горение таких веществ происходит без образования сажи.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием паров, газов и углеродистого остатка. Количество образующихся при этом газообразных продуктов (летучих) и их состав зависят от температуры и режима нагревания горючих веществ. На рис. 7.1 видно, что разложение древесины и торфа начинается при разной температуре. Так, торф начинает разлагаться уже при 100 – 105 ⁰С, заметное разложение протекает при 150 ⁰С. Медленное разложение древесины начинается при 160 – 170 ⁰С, а заметный выход газообразных продуктов происходит при 250 – 300 ⁰С.

При начальной температуре разложения твердых веществ скорость образования газообразных продуктов небольшая, с повышением температуры она увеличивается. При дальнейшем повышении температуры скорость выделения газообразных продуктов уменьшается, приближаясь к некоторому минимальному зна-чению. Таким образом, газообразные продукты при нагревании твердых веществ образуются в определенном интервале температур и с переменной скоростью, причем при разложении разных горючих материалов выделяется различное количество газообразных продуктов. Так, при разложении 1 кг древесины выделяется 800 г газообразных продуктов и образуется 200 г древесного угля, при разложении 1 кг торфа выделяется 700 г газообразных продуктов, а хлопка – 850 г.

Состав газообразных продуктов разложение непостоянен, он изменяется в зависимости от температуры разложения твердых веществ. При низких температурах преобладает диоксид углерода и водяной пар, при более высоких образуются горючие газы: водород, метан и др. В табл. 7.2 приведен состав неконденсирующихся газов, образующихся при различной температуре разложения древесины.

Таблица 7.2

Состав неконденсирующихся газов, образующихся при различной температуре

разложения древесины

В табл. 7.3 приведен полный состав продуктов, получающихся при разложении березовой древесины. Если из них исключить уголь, то на оставшиеся 68,2 % (масс.) приходятся газообразные продукты, из которых около 30 % являются негорючими (вода и диоксид углерода), около 38 % — горючими. В табл. 7.3 приведено также количество тепла, выделяющегося при горении угля и газообразных продуктов, полученных при сухой перегонке древесины без доступа воздуха.

Таблица 7.3

Теплота сгорания продуктов сухой перегонки березовой древесины

Суммарное количество выделенного тепла при горении 1 кг древесины равно теплоте сгорания древесины. Согласно данным, приведенным в табл. 7.3, теплота сгорания березовой древесины равна 18343,3 кДж/кг. При горении древесины в условиях пожара количество образующегося угля несколько меньше и составляет 20 % от массы древесины. Состав угля не постоянен и изменяется в зависимости от температуры разло-жения. Так, при 150 ⁰С уголь, образующийся при разложении древесины, содержит 51,7 % С, 5,9 % Н₂ и 42,4 % связанного кислорода, а при 450 ⁰С – 84,9 % С, 3,1 % Н₂ и 12 % О₂.

Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при малой скорости теплоотвода возможно самонагревание и горение их. Самый высокий тепловой эффект разложения (1088 Дж/кг) у древесины, поэтому надо следить,

чтобы она не нагревалась в больших массах (при плотной укладке) выше 100 ⁰С. Несколько иные свойства имеют полимерные материалы; элементарный состав некоторых из них приведен в табл. 7.4.

Таблица 7.4

элементарный состав некоторых полимерных материалов

Полимеры отличаются высоким содержанием углерода, и большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10 -12 м³/кг). Горение полимеров происходит с образованием продукта неполного сгорания – сажи.

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Большинство из них при нагревании плавится и образует в процессе горения на поверхности жидкий слой. На вертикальных и наклонных поверхностях горения жидкий слой удерживаться не может и стекает. Поэтому на таких поверхностях горения слой жидкости имеет постоянную толщину, которая не превышает 1 – 2 мм. Стекающая жидкость образует на полу помещения или на поверхности земли слой в несколько сантиметров, который, растекаясь, распространяет горение на негорящие еще предметы. Например, во время пожара складов каучука жидкий слой через дверные проемы выходил даже за пределы здания склада. На горизонтальных поверхностях горения, когда нет условий стекания жидкого слоя, он постепенно растет, достигая своей постоянной для каждого вещества величины. Так, при горении каучука СКИ-3 такой слой достигает 6 – 8 мм.

Неорганические твердые горючие вещества – металлы, металлоиды и их соединения при нагревании почти все плавятся, и над поверхностью образуется слой паров.

Как и при горении жидкостей, массовую скорость выгорания твердых веществ относят к единице поверхности горения, т.е. поверхности горючего вещества, с которой в данный момент времени в зону горения поступают пары и газы. Такая массовая скорость выгорания твердых веществ называется удельной. Удельная массовая скорость выгорания не зависит от величины поверхности твердых веществ и изменяется в зависимости от температуры и влажности веществ (табл. 7.5).

Таблица 7.5

Удельная массовая скорость выгорания некоторых материалов

Практическое определение удельной массовой скорости выгорания твердых материалов очень затруднено, так как поверхность горения многих из них не представляет ровную плоскость. В связи с этим расчет скорости выгорания ведут на единицу площади пожара, т.е. на единицу площади проекции поверхности горения на горизонтальную плоскость. Такую величину принято называть приведенной массовой скоростью выгорания и обозначать . Эту величину можно определять из опыта на специальной установке, называемой камера-весы. Ниже даны приведенные массовые скорости выгорания некоторых твердых веществ, кг/(м²×мин):

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых материалов, происходит не только выгорание их, но и перемещение фронта пламени по еще негорящей поверхности. Перемещение фронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения и характеризуется скоростью распространения горения v (в м/мин):

,

где  — расстояние, пройденное фронтом пламени, м; t — время перемещения фронта пламени, мин.

Различают две скорости распространения горения – по вертикальной (вниз и вверх) и горизонтальной поверхности. Однако в расчетах по тушению пожаров практически применяют только скорость распространения по горизонтальной поверхности. На величину скорости распространения горения влияет много факторов: состояние поверхности вещества, интенсивность излучения зоны горения, направление и скорость ветра и др.

Твердые материалы при хранении на открытой местности и в зданиях располагают, как правило, не сплошным слоем, а с разрывами, достигающими иногда нескольких метров. Однако в условиях пожара такие разрывы не могут предотвратить распространение горения. Поэтому, определяя скорость распространения горения во время пожара, при расчете расстояния, пройденного фронтом горения в данном направлении, учи

тывают и разрывы между скоплениями горючих материалов, если они не препятствовали распространению горения.

Таким образом, скорость распространения горения в условиях пожара отличается от скорости распространения горения по поверхности твердого горючего вещества. Ниже приведены наблюдаемые скорости распространения горения в условиях пожара и при горении различных материалов, м/мин: