Каталог

Помощь

Корзина

Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения аэрозолями. Лекция 15

Оригинальный документ?

Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения аэрозолями. Лекция 15

До недавнего времени наиболее распространенными огнетушащими веществами, используемыми для объемного пожаротушения, были хладоны. Однако из-за разрушающего воздействия на озоновый слой их производство прекращено, а использование значительно сокращено.

Поиск альтернативных хладонам огнетушащих средств привел к созда­нию эффективных и экологически безопасных аэрозолеобразующих соста­вов. По времени это совпало с конверсией оборонной промышленности Рос­сии и позволило решить сразу две проблемы: заменить экологически опасные огнетушащие составы объемного пожаротушения; более рационально ис­пользовать существующие производства, в частности, производство твердых ракетных топлив.

Тенденции развития техники пожаротушения показывают, что уста­новкам аэрозольного пожаротушения принадлежит большое будущее.

Аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС) представляют со­бой специальные твердотопливные или пиротехнические композиции, спо­собные к самостоятельному горению без доступа воздуха с образованием инертных газов, высокодисперсных солей и окислов щелочных металлов.

 

Механизм огнетушащего действия аэрозолеобразующих огнетушащих составов

Аналогом создания аэрозолеобразующих составов стали хорошо известные порошковые средства, механизм воздействия которых на пламя известен и сводится к обрыву цепной реакции горения на частицах порошка. Из теории цепных реакций известно, что ответственные за продолжение реакции горения активные центры - ионы и радикалы - легко гибнут на механических частицах, инертных в смысле продолжения цепной реакции.

Химический состав аэрозоли и огнетушащих порошков практически аналогичен. Но дисперсность частиц аэрозоля на несколько порядков выше. Этим в значительной степени и обусловлена более высокая огнетушащая эффективность АОС по сравнению с порошковыми составами. При выбросе всего лишь 1 кг аэрозоля в защищаемом объеме можно получить примерно такое количество частиц, что и при распылении 30 кг порошка.

Кроме того, применение АОС сопровождается некоторым снижением концентрации кислорода в защищаемом помещении. Это также вносит опре­деленный вклад в процесс пожаротушения. Происходит расходование кисло­рода на догорание газоаэрозольной смеси, выходящей из генератора, и раз­бавление атмосферы газообразными продуктами, образующими при работе генератора огнезащитного аэрозоля (ГОА). Свежеобразовавшаяся поверх­ность частиц, входящих в состав аэрозоля имеет более высокую активность по сравнению с поверхностью частиц огнетушащих порошковых составов.

Аэрозольная технология имеет право считаться совершенно новой по двум причинам:

1.   невозможно обеспечить длительное хранение и надежную доставку в  зону пожара порошка столь высокой дисперсности;

2.   огнетушащее вещество генерируется непосредственно в процессе тушения пожара.

Принцип работы генератора огнезащитного аэрозоля (ГОА). В общем случае ГОА содержит корпус с зарядом АОС, устройство воспламенения за­ряда и, по меньшей мере, одно выпускающее отверстие.

Принцип работы генератора весьма прост. При пожаре срабатывает (от пожарного извещателя, огнепроводного шнура, ручного замыкания электри­ческой цепи воспламенителя кнопкой) инициирующая система и воспламе­няет состав, продукты сгорания которого представляют собой аэрозоль, со­держащий до 70-80 % активированной ингибирующей добавки. Составы за­рядов и конструкции генераторов каждого из разработчиков существенно от­личаются друг от друга. Однако принцип во всех случаях одинаков: при го­рении аэрозолеобразующих составов инициируется интенсивная химическая окислительно-восстановительная реакция, при которой образуется и выбра­сывается в защищаемый объем смесь газов (азот, углекислый газ, водяной пар и другие) и поток твердых частиц окислов и солей металлов. Твердые частицы так малы (0.5-4.0 мкм), что способны находиться в воздухе во взве­шенном состоянии длительное время (до часа).

В зависимости от технологии заряда АОС различаются видом горюче­го-связующего. Этим обуславливаются различия в химическом и дисперсном составе твердой фазы аэрозоля. Аэрозолеобразующие составы используются в виде цилиндрических брикетов ("шашек"), представляющих огнетушащий заряд требуемой массы. Конструкция генератора аэрозоля, т.е. устройства, куда помещается заряд, должна обеспечивать его защиту от повреждений при транспортировке и хранении, своевременное и правильное инициирова­ние реакции аэрозолеобразования, а также подачу аэрозоля в защищаемый объем.

При работе ГОА имеет место образование высокотемпературных зон за счет продуктов горения, нагретых до высокой температуры. Образование факела пламени при работе ГОА обусловлено тем, что аэрозолеобразующие огнетушащие составы являются композициями с отрицательным кислород­ным балансом, т.е. их химический состав не обеспечивает полного окисления горючего-связующего.

Для воспламенения заряда обычно используются механические, тер­момеханические, термохимические и электрические узлы запуска, Многие ГОА имеют устройства для запуска от нескольких разнотипных сигналов. Наиболее часто встречаются генераторы, имеющие устройства для пуска от электрического и (или) теплового сигналов. В качестве первичных средств пожаротушения используются генераторы с ручным пуском.

Тепловой пуск ГОА в настоящее время обычно осуществляется от токонепроводящего шнура (термошнура). Термошнур представляет собой специ­альную пороховую композицию, изготовленную с заданными формой и раз­мерами. Огнепроводной шнур размещают в местах наиболее вероятного воз­никновения загорания в защищаемом помещении. При возникновении пожа­ра он самовоспламеняется. Огневой импульс распространяется по шнуру и приводит в действие генератор. Возможно такое воспламенение огневого шнура от специальных пиромеханических устройств, срабатывающих при достижении в контролируемой зоне защищаемого помещения заданной более низкой температуры, чем температура самовоспламенения огнепроводящего шнура. При таком способе пуск ГОА не требует постоянного источника энергии. Функционирование таких установок осуществляется в автономном режиме. Генераторы, имеющие пуск только от термошнура, могут быть отне­сены к автоматическим огнетушителям после соответствующих исследова­ний и испытаний.

Область применения ГОА. ГОА эффективны при тушении горючих жидко­стей, газов, электрооборудования под напряжением, кабелей, транспортных средств (автомобилей, локомотивов, кораблей и т.п.). К преимуществам АОС можно отнести следующие свойства:

1. более высокая эффективность по сравнению с хладонами;

2. инертность ингибирующего аэрозоля по отношению к озоновому слою ат­мосферы;

3.   сравнительно низкая токсичность;

4.  отсутствие коррозионной активности по отношению металлам всех типов;

5.  диэлектрические свойства;

6.  практически отсутствие воздействия   на книги, предметы искусства, пи­щевые продукты и т.д. Твердые частицы не оказывают вредного действия на одежду и кожные покровы человека, не вызывают порчу имущества, легко удаляются из помещения, например, с помощь. Воды или пылесоса. Аэрозоль раздражает слизистые оболочки органов дыхания и глаз, но это­го можно избежать с помощью простейших защитных приспособлений.

ГОА устанавливаются:

- в производственных помещениях, административных и жилых зданиях;

-  в складских помещениях, хранилищах, гаражах, цехах, офисах, лаборато­риях научных и учебных заведений, на объектах энергетики;

- на железнодорожном и автотранспорте, на морских и речных судах,

Основными характеристиками ГОА, определяющими их потребитель­ские и эксплуатационные свойства, являются:

- масса заряда АОС в генераторе ;

- масса снаряженного генератора;

- время подачи огнетушащего аэрозоля;

- огнетушащая способность аэрозоля, получаемого при работе ГОА;

- температура аэрозольной смеси на срезе выходного отверстия (отверстий) ГОД.

Система аэрозольного пожаротушения позволяет отказаться от приме­нения дорогих и дефицитных насосов, труб, арматуры, баллонов. Это в не­сколько раз сокращает капитальные вложения на их создание и практически исключает эксплуатационные затраты. К тому же она не требует перезарядки.

Сравнительный анализ показывает, что автоматическая система аэро­зольного пожаротушения дешевле порошковой и пенной систем в 5 раз, а га­зового тушения в 50 раз.

Проблемы и пути их решения при установке и использовании ГОА. Дол­гое время считалось, что из-за высокой температуры выходящей из генерато­ра струи газов и аэрозоля, так называемого "фрса", область их ограничена. Многие генераторы до сих пор не оснащены устройством для эффективного снижения температуры образующейся газоаэрозольной смеси. Поэтому при их работе температура продуктов на выходе из генератора может превышать 1000-1500 °С. Образующийся при этом факел пламени (светящаяся часть га­зоаэрозольной струи ГОА) может достигать нескольких метров. Такая струя способна воспламенить горючее вещество, находящееся вблизи генератора, а также тление материалов. При неправильном размещении и применении ГОА, в случае ложных срабатываний устройств их автоматического пуска, они мо­гут служить причиной пожара или способствовать его форсированному раз­витию. По подобной причине в 1997 г. на объектах России произошло не­сколько крупных пожаров.

Свойство аэрозоля находиться во взвешенном состоянии способствует быстрому его уносу из помещения, если оно недостаточно герметично. С увеличением степени негерметичности защищаемого помещения сильно воз­растает масса аэрозолеобразующего состава, необходимая для тушения по­жара, появляется требование по обеспечению заданной интенсивности пода­чи огнетушащей аэрозолеобразующей смеси. Поэтому в помещениях, для ко­торых отношение площади всех постоянно открытых приемок общей пло­щади ограждающих конструкций превышает 1.5 %, применять систему аэро­зольного пожаротушения нецелесообразно.

Для открытых пространств будет характерен тот же эффект. Напри­мер, генератор СОТ-5 и СОТ-5М, разработанные ОАО "Гранит-Саламандра", которые забрасываются в горящее помещение, с массой заряда 3 кг, способны защитить герметическое помещение объемом до 60 м каждый. Однако очень редко на пожаре имеют дело с достаточно герметичными помещениями, поэтому расчетный защищаемый объем для генераторов оперативного применения принят 40 м.

В последнее время разработаны и освоены в производстве модификации генераторов так называемого "холодного" аэрозоля. К ним относятся генераторы серии "МАГ" и некоторые серий "Пурга", "ГАБАР", ГОА-40-72, "СОТ-6". Снижение температуры аэрозольной смеси в генераторах "холодного" аэрозоля достигается либо за счет изменения химического состава ГОА и его конструкции, либо в результате применения специальных охлаждающих насадок ("МАГ", "ВЬЮГА", "ГАБАР", "ОП -517"). В этом случае масса охлаждающего состава может в 1.5-2.0 раз превышать массу заряда АОС, находящегося в генераторе.

В результате применения охладителей удается снизить температуру га­зоаэрозольных продуктов на выходе из генератора до 200-600 ° С. Однако следует иметь в виду следующее обстоятельство, относящееся в основном к генераторам с охлаждающими насадками. В результате "замораживания" процесса догорания продуктов превращения АОС в таких генераторах образующаяся аэрозольная смесь будет содержать продукты неполного сгорания АОС в смесях с веществами, появившимися при разложении охлаждающих добавок. Токсичность таких продуктов гораздо выше токсичности продуктов, образующихся при работе "пламенных" генераторов.

Установлено, что средства аэрозольного пожаротушения не эффективны при тушении материалов, горение которых происходит в тлеющем режиме. При времени свободного горения модельного очага пожара из древесины, превышающем 35 мин, на поверхности горючего материала успевает образоваться обуглившийся слой, т.е. горение распространяется вглубь материал. 

Такой очаг практически невозможно потушить средствами аэрозольного пожаротушения, впрочем и любыми порошковыми составами. После подачи огнетушащего аэрозоля прекращается лишь пламенное горение, однако в дальнейшем остающийся очаг тления в результате снижения концентрации аэрозоля в защищаемом объеме приводит к разгоранию древесины о возобновлению пламенного горения. Поэтому при наличии а защищаемом помещении материалов, горение которых может происходить в тлеющем режиме, в реальных условиях речь может идти лишь о локализации пожара в результате применения средств аэрозольного пожаротушения. 

Тушение таких пожаров может достигаться только в том случае, если будет обеспечена подача огнетушащего аэрозоля в защищаемый объем не позднее, чем через 1 мин после возникновения загорания.

Основным недостатком "пламенных" ГОА является наличие пламени и высокотемпературного аэрозольного факела, а также работа ГОА приводит к сильному задымлению повешения, исключающему возможность ориенти­рования в нем.

Работа ГОА сопровождается выделением в защищаемый объем газооб­разных продуктов, нагретых до высокой температуры. Это приводит к повы­шению температуры и давления в защищаемом помещении, в результате чего могут вскрыться ограждающие конструкции, и система не обеспечит туше­ния пожара. Установлено, что максимальное значение давления в защищае­мом помещении наблюдается в начальный период работы генератора. Максимальное значение температуры и содержание огнетушащего аэрозоля, на­против, реализуется в конце работы генератора. Очевидно, что значения этих параметров очень сильно зависят от степени негерметичности защищаемого помещения и времени работы ГОА. В наиболее неблагоприятных случаях температура газовой среды в защищаемом помещении может достигать 400 °С, повышение давления может составлять -30 кПа.

Имеется довольно больше количество веществ, материалов и оборудо­вания, которые могут быть повреждены огнетушащим аэрозолем, образую­щимся при срабатывании системы. Поэтому при решении вопроса о приме­нении средств аэрозольного пожаротушения в каждом конкретном случае необходимо учитывать эти обстоятельства.

Следует заметить, что отрицательное воздействие огнетушащего аэро­золя на процесс деструкции различных материалов можно в значительной степени уменьшить, изменив состав АОС таким образом, чтобы в продуктах, образующихся при его сгорании, не содержалось веществ, имеющих щелоч­ную реакцию.

Используемые в настоящее время на практике установки аэрозольного пожаротушения могут содержать от одного до сотни ГОА. При этом все они должны размещаться в защищаемом помещении. При тушении пожара алго­ритм запуска этих генераторов должен обеспечить подачу в защищаемое помещение огнетушащего аэрозоля в течение заданного времени с опреде­ленной интенсивностью, сохраняя при этом целостность ограждающих кон­струкций. Это достигается определенной последовательностью запуска ГОА, которую определяют с учетом параметров работы генераторов, используе­мых для защиты данного помещения. Предусмотрены даже определенные ограничения на оперативное применение ГОА. Запрещается их применение: в помещениях, в которых находятся люди; при отсутствии признаков пла­менного горения; в случаях, когда выход аэрозоля через неплотности и про­емы в горящем помещении будет препятствовать эвакуации людей.

Токсические свойства АОС. Круг проблемных вопросов разработки и вне­дрения установок аэрозольного объемного пожаротушения включает всесто­роннюю оценку безопасности их применения. Приоритетная значимость та­кой оценки очевидна в отношении установок, предназначенных для защиты помещений, в которых осуществляется трудовая деятельность людей.

Важной эксплуатационной характеристикой качества ГОА считается токсилогическая безопасность, так как выделяющиеся при его запуске продукты содержат в себе в том или ином количестве вредные химические со­единения. В газовой фазе это прежде всего оксиды углерода (СО, СО2) и оксиды азота (NxOy). Дополнительно могут присутствовать аммиак (NH3) и другие токсичные газы. Конденсированная фаза аэрозоля представлена в основном высокодисперсными твердыми частицами солей и оксидов щелочных металлов, гидрокарбоната аммония. Сведения о токсической опасности АОС разноречивы. По мнению некоторых специалистов, смеси паров, газов и дисперсной фазы аэрозоля, образующиеся при сгорании тушащих композиций, практически не содержат коррозионоактивных и вредных токсичных компонентов. Согласно другому заключению, воздействие продуктов горения АОС в огнетушащих концентрациях не приводит в экспериментах к гибели животных и к развитию острого отравления, но вызывает некоторые нарушения в системах организма. Выявленные изменения состояния обратимы и через 1-10 суток после экспозиции исчезают. Кроме того, анализ результатов экспериментальных исследований позволяет обозначить еще одну ступень в шкале оценок токсичности продуктов горения АОС. Ей соответствует высокая степень потенциальной опасности отдельных композиций, подтверждаемая случаями летального исхода во время и после затравки лабораторных животных, потерей ими двигательной способности, другими клиническими признаками тяжелого отравления с критическими для выживания нарушениями деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Токсические свойства продуктов горения тушащих композиций предопределяются химической активностью ингредиентов их рецептур. Некоторые специалисты считают, что перспективные композиции не должны содержать атомы хлора, CNT-группы, фосфор, серу. Имеют значение также соотношения ингредиентов, содержание в рецептуре окислителя, технология изготовления заряда.

Предпринимались попытки обосновать допустимое время пребывания человека в "атмосфере" огнетушащего аэрозоля без средств защиты. Конечные результаты этих попыток неоднозначны. Например, при сгорании СБК-2 при величинах удельного расхода состава, равных 30, 60, 100 г/м3, они соответствуют 15; 7.5; 5 мин. В экспериментах обнаружена низкая токсичность продуктов горения СБК-2, зависящая главным образом от содержания в них оксида углерода.

На основании результатов токсилогических исследований ведущими (по степени опасности) компонентами летучих продуктов горения АОС признаются оксид углерода, оксиды азота и твердая фаза аэрозоля, в которой преобладают частицы размерами до 5 мкм. Выраженное токсическое действие среды, которая формируется в замкнутом объеме при сгорании АОС, следует ожидать в тех случаях, когда фактические концентрации СО и NxOy более высокие, чем их уровни, допустимые в аварийных условиях. При низком содержании СО и NxOy более заметным будет раздражающее действие среды на органы дыхания вследствие проникновения в дыхательные пути высокодисперсных твердых частиц солей калия в больших количествах.

При сгорании состава СБК-2 человек может некоторое время пребывать в "атмосфере" огнетушащего аэрозоля. Но противоположный результат был получен при экспериментальном изучении действия на живой организм продуктов горения композиций СТК-268, СТК-111, СТК-47 и

ПАС-11-8. Как выяснилось, основными токсическими компонентами изучаемых газоаэрозольных смесей являлись оксиды азота и оксид углерода, концентрации которых существенно превышали регламентированные для аварийных ситуаций уровни, а также твердые частицы солей калия. Однократная 5-минутная экспозиция животных в такой среде обуславливала изменения состояния организма, характеризующиеся эффектами взаимного потенцирования действия указанных компонентов, острыми нарушениями деятельности сердца и органов дыхания, выраженными морфологическими повреждениями слизистой оболочки дыхательных путей и ткани легких, достоверными сдвигами биохимических показателей.

По совокупности сделан вывод о невозможности нахождения человека в среде, формирующейся в замкнутом объеме при сгорании композиций СТК-268, СТК-111, СТК-47 и ПАС-11-8 в огнетушащих композициях, если он не имеет средств защиты органов дыхания.

По результатам токсилогических исследований установлено, что даже ограниченное время нахождения человека в "атмосфере" огнетушащего аэрозоля опасно для здоровья. Поэтому профилактике отравлений людей при применении систем аэрозольного пожаротушения должно уделяться первоочередное внимание разработчиков и проектантов. Необходимо обеспечить условия эвакуации из помещений, оборудованных ГОА, и своевременое оповещение о предстоящем их запуске. Но вместе с тем важно, чтобы генераторы, размещаемые в помещениях, где постоянно или временно находятся люди, соответствовали определенным критериям токсилогической безопасности.