Spalanie i pożar, podział i klasyfikacje.

Nasze rozważania dotyczące pożaru powinniśmy rozpocząć od definicji spalania. Termin spalanie odnosi się zwykle do reakcji związanej z wydzielaniem ciepła, chemicznej pomiędzy jakąś substancją i tlenem. Spalanie często utożsamiane jest z utlenianiem, jednak nie każdy proces utleniania jest jednocześnie procesem spalania.[1] Proces spalania zobrazowano na schemacie nr 1 w postaci czworokąta spalania.

Schemat  1. Czworokąt spalania.

Źródło: opracowanie własne

Z przedstawionego schematu wynika, iż jest ścisła zależność pomiędzy paliwem, utleniaczem a wydzielanym ciepłem. Spalanie wszystkich ciał zarówno gazowych jak i stałych nie zachodzi w powietrzu w drodze zderzania się cząstek paliwa i utleniacza, zachodzi w sposób pośredni. Przykładem czego jest reakcja spalania wodoru w tlenie, polegająca na bezpośredniej reakcji wodoru i tlenu, wynikiem wielu reakcji pośrednich z udziałem wolnych rodników H, O oraz OH w efekcie czego produktem końcowym tej reakcji jest woda. Możemy przeanalizować tę rekcję:

H + O₂ → OH + O

W przedstawionej reakcji atom wodoru może zareagować z cząsteczką tlenu, tworząc dwa bardzo reaktywne obiekty OH oraz O. Rodnik hydroksylowy OH, który bardzo szybko reaguje z H­₂. Dalej reakcja przebiega następująco:

OH + H₂ → H₂O + H

Na tym etapie atom H podtrzymuje reakcję łańcuchową. Jednocześnie atom tlenu wytworzony w pierwszej rekcji tworzy z H₂ dodatkowe przenośniki łańcucha.

O + H2 → OH + H

W taki sposób atom wodoru w mieszaninie wodoru i tlenu przy jednoczesnym podwyższonej temperaturze powoduje powstanie cząsteczek wody i nowych cząsteczek wodoru.

H + O → OH

H + OH → H₂O

Aby proces spalania mógł w ogóle zaistnieć konieczne jest spełenie kilku podstawowych warunków. Przede wszystkim do zaistnienia procesu spalania niezbędny jest utleniacz, który w dalszym etapie procesu utlenia materiały palne. Utlenianie jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie. Polega na reakcji materiału z utleniaczem, utleniaczem najpowszechniejszym jest tlen inne to fluor, chlor oraz np. H2O2, Mg2+, SO42–, NO3–,MnO4–, Cr2O72–. Szybkość reakcji utleniania jest to ilość substancji utlenionej w jednostce czasu. W najprostszym ujęciu proces ten polega na połączeniu się i innym pierwiastkiem chemicznym. W normalnych warunkach proces ten zachodzi wolno np. rdzewnie. Szybkość przemiany zależy nie tylko od budowy substancji chemicznej lecz również od warunków zewnętrznych, szczególnie od temperatury. Zależność szybkości reakcji od temperatury opisuje równanie Arrheniusa:

k = k_o x e ^-Ea/RT

gdzie:

Ea – jest energią aktywacji (J/mol)

R – jest stałą gazową (8,314 J/K x mol)

T – temperatura (K)

k_o – stałą szybkości (s^-1)

Zgodnie z teorią zdarzeń aktywnych przemiana chemiczna zachodzi po zderzeniu ze sobą reagujących ze Sobą cząsteczek. Liczba takich zderzeń jest bardzo duża i sięga miliarda. Przykładowo w przypadku gdy jakaś reakcja zachodzi wg schematu[2]

AB + C = AC + B

W pierwszym etapie ulega osłabieniu, w kolejnym następuje rozerwanie wiązań między cząsteczkami, w kolejnym następuje proces utleniania i spalania. Na rozerwanie wiązań między cząsteczkami potrzebna jest właśnie energia aktywacji. Proces pokazano na rysunku

Rysunek  1. Energia aktywacji. Źródło: M. Profit-Sczepańśka, Wybrane Zagadnienia z chemii ogólnej, fizykochemii spalania i rozwoju pożarów, Szkoła Aspirantów PSP, [brak roku] Kraków, s.20

W praktyce można sformułować tezę, iż spalaniu ulegają materiały, które w swoim składzie zawierają minimum 40% węgla. Węgiel jest jednym z podstawowych składników wszystkich materiałów organicznych. W dalszym etapie potrzebne jest źródło zapłonu, wśród których wyróżniamy.

Podział źródeł zapłonu ze względu na ich rodzaj:

• wewnętrzne źródła zapłonu,
  • reakcje chemiczne (metale alkaiczne z wodą np. sód, potas)
  • procesy biologiczne
  • reakcje fotochemiczne lub fototermiczne
  • procesy fizyczne
• zewnętrzne źródła zapłonu
  • płomień otwarty i gorące gazy
  • gorące powierzchnie zewnętrzne
  • ciepło powstające w wyniku tarcia
  • ciepło sprężania
  • iskry mechaniczne
  • instalacje elektryczne
  • wyładowania atmosferyczne
  • wyładowania elektryczności statycznej

Ciągłość spalania podtrzymuje proces pirolizy. Piroliza – polega na rozpadzie cząsteczek związków chemicznych o większych masach cząsteczkowych na cząsteczki mniejsze.[3] Piroliza zatem warunkuje podtrzymanie procesu spalania, efektem czego jest spalanie. Po zaistnieniu procesu spalania, gdy w miejscu jego wystąpienia jest dostateczna ilość materiału palnego, utleniacza (tlenu), dochodzi do pożaru. Pożar zdefiniować możemy jako niekontrolowany proces spalania w miejscu do tego nieprzeznaczonym.[4] Co zobrazowano na schemacie nr 2.

Schemat  2. Przebieg procesu spalania.

Źródło: Wykład: mgr. inż. Szymon Gwóźdź, wykład fizykochemii spalania, WSB Dąbrowa Górnicza, 27.02.2015.

Powyższy schemat wymaga krótkiego omówienia. Mianowicie po zaistnieniu procesu spalania w sytuacji kiedy mamy dostateczną ilość materiału palnego i utleniacza rozpoczyna się reakcja, która polega na gwałtownym utlenianiu się materiału. Na skutek inicjału podgrzewania materiału wydzielają się gazy pożarowe, które się podgrzewając ulegają spalaniu. Ta reakcja jest podtrzymywana albo do momentu wyczerpania się jednego ze składników czworokątu spalania lub jego oddzieleniu przy użyciu odpowiednich środków. Reakcje zachodzące podczas pożaru podzielić możemy:

Ze względu na typ:

Ze względu na ich rodzaj

Za szybkość wyżej wymienionych reakcji odpowiadają katalizatory lub inhibitory. Katalizatory są to substancje, które przyśpieszają tempo reakcji chemicznych, inhibitorami natomiast są substancje, które rekcje te spowalniają. Poza wyżej wymienionymi podziałami typów reakcji, pożary sklasyfikować można ze względu na rodzaj materiału palnego.

Widocznym efektem procesu spalania jest płomień i produkty spalania. Najbardziej znanym płomieniem jest płomień dyfuzyjnym jest płomień świecy, na jego przykładzie zobrazujemy wszystkie etapy procesu spalania.

Rysunek 2. Zjawiska i procesy w płomieniu. Źródło: M. Profit-Sczepańśka, Wybrane Zagadnienia z chemii ogólnej, fizykochemii spalania i rozwoju pożarów, Szkoła Aspirantów PSP, [brak roku] Kraków, s.26

„Z chwilą zapalenia pod wpływem ciepła promieniowania, wosk mięknie i topi się. Działaniem sił kapilarnych po knocie wędruje do góry. W temperaturze 600-800^o C na powierzchni knota ulega rozkładowi termicznemu. Powstałe produkty rozkładu migrują do różnych części knota i dostają się do wewnętrznej części płomienia lub też unoszone prądami konwekcyjnymi osiągają zewnętrzna warstwę płomienia.. W skutek czego powietrze jest zużywane w zewnętrznej części płomienia, w części wewnętrznej płomiena powstałe z rozkładu (pirolizy) fragmenty paliwa ulegają dalszemu rozpadowi tworząc produkty. Produkty te wędrują do rejonów, gdzie temperatura osiąga 1000^o C. Tam ulegają one spaleniu tworząc CO₂m oraz częściowo w wyniku różnych przemian prowadzą do powstania sadzy.”[5]

[1] NN, „Fizykochemia spalania i środki gaśnicze, dla słuchaczy kursu kwalifikacyjnego szeregowych PSP”, Szkoła Głowna Służby Pożarniczej, Warszawa 2005, s. 4

[2] M. Profit-Sczepańśka, Wybrane Zagadnienia z chemii ogólnej, fizykochemii spalania i rozwoju pożarów, Szkoła Aspirantów PSP, [brak roku] Kraków, s.19

[3] Źródło: http://encyklopedia.pwn.pl/haslo/piroliza;3957622.html, data dostępu: 18.12.2016 r.

[4] Wykład: mgr. inż. Szymon Gwóźdź, wykład fizykochemii spalania, WSB Dąbrowa Górnicza, 27.02.2015.

[5] M. Profit-Sczepańśka, Wybrane Zagadnienia z chemii ogólnej, fizykochemii spalania i rozwoju pożarów, Szkoła Aspirantów PSP, [brak roku] Kraków, s.27