PODSTAWOWE POJĘCIA DOTYCZĄCE SPALANIA

I POŻARÓW

materiały pomocnicze

CO TO JEST „POŻAR”?

Pożar jest procesem utleniania się materiałów palnych, czyli łączenia się materiałów palnych z tlenem. Ten proces utleniania przebiega w sposób gwałtowny. Utlenianie jest zjawiskiem bardzo powszechnie występującym w przyrodzie. Polega ono na egzotermicznej (z wydzielaniem ciepła) reakcji materiału z tlenem (np. rdzewienie metali, butwienie związków organicznych, itp.). Szybkość utleniania wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Spalanie jest więc skomplikowanym procesem fizyko-chemicznym. Podczas spalania spotykamy się z wydzielaniem ciepła, światła oraz produktów spalania w postaci dymu i popiołów. Łączenie się materiału palnego z tlenem jest poprzedzone termicznym rozpadem cząsteczek na atomy, które łatwiej wchodzą w reakcje; znane są one pod nazwą „wolnych atomów”. Rozpad ten wymaga pewnej minimalnej temperatury, zwanej temperaturą zapłonu. Aby kontynuować proces palenia, musimy ciągle dostarczać nowego paliwa-materiału palnego. Obydwa czynniki - paliwo (materiał palny) i utleniacz (tlen) - muszą być dostarczone w ilościach wystarczających do prowadzenia tego procesu oraz w odpowiednich proporcjach. Postęp tej reakcji w wielu kierunkach zależy od stanu skupienia materiału palnego, jego reaktywności, stężenia tlenu w atmosferze oraz od innych czynników (wilgotność, rozdrobnienie materiału palnego ...). Możemy wyróżnić dwa rodzaje palenia się: płomieniowe i bezpłomieniowe. Spalanie bezpłomieniowe, tzw. żarzenie się, jest przykładem powolnego utleniania się, podczas którego materiał palny znajduje się w stanie stałym. Spalanie płomieniowe jest przykładem szybszego utleniania się, podczas którego materiał palny jest gazem lub parą. Stąd już krok do sformułowania bardzo prostej i obejmującej całość zagadnienia definicji pożaru. Mianowicie pożar jest niekontrolowanym procesem palenia się, występującym w miejscu do tego nie przeznaczonym, rozprzestrzeniającym się w sposób niekontrolowany, powodującym zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi i zwierząt oraz straty materialne. Do cech charakterystycznych pożaru zaliczyć możemy:

- możliwość występowania wysokiej temperatury,

- wysokie promieniowanie cieplne,

- wydzielanie się dużych ilości produktów spalania,

- niekontrolowane rozprzestrzenianie się ognia.

Z pożarem związane są zawsze trzy podstawowe czynniki: materiał palny, ciepło (bodziec energetyczny, energia aktywacji) i utleniacz (najczęściej jest to tlen, i o tego typu pożarach będziemy mówić). Wzajemne zależności pomiędzy tymi czynnikami, określające przebieg procesu palenia, można przedstawić symbolami w postaci tzw. trójkąta pożaru, którego boki przedstawiają materiał palny, ciepło i utleniacz. Przedstawiony tutaj „trójkąt pożaru” stanowi podstawę do dalszych rozważań obejmujących przyczyny powstawania i rozprzestrzeniania się pożaru, a także zagadnienia związane ze środkami gaśniczymi.

UTLENIACZ

CIEPŁO MATERIAŁ PALNY

Współistnienie tych trzech czynników w jednym miejscu, w jednym czasie i w odpowiednich proporcjach warunkuje zapoczątkowanie i rozwój pożaru. Stąd łatwo można wywnioskować, że brak któregokolwiek z tych czynników spowoduje przerwanie procesu palenia, czyli przerwanie łańcuchowej reakcji spalania, co będzie równoznaczne z ugaszeniem pożaru.

Jak już wspomniałem, pierwszym z niezbędnych do powstania i rozwoju pożaru elementów jest materiał palny, który może występować w stanie skupienia stałym, ciekłym lub gazowym. Stałe materiały palne mogą także występować w różnych stopniach rozdrobnienia.

Drugim z niezbędnych elementów jest utleniacz. Jak już zaznaczyłem, ograniczymy się do tlenu. Tlen atmosferyczny jest czynnikiem podtrzymującym palenie w przeważającej ilości występujących pożarów. Tlen jest pierwiastkiem chemicznym, występującym w normalnych warunkach w postaci gazu. Łatwo wchodzi w reakcje chemiczne z innymi pierwiastkami i związkami. W atmosferze ziemskiej jest ponad 20% tlenu. Dzięki niemu istnieje życie na ziemi, i jak już wspomniano - to on podtrzymuje palenie.

Trzecim z niezbędnych do zapoczątkowania i podtrzymywania procesu palenia jest ciepło. Ciepło umożliwia osiągnięcie przez materiał palny odpowiedniej temperatury, która warunkuje przebieg reakcji spalania. Ciepło (energia cieplna) może rozprzestrzeniać się poprzez:

- unoszenie, czyli przemieszczanie za pośrednictwem cząstek nagrzanego powietrza,

- przewodzenie, czyli poprzez nagrzewanie się kolejnych części materiałów,

- promieniowanie.

W zależności od rodzaju materiału palnego, jego stanu skupienia oraz jego rozdrobnienia różna jest ilość ciepła, czyli niezbędna do zapoczątkowania procesu palenia wielkość bodźca energetycznego.

Inicjowanie procesu spalania:

• Zapalenie

• Zapłon

• Samozapalenie

Zapalenie polega na równomiernym ogrzaniu materiału palnego do takiej temperatury, w której zapali się on samorzutnie w całej masie bez udziału tzw. punktowego bodźca energetycznego.

Zapłon to zapalenie cieczy palnej punktowym bodźcem energetycznym (dzieje się to w ograniczonej przestrzeni a czoło płomienia przemieszcza się następnie już samoczynnie na całą pozostałość mieszaniny) - dotyczy tylko cieczy palnych.

Samozapalenie - proces zachodzącym w wyniku procesów biologicznych lub fizycznych i chemicznych (egzotermicznych) materiałów, przy czym samonagrzewanie się materiałów a następnie ich zapalenie następuje bez zewnętrznego bodźca termicznego (np. samozapalenie zestogowanych płodów rolnych, samozapalenie w wyniku egzotermicznej reakcji chemicznej itp.).

Temperatura zapalenia jest to najniższa temperatura materiału, który ogrzewany strumieniem ciepła dostarczonym z zewnątrz w wyniku rozkładu termicznego wydziela palną fazę lotną o stężeniu umożliwiającym jego zapalenie się, tzn. samorzutne pojawienie się płomienia.

Temperatura zapłonu jest to najniższa temperatura cieczy ogrzewanej w ściśle określony sposób, której pary tworzą z powietrzem mieszaninę zapalającą się przy zbliżeniu płomienia. Temperatura zapłonu charakteryzuje tylko ciecze palne.

JAK DZIELIMY POŻARY?

Obecnie stosowany jest podział pożarów na cztery grupy, które przedstawiono w poniższej tabeli:

GRUPA POŻARÓW	OKREŚLENIE RODZAJU POŻARÓW
A	Pożary ciał stałych pochodzenia organicznego, podczas spalania których występuje zjawisko żarzenia się (drewno, papier, węgiel ...).
B	Pożary cieczy palnych i ciał stałych topiących się podczas palenia (benzyna, nafta, rozpuszczalniki, alkohole ...).
C	Pożary gazów (metan, gaz ziemny, acetylen...).
D	Pożary metali (sód, potas, magnez ...).

Oprócz tych grup stosowany jest jeszcze symbol E oznaczający pożar z grup A, B, C lub D występujący w obrębie urządzeń elektrycznych pod napięciem.

Na potrzeby sporządzania dokumentacji zdarzeń ustala się podział pożarów według ich wielkości:

1. pożar mały - występuje, jeśli w jego wyniku zostały spalone lub zniszczone:

1. obiekty lub ich części, ruchomości, składowiska materiałów, maszyny, urządzenia, surowce, paliwa itp., o powierzchni do 70 m² lub objętości do 350 m³,

2. lasy, uprawy, trawy, torfowiska i nieużytki, o powierzchni nie większej niż 1 ha,

2. pożar średni - występuje, jeśli w jego wyniku zostały spalone lub zniszczone:

1. obiekty lub ich części, ruchomości, składowiska materiałów, maszyny, urządzenia, surowce, paliwa itp., o powierzchni od 71 do 300 m² lub objętości od 351 do 1500 m³,

2. lasy, uprawy, trawy, torfowiska i nieużytki, o powierzchni powyżej 1 ha i nie większej niż 10 ha,

3. pożar duży - występuje, jeśli w jego wyniku zostały spalone lub zniszczone:

1. obiekty lub ich części, ruchomości, składowiska materiałów, maszyny, urządzenia, surowce, paliwa itp., o powierzchni od 301 do 1000 m² lub objętości od 1501 do 5000 m³,

2. lasy, uprawy, trawy, torfowiska i nieużytki, o powierzchni powyżej 10 ha i nie większej niż 100 ha,

4. pożar bardzo duży - występuje, jeśli w jego wyniku spalone lub zniszczone powierzchnie lub objętości przekraczają wartości podane w punkcie 3.

Przy ustaleniu wielkości pożarów, w stosunku do których nie można zastosować kryteriów określonych w poprzednim zapisie, w szczególności w przypadku pożarów odwiertów naftowych, rurociągów gazowych, paliwowych, urządzeń technologicznych poza budynkami, przyjmuje się następujące kryteria wielkości pożarów:

1. pożar mały - jeżeli podano do 4 prądów gaśniczych,

2. pożar średni - jeżeli podano 5-12 prądów gaśniczych,

3. pożar duży - jeżeli podano 13-36 prądów gaśniczych,

Wykaz przyczyn powstania pożarów:

• 01 nieostrożność osób dorosłych (NOD) przy posługiwaniu się ogniem otwartym, w tym papierosy, zapałki,

• 02 NOD przy wypalaniu pozostałości roślinnych na polach,

• 03 NOD przy posługiwaniu się substancjami łatwo palnymi i pirotechnicznymi,

• 04 NOD przy prowadzeniu prac pożarowo - niebezpiecznych,

• 05 NOD w pozostałych przypadkach,

• 06 nieostrożność osób nieletnich (NON) przy posługiwaniu się ogniem otwartym, w tym papierosy, zapałki,

• 07 NON przy wypalaniu pozostałości roślinnych na polach,

• 08 NON przy posługiwaniu się substancjami łatwo palnymi i pirotechnicznymi,

• 09 NON przy prowadzeniu prac pożarowo niebezpiecznych,

• 10 NON w pozostałych przypadkach,

• 11 wady urządzeń i instalacji elektrycznych, w szczególności przewody, osprzęt oświetlenia, odbiorniki bez urządzeń grzewczych,

• 12 nieprawidłowa eksploatacja urządzeń i instalacji elektrycznych,

• 13 wady elektrycznych urządzeń ogrzewczych, w szczególności piece, grzałki, kuchnie,

• 14 nieprawidłowa eksploatacja elektrycznych urządzeń ogrzewczych,

• 15 wady urządzeń ogrzewczych na paliwo stałe,

• 16 nieprawidłowa eksploatacja urządzeń ogrzewczych na paliwo stałe,

• 17 wady urządzeń ogrzewczych na paliwo ciekłe,

• 18 nieprawidłowa eksploatacja urządzeń ogrzewczych na paliwo ciekłe,

• 19 wady urządzeń ogrzewczych na paliwo gazowe,

• 20 nieprawidłowa eksploatacja urządzeń ogrzewczych na paliwo gazowe,

• 21 wady urządzeń mechanicznych,

• 22 nieprawidłowa eksploatacja urządzeń mechanicznych,

• 23 wady procesów technologicznych,

• 24 nieprzestrzeganie reżimów technologicznych,

• 25 nieprawidłowe magazynowanie substancji niebezpiecznych,

• 26 wady środków transportu,

• 27 nieprawidłowa eksploatacja środków transportu,

• 28 samozapalenia biologiczne,

• 29 samozapalenia chemiczne,

• 30 wyładowania atmosferyczne,

• 31 wady konstrukcji budowlanych,

• 32 nieprawidłowa eksploatacja konstrukcji budowlanych,

• 33 elektryczność statyczna,

• 34 podpalenia umyślne, w tym akty terroru,

• 35 pożary jako następstwo innych miejscowych zagrożeń,

• 36 inne przyczyny,

• 37 nieustalone.

ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE PROCESOWI SPALANIA

Wymiana ciepła w środowisku pożarniczym Istnieją trzy podstawowe mechanizmy transportu ciepła w środowisku pożarniczym:

• przewodzenie - kondukcja

• unoszenie - konwekcja

• promieniowanie - radiacja

Wymiana cieplna - ruch ciała w danej przestrzeni zachodzący w skutek istnienia różnicy temperatury. Wymiana cieplna może być ustalona (temperatura zależy od położenia punktu w przestrzeni) i nieustalona (zależy także od czasu). Wymiana ciepła może odbywać się w wyniku przewodzenia, promieniowania, konwekcji, wnikania lub w sposób złożony np.: przenikanie.

Przewodzenie ciepła - kondukcja Jest to wymiana ciepła polegająca na przekazywaniu energii cieplnej między punktami ośrodka, bez przemieszczania jego elementów w kierunku zmiany temperatury i bez udziału sił elektromagnetycznych w ten sposób występuje np.: w szybie okiennej lub w ścianie budynku. Przewodzone ciepło określa szybkość przewodzenia ciepła w ciałach stałych. Jest to ważny element biorąc pod uwagę zapalność i szybkość rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni ciał starych, czyli w początku pierwszej fazy pożaru. Przewodnictwo ciepła decyduje o tym jak szybko materiał ogrzewa się, rozkłada termicznie itd. Przewodnictwo ciepła jest również istotne przy obliczaniu odporności ogniowej elementów budowlanych.

Promieniowanie cieplne - radiacja Promieniowanie jest dominującym i zasadniczym sposobem przenoszenia ciepła przy pożarach. W skutek oddziaływania na materiał strumień ciepła promieniowania, ulegają one ogrzaniu i w konsekwencji dalszym przemianom aż do wystąpienia zapalenia. Promieniowanie warunkuje również ciągłość spalania materiałów i jest ono odpowiedzialne za szybkość rozwoju pożarów na otwartych przestrzeniach np.: pożarów lasów oraz za ogrzewanie budynków. Powstała ilość ciepła wydzielonego w płomieniach jest przenoszona do otoczenia drogą promieniowania. Jest to wymiana cieplna polegająca na emitowaniu fal elektromagnetycznych o długości 0,8 -40 (im (promieniowanie podczerwone). Strumień energii cieplnej wymienionej przez promieniowanie zależy od różnicy temperatury źródła promieniowania i powierzchni odbierającej ciepło.

Konwekcja - unoszenie się ciepła. Jest to wymiana ciepła polegająca na przepływie ciepła spowodowanym naturalnym lub wymuszonym przemieszczaniu się płynu (gazu lub cieczy). Konwekcja naturalna jest wywołana różnicą gęstości płynu powstały np.: wskutek różnicy temperatury w polu grawitacyjnym. Konwekcja wymuszona jest wywołana działaniem sił zewnętrznych. Konwekcyjne przenoszenie ciepła ma miejsce we wszystkich fazach rozwoju pożaru, ale szczególnie istotna jest w tej fazie pożaru gdzie strumień ciepła promieniowania jest bardzo mały. Wymiana ciepła przez konwekcję naturalną występuje np.: w przestrzeni pokoju.

Wnikanie ciepła - jest to wymiana ciepła między ciałem stałym a płynem będącym w ruchu np.: wnikanie ciepła od strony rur podgrzewacza do płynącej w nich wody.

Produkty spalania Produktami spalania nazywamy pary, gazy i ciała stałe powstałe w wyniku procesów spalania. W warunkach pożarowych produkty spalania o różnych stanach skupienia współdziałają ze sobą w obszarze spalania i przenoszenia się ciepła. Wydzielanie się produktów spalania podczas pożaru stanowi niebezpieczeństwo ze względu na:

ograniczenie widoczności

utrudnienie oddychania spowodowane ich działaniem toksycznym oraz
występującym niedoborem tlenu

działanie termiczne (wysoka temperatura mogąca uszkodzić układ oddechowy).
Wszystkie te czynniki ograniczają czas ewakuacji i powodują ogromne trudności podczas akcji ratowniczej. Agresywność chemiczną produktów spalania powodują także wtórne straty z samego działania ognia. Produkty spalania dzielą się na produkty całkowitego spalania i produkty niecałkowitego spalania.

Produkty całkowitego spalania Produktami całkowitego spalania nazywa się produkty powstałe podczas spalania, nie mające zdolności do dalszego utleniania w warunkach, w których były otrzymane np.: C0₂, H₂0,S02,P₂0₅.

Produkty niecałkowitego spalania. Produktami niecałkowitego spalania nazywa się produkty powstałe podczas spalania przebiegającego przy ograniczonym dostępie powietrza np.: CO, P₂O₃ itp.

Dym definiuje się jako gazowe produkty spalania materiałów organicznych, w których rozproszone są małe cząsteczki gazowe i ciekłe. Sposób tworzenia się dymu jest następujący: cząstki dymu powstają w wyniku niecałkowitego spalania. Powstają one zarówno podczas spalania płomieniowego jak i bezpłomieniowego (tlenia). Dym tworzący się podczas spalania płomieniowego składa się przede wszystkim ze stałych cząstek węgla (sadzy). Część cząstek sadzy powstaje przez oblepienie ciekłych produktów spalania w warunkach oddziaływania wysokoenergetycznego strumienia ciepła płomienia. Większość jednak cząstek sadzy tworzące się w fazie gazowej powstają jako wynik niecałkowitego spalania, wysokiej temperatury. Ilość tworzącego się dym jest zależna od wielu czynników. Najważniejszym jest chemiczna budowa paliwa np.: małe ilości CO, HCOH, HCOOH, CHaOH spalają się dając płomień nieświecący, bez cząstek dymu. Inne paliwa w identycznych warunkach dają gęstość dymu zależną od ich budowy np.: proste łańcuchowe węglowodory (alifatyczne) dają znacznie mniej dymu niż węglowodory aromatyczne. Intensywność dymienia materiału zależy również od szybkości rozkładu termicznego i szybkości zapalenia, składu chemicznego podstawowego składnika oraz rodzaju dodatków: wypełniacz i materiał ognioodporny. Materiały, które mają w cząsteczce tlen dają podczas spalania mniejsze ilości dymu np.: drewno (stężenie tlenu ok. 40 - 50 %) dają znacznie mniej dymu niż węglowodory.

Powstawanie strefy zadymienia Podczas pożaru dum mieszając się z powietrzem może rozprzestrzeniać się na znaczne odległości i wypełniać duże pomieszczenia. Strefą zadymienia nazywamy te odcinki, w ramach których produkty spalania i rozkładu wywierają istotny wpływ na sytuację pożaru. Strefa zadymienia według definicji to przestrzeń podsufitowa, która jest zapełniona dymem aerozolowym, w takim stężeniu, które stwarza zagrożenie zdrowiu lub życiu ludzi, którzy w niej przebywają. Dym to faza produktów rozkładu termicznego i spalania materiału rozpraszająca światło, składającego się z cząstek które stanowić mogą kropelki cieczy, fragmenty gazowe i ciekłe. Strefa charakteryzuje się tym, że jej temperatura jest zdecydowanie wyższa niż powietrza przy podłodze - gdzie często powietrze jest przezroczyste. Jeżeli pomieszczenie nie posiada otworów okiennych, a drzwi do niego są zamknięte gazy i dym wypełniają całe pomieszczenie tłumiąc tym samym rozwój pożaru poprzez redukcję tlenu w powietrzu, ale stwarzając nowe zagrożenie jak np.: wsteczny ciąg płomieni. W warunkach pożarów zewnętrznych położenie strefy zadymienia zależy od rozmiaru powierzchni pożaru i warunków atmosferycznych. Parametrami określającymi strefę zadymienia są:

• stężenie tlenu, które nie może być niższe od 12%, gdyż już tak niskie stężenie wywołuje głód tlenowy.

• ilość toksycznych produktów spalania i pirolizy

• stopień widoczności (zasięg).

WYKRES FAZOWY POŻARU WEWNETRZNEGO

ZAGROŻENIE WYBUCHEM

DOLNA GRANICA WYBUCHOWOŚCI - minimalna zawartość składnika palnego w mieszaninie z powietrzem, przy której zapłon jest już możliwy

GÓRNA GRANICA WYBUCHOWOŚCI - maksymalna zawartość składnika palnego w mieszaninie z powietrzem, przy której zapłon jest jeszcze możliwy

Ocena zagrożenia wybuchem pomieszczeń oraz przestrzeni zewnętrznych obejmuje wskazanie pomieszczeń zagrożonych wybuchem, a także wyznaczenie w pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych odpowiednich stref zagrożenia wybuchem.Za dokonanie powyższej oceny są odpowiedzialni: inwestor, jednostka projektowania lub użytkownik decydujący o procesie technologicznym. W pomieszczeniu należy wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem, jeżeli może w nim wystąpić mieszanina wybuchowa o objętości co najmniej 0,01 m³ w zwartej przestrzeni.

GRANICE WYBUCHOWOŚCI NIEKTÓRYCH SUBSTANCJI

Nazwa substancji	Granice wybuchowości (% obj)
		dolna	górna
Aceton	2,1	13,0
Acetylen	2.3	82.0
Alkohol etylowy	3,1	20,0
Alkohol metylowy	5,5	36.5
Amoniak	15,0	28,0
Benzyna samochodowa	0.8	7,6
n-Butan	1,5	8.5
Chlorobenzen	1,3	1 1 ,0
Dwusiarczek węgla	1,0	50,0
Etan	3,0	15,5
Eter etylowy	1,6	48.0
Etylen	2,7	34,0
Gaz miejski	5,3	40,0
Gaz ziemny	4,3	15,0
Metan	4,9	15,4
Propan	2,1	95.0
Siarkowodór	4,3	45,5
Terpentyna	0,8	6.0
Tlenek etylenu	3,0	100.0
Tlenek węgla	12.5	75,0
Wodór	4,0	75,0

PODZIAŁ PAR l GAZÓW Z UWAGI NA GĘSTOŚĆ W STOSUNKU DO POWIETRZU

Gęstość względem powietrza	Określenie	Przykłady
dp > 0,8	gazy unoszące się do góry	wodór, metan, amoniak, gaz miejski, gaz wodny,
0,8 < dp < 1,1	gazy palne rozchodzące się we wszystkich kierunkach	acetylen, tlenek węgla, etan, etylen, cyjanowodór
1,1 < dp	gazy palne i pary cieczy łatwo zapalnych opadające i pełzające	gazy o masie cząsteczkowej pow. 32 i pary wszystkich cieczy

KLASYFIKACJA PRZESTRZENI ZAGROŻONYCH WYBUCHEM

Klasyfikacja przestrzeni zagrożonych wybuchem jest jednym z głównych punktów oceny ryzyka wybuchu w obiektach przemysłowych. Od prawidłowo przeprowadzonej klasyfikacji zależy bezpieczeństwo ludzi i zakładu.

Dyrektywy europejskie zobowiązują pracodawcę do przeprowadzenia klasyfikacji przestrzeni zagrożonych wybuchem i opracowania dokumentu bezpieczeństwa przeciwwybuchowego dla każdej przestrzeni w której prowadzone są operacje.

Podział stref zagrożenia wybuchem:

• strefa 0 - przestrzeń, w której gazowa atmosfera wybuchowa występuje ciągle lub w długich okresach,

• strefa 1 - przestrzeń, w której pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej jest prawdopodobne w warunkach normalnej pracy,

• strefa 2 - przestrzeń, w której w warunkach normalnej pracy nie jest prawdopodobne pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej, a jeżeli się ona pojawia to tylko rzadko i na krótki czas,

• strefa 20 - przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa w postaci obłoku pyłu palnego w powietrzu występuje stale w dłuższych okresach lub często,

• strefa 21 - przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa w postaci obłoku pyłu palnego w powietrzu może czasem wystąpić w trakcie normalnych operacji,

• strefa 22 - przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa w postaci obłoku palnego w powietrzu nie występuje w trakcie normalnych operacji, a w przypadku wystąpienia trwa tylko prze krótki czas.

1

3

---