Горение

Горение - химическая реакция, протекающая с относительно большой скоростью и с выделением тепла. Обычно под горением подразумевают химическую реакцию окисления твердых, жидких или газообразных веществ кислородом, однако всякая химическая реакция, связанная со значительными скоростью и выделением тепла, например горение сурьмы в хлоре, также подходит под это понятие. В горноспасательном деле приходится иметь дело почти исключительно с окислительными процессами.

Переход обычной химической реакции окисления в горение происходит в тех случаях, когда скорость теплообразования превосходит скорость отвода тепла. С увеличением температуры скорость реакций окисления быстро увеличивается, согласно теории активных соударений молекул, выражаемой уравнением:

V=z₀e^-E/RT

где V—скорость реакции (или число соударении молекул, ведущих к реакции в единицу времени; z₀ — общее число соударении молекул реагирующих веществ в единицу времени, которое может быть ниражено через концентрации реагирующих вемществ; E — энергия активации, необходимая для реакции молекул; R — газовая постоянная; T — абсолютная температура.

Поскольку E и R являются постоянными, показатель степени с увеличением температуры быстро уменьшается и V приближается к z0 (т. е. реакция охватывает все большее число соударяющихся молекул), по закону показательной функции.

В то же время с повышением температуры растет и скорость теплоотдачи, но по закону весьма близкому к линейному.

Быстро прогрессирующие скорости реакции и нагревания приводят к самовоспламенению, а в особо благоприятных условиях — к взрыву.

По скорости реакции и выделению тепла горение занимает, таким образом, среднее место между медленным окислением и взрывом. Процессы медленного окисления могут протекать в форме гниения (например, крепи) или самонагревания (угля); гниение продолжается годы и сопровождается повышением температуры на несколько градусов; самонагревание идет месяцы и дни и сопровождается повышенном температуры на десятки и сотни градусов. Горение в ограниченном объеме обычно оканчивается в несколько минут и дает повышение температуры порядка 1000° и выше. Взрыв протекает в течение тысячных долей секунды и сопровождается повышением температуры до 2500—3500°.

Быстрое повышение температуры вызывает и сильное увеличение давления газообразных продуктов реакции. Адиабатическое (т. е. без рассеяния тепла) сжатие вызывает быстрое нагревание реагирующих веществ, являясь дополнительным источником повышения температуры. Волна сжатия, называемая также взрывной или детонационной  волной,  распространяется с громадной скоростью и становится основным факторам, определяющим скорость реакции.

Таким образом, существенным отличием процесса горения является его распространение путем теплопроводности: в газовых смесях скорость распространения горения имеет величины порядка м/сек. Процесс взрыва распространяется путем механического действия взрывной волны; скорость распространения взрыва 2—3 км/сек в газовых смесях и 4—6 км/сек в твердых телах.

Горение может протекать с выделением пламени или без него. Образование пламени обычно является следствием выделения из горючего вещества газов и паров при повышенной температуре, поэтому величина пламени горящего угля зависит в первую очередь от содержания летучих и скорости их выхода. Чистый углерод, антрацит и кокс горят почти без пламени. При повышенных температурах горения органических веществ, характеризующихся выделением значительных количеств окиси углерода, наблюдается синее пламя.

Свечение пламени зависит от присутствия в нем углеводородов и частиц раскаленного углерода. При недостаточных температуре и притоке кислорода светящееся пламя может превратиться в коптящее пламя. Наоборот, с повышением температуры и увеличением притока кислорода неполное сгорание с коптящим пламенем может перейти в полное с некоптящим или даже несветящимся пламенем.

Наиболее высокую температуру имеет обычно несветящееся пламя, поскольку оно характерно для полного сгорания.

Возникновение горения может быть следствием либо постепенного нагревания вещества до температуры воспламенения, либо внезапного повышения температуры. Возбудителями пожара в первом случае могут быть химические реакции, например активированная сорбция кислорода углем или разложение включений пирита, что все вместе обычно обозначается термином самонагревания угля, гниение крепи при недостаточном отводе тепла. Во втором случае горение может возникнуть в результате зажигания горящими или раскаленными телами, электрической искрой или механической энергией, превращенной в тепло (трение, давление, удар).

Для того чтобы горение могло начаться и продолжаться, необходимы два условия:

1. Наличие достаточной концентрации реагирующих веществ; в приложении к рудничным пожарам это означает, что помимо наличия горючего материала (уголь, крепь) необходимо достаточное количество кислорода для его окисления.
2.  Повышение температуры до характерной для каждого вещества температуры воспламенения.

Пламенное горение угля и крепи, как уже указывалось, возможно при концентрации кислорода не ниже 12%; тление угля и крепи возможно при концентрации кислорода не ниже 5%; при концентрациях ниже 5%  возможны лишь медленные  реакции окисления угля кислородом.

Ниже приведены минимальные температуры, необходимые для воспламенения некоторых горючих материалов, встречающихся в шахтах:

• дерево................. 250—300°
• 6ypый уголь.............. 250—450°
• каменный уголь............. 400—500°
• антрацит................ 450—550°
• кокс.................. 640—740°
• смесь метана с воздухом........650—750°
• счесь окиси углерода с воздухом....630—810°

Из изложенного видно, что прекращение горения может быть достигнуто одним из трех способов:

1. удалением горючего вещества;
2. прекращением доступа кислорода к горючему веществу;
3. охлаждением горящего вещества до температуры — сперва ниже температуры воспламенения, а затем—ниже температуры, ускоряющей самонагревание.