Самовозгорание древесины. О температуре горения и теплотворности дров

Древесина сегодня по-прежнему остается одним из востребованных строительных материалов. Но при легкости обработки, прочности, относительно небольшой массе материала, прекрасных влагозащитных, теплозащитных и экологических качествах древесина, являясь материалом органического происхождения, нуждается в дополнительной защите от огня и биологической среды, что обеспечивают огнезащитные материалы. Сегодня защита древесины обеспечивается многочисленными средствами, которые позволяют не только продлить срок службы конструкций из дерева, сохранить их внешний вид, но и во многом повышают безопасности их использования.

Свойства древесины с точки зрения воздействия огня.

Древесина в воздушно-сухом состоянии относится к сгораемым материалам - она воспламеняется и распространяет огонь. Однако из-за того, что при горении на поверхности древесины образуется уголь, горящий медленнее и с теплопроводностью в 4 раза ниже, чем у самой древесины, скорость потери рабочего сечения деревянной конструкции (ДК) не превышает 0,8 мм в минуту. Поэтому ДК противостоят обрушению при пожаре в течение более продолжительного времени, чем стальные, которые могут не выдержать нагрузок из-за снижения прочности при нагревании. Наряду с этим огнестойкость стальных конструкций падает и из-за того, что при нагревании они сильно удлиняются. Так, если нагреть стальную балку длиной 15 м до 500°С, то она удлиняется на 90 мм, что приводит к возникновению разрушающих напряжений в конструкциях здания. Древесина при нагревании деформируется в 3-4 раза меньше.

Воспламенение древесины от открытого огня может происходить при температуре около 210°С и сопровождается повышением температуры.

При отсутствии открытого источника теплоты (пламени, искр) воспламенение может произойти при быстром (1-2 минуты) нагревании древесины до температуры свыше 330°С. При длительном воздействии теплоты температура воспламенения древесины снижается до 150-170°С. Это обстоятельство необходимо учитывать при размещении деревянных конструкций вблизи нагревающихся предметов (отопительных приборов, дымоходов). В этих случаях требуется обеспечить такие условия контакта древесины с ними, чтобы установившаяся температура ее не превышала 150°С.

Основным условием для продолжения и развития самостоятельного горения зажженного деревянного изделия является превышение количества теплоты, аккумулированной поверхностными слоями его, над количеством теплоты, отдаваемой в пространство. Другими словами, для поддержания и распространения горения необходимо, чтобы температура соседних участков конструкций поддерживалась выше точки воспламенения древесины.

Процесс горения древесины – это изотермический процесс, который сопровождается выделением тепла. Чтобы дерево загорелось, сначала его нужно нагреть до температуры воспламенения.

Разогрев - это нагрев участка древесины от наружного источника тепла до температуры воспламенения. Источником тепла может послужить поднесенная спичка, соседний горящий участок полена или щепки, либо что-что еще, способное греть и нагревать до требуемой температуры.

Когда температура прогреваемого участка достигнет 120-150°С - начинается очень медленное и постепенное обугливание дерева, с образованием самовоспламеняющегося угля. При достижении температуры 250-350°С, начинается активное термическое разложение древесины на составляющие. На поверхности дерева появляется видимый обугливающийся слой, который начинает тлеть (гореть без пламени).

При этом из обуглившегося слоя начинает выделяться белый (бурый) дым. Самого процесса горения еще нет. Если прекратить нагрев, то возгорания не наступит. Наличие дыма говорит лишь том, что поверхность древесины уже достаточно прогрелась и началось ее термическое разложение на газообразные составляющие. Белый дым - это не что иное, как продукты термического разложения древесины, сдобреные приличной порцией водяного пара.

Вспышка пиролизных газов.

При дальнейшем разогреве и повышении температуры, термическое разложение древесины на газообразные составляющие будет усиливаться. Процесс термического разложения (пиролиз) пойдет вглубь древесной массы. Концентрация пиролизных газов в зоне разогрева достигнет критической отметки и произойдет их возгорание (вспышка). Вспышка состоится на границе с кромкой белого дыма и распространится на весь его объем. Возникнет светло-жёлтое пламя. Температура зоны разогрева может резко увеличиться за счет теплоты от сгорания пиролизных газов.
Температура вспышки горючих пиролизных газов находится в пределах 250-300°С. Это температура, при которой становится теоретически возможным процесс воспламенения и горения самой древесины.

Воспламенение.

Если и дальше продолжать разогревать древесину, то наступит ее воспламенение. Это начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника, приводит к резкому ускорению термохимической реакции. Практика показывает, что в естественных условиях воспламенение древесины наблюдается при температуре от 450 до 620°С.

Решающее значение для процесса горения имеет плотность материала. Легкая, пористая древесина ольхи или тополя воспламеняется быстрее, чем плотная (дуб и т. п.). Мокрая древесина труднее воспламеняется, так как до воспламенения необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. Круглые и массивные элементы горят хуже, чем с прямоугольным профилем и с малым сечением, с острыми ребрами относительно развитой боковой поверхностью. Не струганная поверхность элементов, подобная рыхлой древесине, воспламеняется быстрее, чем гладкая.

Принципиально важным и непременным условием для воспламенения и горения любого вещества является достаточный приток кислорода и концентрация теплоты горения, которая не рассеивается, а идет на прогрев новых смежных участков топлива до температуры воспламенения.

Горение древесины.

Если упомянутое выше условие соблюдается, то возникшее при вспышке пламя уже не затухает, а охватывает всю обугленную часть древесины. Это означает, что древесина воспламенилась, и процесс воспламенения перешел в процесс горения. Полено (щепка), если его извлечь из очага, будет гореть на воздухе самостоятельно.

В свою очередь, горение дерева состоит из двух фаз - пламенной фазы и фазы тления.

В режиме тления доминирующим процессом является горение твёрдых продуктов пиролиза (углей). При этом, пиролизные газы выделяются медленно и не могут воспламениться из-за малой своей концентрации. Газообразные продукты охлаждаются, конденсируются и дают обильный белый дым. При горении в режиме тления происходит движение воздуха в толщу горящей древесины

В режиме пламенного горения ведущим процессом является горение газообразных продуктов пиролиза., которое характеризуется движением горячих газов наружу.

Обе фазы горения неразрывно взаимосвязаны и будут продолжаться до тех пор, пока в зоне горения будут соблюдаться три условия: наличие топлива, наличие кислорода и концентрация необходимой температуры.

Затухание древесины.

Если одно из этих условий не соблюдается, то пламя затухает и весь процесс воспламенения и горения, либо прекращается, либо, в точности повторяется с самого начала, в зависимости от стабильности наружного источника тепла.

ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Низшая температура, до которой нужно нагреть древесину, чтобы она загорелась, называется температурой самовоспламенения. Температура самовоспламенения древесины 250-300°. Это объясняется тем, что при нагревании из древесины выделяются легковоспламеняющиеся горючие газы (летучие продукты), а также большое количество кислорода.
В результате окислительного процесса летучих веществ с кислородом воздуха наступает самовоспламенение древесины при температурах сравнительно низких, чем у других твердых веществ (уГОЛЬ, KOKC И Др.). Температуря ГЯМПВПгппямрнрния древесины зависит также от степени ее измельчения. Чем больше измельчена древесина, тем ниже ее температура самовоспламенения. Так, например, температура самовоспламенения древесной стружки значительно ниже, чем древесных брусков. Объясняется что тем, что поверхность 1 кг стружки больше, чем I кг брусков. А с большей древесной поверхности, выделяется при нагревании больше летучих веществ, способных к окислению и самовоспламенению.

САМОВОЗГОРАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

При нагревании до 130-150° древесина начинает самонагреваться Если создать условия, необходимые для накопления тепла, то древесина самовозгорается. При температурах производственных помещений древесина не представляет опасности самовозгорания. Эта опасность появляется только при нагревании ее до температуры выше 130°. Самовозгорание древесины в открытых деревянных конструкциях или штабелях не происходит из-за отсутствия соответствующих условий для накопления тепла. Обычно самовозгорание древесины происходит в скрытых деревянных конструкциях или в скопившихся древесных отходах, долгое время подвергавшихся нагреву.
Нагрев древесины до 110° безопасен и вполне допустим в процессе сушки или обработки ее. При этой температуре происходит высушивание древесины и частичное выделение летучих веществ. Разложение древесины не происходит, и химический состав ее остается без изменения. При температуре 150° наблюдается разложение нестойких соединений древесины. Цвет ее становится желтым. При температуре 230° разложение ее усиливается, и начинают протекать процессы с выделением газообразных продуктов. Причем большой процент занимают Н20 и С02. Древесина приобретает коричневый цвет с поверхностным обугливанием. В результате этого процесса химический состав древесины изменяется, т. е. происходит увеличение процента углерода и уменьшение водорода и кислорода. Уменьшается объемный вес древесины, но ее объем остается постоянным. Пористость древесины увеличивается, следовательно, увеличивается и ее поверхность соприкосновения с воздухом. При температуре 230-270° в древесине происходит образование пирофорного угля, который способен энергично поглощать (адсорбировать) кислород. Последний, окисляя уголь, поднимает температуру настолько, что уголь воспламеняется, и дерево начинает гореть. Самовозгорание древесины может происходить при более низких температурах и по другой причине.
Процесс разложения древесины является экзотермическим и при определенных условиях может служить причиной ее самовозгорания. Но для этого необходимо, чтобы количество тепла, выделяющегося за счет реакции разложения древесины, превысило бы теплоотдачу в окружающую среду. Такие условия могут создаться, когда древесные отходы в сушилке скапливаются на калорифере или балка уложена в кладку кирпичной стены рядом с источником тепла. Иной процесс протекает в опилках или других древесных отходах, сложенных в кучу. В практике имели место случаи разогревания древесных опилок и их самовозгорание. Некоторые авторы (проф. Б. Г. Тидеман и инж. П. Г. Демидов) считают, что основной причиной самовозгорания опилок являются биологические процессы. Во влажных опилках зарождаются микроорганизмы, которые при концентрации теплоты быстро размножаются. Микроорганизмы разлагают клетчатку. Происходит брожение образовавшихся продуктов. Весь этот процесс сопровождается выделением тепла, которое нагревает опилки до 60-70°. При этом образуется уголь, способный поглощать пары и газы. Поглощение паров и газов углем вызывает окислительный процесс, который ведет к дальнейшему нагреву массы. За счет тепла адсорбции температура повышается и достигает 100-130°. Затем образуется пористый уголь, который также поглощает пары и газы и повышает температуру опилок. При достижении температуры 200° начинается разлагаться клетчатка. входящая в состав опилок. Разлагаясь, клетчатка образует уголь, способный интенсивно окисляться. За счет окисления угля температура поднимается до 250-300°, и опилки самовозгораются.

ГОРЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

В процессе горения древесины наблюдаются следующие явления. При поднесении пламени древесина воспринимает теплоту и нагревается, а при температуре 110° происходит высушивание ее и незначительное выделение летучих веществ. Около 130° начинается разложение древесины. Интенсивное разложение ее с изменением цвета происходит при температуре более 150°. При 200° и более начинает разлагаться главная составная часть древесины- клетчатка. Образующиеся при этом газы являются горючими, так как они содержат большое количество окиси углерода, углеводороды, водород и пары органических веществ. Если нагрев производится пламенем, то получающиеся газообразные продукты разложения воспламеняются при соприкосновении с ним, и с этого момента начинается процесс горения древесины. Таким образом, при нагревании древесины пламенем горение начинается с воспламенения газообразных продуктов разложения.
Температуры воспламенения наиболее распространенных пород древесины даны в табл. 2

Горение древесины состоит из двух стадий: пламенное горение газообразных продуктов разложения и беспламенное горение угля. Решающей в развитии пожара является стадия пламенного горения древесины. Она занимает более короткий промежуток времени и связана с выделением большого количества тепла. Температура продуктов горения при ней более высокая, чем в стадии горения угля. Уголь, образующийся на поверхности древесины в период.пламенного горения, не горит, хотя и находится в накаленном состоянии, так как его горению в этот период препятствует горение газообразных продуктов разложения, в результате чего кислород не имеет доступа к поверхности угля. Последний горит тогда, когда завершается пламенное горение при значительном выделении газообразных продуктов.
Небольшой период времени оба вида горения древесины протекают одновременно. Затем выделение газообразных продуктов прекращается, и горит только уголь. Скорость выгорания древесины зависит от объемного веса, влажности, температуры среды, количества кислорода и отношения поверхности древесины к ее объему. Более плотная древесина (дуб) горит медленнее, чем менее плотная (осина). Объясняется это тем, что более плотная древесина имеет большую теплопроводность и, следовательно, больше теплопотерь от нагреваемого слоя древесины. При горении влажной древесины значительное количество тепла расходуется на испарение влаги, поэтому на разложение древесины идет меньше тепла. Таким образом, скорость выгорания влажной древесины меньше, чем сухой.
Скорость горения древесины значительно изменяется от величины отношения поверхности к объему. Чем больше это отношение, тем больше скорость горения. Например, древесный брус сечением 10 см2, длиной 5 м имеет поверхность (без учета торцовых поверхностей) 0,1X5X4 = 2 м2, а объем 0,1X0,1X5 = 0,05 мг. На 1 м3 древесины приходится поверхность горения, равная 2:0,05 = 40 м2. Если этот брус распилить на 4 части сечением
5x5 см, то их общий объем останется прежним, а поверхность будет 0,05x5x4 = 4 м2. Теперь поверхность горения 1 м3 древесины будет 4: 0,05 = 80 м2, т. е. она возросла в 2 раза, следовательно, и скорость сгорания четырех брусков сечением 5x5 см будет больше, чем одного бруска сечением 10X10 см.
По данным ЦНИИПО*, скорость выгорания древесины равна 45-50 кг на 1 м2 в час. Такая скорость в сушильной камере может наблюдаться при полном горении, т. е. при открытых дверных проемах и открытых каналах вентиляционной системы.
При относительной герметичности камеры (плотно закрытые ворота, перекрытые каналы вентиляционной сети) горение будет затухать, а скорость выгорания древесины резко снижаться. Температура, получаемая при проведении процесса горения в адиабатических условиях, т. е. при полном отсутствии потерь тепла, называется теоретической температурой горения, до которой нагреваются продукты горения, когда все тепло, выделившееся при горении, идет на их нагревание. Действительно же достигаемые при горении древесины температуры всегда ниже теоретических, так как часть выделяемого тепла теряется в окружающую среду. Разница между действительной и теоретической температурами горения зависит от скорости сгорания и условий теплоотдачи.
В табл. 3 приведены теоретическая и практическая температуры горения различных пород древесины.

Температура горения не зависит от количества древесины, так как количество тепла, приходящееся на единицу объема продуктов горения, остается постоянным. Температура горения древесины в сушилках зависит от полноты сгорания (полное, неполное горение), величины избытка воздуха, от скорости горения, температуры древесины и воздуха. Величина температуры горения сильно влияет на развитие пожара в сушилках. Чем она выше, тем больше тепла излучается в окружающую среду и, следовательно, быстрее идет подготовка древесины к горению.

Процесс горения древесины - это изотермический процесс, который сопровождается выделением тепла. Чтобы дерево загорелось, сначала его нужно нагреть до температуры воспламенения.

Разогрев древесины

Разогрев - это нагрев участка древесины от наружного источника тепла до температуры воспламенения. Источником тепла может послужить поднесенная спичка, соседний горящий участок полена или щепки, либо что-что еще, способное греть и нагревать до требуемой температуры. Когда температура прогреваемого участка достигнет 120-150°С - начинается очень медленное и постепенное обугливание дерева, с образованием самовоспламеняющегося угля. При достижении температуры 250-350°С, начинается активное термическое разложение древесины на составляющие. На поверхности дерева появляется видимый обугливающийся слой, который начинает тлеть (гореть без пламени). При этом из обуглившегося слоя начинает выделяться белый (бурый) дым. Самого процесса горения еще нет. Если прекратить нагрев, то возгорания не наступит. Наличие дыма говорит лишь том, что поверхность древесины уже достаточно прогрелась и началось ее термическое разложение на газообразные составляющие. Белый дым - это не что иное, как продукты термического разложения древесины, сдобреные приличной порцией водяного пара.

Вспышка пиролизных газов

Воспламенение древесины

Воспламеняемость древесины связана с ее объемным весом, влажностью, мощностью внешнего источника нагрева, формой сечения деревянного элемента, скоростью воздушного потока (тяги), положением элемента в тепловом потоке (горизонтальное, вертикальное) и т, п. Решающее значение для процесса горения имеет плотность материала. Легкая, пористая древесина ольхи или тополя воспламеняется быстрее, чем плотная (дуб и т. п.). Мокрая древесина труднее воспламеняется, так как до воспламенения необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. Круглые и массивные элементы горят хуже, чем с прямоугольным профилем и с малым сечением, с острыми ребрами н относительно развитой боковой поверхностью. Не струганная поверхность элементов, подобная рыхлой древесине, воспламеняется быстрее, чем гладкая.

Горение древесины

В свою очередь, горение дерева состоит из двух фаз - пламенной фазы и фазы тления.

Обе фазы горения неразрывно взаимосвязаны и будут продолжаться до тех пор, пока в зоне горения будут соблюдаться три условия: наличие топлива, наличие кислорода и концентрация необходимой температуры.

Древесина является самым распространенным горючим материалом в условиях пожара. По структуре она представляет собой пористый материал с множеством ячеек, заполненных воздухом. Стенки ячеек состоят из целлюлозы и лигнита. Объем пустот в древесине превышает объем твердого вещества, что можно видеть из данных, приведенных в табл. 7.6.

Таблица 7.6

Объем твердого вещества и пустот древесины

Показатели

Масса 1 м 3 плотной древесины, кг/м 3

Объем твердого вещества, %

Объем пустот, %

Характер строения древесины определяет весьма низкую ее теплопроводность и связанные с нею быструю воспламеняемость и медленный прогрев внутренних слоев. При соприкосновении древесины с источником воспламенения, например пламенем, происходит быстрое нагревание тонкого поверхностного слоя ее, испарение влаги и затем разложение. Продукты разложения древесины, полученные при температуре ниже 250 0 С, содержат в основном водяной пар, диоксид углерода СО 2 и немного горючих газов, поэтому гореть не способны.

Продукты разложения, полученные при 250 – 260 0 С, содержат большое количество оксида углерода СО и метана и становятся горючими. Они воспламеняются от источника зажигания (пламени) и с этого момента древесина начинает самостоятельно гореть.

Как и у жидкостей, наименьшая температура древесины, при которой продукты разложения способны воспламеняться от источника зажигания, называется температурой воспламенения древесины.

температура воспламенения древесины зависит от степени ее измельчения. Так, температура воспламенения сосновой древесины 255 0 С, а сосновых опилок 230 0 С.

После воспламенения температура верхнего слоя древесины повышается за счет тепла, излучаемого пламенем, и достигает 290 – 300 0 С. При этой температуре выход газообразных продуктов максимальный (см. рис. 7.1) и высота факела пламени наи

большая. В результате разложения верхний слой древесины превращается в древесный уголь, который в данных условиях гореть не может, так как кислород, поступающий из воздуха, весь вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля на поверхности к этому времени достигает 500 – 700 0 С. По мере выгорания верхнего слоя древесины и превращения его в уголь, нижележащий слой древесины прогревается до 300 0 С и разлагается. Таким образом, пламенное горение древесины при образовании на ее поверхности небольшого слоя угля еще не прекращается, однако скорость выхода продуктов разложения начинает уменьшаться. В дальнейшем рост слоя угля и уменьшение выхода продуктов разложения приводят к тому, что пламя остается только у трещин угля, и кислород может достигать поверхности угля. С этого момента начинается горение угля и одновременно продолжается горение продуктов разложения. Толщина слоя угля, которая к этому моменту достигает 2 – 2,5 см, остается постоянной, так как наступает равновесие между линейной скоростью выгорания угля и скоростью прогрева и разложения древесины. Одновременное горение угля и продуктов разложения древесины продолжается до тех пор, пока не превратится в уголь вся древесина. После этого выход газообразных продуктов разложения древесины прекращается, а продолжается только горение угля.

Таким образом, процесс горения древесины состоит из двух фаз: пламенного горения и горения угля. Между ними имеется переходная фаза, характеризуемая одновременным протеканием двух фаз.

В условиях пожара основную роль играет первая фаза, так как она сопровождается выделением большого объема нагретых до высокой температуры продуктов сгорания и интенсивным излучением (пламя). Все это способствует быстрому распространению горения и увеличению площади пожара. Поэтому при тушении пожаров в первую очередь стараются ликвидировать очаги, где протекает первая фаза горения.