Proces palenia. Charakterystyka procesu palenia i niezbędne ku niemu warunki. Palenie ciał stałych, cieczy i gazów. Zjawiska towarzyszące procesowi palenia.

Charakterystyka procesu palenia i niezbędne ku niemu warunki.

Elementy niezbędne do zapoczątkowania procesu palenia i warunkujące jego ciągłość:

1. obecność paliwa (w odpowiedniej ilości),

2. obecność utleniacza (w odpowiednim stężeniu),

3. obecność źródła ciepła (o odpowiedniej mocy lub temperaturze),

4. obecność w płomieniu pośrednich produktów warun­kujących ciągłość spalania.

Wyróżnia się dwa rodzaje spalania: płomieniowe i bezpłomieniowe.

Spalanie płomieniowe (homogeniczne) ma miejsce podczas spalania substancji, które podczas ogrzewania przechodzą w stan lotny. Tak spala się większość materiałów palnych. Czynnikami warunkującymi wystąpienie spalania płomieniowego, jako re­akcji ciągłej są: paliwo w odpowiedniej ilości, źródło ciepła o odpowiedniej energii i temperaturze, odpowiednie stężenie substancji lotnej w stosunku do tlenu oraz dostępie tlenu do strefy spalania, czyli cienkiej zewnętrznej warstwy płomienia.

Spalaniem bezpłomieniowe (heterogenicznym) ma miejsce w przypadku takich substancji, które w czasie palenia nie prze­chodzą w stan lotny – w czasie spalania nie występuje płomień. Tak spalają się („żarzą się”) węgiel drzewny czy torf.

Energetyczne czynniki inicjujące proces spalania to iskry powstające pod­czas zderzenia przedmiotów, wyładowań elektrostatycznych, zwarć elektrycz­nych, cząstka żarzącego się materiału, płomień z palących się substancji (w co­dziennym użytku jest inicjowanie spalania zapałką), łuki elektryczne i wyładowania atmosferyczne. Czynnikiem inicjującym zapalenie może być sama tempe­ratura od nagrzanych powierzchni lub powstająca podczas tarcia przedmiotów. Wysoka temperatura może się wytworzyć podczas procesów chemicznych oraz na skutek procesów gnilnych materiałów organicznych. Temperaturę po osią­gnięciu której substancja palna zapala się bez udziału czynnika energetycznego nazywa się temperaturą samozapalenia. Dla ciał stałych jest ona równa temperaturze zapalenia.

Zainicjowanie spalania nie wymaga nagrzania całej masy materiału palne­go powyżej temperatury zapalenia lub zapłonu. Wystarczające jest miejscowe (punktowe) nagrzanie. Rozszerzanie się strefy spalania następuje na skutek od­działywania cieplnego strefy spalania. W przypadku ciał stałych strefa spalania powiększa się obejmując stopniowo sąsiadujące z nią materiały palne. Palenie się cieczy w stosunkowo krótkim czasie rozprzestrzenia się na całą powierzch­nię cieczy mającą kontakt z powietrzem. Gazy spalają się w całej przestrzeni, w której tworzą mieszaninę z tlenem.

W warunkach pożaru ciągłość i szybkość spalania uzależniona jest przede wszystkim od szybkości dopływu tlenu do strefy spalania – jest to spa­lanie dyfuzyjne. Wyróżniamy także spalanie kinetyczne, czyli takie, w którym substancja palna jest wstępnie zmieszana z utleniaczem. Tak mogą spa­lać się mieszaniny gazów palnych, par cieczy palnych i pyłów ciał stałych z po­wietrzem. W określonych warunkach i objętościach proces ten może przebiegać gwałtownie i powodować wzrost ciśnienia, mamy wtedy do czynienia z wybu­chem. Mieszaniny wybuchowe tworzą się w charakterystycznych dla każdej substancji proporcjach w stosunku do powietrza (tlenu), nazywanych dolną i górną granicą wybuchowości, podawaną w procentach objętości lub w gramach na m³. Powstająca po wybuchu fala uderzeniowa, rozchodzi się bardzo prędko i na czole ma ciśnienie wyższe od atmosferycznego. Rozrywa ściany aparatów i zbiorników, burzy przegrody. Fala uderzeniowa, może już przy ci­śnieniu 5 kPa może całkowicie zburzyć ściany nośne budynków murowanych.

Tlen w powietrzu stanowi ok. 21% jego objętości. Spalanie większości materiałów palnych ustaje, jeżeli zawartość tlenu w strefie spalania obniży się poniżej 14-16%. Jednak niektóre materiały zawierające w swym składzie tlen w ilościach wystarczających do podtrzymania spalania, palą się bez dopływu tlenu z powietrza.

Palenie ciał stałych, cieczy i gazów.

Spalanie ciał stałych poprzedzone musi być nagrzaniem do temperatury charakterystycznej dla każdego materiału, w której ilość wydzielanych z ich masy palnych produktów gazowych stworzy w powietrzu stężenie umożliwiają­ce zapalenie od bodźca energetycznego (np. płomienia). Temperaturę taką na­zywa się temperaturą zapalenia. Spala­nie ciała stałego następuje na jego powierzchni, a następnie obejmuje dalsze warstwy w głąb materiału.

Spalanie cieczy zachodzi przy intensywności parowania zapewniającej właściwe dla danej substancji stężenie par w powietrzu nad jej powierzchnią. Temperaturę, w której intensywność parowania osiąga graniczną wartość, umożliwiającą zapalenie się cieczy od bodźca energetycznego w postaci iskry, nazywa się temperaturą zapłonu. Spalanie cieczy przebiega bezpośrednio nad jej po­wierzchnią.

Spalanie gazów zachodzi w obecności tlenu zawartego w powietrzu. Do zapalenia gazu potrzebna jest odpowiednia ilość gazu w stosunku do powietrza (tlenu) i energia cieplna wywołująca proces spalania.

Zjawiska towarzyszące procesowi palenia.

Zjawiskami tymi są: płomień, dym, ciepło oraz produkty spalania. Wpływają one na rozwój niepożądanego w przypadku pożaru procesu oraz utrud­niają warunki prowadzenia działań ratowniczo–gaśniczych. Intensywność tych zjawisk zależy m. in. od szybkości spalania materiału, a szybkość z kolei od rodzaju spalanego materiału. Różnice w szybkości mogą być uzależ­nione od wytworzonej temperatury poża­ru lub zachodzącej w środowisku spala­nia wymiany gazowej.

Płomień – zjawisko płomienia można określić jako widzialną objętość gazową, w której zachodzą procesy spala­nia (rozkład termiczny, utle­nianie). Płomień powstaje w przestrzeni, w której zachodzi ter­miczna reakcja spalania. W zależności od rodzaju materiału spalanie może przybierać po­stać jednorodną (charakteryzuje się płomieniem, właściwy jest dla mieszanin gazów lub par cieczy z powietrzem) lub różnorodną (żarzenie na po­wierzchni utlenianego materiału). Niektóre mate­riały (np. alkohole) spalają się płomieniem prawie niewi­docznym, natomiast materiały boga­te w węgiel (np. pochodne ropy naftowej) palą się intensywnym, kopcącym pło­mieniem. Zjawisko świecenia pło­mienia polega na żarzeniu się (w skutek działania energii cieplnej) cząstek węgla od­dzielających się od płonącego materiału.

Dym – mieszanina gazowych produktów spalania substan­cji organicznych. W mieszaninie tej roz­proszone są mikroskopijne cząsteczki stałe, ciekłe i gazowe. Pol­skie Normy określają dym jest fazę produktów rozkładu termicznego i spalania materiału rozpra­szającą światło, składającą się z czą­stek, które stanowić mogą kropelki cieczy, fragmenty ciała sta­łego oblepione cieczą lub substancją smolistą. Dym posiada charakterystycz­ny dla siebie zapach, smak, barwę, gę­stość oraz tok­syczność i jest uzależniony od rodzaju  substancji, z których powstaje. Na podstawie wydzielającego się dymu można określić rodzaj palącej się substancji. Działania ratowniczo-gaśnicze w warunkach dymowych wymagają szczególnej ostrożności.

Produkty spalania – obok wymienionych wyżej zjawisk, procesowi palenia towarzyszy powstawanie wielu różnych pro­duktów, mogących okazać się groźnymi dla osób przebywających w stre­fie pożaru. Dzielą się na lotne i stałe.

Lotne produkty spalania. Dwutlenek węgla powstaje w wyniku pełnego spalania (utle­niania) węgla sta­nowiącego główny składnik substancji orga­nicznych. Gaz ten nie jest trują­cy, ale jednak w zamkniętych pomieszczeniach może być niebezpieczny. Przy stężeniach po­wyżej 10% CO2 może powodować objawy niedo­tlenienia, przy 15% stężenia po­woduje utratę przytomności, a po przekroczeniu stężenia ponad 30% może spowodować śmierć. Tlenek węgla jest produktem niepełnego spalania węgla, powstaje przy niedoborze tlenu (np. w zamkniętych pomieszczeniach), bezbarwny, bez zapachu, lżejszy od powietrza i silnie trujący. W organizmie ludzkim powoduje, że krew nie może pobierać tlenu do oddychania – po kilku odde­chach przy stężeniu 0,03 mg/l mo­że wywołać śmierć. Dwutlenek siarki jest nierzadko składnikiem dymów po­żaro­wych. Można go rozpoznać po silnym, drażniącym zapachu. Działa nie­bezpiecznie na śluzówki oczu i górnych dróg oddecho­wych. Siarkowodór to gaz o charakterystycznym za­pachu zgniłych jaj, w poża­rze może wybuchać będąc w kontak­cie z sub­stancjami utleniającymi lub pyłami meta­li. Gaz silnie trujący – poraża układ odde­chowy, a wchłaniany może być nawet przez skórę. Cyjanowodór może powstawać w efekcie spalania niektórych tworzyw sztucznych, bezbarwny o migdałowym zapachu. Działa bardzo silnie trująco na układ oddecho­wy i naczyniowo-ruchowy. Wodór to najlżejszy gaz bez zapachu i barwy, szczególnie niebezpieczny ze względu na sil­ną wybuchowość – wybucha przy zetknięciu z tlenem lub substancjami utleniającymi.

Stałe produkty spalania – sa­dza i odpady mineralne, czyli popiół. Sadzę two­rzą nie spalone cząsteczki węgla wydzielone z substancji o struktu­rze zawierającej znaczne ilości węgla. Do substancji tych można zaliczyć po­chodne ropy naftowej czy smoli­ste drewno. Sadza (produkt niepełnego spalania) może ulegać dalszemu wypalaniu. Zjawisko to może­my obserwować w pożarach komino­wych. Powstawanie popiołu jest charaktery­styczne dla pożarów mate­riałów stałych (np. drewnianych konstrukcji budynków). Wysoka temperatura, jaka wytwarza się w środowisku pożaru, może stapiać po­piół i tworzyć szklistą masę zwaną żuż­lem.