Огнетушащие вещества

Под огнетушащим веществом понимают вещество, обладающее физико-химическими свойствами, позволяющими создать усло­вия для прекращения горения.

В качестве огнетушащих веществ [44] применяют воду, хими­ческие или воздушно-механические пены, инертные газообраз­ные разбавители воздуха, галоидоуглеводородные составы, порош­ки, комбинированные составы.

Тушение водой. Вода — наиболее широко применяемое сред­ство для тушения пожаров. К достоинствам воды помимо доступ­ности и дешевизны относятся значительная теплоемкость, высокая скрытая теплота испарения, подвижность, химическая нейтральность и отсутствие ядовитости. Такие свойства воды обеспечивают эффективное охлаждение не только горящих объектов, но и объектов, расположенных вблизи очага горения, что позволяет предотвратить их разрушение, взрыв и загорание. Подвижность воды обеспечивает легкость ее транспортировки и доставки (в виде сплошных струй) в удаленные и труднодоступные места.

Огнетушащая способность воды обусловливается охлаждающим действием, разбавлением горючей среды образующимися при испарении воды паром и механическим воздействием его на горящее вещество, т. е. срывом пламени. Разбавляющее действие, при­водящее к снижению концентрации кислорода в воздухе, объясняется тем, что объем пара в 1700 раз превышает объем испарившейся воды.

Известны два способа подачи воды в очаг горения — в виде сплошных и распыленных струй. Сплошные струи представляют собой поток воды, имеющий высокую скорость и сравнительно небольшое сечение. Струи характеризуются определенной удар­ной силой и большой дальностью полета. При этом значительные объемы воды воздействуют на малую площадь.

Распыленные струи представляют собой поток воды, состоя­щий из мелких капель. Такие струи характеризуются небольшой ударной силой и дальностью действия, но орошают большую по­верхность. При подаче воды распыленными струями создаются наиболее благоприятные условия для ее испарения, а следова­тельно, повышения охлаждающего эффекта и разбавления горю­чей среды.

Весьма существенными недостатками воды являются ее плохая смачивающая способность и малая вязкость, затрудняющие ту­шение волокнистых, пылевидных, и особенно тлеющих материа­лов. Для повышения огнетушащей эффективности воды в нее вво­дят добавки, увеличивающие ее смачивающую способность, вяз­кость и т. п.

Воду нельзя использовать для тушения веществ, вступающих с ней в бурную реакцию с выделением горючих газов. К таким ве­ществам относятся металлы (особенно опасны щелочные метал­лы, которые реагируют со взрывом), многие металлоорганические соединения (концентрированные алюминий- и литийорганические соединения), карбиды металлов, многие гидриды ме­таллов.

Негативными явлениями, препятствующими применению воды для пожаротушения, являются хлопки, вспышки, разбрызгива­ние горящих материалов, вспенивание, выброс горящего продук­та и т.д.

Тушение пенами. Пены широко используют в качестве огнетушащих составов при пожарах на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Пена представляет собой коллоидную систему, состоящую из пузырьков газа, окруженных пленками жидкости, и характеризуется и агрегативной и термодинамической неустойчивостью. Ввиду большого поверхностного натяжения воды для получения пены в систему необходимо вводить специальные добавки. В качестве та­ти добавок, называемых пенообразователями и пенопорошками. применяют некоторые природные, содержащие белок, и синтетические сульфокислоты, их соли и т.д. Кроме того, для повышения устойчивости пены в их состав вводят стабилизаторы (соли шиш валентных металлов, глинозем и др.).

Пены эффективны для тушения твердых и жидких веществ, не вступающих во взаимодействие с водой, и в первую очередь неф­тепродуктов. Во время тушения пену сливают на отдельные участки горящей поверхности. Растекаясь, она полностью покрывает поверхность горючего, образуя слой определенной толщины. По поверхности холодного нефтепродукта пена движется с постоян­ной скоростью 34 см/с. По мере удаления от места слива движение иены по горящему продукту замедляется и может в некоторой точке прекратиться. Это связано с тем, что с повышением темпе­ратуры разрушение пены ускоряется и наступает момент, когда скорости поступления пены и ее разрушения станут равными. Следовательно, минимальный расход пены должен быть таким, чтобы скорость движения пены превышала скорость ее разруше­ния в самых отдаленных от мест слива точках.

Многочисленными исследованиями доказано, что огнетушащая способность пены обусловлена прежде всего ее изолирующим действием, т. е. способностью препятствовать прохождению в зону пламени горючих паров. Так, известно, что скорость испарения бензина, находящегося под слоем пены толщиной 5 см, умень­шается в 30—40 раз. Изолирующее действие пены определяется ее физико-химическими свойствами и структурой, зависит от тол­щины слоя, а также природы горючего вещества и температуры поверхности. Вместе с тем существенное значение может иметь, особенно при тушении твердых материалов, и охлаждающее дей­ствие пены.

В отличие от других огнетушащих средств, при использовании пены для поверхностного тушения пожара не требуется одновре­менного покрытия ею всего зеркала (площади) горения. Приме­нение пены, особенно многократное, позволяет значительно со­кратить расход воды. К достоинствам пены относится и ее повы­шенная смачивающая способность (по сравнению с водой).

Огнетушащие свойства пены определяются ее кратностью, стой­костью, дисперсностью и вязкостью. Кратность пены — это отно­шение объема пены к объему жидкой фазы (или к объему раствора, из которого она образована). С течением времени пена разрушается, что обусловлено ее старением, изменением поверхности на которую она нанесена, и температуры, а также условиями подачи. Повышение температуры приводит к разрушению пены. Вли­яние горючего, на которое наносится пена, проявляется прежде всего через его электростатические свойства.

Разрушению пены способствует механическое разбивание струи пены при ее подаче. Стойкость пены характеризуется ее сопро­тивляемостью разрушению. Ее оценивают продолжительностью выделения из пены 50%-й жидкой среды, называемой отсеком. Пены с большей кратностью менее стойки. Химическая пена, как правило, более стойкая, чем воздушно-механическая.

Дисперсность пены, обратно пропорциональная размеру пузырь­ков, во многом определяет ее качество. Чем больше дисперсность, тем лучше пена, выше ее стойкость и огнетушащая эффектив­ность. С увеличением кратности пены ее дисперсность уменьшает­ся. Дисперсность пены зависит от условий ее получения, в том числе и от характеристики аппаратуры. С повышением вязкости пены стойкость ее возрастает, но ухудшается растекаемость по горящей поверхности. Поэтому необходимо подбирать оптималь­ное значение вязкости пены.

В зависимости от способа и условий получения огнетушащую пену подразделяют на химическую и воздушно-механическую.

Химические пены образуются в процессе взаимодействия рас­творов кислот и щелочей в присутствии пенообразующего веще­ства и представляют собой концентрированные эмульсии диокси­да углерода в водном растворе минеральных солей, содержащем пенообразующее вещество. В последнее время наметилась тенден­ция к сокращению применения химической пены, что связано с ее сравнительно высокой стоимостью и сложностью организации тушения пожаров ею.

Воздушно-механические пены подразделяют на низкократные (с кратностью до 30), среднекратные (с кратностью 30 — 200) и высокократные (с кратностью выше 200). Наиболее широкое применение нашла пена средней кратности, которую получают в простой пеногенерирующей аппаратуре путем одновремен­ной подачи на металлическую сетку 2 —6%-го водного раствора пенообразователя и эжектируемого потоком этого раствора воз­духа.

При очень высокой кратности (500—1000) расход воды еще больше сокращается, однако огнетушащая способность высоко­кратной пены ухудшается, так как снижаются ее устойчивость и изолирующая способность. Оптимальная кратность пены состав­ляет 70—150. Пена средней и высокой кратности обладает пре­имуществами перед низкократной пеной: она имеет меньшую плотность и поэтому менее вероятно ее погружение внутрь горючего. Меной средней или высокой кратности производят не только поверхностное, но и объемное тушение. Такой способ широко ис­пользуют при тушении пожаров в подвалах, кабельных каналах и т. п.

Пена низкой кратности имеет ограниченное применение и рекомендуется в основном для тушения пожаров жидкостей в резервуарах, оборудованных установками подачи пены через слой горючего, а также для охлаждения соседнего с горящим оборудования. Интенсивность подачи низкократной пены при туше­нии нефтепродуктов в резервуарах должна составлять 0,1 — 10— 15 л/(с · м²).

Объемное тушение инертными газообразными разбавителями воздуха. Объемное тушение основано на создании в защищаемом объекте среды, не поддерживающей горения. Оно является одним из наиболее эффективных способов защиты помещений от пожа­ров. Наряду с возможностью быстрого тушения этот способ обес­печивает предупреждение взрыва при накоплении в помещении газов и паров. К инертным разбавителям относятся диоксид угле­рода, фторсодержащие углеводороды — хладоны: 23 (CF₃H), 125 (C₂F₅H), 236 (C₃F₆H₂) и 227 (C₃F₇H), азот, аргон, водяной пар, дымовые газы и инерген (смесь N₂, СО₂ и Аr). Эти вещества под­разделяют на сжиженные — СO₂, хладоны 23, 125, 218 и некото­рые другие, а также сжатые газы — N₂, Аг, дымовые газы, инер­ген, содержащий 52 об.% N₂, 40 об.% Аr и 8 об.% СO₂.

Инертными разбавителями данные вещества называются пото­му, что они в отличие от ингибиторов горения оказывают на пла­мя лишь пассивное разбавляющее действие. Горение большинства веществ прекращается при снижении содержания кислорода в окружающей среде до 12—15 об.%, а для веществ, имеющих ши­рокую область воспламенения, — водорода, ацетилена, металлов (калия, натрия и других), некоторых гидридов металлов и металлоорганических соединений, тлеющих материалов, — до 5 об.% и ниже.

Тушение при разбавлении среды инертными разбавителями связано с потерями теплоты на нагревание разбавителей и сни­жением скорости горения и тепловыделения.

Если нельзя использовать диоксид углерода, выбирают азот или аргон, причем последний в том случае, когда образуются нитри­ды металлов, обладающие взрывчатыми свойствами (нитриды магния, алюминия, лития, циркония и др.).

Для большинства веществ огнетушащая концентрация диокси­да углерода колеблется в пределах от 20 до 30. В нашей стране нормативная огнетушащая концентрация при объемном тушении методом затопления принята равной 0,7 кг на 1 м³ помещения. Расход С0₂ для создания этой нормативной концентрации зависит от заданной интенсивности тушения (времени тушения), конструктивных особенностей помещения, его объема и т.д.

Тушение галогенуглеводородными составами. Все описанные выше огнетушащие составы оказывают сравнительно пассивное действие на пламя и не влияют на кинетику и механизм реакции, протекающих в нем. Более перспективными представляются такие огнетушащие вещества, которые эффективно тормозят химические реакции в пламени, т.е. оказывают на него ингибирующее воздействие. К таким огнетушащим веществам относятся составы на основе галогенпроизводных предельных углеводородов, в которых атомы водорода замещены полностью или частично атомами галогенов.

Огнетушащая эффективность галогенуглеводородов повышается при замещении атома водорода атомом галогена в следующей последовательности: F < CI < Вr < I. При введении фтора в мо­лекулу галогенуглеводородного ингибитора повышается его ста­бильность, уменьшаются горючесть, токсичность и коррозионная активность.

В нашей стране в основном применяли дибромтетрафторэтан, а также бромистый этил (иногда с добавками бромистого метиле­на). Эти соединения известны под торговым наименованием хладоны (ранее фреоны). Каждый хладон характеризуется набором цифр. По принятой номенклатуре номер хладона составлен следу­ющим образом: первая цифра означает число атомов углерода минус единица, вторая — число атомов водорода плюс единица, третья — число атомов фтора; бром обозначают буквой В и циф­рой (по числу атомов); число атомов хлора определяется числом свободных связей.

Галогенуглеводороды являются летучими соединениями. Они плохо растворяются в воде, но хорошо смешиваются с многими органическими веществами. Хладоны 114В2 и 12В2 и бромистый этил — тяжелые жидкости со специфическим запахом. Остальные хладоны при нормальных условиях — газы, легко сжимаемые под небольшим давлением. Хладоны имеют высокую плотность как в жидком, так и газообразном состоянии, что обеспечивает возможность создания струи и проникновения капель в пламя, а так­же удержания паров около очага горения. Низкие температуры замерзания позволяют применять их при минусовых температурах. Хладоны обладают также хорошими диэлектрическими свойства­ми, поэтому их можно использовать для тушения пожаров элект­рооборудования, находящегося под напряжением.

Наряду с достоинствами составы на основе хладонов имеют и недостатки. Эти вещества могут оказывать токсическое воздействие на человека. Если сами хладоны действуют на организм человека как слабые наркотические яды, то продукты их термического раз­ложения сравнительно высокотоксичны.

Наиболее существенным недостатком бром- и хлорсодержащих хладонов является их озоноразрушающее действие. Фтор- и иод- шдержащие хладоны не обладают таким свойством. Вместе с тем именно бромсодержащие хладоны являются наиболее эффектив­ными огнетушащими веществами. Конкуренцию им составляют только йодсодержащие хладоны, однако они дефицитные и весь­ма дорогостоящие вещества.

Огнетушащие составы на основе хладонов используют для за­щиты от пожаров, возникающих в вычислительных центрах, особо опасных цехах химических предприятий, окрасочных камерах, сушилках, на складах с горючими жидкостями, в архивах, музей­ных залах и других очень ценных объектах или объектах повышен­ной пожаро- и взрывоопасности. Эти составы позволяют не толь­ко быстро потушить пожар, но и эффективно предупредить воз­можность перехода горения во взрыв или даже подавить взрыв газо- и паровоздушной смеси.

Тушение порошками. Огнетушащие порошки представляют со­бой мелко измельченные минеральные соли с различными добав­ками, препятствующими слеживаемости и комкованию состава. Они имеют ряд преимуществ перед другими огнетушащими ве­ществами:

• высокая огнетушащая способность, превышающая способ­ность таких сильных ингибиторов горения, как галогенуглеводороды;

• универсальность применения (порошки подавляют горение материалов, которые невозможно тушить водой и другими веще­ствами, например, металлов и некоторых металлсодержащих со­единений);

• возможность применения разных способов пожаротушения, предупреждения (флегматизации) и подавления взрыва.

Указанных преимуществ удалось достигнуть лишь после разра­ботки новой технологии измельчения материалов и способа под­держания в течение длительного времени их эксплуатационных свойств (текучести и способности сопротивляться слеживаемости и комкованию, а также увлажнению).

Различают порошки общего и специального назначения. Пер­вые предназначены для тушения пожаров обычных (органических) горючих веществ и материалов. Тушение в этом случае достигается путем создания порошкового облака, которое окутывает очаг го­рения. Порошки специального назначения применяют для туше­ния пожара горючих веществ и материалов (например, некоторых металлов), прекращение горения которых достигается путем изоля­ции горящей поверхности от окружающего воздуха. Огнетушащая способность порошков общего назначения повышается с увеличе­нием их дисперсности. Огнетушащая способность порошков специального назначения почти не зависит от их дисперсности.

Порошки являются сложными гетерогенными системами, по­этому обладают специфическими свойствами, от которых зависит их огнетушащая способность.

Химический состав порошков характеризует и огнетушащее действие, и эксплуатационные свойства. Такие соли, как иодиды и бромиды щелочных металлов, фосфат аммония обладают хоро­шими огнетушащими свойствами, но гигроскопичны и в сильной степени подвержены слеживаемости. Другие соли, например, фто­риды металлов, или сульфат аммония, обладают хорошими эксп­луатационными свойствами, но не способны эффективно тушить пламя.

При разработке огнетушащих порошков подбирают соли, ко­торые удовлетворяют обоим этим требованиям, или подвергают соли специальной обработке. Эффективность использования по­рошков зависит также от способа и условий их подачи в очаг по­жара. В настоящее время доминирует пневматический способ по­дачи, заключающийся в выдавливании порошка из сосуда сжа­тым газом.

Эффективность тушения пожаров порошковыми составами достигается за счет действия следующих факторов:

• разбавления горючей среды газообразными продуктами раз­ложения порошка или непосредственно порошковым облаком;

• охлаждения зоны горения в результате затрат теплоты на на­грев частиц порошка, их частичного испарения и разложения в пламени;

• огнепреграждения, достигаемого при прохождении пламени через узкие каналы;

• ингибирования химических реакций, обусловливающих раз­витие процесса горения, газообразными продуктами испарения и разложения порошков или гетерогенным обрывом цепей на по­верхности порошков.

Аэрозольное пожаротушение. Это принципиально новый спо­соб объемного тушения, заключающийся в заполнении защищае­мого объема аэрозольным огнетушащим составом, образуемым при сжигании твердотопливной композиции. Создание и разви­тие этого способа было обусловлено стремлением повысить огнетушащую способность порошков, которая, как уже было сказано, зависит от их дисперсности.

Попытки получить тончайший порошок в момент возникнове­ния пожара привели к идее использовать принцип дымовой шаш­ки, продукты горения которой образуют взвешенную в воздухе смесь мельчайших твердой и газовой фаз. Путем подбора рецепту­ры шашки можно получить такой аэрозоль, конденсированная фаза которого будет состоять из веществ, являющихся основой применяемых огнетушащих порошков (например, солей щелоч­ных металлов).

Был разработан ряд подобных твердотопливных композиций: на основе КСlO₄ и эпоксидной смолы, на основе К₂Сr₂O₇ и чер­ного пороха, на основе KNO₃ и органической смолы и т.п.

Наряду с достоинствами аэрозольное пожаротушение имеет и ним существенных недостатка: высокая степень разогрева аэрозоля и сильный форс открытого пламени, сопровождающий образова­ние аэрозоля.

Для пожаротушения все шире стали применять системы объем­ного аэрозольного тушения и локализации пожаров на основе ге­нераторов огнетушащего аэрозоля, образующих аэрозольный ог­нетушащий состав. Огнетушащий состав получают сжиганием твер­дотопливной композиции (ТТК) окислителя и восстановителя. В качестве окислителя обычно используют неорганические соеди­нения щелочных металлов (преимущественно нитрат калия и перхлорат калия), в качестве горючего-восстановителя — органические смолы (эпоксидный идитол и т.п.). ТТК могут гореть без доступа воздуха.

Образуемый в качестве продукта сгорания аэрозоль состоит из газовой фазы (преимущественно СО₂) и взвешенной конденси­рованной фазы в виде тончайшего порошка, аналогичного огнетушащим порошкам на основе хлорида и карбоната калия. Аэрозольные огнетушащие составы отличаются от обычных порошков значительно большей дисперсностью (примерно в 50 раз), поэто­му заранее изготавливать и хранить порошок с размером частиц 10^-6 м ввиду склонности к слеживанию практически невозможно, благодаря высокой дисперсности огнетушащая способность аэрозольных составов в 5 —8 раз превышает огнетушащую способ­ность порошков и хладонов и более чем на порядок — диоксида углерода и азота. К достоинствам этих составов относится и воз­можность тушения ими пожаров подкласса А1 (тлеющие матери­мы).

Тушение комбинированными составами. Тушение этим спосо­бом основано на сочетании свойств различных огнетушащих средств. Перспективным является разработка комбинированных огнетушащих составов, т.е. таких веществ, которые соединяли бы в себе свойства различных классов огнетушащих средств. При их использовании огнетушащая способность одного компонента состава дополняется достоинствами другого, кроме того, улуч­шаются условия доставки огнетушащего вещества на место по­жара.

Наиболее эффективными составами являются комбинации но­сителя с сильным ингибитором горения (водно-хладоновая эмуль­сия, комбинации воздушно-механической пены с хладоном). Для объемного тушения применяют азотно-хладоновый и углекислотно-хладоновый составы. Это позволяет в 4 —5 раз снизить расход бром-хладонов.