Открытые пожары твердых горючих материалов

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ Кафедра «Процессы горения» в составе УНК ПГиЭБ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ Дистанционное обучение П.В. Комраков Тема 3. Лекция 3 ОТКРЫТЫЕ ПОЖАРЫ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ Содержание 1. Классификация твердых горючих материалов 2. Общие закономерности воспламенения и горения ТГМ. 3. Распространение пламени по поверхности ТГМ. 4. Горение пылей. 5. Пожары полигонов твердых бытовых отходов (свалок). 6. Лесные пожары. 7. Тушение лесных пожаров. 8. Последствия лесных пожаров. 9. Контрольные вопросы Москва 2014 1 Классификация твердых горючих материалов Твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина и др.). (ГОСТ 12.1.044–89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов») ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам: 1. По химическому составу, 2. По поведению при нагревании. Классификация ТГМ по химическому составу Органические Углеводороды Неорганические Металлы Неметаллы Целлюлозосодержащие Элементорганические Рис. 3.1. Классификация ТГМ по химическому составу. К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды – это материалы однородного строения. Целлюлозосодержащие материалы – отдельная подгруппа природных органических веществ, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение в условиях пожара всех растительных материалов похоже, и по этой причине их и объединяют в одну группу. Элементорганические соединения – органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галогены и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества. 2 Неорганические твердые горючие вещества – это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочноземельные металлы. К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов. ТГМ можно также классифицировать по поведению при нагревании: 1. Безгазовые – практически не переходящие в газообразное состояние. 2. Газифицирующиеся при нагревании. Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся ко второму классу. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации. В свою очередь газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы по тому, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода. Процесс воспламенения ТГМ первого рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме. Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода. При горении веществ этой группы возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения. Классификация ТГМ по поведению при нагревании Газифицирующиеся ТГМ 1 рода плавящиеся при нагревании Безгазовые ТГМ 2 рода не плавящиеся при нагревании Рис. 3.2. Классификация ТГМ по поведению при нагревании. 3 Общие закономерности воспламенения и горения ТГМ. Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с процессами горения газов и жидкостей. Однако кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении. Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы: 1. Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага. 2. Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода – сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов. 3. Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев. 4. Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением. Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме этого, необходимы затраты на плавление и разложение. На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы. Этим стадиям соответствуют следующие зоны: Рис. 3.3. Характерные температурные зоны при горении ТГМ: Т0 – температура начальная, Тпир – температура пиролиза, Тз – температура зажигания, Тгор – температура горения. 4 В очаге горения ТГМ геометрически можно выделить несколько характерных зон: 1. зона исходного материала; 2. зона предварительного нагрева материала до температуры физикохимических превращений; 3. зона фазового перехода, в которой происходит плавление или разложение материала; 4. зона образования горючей смеси и ее нагрев до температуры воспламенения; 5. зона фронта пламени, где выделяется основная часть тепловой энергии и наблюдается максимальная температура; 6. зона продуктов горения, где продукты реакции смешиваются с холодным воздухом. Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением. Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии и для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала. Распространение пламени по поверхности ТГМ. После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения. Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы: 1. природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов); 2. влажность материала; 3. ориентация образца в пространстве; 4. скорость и направление воздушных потоков; 5. начальная температура материала; 5 6. геометрические размеры образца (толщина, дисперсность). На ординарных пожарах наиболее распространенным горением является горение материалов, основой которых является целлюлоза. Характерный пример материала такого рода – древесина. Древесина состоит из комплекса органических веществ, в состав которых входит углерод (49,5%), кислород (44,1%), водород (6,3%) и азот (0,1%). Кроме органических веществ, древесина содержит минеральные соединения, которые при сгорании дают 0,2—1,7% золы. Наибольшее количество золы приходится на кору и листья. В золе из древесины сосны, ели и березы содержится свыше 40% солей кальция, более 20% солей калия и натрия и до 10% солей магния. В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48—56% целлюлозы, 26—30% лигнина, 23—26% гемицеллюлоз (10— 12% пентозанов и около 13% гексозанов); в то же время древесина лиственных пород содержит 46—48% целлюлозы, 19—28% лигнина, 26—35% гемицеллюлоз (23—29% пентозанов и 3—6% гексозанов). Целлюлоза – клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника. Уже с 1913 известна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественного анализа. Структурная формула представлена на рисунке 3.4. Рис. 3.4. Химическая структура целлюлозы. Лигнин от лат. lignum - дерево, - сложный (сетчатый) ароматический природный полимер входящий в состав наземных растений, продукт биосинтеза. После целлюлозы, - лигнин самый распространенный полимер на земле. В химическом смысле лигнин - понятие условное и обобщающее. Как нет двух одинако- Рис. 3.5. Структура мономера лигнина. 6 вых людей, так и нет двух одинаковых лигнинов. Принято считать, что молекула лигнина состоит из атомов углерода, кислорода и водорода. В литературе встречается неколько вариантов формулы лигнина. На рисунке 4.6 приведено представление химической структуры лигнина рекомендуемое Международным институтом лигнина. Лигнины получаемые из разных растений значительно отличаются друг от друга по химическому составу. Молекула лигнина неопределенно велика и имеет много разнообразных функциональных групп. Она состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер — конифериловый спирт. Общей структурной единицей всех видов лигнина является фенилпропан (C9H10), а различия связаны с разным содержанием функциональных групп. Гемицеллюлозы - группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой. Рис. 3.6. Структура лигнина согласно современным представлениям. Рассмотрим поведение при нагревании древесины как наиболее распространенного горючего материала. 7 Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов и может протекать сразу в двух режимах – гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы: 1) гомогенное (т.е. пламенное) горение газообразных продуктов разложения; 2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка. Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз – процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый остаток – древесный уголь. В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200-260, 240-350 и 250-400°C. Пиролиз древесины - экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150кДж/кг). Если пиролиз протекает без доступа воздуха, то при повышении температуры до 170° из древесины выделяется вода, при температуре от 170 до 270° начинается разложение древесины и при 270–280° происходит энергичное обугливание древесины с бурным выделением тепла. С 280 до 380° идет главный период сухой перегонки с выделением жидких веществ – уксусной кислоты, метилового спирта, скипидара и легкой смолы. Перегонка практически заканчивается при температуре 430° с образованием черного угля (примерно в количестве 19% от веса сухой древесины). Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) при пиролитическом разложении древесины без доступа воздуха включают диоксид (4555% по объему) и оксид (28-32%) углерода, водород (1-2%), метан (8-21%) и др. углеводороды (1,5-3,0%). Но так как пламенное горение – это процесс, идущий только при доступе воздуха в зону горения, то и состав продуктов пиролиза в этом случае будет отличаться. В целом можно спрогнозировать обогащение зоны горения также и парами жидкофазных продуктов пиролиза, снижение содержания СО2 за счет разбавления зоны горения воздухом, а также наличие газообразных продуктов пиролиза в концентрациях между нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения. Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55–60% всей энергии. Скорость же гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности. Часто гетерогенное горении называют тлением. 8 Тление – это беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление может происходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, содержащегося в порах и химической структуре материала. К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалов растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению. Горение пылей. Пыль - коллоидная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и газообразной дисперсионной среды, т.е. представляет собой твердое вещество, диспергированное (тонко размельченное) в газообразной среде. Дисперсная фаза может состоять из частиц одинаковой величины (монодисперсная система) или частиц разной величины (полидисперсная система). Все промышленные пыли полидисперсные. В зависимости от среднего размера частиц пыль может длительно находиться во взвешенном состоянии или сразу же оседать после кратковременного перехода во взвешенное состояние. Дисперсная система, представляющая собой пыль, взвешенную в воздухе, называется аэрозолем. Осевшая пыль называется аэрогелем. Даже в осевшем состоянии каждая отдельная частица раздробленного вещества со всех сторон окружена газовой (воздушной) оболочкой. Аэрозоли по своим свойствам занимают промежуточное положение между аэрогелем и гомогенной газовоздушной смесью. Также как и аэрогели являются гетерогенными дисперсными системами с одинаковой твердой фазой, и поведение их определяется физико-химическими свойствами этой твердой фазы. С газовоздушными смесями аэрозоли сходны тем, что горение большинства из них протекает со взрывом, и характеризуются они многими параметрами, типичными для газовых смесей. Из свойств пыли, определяющих их пожарную опасность, наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации. Рассмотрим особенности горения аэрозоля и аэрогеля. Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения. 9 В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние. При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материалом, из которого пыль получена. Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления. Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку: 1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое; 2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли. Аэрозоли воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПР, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва. Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей. Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением, испускаемым фронтом пламени. Воспламенение и распространение пламени в аэрозоле происходит только в том случае, если концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения. 10 Наименьшая концентрация пыли в воздухе, при которой смесь способна воспламениться от источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени. Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется, Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне. В состоянии аэрозоля пыль может воспламеняться и гореть в кинетическом режиме, т.е. со взрывом, поэтому за основной параметр пожарной опасности принимается НКПР. В осевшем состоянии пыль может самовоспламеняться и самовозгораться, поэтому для оценки пожароопасных свойств аэрогеля используют температуру самовоспламенения Тсв. Все горючие пыли можно разделить на две группы и четыре класса: Первая группа - взрывоопасные пыли. Пыли способные к кинетическому горению и имеющие нижний концентрационный предел распространения пламени до 65 грамм на кубический метр включительно. 1 класс - наиболее взрывоопасные пыли с НКПР 15 г/м3 и ниже; 2 класс - взрывоопасные пыли с НКПР от 15 и до 65 г/м3; Вторая группа - пожароопасные пыли. 3 класс - наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения (Тсв) не выше 250°C; 4 класс - пожароопасные пыли с Тсв выше 250°C. НКПРП пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: 1) мощность источника зажигания; 2) влажность пыли; 3) зольность материала; 4) содержание летучих компонентов; 5) содержание негорючих газов; 6) дисперсность пыли. Пожары полигонов твердых бытовых отходов (свалок). В результате разложения твердых бытовых отходов (ТБО) на свалках и полигонах образуется биогаз, содержащий около 5% водяного пара, 1% кислорода, 40% углекислого газа, 3% водорода, 45% метана 5 – 6 % других газов. За несколько десятков лет из тонны ТБО может образоваться до 400 11 м3 биогаза, причем 70 – 80% образуется за первые 10 – 15 лет функционирования свалки. В первые 4 – 5 лет скорость выделения биогаза составляет 15 – 20 м3/год. Биогаз образуется в три стадии: на аэробной стадии микроорганизмы разлагают органику: целлюлозу, углеводороды, травы и т.д., и выделяется в основном улекислый газ и вода. Температура на глубинных слоях свалки повышается до 50оС. На второй стадии, длящейся несколько лет, анаэробные бактерии, которым не нужен кислород, продолжают разлагать органику с выделением углекислого газа, спиртов и небольшого количества водорода. Метаногенная – третья стадия – длится несколько десятилетий. Основные продукты деятельности метаногенных бактерий – метан и углекислый газ. На скорость выделения биогаза влияют биогенные элементы – фосфор и азот и температура, которая в глубинных слоях свалки составляет около 40оС. Распространение метана в воздухе создает взрывоопасную и пожароопасную обстановку на полигонах и является причиной загораний и пожаров. Горение ТБО протекает в диффузионном режиме. Тепловой поток от зоны горения создает конвективную колонку, в результате чего продукты горения распространяются в воздух, тем самым загрязняя окружающую среду. К ТБО относятся: бумага, пластмассы, пищевые отходы, металл, стекло, шлак и др. Средняя теплота сгорания мусора составляет ориентировочно 6000 – 9000 кДж/кг, и с каждым десятилетием значение теплоты сгорания мусора увеличивается, так как с ростом уровня жизни в составе мусора увеличивается объем горючих упаковочных материалов, которые в основном состоят из бумаги, картона, пластмасс и фольги. Большое количество ТБО и производственного мусора, образующегося в крупных городах и промышленных центрах, часто является причиной пожаров не только на свалках и специально отведенных местах вблизи домов, но и на несанкционированных для этого площадках, на объектах промышленности и строительства. В Москве выезды на пожары, связанные с загоранием отходов, составляют 40% общего числа выездов. Часто пожары свалок сопровождаются гибелью людей. Лесные пожары. Лесной пожар – стихийное, неуправляемое распространение огня по лесной территории. В лесах накапливается до 60 т/га лесных горючих материалов. Древостой представляет собой сложную трёхъярусную структуру. Большие запасы напочвенных лесных горючих материалов способствуют развитию высокоинтенсивных низовых пожаров. Подрост же первого и второго классов возраста и низко опущенные кроны деревьев представляют собой ступеньки для перехода низового пожара в верховой. При верховом пожаре перед 12 его фронтом летят сотни горящих углей, которые зажигают деревянные строения. Лесные пожары возникают при наличии горючих материалов, условий, способствующих загоранию этих материалов и источника огня. Они начинаются обычно с момента загорания опада, живого напочвенного покрова, лесной подстилки и других горючих материалов. Под влиянием климатических (засухи) и лесорастительных особенностей в весенний и осенний периоды возникает больше пожаров, чем в летний. Ветер способствует распространению огня. Источники пожаров бывают природными (молнии, самовозгорание) и антропогенными (искры, непотушенный костёр, осколки стёкол в виде линз, взрывы). На 10 километровую зону вокруг жилых массивов приходится большинство пожаров. В слабо заселённых местностях (Архангельская область, Коми, Сибирь, Дальний Восток) 50% пожаров возникают из-за молний. Обочины дороги, зоны авиабаз – это коридоры повышенной опасности. Во влажных тропических лесах, где происходит равномерное выпадение осадков, опасность возникновения пожара меньше. По мере удаления от тропиков периоды без дождей выражены чётче. Периодичность пожаров в том или ином регионе связана с типом леса, с филогеническими и фитоценотическими изменениями леса во времени, с деятельностью человека, с изменениями погоды. Пожароопасный сезон в лесу устанавливается с того момента, как исчезает снежный покров и лесные горючие материалы высыхают до состояния загораемости. Основное число пожаров в нашей стране происходит с апреля по сентябрь – октябрь. Лесные пожары, как и леса, – явление географическое. Так, все тропические леса расположены в зонах высоких температур, а бореальные – в областях с вполне умеренным климатом. Тем не менее, первые находятся в зоне высокой влажности, и крупные пожары здесь (например, в Бразилии) имеют антропогенный генезис, тогда как зоны саванн, субтропические зоны и бореальные леса достаточно часто подвержены воздействию естественных факторов (например, молний). Для зон бореальных лесов в засушливые периоды характерно возникновение подземных и в первую очередь торфяных пожаров. Существенное влияние оказывают и города, многочисленное население которых отдыхает в зоне прилегающего леса, не соблюдает элементарные противопожарные требования, что часто приводит к пожарам абсолютно антропогенного происхождения. Различают степень опасности возникновения пожаров и их развития в различных регионах по следующим параметрам: 1. сезонность горимости лесов, т.е. неодинаковые сроки наступления и окончания пожарных сезонов; 13 2. различия горимости лесов в связи с неодинаковой плотностью населения и характером его деятельности; 3. географическое различие самих лесов; 4. особенности послепожарных изменений в лесах разных регионов. "Зимние" пожары (в засушливый период) наблюдаются в Австралии, Индии, Африке с конца декабря до середины марта. В пределах сезона выделяют пожароопасные и не пожароопасные периоды. Так, разрастание трав в конце весны сдерживает появление и распространение пожаров, а отмирание их в начале осени восстанавливает горимость участков. Причина возникновения пожаров в зимний период заключается в том, что и низкие температуры воздуха могут сопровождаться низкой относительной влажностью воздуха и высыханием горючих материалов. Поэтому при отсутствии снежного покрова возможны загорания. Пожароопасные пояса: 1 - северная граница на широте Киева (мартовские и апрельские пожары); 2 - от 50° до 56° с.ш. (апрельские пожары); 3 - подзона тайги до 59° с.ш. (майские пожары); 4 - средняя и северная тайга севернее 59° (майско - июньские пожары). Пожары в течение суток возникают чаще всего после полудня, особенно в солнечные дни, когда воспламеняемость горючих материалов наиболее высокая. Днём воздух более тёплый и сухой, соответственно и меньше влажность горючих материалов. По характерным признакам развития и распространения различают низовые, верховые и подземные пожары. Низовые пожары - это горение сухого надпочвенного покрова состоящего из мхов, лишайников, вереска, черники, кустарников, подстилки. При этом повреждаются подрост, подлесок, нижняя часть стволов и корни. Высота пламени до 2 - 2,5 м. Скорость горения зависит от ветра, влажности и количества горючих материалов. Низовой пожар характеризуется вытянутой формой площади пожара. Густой, светло-серого цвета дым на таком пожаре, сильно затрудняет оценку основных элементов фронта, тыла и флангов. Ориентироваться в обстановке крупного пожара порой возможно только с помощью авиационной разведки. 14 Рис. 3.7. Фронт низового пожара. (Фотография предоставлена д.т.н., профессором С.С. Воеводой.) Низовые пожары бывают беглые и устойчивые (медленные). Устойчивый низовой пожар – такой пожар, который распространяется по нижнему ярусу леса (валежник, подлесок), охватывая нижние части стволов деревьев и выступающие на поверхность корни. Скорость распространения не более 0,5 м/мин. Беглый низовой пожар – охватывает напочвенный покров, валежник, самосев леса, хвойный подрост и подлесок, но за счет более благоприятных условий (сухой лес, ветреная погода), распространяется с повышенной скоростью (более 0,5 – 1 м/мин). Обычно обходит места с повышенной влажностью. Верховые пожары – сложное, грозное и динамичное явление, которое приобретает порой характер стихийного бедствия. Даже небольшое промедление в принятии мер по ограничению распространения пожара может привести к поражению огнем значительной площади лесных массивов и расположенных в них населенных пунктов. Верховые пожары распространяются по кронам и стволам растущих деревьев. Сгорают хвоя, листья, ветки и вся кровля. Скорость горения составляет от 5 до 30 км/ч. Вперёд летят искры, головни, слышен шум. Пожары бывают ураганные (беглые) и повальные (устойчивые). Устойчивый верховой пожар – является следующей стадией низового пожара, распространяется с V = 5 км/ч и уничтожают насаждения целиком. 15 Горят одновременно деревья, подросток, подлесок и напочвенный покров. Вал огня по кронам идёт впереди наземного огня. Переход низового пожара на полог древостоя происходит при сильном ветре, а также в насаждениях с низко опущенными кронами, в разновозрастных насаждениях. Беглый верховой пожар – возникает только при сильном ветре, огонь распространяется по кронам деревьев «скачками», опережая фронт низового пожара. Ветер также разносит горящие ветви, другие мелкие горящие объекты и искры, которые создают новые очаги низовых пожаров на сотни метров впереди основного очага. В ряде случаев огонь «перебрасывается» указанным способом через реки, широкие дороги и другие рубежи для локализации пожара. «Скачки» таких пожаров распространяются со скоростью V = 15 - 25 км/час, однако средняя скорость распространения беглого верхового пожара несколько меньше, так как после «скачка» пламени происходит задержка распространения фронта пламени до тех пор, пока низовой пожар не пройдет участок с уже сгоревшими кронами. Верховые пожары - это завершающая стадия пожара. Контур пожара яйцевидно-вытянутый. Рис. 3.8. Верховой пожар. Наиболее пожароопасны сосновые леса, потом лиственничные, пихтовые и еловые (медленное снеготаяние под мощным покровом), затем 16 смешанные и, наконец, лиственные. Среди сосновых лесов самые горючие лишайниковые и вересковые боры, затем брусничные, далее кисличные и черничные и, наконец, травяные и сфагновые (болото). Среди еловых наиболее горючие леса с брусничником, далее с черничником и затем травяно-сфагновые. При классификации подсчитывают число конкретных типов и их площадь соотнесенную к общей площади. Подземные (торфяные или почвенные) пожары. Торф – отложения органического происхождения, состоящие из остатков болотных растений, лиственных и хвойных деревьев, трав, подвергшихся неполному разложению при недостаточном доступе кислорода. Подсушенный торф является горючим материалом, а его загорание возможно в результате самовозгорания или от источника горения. Торф со степенью разложения 30% не горит при влагосодержании 69 – 72% [9].Самовозгорание торфа происходит в результате самонагревания за счет химических и микробиологических процессов. Торфяная пыль также способна к взрывному горению [10]. При концентрации пыли в воздухе 1- 2 кг/м3 скорость распространения пламени достигает 22 м/с. Согласно ГОСТ 12.1.041-83 торфяная пыль во взвешенном состоянии характеризуется следующими показателями: НКПР – 50г/м3, максимальное давление взрыва 250 кПа, минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) – 11%. Горение торфа происходит при недостатке кислорода, поэтому температура пожара на полях добычи торфа довольно низкая – 300 – 500 оС, в зависимости от влажности. В штабелях температура горения на 150 - 250 о С выше [11]. Вследствие низкой температуры в продуктах горения торфа содержится много ядовитых соединений. Торфяные пожары могут возникать в местах, где не ведется промышленная разработка месторождений. Такие пожары случаются довольно часто в заболоченных лесах при сильных засухах и при мощности торфяного горизонта 0,2 – 0,7 м [12]. Они возникают в середине лета – в период засухи и осенью после усыхания осок и злаков. При неблагоприятных метеоусловиях (после выпадения дождя) или после разрастания трав в июлеавгусте зона горения перемещается под поверхность, и горение продолжается в виде подземных очагов. При отсутствии на поверхности внешних признаков горения распространение пожара представляет опасность для людей, так как они могут проваливаться в образующиеся и невидимые сверху пустоты. При почвенных торфяных пожарах выгорают корни деревьев, поэтому деревья падают в непредсказуемом направлении. Скорость распространения почвенных пожаров не более 1 м/сут. Болота и заболоченные леса в тайге периодически испытывают воздействие таких пожаров. Вертикальное заглубление открытых пожаров торфа происходит при 17 200%-ной влажности торфа, а горизонтальное подземное распространение горения возможно при 300 – 500% влажности. При переходе низового пожара в подземный дальнейшее его развитие может продолжаться до весны, распространяясь со скоростью около 10 м/месяц. Прогрев почвы варьируется в пределах от 91 - 1500С до 200 7000С. Такие пожары не приводят к полному выгоранию торфа из-за присутствия в нем водоизбыточных горизонтов, и не изменяют его кислотнощелочные свойства. Растительность после таких пожаров легко восстанавливается, так как в местах распространения пожара образуется большое количество биогенных элементов (азота, фосфора) и органических гумусовых кислот. Торфяные и болотные пожары способствуют развитию лесных экосистем. При этом удлиняются этапы лесных стадий болот, а леса отличаются высокой продуктивностью. Но вблизи населенных пунктов торфяные пожары наносят экологический, социальный и экономический ущерб. Степень пожарной опасности в лесу по условиям погоды определяется по принятому в лесном хозяйстве комплексному показателю В.Г. Нестерова, который вычисляется на основе данных о температуре воздуха (в градусах), температуре точки росы (в градусах), количестве выпавших осадков (в миллиметрах). Для вычисления комплексного показателя пожарной опасности (КППО) в лесу по условиям погоды необходимо учитывать следующие параметры: - температура воздуха (в градусах) и точки росы на 12 ч по местному времени; - количество выпавших осадков (в мм) за предшествующие сутки, то есть за период с 12 ч предыдущего дня (осадки до 2,5 мм в расчет не принимаются). Комплексный показатель текущего дня рассчитывают по формуле: n КП   ti (ti  ri ) (4.1) i 1 где t – температура воздуха, r – температура точки росы, n – число дней после дождя. Общероссийская шкала имеет пять классов пожарной опасности в лесу по условиям погоды (табл.3.1). 18 Таблица 3.1 Шкала пожарной опасности в лесу по условиям погоды Класс пожарной опасности по условиям погоды I II III IV V Значение комплексного показателя до 300 от 301 до 1000 от 1001 до 4000 от 4001 до 10000 более 10000 Степень пожарной опасности отсутствие опасности малая средняя высокая чрезвычайная опасность Рассчитанные значения КППО формируются в специальные таблицы по административному и территориальному признаку, наносятся на карты и передаются в Центральную базу авиационной охраны лесов «Авиалесоохраны», а также в МЧС России. В свою очередь «Авиалесоохрана» при взаимодействии с территориальными базами охраны лесов использует эту информацию для планирования использования расчетов контрольных патрульных облетов охраняемых территорий и ресурсов пожаротущения. Поражающие факторы лесных пожаров и характер их действия приведены в таблице 3.2, а основные диагностические признаки для определения вида лесного пожара и его интенсивности в таблице 3.3. Таблица 3.2 Поражающие факторы лесных пожаров Источник ЧС Поражающий фактор Лесной пожар Теплофизический – по ГОСТ Р 22.0.06 Химический – по ГОСТ Р 22.0.06 Лесной пожар радиоактивный Теплофизический Химический Характер действия, проявления поражающего фактора Пламя. Нагрев тепловым потоком. Тепловой удар. Помутнение воздуха. Опасные дымы. По ГОСТ Р 22.0.06. Также недостаток кислорода в зоне горения, разлет горящих частиц, огненные вихри и смерчи По ГОСТ Р 22.0.06. Ионизирующие излучения. образование радиоактивных продуктов горения ЛГМ- открытых источников ионизирующего излучения. Радиофизический Радиоактивное загрязнение атмосферы, почвы, растений, гидросферы. Недостаток кислорода в зоне горения, разлет горящих частиц, огненные вихри и смерчи. 19 Таблица 3.3 Основные диагностические признаки для определения вида лесного пожара и его интенсивности Вид и интенсивность пожара слабая средняя сильная (высокая) слабая средняя сильная (высокая) слабая средняя Классы пожарной опасности погоды Основные виды горючих материалов, особенности пожара и характер повреждения лесного фитоценоза Низовой беглый I-II Возникают на участках с травяным (весной, осенью) и лишайниками (весь сезон) покровом, а также в лиственных насаждениях (весной и осенью), где опад сформирован из опавшей листвы деревьев и кустарников. В основном сгорает сухая трава, лишайник или опад листвы. Высота нагара на стволах до 1м, скорость распространения до 1м/мин, высота пламени до 0,5м. Интенсивность горения (мощность тепловыделения с 1 погон. метра кромки пожара) – до 100 кВт/м III Высота нагрева на стволах 1 – 2 м, скорость распространения 1 – 3 м/мин, высота пламени 0,5 – 1,5 м. Теплота пожара более 101 - 750 кВт/м. IV Высота нагрева на стволах более 2 м, скорость распространения свыше 3 м/мин, высота пламени более 1,5 м. Теплота пожара более 750 кВт/м. Низовой устойчивый II Кроме неразложившегося спада (ветошь, листва и т.д.) дополнительно сгорает живой надпочвенный покров и верхний слаборазложившийся слой подстилки. III Дополнительно сгорает полуразложившийся слой подстилки, а вокруг комлевой части стволов и валежа она прогорает до минеральной почвы. IV – V Подстилка сплошь сгорает до минеральных горизонтов почвы. Наблюдается падение отдельных деревьев. Торфяной III Сфагнум сгорает на глубину до 7 см, между корневыми лапами торф прогревает на 30 – 40 см. Остаются отдельные участки несгоревшего сфагнума и багульника размером 3 – 200 м2. IV Кроме сфагнума сгорает торф на глубину до 25 см. У большинства стволов вокруг их 20 сильная (высокая) IV – V слабая III средняя IV сильная (высокая) IV – V комлевой части торф сгорает до минеральных слоев почвы. Отдельные деревья падают. Пожар имеет многоочаговый характер. Торфяные слои сгорают сплошь до минеральной части почвы. Наблюдается массовый вывал деревьев. Древостой погибает полностью. Верховой Возникает в хвойных насаждениях со слабой сомкнутостью полога или в тех, в состав которых входят лиственница и лиственные породы с долей участия более 3 единиц. Пожаром повреждаются участки с групповым расположением хвойных пород. Причем огонь по кронам распространяется снизу вверх и в основном за счет поддержеи низового пожара. Верховой огонь по кронам древостоя распространяется также и горизонтально и часто опережает кромку низового пожара. Большая часть древостоя (до 60%) повреждается верховым пожаром. Полог древостоя сгорает сплошь или остается не сгоревшим только пятнами в отдельных местах. 4.7. Особенности горения лесных материалов. При лесных пожарах в основном горят клетчатка и лигнин, составляющие стенки клеток растений, а также смолы и эфирные масла. В результате нагрева горючего материала (древесины) до 100 - 150°С ускоряется испарение воды, а при дальнейшем повышении температуры начинается процесс его разложения. При этом выделяются летучие вещества, которые, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь и легко воспламеняются. Чем быстрее происходит подогрев, тем выше концентрация газов и при достижении порога происходит воспламенение. Хвоя вспыхивает от источника зажигания при собственной температуре 200°С. Но при замедлении подогрева температура воспламенения может повыситься до 400°С. Если подогрев ещё больше замедлить, то хвоя обуглится, но не загорится. Распространение горения по территории происходит при условии взаимного соприкосновения горючих материалов или при минимальном расстоянии между ними, т.е. при наличии сплошного ковра из горючих материалов с достаточно рыхлым их расположением. Горение может распространяться внутрь при достаточном нагреве внутренних слоёв и их горючести. 21 Мелкий опад и живой напочвенный покров, а также живая хвоя деревьев и мелкие сучья горят низким пламенем. При проникновении горения во внутренние слои горючих материалов (лесной подстилки, торфа, внутренних частей валежника, стволов, пней) обычно наблюдается беспламенное горение. По роли в пожаре выделяют: проводники горения - мхи, лишайники с мелким опадом, лесная подстилка, торф, валежник, пни, горящие отдельные стволы деревьев; поддерживающие горение - травы, кустарнички, самосев древесных пород, подрост, подлесок, хвоя, охвоенные ветки и мелкие сучья полога древостоя; задерживающие распространение горения - некоторые кустарнички и травы (люпин многолетний, бадан, сахалинская гречиха), кустарники (серая ольха, спирея) и лиственные деревья (липа, осина, тополь). Лесные горючие материалы разнообразны по характеру реакции на изменение погоды и по горимости, поэтому по-разному в них возникает и распространяется пожар. Группы лесных горючих материалов: 1 - мхи и лишайники с мелким опадом; 2 - травы и кустарнички; 3 - подрост и подлесок; 4 - лесная подстилка и торф; 5 - валежник, гнилые пни и деревья; 6 - хвоя, охвоенные ветки и сучья в пологе древостоя. Состояние материалов групп 1,4 и 5 - зависят от погоды (количества осадков и числа дней после дождя). Рассмотрим группы подробнее: Группа 1 - горючий первичный материал. Он существенно зависит от погоды. Лишайники рода кладония очень быстро теряют влагу, медленнее высыхают мхи, ещё медленнее - подстилка, гнилые пни и валежник. Загорание происходит при влагосодержании 25 - 40%. Эти материалы активные проводники горения. Влажность опада из хвои, сосняка верескового и мшистого в момент появления загораемости составляет 14 - 15% веса, зелёной верхней части мхов - 30%, сосняка мшистого - 21 - 28%, а в нижней части - 42 - 52%. Лишайники горят при влажности 16%. Опад из хвои ускоряет горение мхов. Группа 2 - черника, брусника, вереск, багульник и др. Имеют устойчивую влажность и самостоятельно гореть не могут. Необходимо наличие под ними материала 1-й группы. Наиболее пожароопасны багульник и вереск. 22 Группа 3 - подрост и вереск. Имеют сравнительно высокую влажность, лиственная часть сдерживает горение, а хвойная поддерживает. Их влажность почти не зависит от состояния погоды, так как она постоянна. Они способствуют образованию рыхлой структуры мелкого опада, поэтому опад быстро высыхает и интенсивно горит. Группа 4 - лесная подстилка и торф. Имеют влажность от 6 до 250% на свежих почвах и до 650% на торфяниках. Характерно медленное высыхание, поэтому их возгорание чаще во 2-й половине лета и осенью. Пожары на торфяниках могут не прекращаться даже зимой. Костры на торфяниках крайне опасны и недопустимы. Группа 5 - валежник, гнилые пни и др. Влажность меняется широко, но медленно, поэтому скрытые очаги могут сохраняться долго. Группа 6 - хвоя, охвоенные ветки и сучья. Устойчивая и высокая влажность. Воспламеняются только при горении других материалов. В древостоях из лиственных пород пожары, как правило, прекращаются. Поэтому стремятся специально выращивать высоковлажную растительность (толокнянку, кошачью лапку, бессмертник) для борьбы с пожарами. А гигантская трава - сахалинская гречиха не горит даже если её облить керосином. Присутствие черники в брусничных лесах ослабляет силу пожаров. Тушение лесных пожаров. Технология тушения лесных пожаров определяется способами тушения и применяемыми при этом техническими средствами. Существуют следующие способы тушения лесных пожаров: - захлестывание кромки низовых пожаров (зелеными ветвями, метлами, мешковиной, другими предметами, в процессе которого горящие частицы сметаются в сторону пожара); - засыпка кромки низовых пожаров (грунтом с помощью лопат или грунтометов, в процессе которой механически сбивается пламя, охлаждаются горючие материалы и ограничивается доступ к ним воздуха); - прокладка заградительных минерализованных полос и канав, чтобы остановить движение кромки пожара, с помощью фрезерных или грунтометательных машин, бульдозеров, плугов или граблями вручную; - тушение с помощью взрывчатых веществ. Взрывным методом устраивают заградительные траншеи и канавы (рвы), чтобы ограничить распространение пожара, или сбивают фронт пламени взрывной волной; - тушение пожаров пуском встречного низового огня (отжига). Перед надвигающимся фронтом пожара от существующих или специально созданных опорных рубежей выжигают надпочвенный покров на достаточно широкой полосе, создавая тем самым широкую заградительную полосу, лишенную горючего материала; 23 - тушение пожара водой; - тушение пожара химикатами (с помощью ранцевых опрыскивателей и насосов пожарных автоцистерн). В их качестве выступают разнообразные добавки к воде – смачиватели в виде различных поверхностноактивных веществ (ПАВ) или обычных пенообразователей (до величины поверхностного натяжения ~36 мН/м, ~4-6 % ПАВ) или для повышения вязкости воды добавкой загустителей – до ~1-2 % NaКMЦ – НатрийКарбо-оксиметилцеллюлозы. - тушение с помощью авиации (высадка десанта со ВВ, перекладка рукавных линий или доставка воды на гидросамолетах, вертолетах); - тушение искусственным вызыванием осадков путем обстрела облачного фронта ракетами (йодистое серебро и др.) с самолетов, наземных легких ракетных установок или зенитной артиллерии, предназначенной также для борьбы с градом. Последствия лесных пожаров. Анализ данных за последние 100 лет показывает, что количество пожаров неуклонно увеличивалось, начиная с 1920-х годов, то есть с момента начала активной лесохозяйственной деятельности и торфоразработок на территории СССР. Еще более оно возросло в 1960-70-х (расширение сельскохозяйственных угодий в нечерноземных областях Европейской части России). Только в 2010 году в Российской Федерации зарегистрировано 33571 лесных пожаров, которыми пройдено 2,1 млн. га территорий лесного фонда. По сравнению с аналогичными показателями 2009 года отмечено увеличение числа лесных пожаров в 1,5 раза. Ущерб от лесных пожаров 2010 года по состоянию на 1 октября оценивается в 85,5 млрд. рублей. Независимо от типа пожара и группы горючих материалов, участвующих в нем, практически нерешенной до сегодняшнего дня является проблема тушения лесных пожаров. 24 Рис. 4.8. Районы гарей в Московской области. Геосервис "Пожары-Космоснимки". Снимок Landsat 5, 18.08.2010 г., принят и обработан в ИТЦ "СКАНЭКС". Обращает на себя внимание тот факт, что по сути с тех пор и по сегодняшний день, для тушения лесных пожаров практически не было предложено сколь-нибудь эффективных инновационных методов тушения. Используют в основном традиционные методы, требующие близкого присутствия человека к очагу пожара – сбивание кромки пламени, окапывание, встречный пал. Тушение водой применяют редко – вследствие элементарной недоступности водоисточников в засушливый пожароопасный период. Использование авиации для доставки воды и ее сброса в очаги пожара многие специалисты признают малоэффективным вследствие малых количеств перевозимой воды (вертолеты) и сложности точного водосброса из быстролетящего самолета. От пилотов при этом требуется ювелирная точность работы в условиях пониженной видимости, опасности малых высот и сильнейших восходящих потоков над очагом пожара. Результативность тушения крупных пожаров составляет 4-5%. Те же результаты по мировому опыту – в США, Канаде, даже во Франции (при всей мощи и многочисленности ее пожарной авиации). 25 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Контрольные вопросы: По каким признакам классифицируются твердые горючие материала? Назовите основные причины воспламенения твердых горючих материалов. В чем заключается механизм воспламенения твердых горючих материалов? В чем заключается механизм распространения пламени по поверхности ТГМ? В чем заключается механизм воспламенения и горения пылей? По каким параметрам оценивают степень опасности возникновения и развития лесных пожаров в различных регионах? Как и по каким признакам классифицируются лесные пожары? Назовите особенности горения лесных массивов. 26