Kiến thức cơ bản về cháy, nổ doanh nghiệp

KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHÁY, NỔ PHẦN Bản chất cháy 1.1 Nhận thức chung cháy, nổ 1.1.1 Khái niệm cháy, nổ a Khái niệm cháy Cháy phản ứng hố học có kèm theo toả nhiệt phát ánh sáng Các dấu hiệu cháy + Có diễn phản ứng hố học + Có toả nhiệt + Có phát ánh sáng b Khái niệm trình cháy Q trình cháy q trình biến đổi lý hố toả nhiệt phức tạp hỗn hợp chất cháy chất xy hố thành sản phẩm cháy - Q trình lý học trình tạo tiếp xúc phân tử cc với ô xy - Q trình hố học q trình biến đổi chất cháy thành sản phẩm trung gian trình cháy tương tác phần tử cc với ô xy tạo sản phẩm cháy c Khái niệm nổ Nổ trình biến đổi lý học hoá học kèm theo chuyển hoá lượng dự trữ hoá học vật chất thành công để phá vỡ môi trường -Nổ lý học: trình biến đổi nhanh mặt lý học hay q trình chuyển hố dạng khí nén thành động -Nổ hố học: q trình biến đổi cực nhanh mặt hoá học kèm theo chuyển hoá lượng dự trữ hoá học thành nhiệt công phá vỡ môi trường 1.1.2 Những yếu tố điều kiện cho cháy a Các yếu tố cần thiết cháy Sự cháy muốn xảy cần phải có đủ yếu tố chất cháy, chất xy hố nguồn nhiệt 1.Chất cháy: Là chất, vật liệu có khả tự cháy bắt cháy thành lửa hay cháy âm ỉ, bị tác động nguồn gây cháy điều kiện khí Phân loại chất cháy - Phân loại theo trạng thái tồn + Chất cháy rắn Thành phần cấu tạo chất cháy rắn chủ yếu là: C, H, O, N,S…Tuỳ vào thành phần cấu tạo chất khác mà chúng có nhiệt độ bắt cháy khác trình cháy diễn khác + Chất cháy lỏng: chất trạng thái lỏng như: xăng, dầu, rượu… + Chất cháy khí: chất cháy tồn dạng khí như: Hyđro, mêtan, êtan… - Phân loại chất theo khả cháy Để đánh giá khả cháy chất người ta sử dụng số K, xác định công thức thực nghiệm Êlây: K= 4C + 4S + 1H – 2O - 2CL – 3P – 5Br Trong : C, S, H, O, CL, P, Br số nguyên tử nguyên tố tương ứng có phân tử chất cháy Theo khả cháy chất phân chia thành: + Chất không cháy: chất khơng có khả năg cháy bị đốt nóng tới nhiệt độ 900 độ C; số K nhỏ + Chất khó cháy: chất có khả cháy nhiệt độ cao; số K lớn nhỏ + Chất dễ cháy : chất có khả bắt cháy điều kiện bình thường mơi trường; số K lớn 2 Chất ôxy hoá Là chất tham gia vào phản ứng hoá học với phần tử chất cháy để tạo sản phẩm cháy Trong thực tế đám cháy xảy mơi trường khơng khí nên chất ơxy hố ơxy khơng khí Tuy nitơ khơng tham gia phản ứng cháy với ơxy vào vùng cháy nên có ảnh hưởng tới q trình cháy xác định lượng kk cần thiết cho cháy lượng sản phẩm cháy tạo ra, phương trình phản ứng cháy khơng khí phải tính đến Nguồn nhiệt nguồn cung cấp lượng nhiệt ban đầu phản ứng cháy diễn Nguồn nhiệt lửa; tia lửa điện; tia lửa ma sát, va đập vật rắn; nhiệt phản ứng hoá học; vật có nhiệt độ cao b Điều kiện đủ cho cháy - Chất cháy, chất ơxy hố, nguồn nhiệt phải tiếp xúc trực tiếp - Nguồn nhiệt phải đủ lớn (nhiệt độ nguồn, công suất nguồn) - Thời gian tiếp xúc nguồn với hỗn hợp phải lớn thời gian cảm ứng - Nồng độ chất cháy phải nằm giới hạn nồng độ bắt cháy - Nồng độ ôxy phải lớn giới hạn trì cháy c Ý nghĩa việc nghiên cứu yếu tố cháy: Đề biện pháp phòng cháy chữa cháy phù hợp Muốn loại trừ cháy ta cần loại bỏ ba yếu tố điều kiện càn thiết cháy 1.1.3 Hỗn hợp cháy, chế độ cháy chế cháy đám cháy a Hỗn hợp cháy Là hỗn hợp phân tử chất cháy với chất xy hố b Chế độ cháy đám cháy - Khi đám cháy bắt đầu bén cháy, vùng cháy nhỏ trình cháy diễn theo chế độ cháy tầng - Khi vùng cháy lớn trình trao đổi khí đám cháy diễn mãnh liệt q trình cháy chuyển sang chế độ cháy rối - Chế độ cháy tĩnh: vùng cháy không dịch chuyển vị trí - Chế độ cháy động: vùng cháy chuyển động c Cơ chế cháy đám cháy + Cháy khuếch tán đồng thể - chất cháy chất xy hố pha + Cháy khuếch tán dị thể - chất cháy chất ô xy hố khơng pha 1.2 Các thơng số cháy 1.2.1 Nhiệt lượng cháy a Khái niệm Nhiệt lượng cháy lượng nhiệt toả đốt cháy hồn tồn đơn vị khối lượng hay thể tích chất cháy Ký hiệu: Qc ; đơn vị kj/kg , kj/mol, kj/m3 b Nhiệt lượng cháy cao, Là nhiệt lượng toả cháy hoàn toàn đơn vị chất cháy , mà nước sản phẩm cháy trạng thái lỏng c Nhiệt lượng cháy thấp, Là nhiệt lượng toả cháy hết hoàn toàn đơn vị chất cháy, mà nước sản phẩm cháy trạng thái 1.2.2 Thể tích kk cần thiết cho cháy Là thể tích kk tối thiểu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn đơn vị khối lượng hay đơn vị thể tích chất cháy tính theo phương trình phản ứng cháy gọi lượng khơng khí cần thiết lý thuyết 1.2.3 Thể tích thành phần sản phẩm cháy a Khái niệm - Là thể tích sản phẩm cháy sinh cháy hết hoàn toàn đơn vị khối lượng hay đơn vị thể tích chất cháy tính theo phương trình phản ứng cháy - Sản phẩm cháy hồn toàn: sản phẩm cháy tạo thành điều kiện cháy có đủ ơxy, Sản phẩm cháy hịan tồn chất khơng có khả cháy tiếp điều kiện đám cháy bình thường - Sản phẩm cháy khơng hồn tồn: sản phẩm cháy tạo thành cháy điều kiện không đủ ôxy, sản phẩm cháy khơng hồn tồn cịn có chất cịn khả tiếp tục tham gia phản ứng cháy - Thành phần sản phẩm cháy, tuỳ vào thành phần cấu tạo chất cháy: 𝐶𝑂! ; 𝐻! 𝑂; 𝐶𝑂! ; 𝐶𝑂; 𝑁! ; 𝐻! 𝑆; 𝑂! ; 𝑆𝑂! ; 𝐻𝐶𝑁 … 1.3 Các tượng cháy 1.3.1 Tự bốc cháy a Khái niệm Tự bốc cháy tượng nung nóng chất cháy đến giá trị nhiệt độ định bề mặt chất cháy tự xuất cháy, mà khơng có lửa tác động trực tiếp vào bề mặt chất cháy Giá trị nhiệt độ chất cháy xuất cháy bề mặt chất cháy gọi nhiệt độ tự bắt cháy b Định nghĩa nhiệt độ tự bốc cháy - Nhiệt độ tự bốc cháy nhiệt độ nhỏ hỗn hợp cháy, nhiệt độ nhiệt lượng phản ứng hỗn hợp sinh có khả tự nung nóng làm xuất cháy - Theo chuyên gia PCCC thì: Nhiệt độ tự bốc cháy nhiệt độ nhỏ hỗn hợp cháy, nhiệt độ hỗn hợp xảy gia tăng đột ngột tốc độ phản ứng sinh nhiệt, kết dẫn đến xuất cháy bề mặt cc 1.3.2 Tự cháy a Khái niệm - Sự tự nung nóng hỗn hợp cháy chuyển thành cháy, nhiệt độ q trình nung nóng đạt tới giá trị nhiệt độ tự bốc cháy Ở nhiệt độ trình sinh nhiệt hỗn hợp gia tăng đột ngột tự nung nóng kết thúc tự cháy - Nhiệt độ trung bình mơi trường khoảng 293K đến 323K - Dựa vào nhiệt độ tự bốc cháy chất cháy, ta phân chia chúng thành hai nhóm: - Nhóm gồm chất cháy có nhiệt độ tự bốc cháy thấp 293K; - Nhóm gồm chất cháy có nhiệt độ tự bốc cháy cao 323K - Ta thấy chất thuộc nhóm tự bốc cháy nung nóng nhờ tác động từ nguồn nhiệt bên để nhiệt độ chất cháy tăng đến nhiệt độ tự bơc cháy; Cịn nhóm thứ 1, chúng có khả tự bốc cháy đặt mơi trường tự nhiên - Vậy q trình tự bốc cháy mơi trường tự nhiên chất cháy (nhóm chất cháy thứ 2) gọi tự cháy b Định nghĩa Tự cháy q trình tự nung nóng bốc cháy chất cháy điều kiện nhiệt độ môi trường tự nhiên khơng cần phải có tác động nguồn gây cháy 3.4.3 Bọt chữa cháy - Khái niệm bọt Bọt hệ phân tán hai pha, bao gồm bóng bọt có chứa đầy khí hơi, ngăn cách màng chất lỏng Khí pha phân tán Chất lỏng môi trường phân tán - Điều kiện tạo bọt tính chất chất hoạt động bề mặt + Điều kiện tạo bọt Nước ngun chất khơng thể tạo bọt sức căng bề mặt lớn Dung dịch tạo bọt bao gồm nước chất hoạt động bề mặt + Tính chất chất hoạt động bề mặt * Làm giảm sức căng bề mặt dung dịch bề mặt phân chia pha khí – lỏng lỏng, khả tự tập trung phân tử chất hoạt động bề mặt bề mặt phân chia pha * Phân tử HĐBM cấu tạo phần kỵ nước gốc ưa nước + Phân loại chất HĐBM * Nhóm chất phân ly: gồm chất HĐBM tan nước phân ly thành ion – iogel – như: muối kiềm axit béo; alkil sulphat; alkil sulphat kim loại kiềm * Nhóm chất khơng phân ly - gồm chất: có chứa êtylơcxyl rượu; êtylôcxyl chất béo; êtylôcxyl amin… - Sơ đồ minh hoạ chế dập cháy bọt chữa cháy - Cơ chế dập cháy bọt chữa cháy Cơ chế dập cháy bọt tương đối phức tạp, để đơn giản hóa ta phân thành thời điểm sau: 1- Bắt đầu tạo thành lớp bọt cục bề mặt chất cháy + phun bọt xảy hai trình ngược * Cường độ tạo thành lớp bọt; Itb * Cường độ phá hủy bọt (nhiệt độ, dịng khí đối lưu, ma sát bề mặt chất cháy); Iph * Khi: Itb < Iph không hình thành lớp bọt cục Quá trình phá hủy bọt, dung dịch tạo bọt hấp thụ nhiệt bề mặt chất cháy làm lạnh bề mặt chất cháy Làm giảm cường độ bốc chất cháy, tức làm giảm cường độ cháy * Đến thời điểm: Itb = Iph bắt đầu hình thành lớp bọt cục 2- Sự hình thành lớp bọt cục bề mặt chất cháy • Khi: Itb > Iph hình thành lớp bọt cục lan rộng dần • Lớp bọt cục ngăn cản phần dòng nhiệt xạ tác động lên bề mặt chất cháy làm giảm nhiệt độ bề mặt chất cháy • Làm cường độ bốc chất cháy giảm, tức cường độ cháy giảm theo • Lớp bọt che phủ tồn bề mặt chất cháy 3- Hình thành lớp bọt đủ dày có khả ngăn cách không cho chất lỏng vào vùng cháy * Như bọt có chế dập cháy sau: + Cách ly không cho chất cháy vào vùng cháy + Ngăn cản dòng nhiệt xạ từ vùng cháy tới bề mặt chất cháy + Làm lạnh chất cháy + Làm giảm nồng độ thành phần tham gia phản ứng cháy dung dịch tạo bọt + Hấp thụ nhiệt làm lạnh vùng cháy - sử dụng bọt chữa cháy - Bọt chất chữa cháy sử dụng để dập tắt đám cháy chất lỏng chất rắn - Không sử dụng bọt để dập tắt đám cháy chất lỏng ưa nước, thiết bị điện chất tác dụng với nước d Bột chữa cháy - Khái niệm Bột chữa cháy loại bột mịn chất rắn không cháy, thành phần chủ yếu muối, ơxyt kim loại kiềm, kiềm thổ có kích thước 15 đến 20 mk Ví dụ: natricacbonat, natribicacbonat, kalicacbonat, amơni phốt phát, phèn, silic ôxyt… - Thành phần chủ yếu bột chữa cháy Các loại bột chữa cháy thường chứa khoảng: + (90 – 95)% muối kim loại kiềm kiềm thổ + (3 - 5)% stêarat kim loại để tăng tính kỵ nước bột + (1-3)% chất phụ gia chống vón cục, đóng tảng + (0,5 - 2)% chất chống xy hố + (1 – 3)% chất phụ gia chuyên dụng khác để tăng tính lưu biến - Cơ chế dập cháy bột chữa cháy 1- Làm giảm nồng độ thành phần (loãng) chất tham gia phản ứng cháy Khi phun bột vùng cháy số hạt bột tương đương số tâm hoạt động Như làm giảm tần xuất va đập hiệu thành phần tham gia phả ứng cháy 2- Hấp thụ nhiệt làm lạnh vùng phản ứng cháy Các phần tử bột nhỏ khối lượng, tổng nhiệt dung diện tích bề mặt hấp thụ nhiệt chúng lại lớn nên chúng nhanh chóng hấp thụ nhiệt vùng cháy 3- Ngăn chặn phản ứng cháy theo chế tường lạnh Các phần tử bột vùng phản ứng cháy tạo mạng mà khoảng cách phần tử nhỏ, nhỏ đường kính tới hạn cho cac chất cháy hydrocacbon Khoảng cách cac phần tử bột vùng cháy là: (0,26 – 0,4)mm Đường kính tới hạn (2 - 3)mm 4- Kìm hãm hóa học phản ứng cháy theo chế dị pha Bề mặt phần tử bột khơng trơ mà chúng có tính hoạt hóa cao tâm hoạt động phản ứng cháy (thấm hút, làm đổi hướng tâm hoạt động; ức chế phản ứng phân nhánh; xúc tác PƯ tái hợp tâm hoạt động) Như vùng phản ứng cháy có tái hợp tâm hoạt động phản ứng cháy bề mặt phần tử bột, thay phản ứng cháy 5- Kìm hãm hố học phản ứng cháy theo chế ức chế đồng pha Các sản phẩm phân huỷ nhiệt phần tử bốc tham gia vào phản ứng với tâm hoạt động phản ứng cháy 6- Cách ly bề mặt chất cháy lớp bột rơi bề mặt chất chá 7- Lớp bột rơi bề mặt chất cháy cịn có tác dụng ngăn cách dịng nhiệt xạ từ lửa tác động trực tiếp tới bề mặt chất cháy 8- Phân hủy thăng hoa tăng cường tính làm giảm nồng độ thành phần tham gia phản ứng cháy 9- Hấp thụ nhiệt để phân hủy tăng cường tính làm lạnh vùng phản ứng cháy d Ưu, nhược điểm bột chữa cháy - Ưu điểm: Bột chất chữa cháy đa để dập tắt hiệu nhiều loại đám cháy khác - Nhược điểm: Háo nước, hút ẩm, đóng tảng khó bảo quản Phức tạp phun, dùng khí nén để phun Tầm phun xa hạn chế không quá(20- 25)m Đường ống dẫn bột không (50 – 60)m e Nước chữa cháy - Đặc điểm nước Nước hợp chất hóa học oxy hidro, có cơng thức hóa học H2O - Bền nhiệt bị phân hủy nhiệt độ 1800 đến 2000oC Ở 1500oC có ~ 2% nước bị phân hủy nhiệt - Khối lượng riêng nước ῥ = 1000 kg/m3 - Nhiệt độ sôi ts = 100oC - Khối lượng riêng nước: ῥhn = 0,6 kg/m3 - Nhiệt dung riêng nước Cpl = 4,19 kJ/kg.K - Nhiệt dung riêng nước Cph = 2,52 kJ/kg.K - Nhiệt hóa nước r = 2260 kJ/kg - Cơ chế dập cháy nước + Hấp thụ nhiệt làm lạnh chất cháy Qht1 = mn cp (100 - tbđ) + Hấp thụ nhiệt làm lạnh vùng cháy Qht2 = q1 + q2 + q3 q1 – lương nhiệt nước hấp thụ để đạt nhiệt độ hóa q2 – lượng nhiệt nước hấp thụ để hóa q3 – lượng nhiệt nước hấp thụ từ 100oC đến nhiệt độ tắt dần lửa + Hơi nước làm giảm nồng độ thành phần tham gia phản ứng cháy Cứ lít nước hóa hồn tồn ta 1700 lít nước + Lớp nước phủ bề mặt chất cháy có tác dụng cách ly khơng cho chất cháy vào vùng phản ứng cháy + Lớp nước phủ bề mặt chất cháy có tác dụng ngăn cách khơng cho dịng nhiệt xạ từ lửa tác động tới bề mặt chất cháy 3.4.6 Sol khí chữa cháy a Khái niệm sol khí chữa cháy + Sol khí chữa cháy tập hợp chất cháy rắn, mà chủ yếu hỗn hợp chất cháy có chứa ơxy, chất cháy chun dụng chất phụ gia công nghệ + Khi xảy phản ứng cháy thành phần sinh hỗn hợp phần tử rắn (sol khí) sản phẩm cháy dạng khí, chúng tạo nên hỗn hợp sol khí chữa cháy, gồm hạt rắn bay có kích thước từ 0,5 đến 2,5 μm khí trơ + Các chất cháy rắn dầu phenol phomaldehyt – C13H12O2, chất ơxy hóa peclorat kali – KClO4 nitrat kali – KNO3 + Như sol khí chữa cháy hiểu hỗn hợp phần tử rắn khí sản phẩm cháy, sinh cháy số nhiên liệu rắn Dưới số phản ứng cháy nhiên liệu rắn để tạo sol khí chữa cháy: C13H12O2 + 7,5KClO4 = 7,5 KCl(rắn) + 13CO2 + 6H2O C13H12O2 + 12KNO3 = 6K2O(rắn) + 13CO2 + 6H2O + 6N2 Fe2O3 + 2Al = Al2O3(rắn) + 2Fe(rắn) C + 4NH4NO3 = CO2 + 8H2O + 2NO + 3N2 - Thành phần sol khí chữa cháy Theo cơng thức thành phần tạo sol khí chữa cháy phân chia thành nhóm sau: Thành phần – thành phần đảm bảo để phản ứng cháy diễn cách ổn định Chúng gồm có: + Chất cháy bản: (dầu phênơnphoocmanđêhyt; dầu êpôxi; dầu pôlyêphir; cao su tổng hợp; hỗn hợp dẻo nitrơxellulơza) + Chất ơxy hóa: (nitratkali; perclorat kali; nitrat natri nitrat bari) Thành phần chuyên dụng - thành phần đảm bảo yêu cầu trình lý hóa đặc điểm vận hành sử dụng Chúng là: + dixiandiamid (nhằm làm tăng cơng suất giảm nhiệt độ cháy Tc); + bột magiê, cromua kali, crômua ammôniac (nhằm tăng cường độ cháy); + cacbonat kali, cacbonat magiê, clorit natri, clorit kali (nhằm giảm nhiệt độ cháy Tc) Thành phần phụ gia công nghệ – thành phần thêm vào để đảm bảo tính cơng nghệ, tính kinh tế an tồn sản xuất thành phần tạo sol khí chữa cháy - Cơ chế dập cháy sol khí Khi vào vùng cháy sol khí có chế tác động tới trình cháy đám cháy sau: Làm loãng hỗn hợp cháy sản phẩm cháy sinh từ trình cháy thành phần sinh sol khí Tăng cường tác động làm giảm thêm nồng độ ôxy vùng cháy khoảng 14%, q trình tiếp tục cháy (ơxy hóa) nốt sản phẩm có cân ơxy âm αox < (chưa bị ơxy hóa hồn tồn), sinh từ q trình cháy thành phần sinh sol khí Ức chế hóa học phản ứng cháy vùng cháy sol khí Lúc phần tử sol khí K2SO3, KHCO3, KOH, KCl, K2O, KO tham gia vào q trình ức chế hóa học phản ứng cháy Làm lạnh vùng phản ứng cháy Khi vào vùng phản ứng cháy sol khí hấp thụ nhiệt làm giảm nhiệt độ vùng phản ứng cháy + nung nóng CO2 đến nhiệt độ cháy: Q1 = mcCO p (Tc - To ) HO + nung nóng K2CO3 H2O đến nhiệt độ tách nước: Q2 = m1c p (T- H O - To ) + nhiệt lượng tách nước: Q3 = m1L-H2O hH O Q = m c (Tc - T- H O ) + nung nóng nước đến nhiệt độ cháy: p + nung nóng K2CO3 đến nhiệt độ nóng chảy: Q5 = m3c pK CO (Tnc - T- H O ) + nung nóng K2CO3 đến hóa lỏng hồn tồn: Q6 = m3 Lnc + phân hủy nhiệt K2CO3 thành K2O + CO2: Q7 = m3 Lph 2 2 '(# + nung nóng CO2 đến nhiệt độ cháy: 𝑄8 = 𝑚4 𝐶# + phân hủy nhiệt K2O tạo thành KO + K: Q9 = m5 LKph2O 𝑇$ − 𝑇) Tổng lượng nhiệt mà sol khí hấp thụ vùng phản ứng cháy khoảng 5290 kJ/kg, có nghĩa hiệu ứng nhiệt sol khí lớn nhiều so với bột chữa cháy, chí cịn lớn nước Khi sử dụng sol khí để dập cháy, tất thành phần khác đồng thời tác động tới trình cháy, hiệu dập cháy sol khí cao Bằng thực nghiệm nhà khoa học PCCC xác định nồng độ ngăn chặn cháy sol khí φx từ 45 đến 150 g/m3; khí trơ φkt sấp xỉ 600 g/m3 hoạt chất ức chế hóa học từ 220 đến 370 g/m3 Bằng phép so sánh đơn giản thấy sol khí có khả dập cháy vượt trội so với khí dập cháy khác Ưu điểm khác sol khí so với chác chất chữa cháy khác là: an tồn tầng ozon (khác xa so với hoạt chất ức chế hóa học), dễ bảo sử dụng để chữa cháy