3.2.1 Khái niệm chung:
a, Định nghĩa quá trình cháy:
Theo định nghĩa cổ điển nhất thì quá trình cháy là phản ứng hóa học kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và phát sáng. Do tỏa nhiệt lớn nên sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thường từ vài trăm độ trở lên nên mới phát sáng được. Trong thực tế cũng còn có cả những phản ứng hóa học tỏa nhiệt rất lớn nhưng không phát sáng (phản ứng hóa học khi tôi vôi trong nước).
Quá trình cháy, về thực chất có thể coi là quá trình oxy hóa khử, các chất cháy đóng vai trò của chất khử, còn chất ôxy hóa thì tùy phản ứng mà có thể rất khác nhau. Ví dụ:
- Hyđrô cháy trong khí Clo thì hyđro là chất khử còn Clo là chất ôxy hóa.
- Các hợp chất amin cháy trong axít nitơric đậm đặc thì hợp chất amin là chất khử còn axít nitơric là chất ôxy hóa
- Than cháy trong không khí thì than là chất khử còn ôxy là chất ôxy hóa.
Tuy nhiên phần lớn các quá trình cháy được dùng trong công nghiệp và đời sống đều dùng chất khử là các chất cháy như than, củi, các sản phẩm dầu mỏ, các loại khí tự nhiên và khí nhân tạo, còn chất ôxy hóa là ôxy của không khí.
Theo quan điểm hiện đại thì quá trình cháy là quá trình lý hóa phức tạp, trong đó xảy ra các phản ứng hóa học kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và phát sáng. Sở dĩ nói đó là quá trình lý, hóa phức tạp vì rằng phản ứng hóa học của quá trình cháy chỉ có thể xảy ra trong những điều kiện vật lý nhất định. Như vậy quá trình cháy gồm hai quá trình cơ bản đó là quá trình hóa học và qúa trình vật lý. Quá trình hóa học là phản ứng hóa học giữa chất cháy và chất ôxy hóa, quá trình vật lý gồm 2 quá trình: Quá trình khuyếch tán khí và quá trình truyền nhiệt giữa vùng đang cháy ra ngoài. Khuyếch tán khí và truyền nhiệt cũng tuân theo những định luật riêng của chúng, Do đó tốc độ quá
trình cháy phụ thuộc đồng thời vào tốc độ của phản ứng hóa học và tốc độ của quá trình vật lý. Quá trình nào chậm sẽ quyết định tốc độ chung của quá trình cháy. Trong thực tế các quá trình cháy xảy ra ở nhiệt độ quá cao từ vài trăm độ dến hàng nghìn độ nên khi đó tốc độ phản ứng hóa học rất lớn, còn tốc độ khuyếch tán và truyền nhiệt thì nhỏ hơn nhiều. Khi ấy, tốc độ quá trình cháy được xác định bằng tốc độ khuyếch tán khí và truyền nhiệt.
Định nghĩa trên đây có ứng dụng thực tế trong quá trình phòng chống cháy nổ. Chẳng hạn đang có đám cháy than hoặc xăng dầu trong không khí, muốn hạn chế tốc độ quá trình cháy để tiến tới dập tắt hoàn toàn đám cháy thì ta có thể hạn chế cấp không khí cung cấp cho đám cháy bằng các biện pháp khác nhau và tìm cách giải tỏa nhiệt lượng từ vùng cháy sang môi trường xung quanh, hoặc đồng thời cả hai biện pháp trên.
b, Nhiệt độ bùng cháy, nhiệt độ bốc cháy, nhiệt độ tự bốc cháy
• Nhiệt độ bùng cháy là nhiệt độ thấp nhất của chất cháy mà ở nhiệt độ đó lượng hơi, khí bốc lên bề mặt của nó tạo với không khí một hỗn hợp khí có nguồn gây cháy tác động sẽ bùng lửa nhưng lại tắt ngay. Ví dụ nhiên liệu Diezel được đặt trong cốc bằng thép, cốc được đun nóng với tốc độ nâng nhiệt xác định. Khi tăng nhiệt độ của nhiên liệu thì tốc độ bốc hơi của nó cũng tăng dần. Nếu đưa ngọn lửa trần tới miệng cốc thì ngọn lửa sẽ xuất hiện kèm theo một tiếng nổ nhẹ, nhưng sau đó ngọn lửa lại tắt ngay. Sở dĩ ngọn lửa tắt ngay vì ở nhiệt độ đó tốc độ bay hơi của nhiên liệu nhỏ hơn tốc độ tiêu tốn nhiên liệu vào phản ứng cháy với không khí.
• Nhiệt độ bốc cháy là nhiệt độ thấp nhất của chất cháy mà ở nhiệt độ đó khi có nguồn gây cháy tác động chất cháy sẽ bốc cháy có ngọn lửa và tiếp tục cháy khi không còn nguồn gây cháy. Cũng với ví dụ trên nếu ta tiếp tục nâng nhiệt độ của nhiên liệu lên cao hơn nhiệt độ bùng cháy thì khi đưa ngọn lửa trần tới miệng cốc, quá trình cháy xuất hiện sau đó ngọn lửa vẫn tiếp tục cháy.
Nhiệt độ bùng cháy là nhiệt độ bốc cháy của các chất cháy được xác định trong dụng cụ tiêu chuẩn.
• Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ thấp nhất của chất cháy mà ở đó nhiệt độ đó tốc độ phản ứng tỏa nhiệt tăng mạnh dẫn tới sự bốc cháy có ngọn lửa. Ví dụ mêtan và không khí được giữ trong bình kín. Thành phần của hỗn hợp này được tính toán trước để phản ứng có thể tiến hành được. Nung nóng bình từ từ ta sẽ thấy ở nhiệt độ nhất
định thì hỗn hợp khí trong bình sẽ tự bốc cháy mà không cần có sự tiếp xúc với ngọn lửa trần.
Nhiệt độ bùng cháy, bốc cháy, tự cháy có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật phòng chống cháy, nổ. Ba nhiệt độ này càng thấp thì khả năng cháy nổ càng lớn, càng nguy hiểm và phải đặc biệt quan tâm tới các biện pháp phòng và chống cháy nổ.
c, Áp suất tự bốc cháy
Áp suất tự bốc cháy của hỗn hợp khí là áp suất tốt thiểu mà tại đó quá trình tự bốc cháy xảy ra, áp suất này càng thấp thì khả năng cháy nổ càng lớn.
d, Thời gian cảm ứng của quá trình tự bốc cháy
Quan sát quá trình cháy. Nếu hỗn hợp khí đã được nung nóng đến nhệt độ To với áp suât tự bốc cháy nào đó mà phản ứng cháy vẫn chưa tiến hành mà phải chờ một thời gian nữa thì ngọn lửa mới xuất hiện trong bình. Khoảng thời gian đó được gọi là thời gian cảm ứng, hay thời kỳ cảm ứng. Thực ra trong thời kỳ cảm ứng thì phản ứng giữa các chất vẫn tiến hành nhưng tốc độ rất nhỏ nên nhiệt lượng tỏa ra do phản ứng là không đáng kể, Khi đó nhiệt kế chưa phát hiện được sự thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp khí nên lúc đó ngọn lửa chưa thể xuất hiện. Khi kết thúc thời kỳ cảm ứng thì nhiệt lượng sinh ra đã được đủ lớn nên xuất hiện ngọn lửa ở trong bình, lúc ấy nhiệt kế cũng bắt đầu ghi chép được sự thay đổi nhiệt độ của không khí.
Thời gian cảm ứng là một thông số quan trọng của quá trình cháy nổ và có ứng dụng thực tế trong công tác phòng chống cháy, nổ.
Thời gian cảm ứng càng ngắn thì hỗn hợp khí càng dễ cháy, nổ và việc phòng chống cháy, nổ phải được quan tâm đặc biệt hơn. Thời gian cảm ứng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện cụ thể tổ chức quá trình cháy. Do đó nó có giá trị rất khác nhau, thời gian này thường được tính bằng giây. Có những quá trình cháy có thời gian cảm ứng chỉ vài phần trăm giây nhưng cũng có quá trình cháy có thời gian cảm ứng có thời gian là một tháng hoặc vài tháng.
e, Tốc độ lan truyền ngọn lửa trong hỗn hợp chất cháy và chất ôxy hóa
Mỗi hỗn hợp khí có một chất cháy và một chất oxy hóa, khi cháy bao giờ ngọn lửa cũng xuất hiện ở một điểm, sau đó ngọn lửa lan truyền ra mọi phương cùng với một tốc độ như nhau, tốc độ đó được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa, thường được ký hiệu là U và tính bằng m/s
Tốc độ lan truyền ngọn lửa cũng là một thông số quan trọng của hỗn hợp khí, nó nói lên khả năng cháy, nổ của hỗn hợp khí là dễ hay khó và có ứng dụng trong kỹ thuật
T hờ i g ia n cả m ứ ng A B
phòng cháy, nổ. Tốc độ lan truyền ngọn lửa cũng phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Tốc độ lan truyền ngọn lửa của chất cháy trong không khí bao giờ cũng nhỏ hơn trong ôxy nguyên chất.
f, Cơ chế của quá trình cháy theo lý thuyết
Theo quan điểm này thì nhiệt lượng tỏa ra của phản ứng cháy phải lớn hơn hay ít nhất bằng nhiệt lượng mất ra môi truờng xung quanh thì khi đó quá trình cháy nổ có thể xuất hiện. Vì vậy nguyên nhân dẫn đến quá trình tự bốc cháy là sự tích lũy nhiệt lượng. Kết thúc thời gian cảm ứng thì quá trình tự bốc cháy xảy ra.
Trên cơ sở lý thuyết trên, ta có thể giải thích nhiều hiện tượng cháy nổ trong thực tế.
Cụ thể: Nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp cháy và chất oxy hóa không phải hằng số hóa lý cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố của quá trình cháy
- Nhiệt độ tự bốc cháy tỷ lệ nghịch với áp suất tự bốc cháy ( hình vẽ ) áp suất càng cao thì nhiệt độ tự bốc cháy càng thấp.
Hình: Mối quan hệ nhiệt độvà áp suất tự bốc cháy
A là vùng tự bốc cháy
B là vùng không tự bốc cháy - Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí càng cao thì khả năng cháy, nổ càng lớn vì giới hạn nổ tăng theo nhiệt độ. Vì thế ở các khu vực có nhiệt độ cao cần đặc biệt quan tâm để tránh cháy, nổ
- Thời gian cảm ứng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tự bốc cháy và tỷ lệ nghịch với áp suất tự bốc cháy P = Const T = Const 52 N hi ệt đ ộ tự b ốc c há y Áp suất tự bốc cháy A B T hờ i g ia n cả m ứ ng A B
( I ) ( II )
Hình: Mối quan hệ
(I) Nhiệt độ tự bốc cháy và thời gian cháy; (II) Áp suất tự bốc cháy và thời gian cháy
A: Vùng tự bốc cháy ( trên đường cong )
B: Vùng không tự bốc cháy ( dưới đường cong )
Qua đồ thị ( I ) và ( II ) ta thấy rằng nếu trong quá trình sản xuất à sử dụng chất cháy có áp suất cao và nhiệt độ cao thì nguy cơ cháy nổ càng cao. Điều đó đòi hỏi chúng ta là quan tâm hơn đến công tác phòng chống cháy nổ
Ngoài quan điểm lý thuyết nhiệt, người ta còn dựa vào lý thuyết chuỗi để giải thích các hiện tượng trên. Ví dụ theo lý thuyết chuỗi thì nguyên nhân gây ra quá trình tự bốc cháy là phản ứng giữa các tâm hoạt động với các chất cháy và chất oxy hóa, còn nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng chỉ là hậu quả.
3.2.2 Điều kiện cháy, nổ
Để quá trình cháy xuất hiện và phát triển, theo sơ đồ tam giác cháy truyền thống thì cần phải có ba yếu tố: Chất cháy, Chất ôxy hóa, và nguồn nhiệt gây cháy ( nguồn năng lượng dẫn đến sự cháy của vật chất ).
1 - Nguồn nhiệt gây cháy 2 - Chất cháy
3 - Chất ôxy hóa
Trong sơ đồ này, ta thấy sự cháy không thể tồn tại nếu như ta loại bỏ một trong ba đỉnh hoặc một trong ba cạnh nào của tam giác. Chẳng hạn nếu ta loại bỏ một đỉnh là chất cháy, tức là cách ly chất cháy với vùng cháy thì sự cháy sẽ tắt, hiện tượng này cũng lặp lại nếu như ta loại bỏ nguồn nhiệt gây cháy hoặc chất ôxy hóa.
1
Trong thực tế thì chất cháy cũng như chấy ôxy hóa rất đa dạng và có thể ở các dạng khác nhau như rắn, lỏng, khí. Vì vậy dù quá trình cháy có diễn ra ở pha rắn, lỏng hay khí thì tỷ lệ pha trộn giữa chất cháy và chất ôxy hóa vô cùng quan trọng vì rằng hỗn hợp quá nghèo hoặc quá giàu chất cháy đều không thể cháy được cũng như nếu tỷ lệ cháy mà đúng nhưng nếu sự khuyếch tán giữa chất cháy và chất ôxy hóa diễn ra yếu thì cũng không thể cháy được.
Không phải bất cứ nguồn nhiệt nào cũng có thể gây cháy. Sự cháy chỉ có thể xảy ra khi nhiệt cung cấp cho hỗn hợp đủ để phát sinh quá trình cháy và bắt đầu lan rộng ra trong một khoảng thời gian nhất định. Do đó nguồn nhiệt gây cháy phải có dự trữ năng lương tối thiểu. Nguồn nhiệt gây cháy phải có khả năng gia nhiệt cho một thể tích tối thiểu hỗn hợp cháy lên đến nhiệt độ bốc cháy. Với hỗn hợp khí, hơi với không khí thì chỉ cần gia nhiệt một thể tích 0,5÷1 mm3 là đủ để hỗn hợp đó tự bốc cháy.
3.3 NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY CHÁY
Như ta đã biết, một đám cháy xuất hiện cần có ba yếu tố: Chất cháy, chất ôxy hóa với tỷ lệ xác định giữa chúng và nguồn nhiệt gây cháy. Trong thực tế thường các chất cháy và các chất ôxy hóa luôn tồn tại. Vì thế chỉ cần thêm yếu tố nguồn nhiệt thì đám cháy sẽ xuất hiện.
Trong thực tế, ta để hạn chế sự cháy thì ta không thể loại bỏ một trong hai yếu tố: chất cháy và chất ôxy hóa. Ta chỉ có thể hạn chế các nguyên nhân từ chất cháy và chất ôxy hóa bằng cách hạn chế sự khuyếch tán của chúng. Vậy để quá trình cháy không diễn ra hoặc diễn ra theo mong muốn của thì việc nghiên cứu nguồn nhiệt gây cháy là then chốt và cần thiết nhất.
Nguồn nhiệt gây cháy trong thực tế rất phong phú:
- Hiện tượng tĩnh điện: sinh ra do ma sát giữa các vật thể và nó rất hay gặp khi bơm, rót các chất lỏng nhất là các chất lỏng có cực. Hiện tượng tĩnh điện tạo ra một lớp tĩnh điện kép trái dấu. Khi điện áp giữa các lớp điện tích đạt tới một giá trị nhất định sẽ phát sinh tia lửa điện và gây cháy.
- Sét là hiện tượng phóng tia lửa điện giữa các đám mây mang điện trái dấu hoặc giữa các đám mây và mặt đất. Điện áp giữa các đám mây có thể đến hàng trăm triệu Vôn. Nhiệt độ do sét gây ra rất cao, hàng chục nghìn độ, vượt xa nhiệt độ tự bốc cháy của các chất cháy được
- Nguồn nhiệt gây cháy cũng có thể sinh ra do hồ quang điện, do chập mạch điện, do đóng cầu dao điện. Tia lửa điện là nguồn nhiệt gây cháy khá phổ biến trong mõi lĩnh vực sử dụng điện. Tia lửa có thể sinh ra do ma sát và va đập giữa các vật rắn.v..v…
- Trong công nghiệp hay dùng các thiết bị nhiệt có nhiệt độ cao. Đó cũng là nguồn nhiệt gây cháy thường xuyên như lò đốt, lò nung, hoặc đơn giản ta có thể thí nghiệm nếu dí một thanh củi vào một đoạn thép được nung nóng đỏ. Vì vậy, nếu thiết bị bị hở mà không được phát hiện và xử lý kịp thời thì cũng là nguyên nhân gây cháy, nổ nguy hiểm.
- Các ống dẫn khí cháy, chất lỏng dễ bay hơi và dễ cháy nếu bị hở cũng là một nguyên nhân tiềm tàng gây cháy vì nó tạo với không khí thành một hỗn hợp khí cháy nổ. khi gặp nguồn nhiệt bên ngoài như tàn lửa thuốc lá hoặc bất cứ một yếu tố gây cháy nào cũng đều nguy hiểm.
Qua các ví dụ trên cho thấy: Nguyên nhân cháy nổ trong thực tế có rất nhiều và rất đa dạng mà không thể mô tả hết. Cũng cần phải lưu ý rằng nguyên nhân cháy, nổ còn xuất phát từ sự không quan tâm đầy đủ trong thiết kế công nghệ, thiết bị cũng như sự thanh kiểm tra của người quản lý và ý thức về công tác phòng cháy chữa cháy của mỗi người.
3.4 CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG
3.4.1 Các biện pháp quản lý phòng chống cháy nổ ở các cơ sở
Phòng cháy là khâu quan trọng nhất trong công tác phòng cháy và chữa cháy vì khi đám cháy xảy ra thì dù các biện pháp chữa cháy có hiệu quả đến đâu thì thiệt hại vẫn to lớn và kéo dài. Biện pháp cơ bản trong phòng cháy và chữa cháy có thể chia làm hai loại: Biện pháp kỹ thuật công nghệ và biện pháp tổ chức quản lý
a, Biện pháp kỹ thuật công nghệ
Biện pháp kỹ thuật công nghệ thể hiện trong việc lựa chọn sơ đồ quá trình công nghệ sản xuất và thiết bị, chọn vật liệu kết cấu, vật liệu xây dựng, các hệ thống thông tin liên lạc, hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động, hệ thống cung cấp nước chữa