CC BY
205
Л. Б. ХОРОШАВИН, д-р техн. наук, научный сотрудник
Уральского филиала ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. Екатеринбург, Россия
О. А. МЕДВЕДЕВ, аспирант, начальник Уральского филиала
ФГБУ ВНИИ ГОЧС (Фц), г. Екатеринбург, Россия
В. А. БЕЛЯКОВ, канд. техн. наук, научный сотрудник Уральского
филиала ФГБУ ВНИИ ГОЧС (Фц), г. Екатеринбург, Россия
О. В. БЕЗЗАПОННАЯ, канд. техн. наук, доцент, доцент Уральского
института ГПС МЧС РФ, г. Екатеринбург, Россия
УДК 614.841.12:614.842
ТОРФЯНЫЕ ПОЖАРЫ И СПОСОБЫ ИХ ТУШЕНИЯ
Рассмотрен механизм возгорания торфа; приведен обзор существующих способов тушения торфяных пожаров. Предложен новый метод тушения торфяных пожаров с использованием слабощелочных растворов с добавками наночастиц в летнее время и сухих наночастиц — в зимнее. Показано, что огнетушащий эффект основан на способности наночастиц проникать в микропоры торфа, окисляться с поглощением кислорода воздуха и теплоты, замедляя тем самым реакцию окисления углерода торфа.
Ключевые слова: торф; торфяные пожары; наночастицы; тушение торфяных пожаров.
Торфяные пожары наносят большой вред экономике, окружающей среде и здоровью человека. Пожары торфяников обычно распространяются на значительно меньшие по размеру площади, чем лесные пожары, однако в результате их сгорает почти в 10 раз больше биологической массы, а также выделяется значительное количество дыма и токсичных газов (метана, углекислого и угарного газов, формальдегида, оксидов азота, ароматических углеводородов, бензапирена и др.). Наибольшую опасность представляют выработанные торфяники и сельскохозяйственные угодья на месте осушенных болот.
Тяжелые последствия торфяных пожаров требуют особого внимания к вопросам противопожарной охраны торфяников и разработки новых высокоэффективных способов их тушения. Ежегодное и круглогодичное горение торфяников свидетельствует о неэффективности применяемых методов и способов их тушения.
Механизм возгорания торфа
Торфяные пожары характерны для второй половины лета, когда в результате длительной засухи верхний слой торфа просыхает до относительной влажности 20-50 %. При таком содержании влаги может происходить его возгорание, которое, распространяясь в нижние слои торфа, поддерживается там, несмотря на их влажность 50 %. Причиной возгорания торфа могут быть непотушенные костры, искры, тлеющие частицы торфа, разносимые ветром на расстояние до 50 м и более. При определенных условиях может происходить и самовозгорание торфа.
Торф горит в беспламенном режиме (режиме тления). После возгорания верхних слоев торфа фронт пожара самоуглубляется в нижние слои, что обусловлено различием плотности и условиями фильтрации. Торфяная масса содержит в порах некоторое количество воздуха, в связи с чем тление может протекать и в изолированных условиях. Чаще всего заглубление горения происходит не в одном, а в нескольких местах, что обуславливает развитие так называемых многоочаговых пожаров. Обычно торф прогорает на всю глубину залегания до минерального слоя почвы или до уровня грунтовых вод (см. рисунок).
Уровень грунтовых вод
Схема развития беспламенного горения торфа
© Хорошавин Л. Б., Медведев О. А., Беляков В. А., Беззапонная О. В., 2012
При горении торфа его более глубокие слои выделяют большее количество теплоты, чем верхние, менее разложившиеся. Это связано с возрастанием по мере разложения содержания органического вещества в его составе. Скорость распространения торфяных подземных пожаров составляет от нескольких сантиметров до нескольких метров в сутки. При прогорании торфа формируются каверны (пещеры) глубиной до 1,5 м [1]. При этом верхний напочвенный слой может оставаться несгоревшим. Это обстоятельство затрудняет определение границы подземного пожара и создает для людей и техники опасность при его ликвидации.
Рассмотрим более подробно механизм самовозгорания торфа. Причиной самовозгорания являются экзотермические тепловые, химические и микробиологические процессы. По мнению авторов работы [2], начальной стадией окисления торфа является возникновение пероксидных соединений, которое происходит с низкой энергией активации, поскольку не требует разрыва кислородных связей. Образовавшиеся пероксиды разлагаются с выделением теплоты.
Экзотермическое окисление растительного материала торфа (пектиновых, белковых и других веществ) приводит к самонагреванию торфа и изменению его состава. При температуре выше 60 °С торф в течение нескольких дней превращается в полукокс, способный энергично взаимодействовать с воздухом. Он обладает свойством поглощать (адсорбировать) пары и газы с выделением теплоты. При низкой теплоотдаче это приводит к еще большему нагреванию торфа: температура в растительных продуктах повышается до 100-130 °С [3]. Повышение температуры интенсифицирует окисление полукокса, что ведет к новому витку повышения температуры. Чем больше осушена торфяная залежь, тем более интенсивно, с более высокими температурами и выделением большего количества теплоты будет развиваться процесс самонагревания.
Если взять поперечный разрез каравана, то 10-15 % его сечения занимает зона полукокса. Полукокс представляет собой (по сравнению с исходным торфом) сильно обогащенную углеродом пористую массу с низкой влажностью (2-5 %). Если по трещинам, особенно во время сильного ветра, к полукоксу усиленно проникает воздух, то температура быстро поднимается, что приводит к возгоранию [3].
При температуре около 200-230 °С начинает разлагаться клетчатка, входящая в состав растительных продуктов, в результате чего образуется активированный (активный) уголь, способный интенсивно окисляться. Температура при этом достигает 350-600 °С, и наступает прогрессивное самонагревание до возникновения горения.
По мнению авторов работы [4], катализатором процесса экзотермического окисления растительного материала является наличие металлов (даже их следовых количеств), в частности железа низшей валентности. Эти соединения реагируют с кислородом с выделением значительного количества теплоты в микролокальных зонах. Эта теплота аккумулируется вследствие плохой теплопроводности торфа, что может привести к самовозгоранию торфяных пластов после мелиоративных работ в условиях пониженной влажности и повышенной температуры атмосферы [4].
Причиной самовозгорания могут стать и микробиологические процессы (жизнедеятельность бактерий и микроорганизмов), протекающие с выделением теплоты. Биологические процессы начинаются уже при температуре 8-10 °С. Питательной средой для бактерий служат водорастворимые вещества углеводного характера (фульво- и гуминовые кислоты), образующиеся при распаде растений. В результате жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов происходит самонагревание внутренних слоев торфа, причем скорость этого процесса в зависимости от характера торфа и условий внешней среды может достигать 0,5-4,5 °С/сут [3]. В очень сухом и очень влажном торфе развитие микроорганизмов затруднено, поэтому и скорость самонагревания ниже. Самовозгорание происходит, когда тепла в активной зоне образуется в 3 раза больше, чем из нее отводится.
Способы предотвращения и тушения торфяных пожаров
Тушить торфяные пожары очень сложно. Обычно для их локализации и тушения используют воду, а также окапывание очага канавами шириной около 1 м и глубиной до минерального слоя или до насыщенного водой слоя торфа. Однако применение для тушения торфяных пожаров только одной воды крайне неэффективно, так как она плохо смачивает торф из-за своего высокого поверхностного натяжения. Кроме того, для тушения торфяных пожаров требуется очень большое количество воды: на 1 м3 торфа — около 1 м3 воды. При этом торф поглощает только «5-8 % воды и быстро высыхает, что приводит к его новому возгоранию.
Тушение торфяных пожаров осложняется тем, что при высоких температурах происходит термическое разложение торфомассы в залежи с выделением битумов и термобитумов — гидрофобных соединений, отталкивающих воду [5]. При выпадении осадков битумированные частицы торфа не намокают, влага, просачиваясь между ними, уходит в грунтовые воды, поэтому торфяная залежь может гореть годами до полного выгорания месторождения.
86
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №11
Введение в воду поверхностно-активных веществ (ПАВ), понижающих поверхностное натяжение воды и повышающих смачивающую способность торфа, является одним из наиболее эффективных способов борьбы с торфяными пожарами. Однако для каждого состава торфа существуют свои оптимальные составы ПАВ как в качественном, так и в количественном отношении [6-9]. В данное время в качестве ПАВ (до 0,3 %) применяют: сульфанол НП, пенообразователи ОП-7 и 0П-10.
Установлено, что смачивающая способность торфа может быть повышена в 2-3 раза при использовании для тушения 1-3 %-ных растворов карбонатов и бикарбонатов натрия [10]. Эти растворы могут применяться не только для повышения эффективности тушения торфяных пожаров, но и для их предупреждения.
Для повышения температуры воспламенения, а также для снижения скорости поверхностного распространения пламени и, соответственно, вероятности возникновения поверхностных пожаров разработаны способы ее минимизации, основанные на обработке пластов торфа растворами органических веществ и аминами различной структуры, выполняющими функции антиоксидантов [11]. Влияние этих веществ на снижение риска самовозгорания обусловлено: химическим взаимодействием с пероксидными группами, образующимися при окислении; прекращением окисления органической массы в результате более легкой окисляемости анти-оксидантов; избирательной адсорбцией на активных участках поверхности торфа, затрудняющей доступ к ним кислорода.
Другим видом обработки торфа для предотвращения его самовозгорания и возгорания является применение растворов пленкообразователей, затрудняющих доступ воздуха к его поверхности [11]. Эти функции может выполнять глинистая пульпа, образующаяся в процессе мелиорации торфяно-болот-ных экосистем. В состав глинистой пленкообразующей композиции предложено вводить добавки хлорида кальция, ингибирующие горение торфа.
Как показали исследования [11], ингибиторами горения торфа могут выступать аминокомплексные соединения (АКС), к которым относятся продукты присоединения анилина и некоторых его производных к солям переходных металлов. АКС хорошо диффундируют в глубь торфа, повышают его пожаро-стойкость, уменьшают его склонность к саморазогреву и самовозгоранию при понижении влажности торфа ниже критического значения [11]. Начало разложения АКС происходит в диапазоне температур 160-225 °С с выделением азота, что тормозит загорание торфа. Авторами работы также предложена новая технология, объектами утилизации ко-
торой являются смолистые отходы предприятий химической промышленности по производству ароматических и алифатических аминов и их производных, а также отходы предприятий металлургической промышленности — хлориды и сульфаты меди, цинка и других металлов [11]. Данная технология позволяет использовать эти отходы для синтеза нетоксичных АКС многоцелевого назначения.
При отсутствии воды или невозможности ее использования для тушения горящего торфа в глубоких слоях предложен способ, суть которого заключается в тушении его с помощью дыма и углекислого газа [12]. Для тушения необходимо пробить отверстия в местах горения и закачать туда дым от дымовых шашек. Дым, постепенно проникая во все поры торфяной массы, где имеется кислород для горения, разбавляет его до концентраций (менее 5 % от всего объема воздуха), при которых горение становится невозможным. После этого из углекислот-ных огнетушителей специальными торфяными стволами подается находящийся под высоким давлением углекислый газ, который при выходе наружу охлаждается до температуры минус 72 °С. Поскольку торф имеет плохую смачиваемость, в случае тушения его водой последняя, обладая также плохой проницаемостью в торфе, распространяется вокруг насадки ствола в торфе на небольшое расстояние. В отличие от воды углекислый газ лишен этого отрицательного фактора. Поэтому при выбросе порциями углекислого газа в нижние слои горящего торфа газ, хорошо распространяясь в его внутреннем слое, охлаждает торф до температуры ниже температуры его самовозгорания и тем самым локализует очаг горения.
Близким по своей сути способом тушения горящего торфа с помощью углекислого газа является способ, предложенный коллективом авторов под руководством Б. А. Зеленова [13]. Он заключается в прицельном метании брикетов твердого диоксида углерода ("сухого льда") из ствольной пневматической пушки, что позволяет реализовать массированную подачу газа в очаг возгорания. В окрестности падения брикетов возникает зона, заполненная охлажденным углекислым газом, в которой прекращается доступ кислорода воздуха к горящим предметам одновременно с их эффективным охлаждением [13].
Для тушения торфяных пожаров применяют специальные торфяные стволы, пожарные автомобили, насосные станции, поливные магистральные трубопроводы и пр. При проведении земляных работ широко используется специальная техника: канавокопатели, экскаваторы, бульдозеры, грейдеры и другие машины, пригодные для этой работы. К сожалению, новая техника, предназначенная для ту-
шения торфяных пожаров путем насыщения торфа дисперсными частицами (цементовозы, передвижные бетонные и химические установки), используется в настоящее время недостаточно.
Для предотвращения и ликвидации возгорания торфяников авторами настоящей работы предложен способ оптимального насыщения торфа негорючими минеральными наночастицами, препятствующими реакции окисления углерода и поглощающими кислород вследствие эндотермических реакций окисления [14,15]. Плотность наночастиц в 2-3 раза больше плотности льда и воды, поэтому они сразу же будут оседать в низинном торфе. Эффективность тушения зависит от свойств наночастиц, основными из которых являются: чрезвычайно высокая химическая активность, обусловленная их высокой удельной площадью поверхности; высокая адгезионная способность, обеспечивающая хорошее прилипание к любой поверхности; высокая способность к проникновению в микропоры и клетки растений. Использование этих свойств наночастиц позволило получить широкий спектр материалов и изделий с очень высокими показателями указанных выше свойств [16, 17].
Легирование клеток растений наночастицами по прототипу легирования металлов позволит эффективно предупреждать и ликвидировать торфяные пожары. Для каждого вида торфа существуют
свои дифференцированные наночастицы как по химической природе, так и по их дисперсности. Основной задачей является выбор оптимальных нано-частиц.
Применение водных растворов слабощелочного состава с добавками наночастиц с использованием пожарной техники в летнее время, а в зимнее время — распыление сухих наночастиц над торфяными полями позволит предотвратить и ликвидировать загорания торфяников.
Выводы
Из-за неэффективности тушения торфяных пожаров водой необходима разработка новых, альтернативных способов, а также внедрение в практику пожаротушения уже существующих эффективных методов тушения торфяных пожаров.
Применение водных растворов слабощелочного состава с добавками наночастиц с использованием пожарной техники в летнее время, а в зимнее время — распыление сухих наночастиц над торфяными полями позволит предотвратить и ликвидировать загорания торфяников. Огнетушащий эффект основан на способности наночастиц проникать в микропоры торфа, окисляться с поглощением кислорода воздуха и теплоты, замедляя тем самым реакцию окисления углерода торфа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марков В. Ф., Маскаева Л. Н., Миронов М. П., Пазникова С. Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. — Екатеринбург : УрО РАН, 2009. — 274 с.
2. Пелех М. Т., Крейтор В. П. Прогнозирование торфяных пожаров // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2009. — № 4. — С. 36-41.
3. Демидов П. Г., СаушевВ. С. Горение и свойства горючих веществ. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1975.—279 с.
4. Крейтор В. П., Потеряев Ю. К. Моделирование процессов горения торфа при развитии торфяных пожаров // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2009. — № 4. — С. 56-63.
5. Мисников О. С. Физико-химические основы гидрофобизации // Теоретические основы химической технологии. — 2006. — Т. 40, № 4. — С. 455-464.
6. Казаков М. В. Применение поверхностно-активных добавок для тушения пожаров. — М. : Стройиздат, 1977. — 80 с.
7. Лиштван И. И. Исследование возможности использования полимеров и ПАВ как структурооб-разователей торфяных почв. Новые процессы и продукты переработки торфа: сб. статей. — М.: Наука и техника, 1982. — С. 15-19.
8. Соловьев С. В. Выбор огнетушащих составов с учетом особенностей связи воды в торфе // Вестник ГПС. — 2004. — № 2. — С. 61-66.
9. Никитин Ю. А. Предупреждение и тушение пожаров в лесах и на торфяниках. — М.: Россельхоз-издат, 1986. — 96 с.
10. Соловьев С. В. Экологические последствия лесных и торфяных пожаров : дис. ... канд. техн. наук. — М., 2006. — 222 с.
11. Чернодедов А. С., Хорошилов О. А. Технологические методы замедления процесса горения торфа // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2009. — № 4. — С. 53-55.
88
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №11
12. Природоохранные технологии. URL : http://www.prioteh.ru (дата обращения: 17.02.2012 г.).
13. Пат. № 2291730 Российская Федерация. Способ тушения огня и устройство для его реализации / Зеленое Б. А., Яковлев Л. Н., Резуненко В. И., Багиров Л. А., ФейгинВ. И.; опубл. 14.02.2006 г. — 2 с.
14. Хорошаеин Л. Б. Разработка и внедрение нанотехнологий предотвращения и ликвидации возгорания торфяников // Уральская горная школа — регионам : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. — Екатеринбург : УГГУ, 2011. — С. 472-473.
15. Хорошаеин Л. Б., Медведев О. А., Беляков В. А. и др. Модифицированный торф — это торф нового поколения // Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия : сб. тезисов. — Екатеринбург : УрГУ, 2011. — С. 17.
16. Хорошавин Л. Б. Шпинелидные наноогнеупоры. — Екатеринбург : УрО РАН, 2009. — 600 с.
17. Хорошавин Л. Б., Беляков В. А., РудновВ. С. и др. Эксплуатационные характеристики легкого бетона на основе модифицированного торфа // Перспективы развития строительного материаловедения : матер. Всерос. науч.-техн. конф. —Челябинск : ООО "Рекпол", 2011. — С. 21-23.
Материал поступил в редакцию 17 июля 2012 г.
Электронные адреса авторов: [email protected]; [email protected].
Издательство «П0ЖНАУКА»
Представляет книгу
ОГНЕТУШИТЕЛИ. УСТРОЙСТВО. ВЫБОР. ПРИМЕНЕНИЕ
Д. А. Корольченко, В. Ю. Громовой
В учебном пособии приведены классификация огнетушителей и конструкции основных их типов, средства тушения, используемые для зарядки огнетушителей, виды огнетушителей и правила их применения для ликвидации загораний различных веществ, рекомендации по расчету необходимого количества огнетушителей для разных объектов, по их размещению, хранению и техническому обслуживанию.
Рекомендации, содержащиеся в книге, разработаны на основе современных нормативных документов, регламентирующих конструкцию, условия применения, правила эксплуатации и технического обслуживания огнетушителей.
Учебное пособие рассчитано на широкий круг читателей: инженерно-технических работников предприятий и организаций, ответственных за оснащение объектов огнетушителями, поддержание их в работоспособном состоянии и своевременную перезарядку; преподавателей курсов пожарно-технического минимума и дисциплины "Основы безопасности жизнедеятельности" в средних и высших учебных заведениях; частных лиц, выбирающих огнетушитель для обеспечения безопасности квартиры, дачи или автомобиля.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]; www.firepress.ru
