Chương 5: AN TOÀN TRONG CÔNG TÁC PHÒNG CHỐNG CHÁY
5.2. Những kiến thức cơ bản về cháy
Cháy là một phản ứng hóa học phát ra nhiệt và ánh sáng hay nói một cách khác cháy là một phản ứng hóa học giữa chất cháy và ôxy của môi trường có tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng.
Theo định nghĩa trên thì sự cháy có ba dấu hiệu:
- Phản ứng hóa học;
- Tỏa nhiệt;
- Phát ra ánh sáng.
Căn cứ vào các dấu hiệu này để phân biệt cháy với các hiện tượng khác.
Ví dụ: Ngọn đèn chiếu sáng không gọi là cháy vì thiếu dấu hiệu của phản ứng hóa học.
Đổ nước vào vôi sống, có phản ứng hóa học, tỏa nhiệt lớn nhưng không phát ra ánh sáng nên không coi là cháy.
Theo định nghĩa cổ điển nhất thì quá trình cháy là phản ứng hóa học kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt lớn và phát sáng. Do tỏa nhiệt lớn nên sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, thường từ vài trăm độ trở lên nên phát sáng được. Trong thực tế nhiều phản ứng hóa học khi tiến hành có tỏa nhiệt nhưng không phát sáng. Những phản đó không thuộc lĩnh vực
quá trình cháy. Có thể lấy nhiều ví dụ để mô tả định nghĩa trên, quá trình cháy về thực chất có thể coi là là một quá trình ôxy hóa khử, các chất cháy đóng vai trò là chất khử, còn chất ôxy hóa thì tùy phản ứng có thể rất khác nhau.
Ví dụ :
- Than cháy trong không khí thì than là chất khử, ôxy của không khí là chất ôxy hóa.
- Hydro cháy trong khí clo thì hydro là chất khử, còn clo là chất ôxy hóa v.v…
- Các hợp chất amin cháy trong axit nitric đậm đặc thì hợp chất amin là chất khử, còn axit nitric là chất ôxy hóa v.v…
Tuy chất khử và chất ôxy hóa rất đa dạng, song 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 cháy hóa lý phức tạp, trong đó xảy ra phản ứng hóa học kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và phát sáng.
Sở dĩ nói đó là quá trình hóa lý 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 quá trình vật lý.
Quá trình hóa học chính là phản ứng hóa học giữa chất cháy và chất ôxy hóa và quy luật của nó tuân theo nhưng định luật chung của phản ứng.
Quá trình vật lý gồm hai quá trình: quá trình khuếch tán khí (khuếch tán ôxy từ không khí vào phản ứng cháy và khuếch tán sản phẩm cháy từ vùng đang cháy ra ngoài) và quá trình truyền nhiệt giữa vùng đang cháy ra ngoài (thiết bị hay môi trường khí xung quanh).
Khuếch tán khí và truyền nhiệt nhiệt tuân theo những định luật riêng của chúng. Do đó tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc đồng thời vào tốc độ của phản ứng hóa học và tốc độ của quá trình vật lý ( khuếch tán khí và truyền nhiệt ). 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 khá cao từ vài trăm đến hàng nghìn độ, nên khi đó tốc độ phản ứng hóa học rất lớn, còn tốc độ khuếch tán khí và truyền nhiệt nhỏ hơn nhiều, khi ấy tốc độ quá trình cháy được xác định bằng tốc độ khuếch tán khí và truyền nhiệt.
Định nghĩa trên đây có ứng dụng rất thực tế trong kỹ thuật phòng chống cháy nổ.
Chẳng hạn đang có đám cháy vật liệu hữu cơ trong không khí như than hoặc xăng dầu, muốn hạn chế tốc độ quá trình cháy để tiến tới dập tắt hoàn toàn đám cháy, ta có thể sử dụng hoặc là hạn chế tốc độ cấp không khí vào phản ứng cháy bằng các biện pháp khác
nhau, hoặc là tìm cách giải nhiệt từ vùng cháy ra môi trường xung quanh, hoặc tốt hơn cả là tiến hành đồng thời cả hai biện pháp trên.
5.2.2. Hình thức và điều kiện cháy 5.2.2.1. Hình thức cháy
Cháy xảy ra dưới các hình thức sau:
- Cháy hoàn toàn: là sự cháy xảy ra trong trường hợp thừa hoặc đủ ôxy và sản phẩm là CO2, H2O, Nitơ và một số ít chất khác như Anhydric, Sunfurơ vv...
- Cháy không hoàn toàn: là sự cháy trong trường hợp thiếu ôxy, sản phẩm cháy thường chứa nhiều khí cháy, nổ và độc như Cacbon ôxit (CO), Axetôn, Anđêhit ...
5.2.2.2. Điều kiện cháy
Để cho sự cháy được xuất hiện và duy trì phải có đầy đủ 3 yếu tố sau:
- Vật chất cháy được;
- Ôxy;
- Nguồn nhiệt ban đầu.
Thiếu một trong ba yếu tố trên thì sự cháy không thể xảy ra hoặc không tồn tại sự cháy. Tuy nhiên, không phải trong bất cứ trường hợp nào hội đủ ba điều kiện trên đều gây ra cháy. Ít chất cháy hoặc ít ôxy cũng không gây nên cháy. Cháy còn phụ thuộc mật độ cháy và mật độ ôxy.
5.2.3. Nhiệt độ bắt cháy
Nhiệt độ bắt cháy là nhiệt độ thấp nhất tại đó hơi chất lỏng trong không khí trên bề mặt thoáng của nó tạo thành hỗn hợp có thể bắt cháy được khi có lửa mồi. Nếu đưa lửa mồi ra xa thì sự cháy không thể bắt cháy được. Sở dĩ như vậy là do tốc độ bốc hơi chất lỏng chậm hơn tốc độ cháy, chất lỏng bốc hơi không kịp để cháy tiếp.
Bảng 5.1: Nhiệt độ bắt cháy của một số chất lỏng
Tên chất lỏng Nhiệt độ bắt cháy Tên chất lỏng Nhiệt độ bắt cháy
Axetôn - 200C Dầu hỏa nặng + 570C
Xăng A70 - 360C Madut + 1270C
Dầu hỏa nhẹ + 450C Benzen - 140C
Điều kiện bắt cháy
- Nhiệt: Sự bắt cháy hỗn hợp cháy chỉ có khả năng xảy ra khi lượng nhiệt cung cấp cho hỗn hợp cháy đủ để làm cho phản ứng cháy bắt đầu, tiếp tục và lan rộng ra. Như vậy không phải bất kỳ một mồi lửa nào cũng có thể gây cháy được. Muốn bắt cháy mồi lửa phải có đủ dự trữ năng lượng tối thiểu. Những mồi bắt lửa khác nhau, có nhiệt độ ngọn lửa khác nhau.
Ví dụ: Ngọn lửa diêm: t0 = 750 - 8600C Đèn dầu hỏa: t0 = 780 - 10300C Mẫu thuốc lá: t0 = 700 - 7500C
Khả năng bắt lửa của một mồi lửa phụ thuộc vào thể tích khí tối thiểu mà nó có thể gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy trung bình.
Ngọn lửa trần rất nguy hiểm trong đó tia lửa điện 10.0000C là nguy hiểm hơn cả (hồ quang điện).
Thời gian tiếp xúc giữa tia lửa và hỗn hợp cháy có vai trò quan trọng. Khi đưa lửa mồi vào hỗn hợp cháy, sự bắt cháy không phải xuất hiện ngay mà phải trải qua một khoảng thời gian nhất định gọi là thời gian cảm ứng hay thời gian chậm bắt cháy.
5.2.4. Nhiệt độ bốc cháy
Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó các chất có thể cháy được nếu có lửa mồi. Chất lỏng dễ dàng thường có nhiệt độ bốc cháy lớn hơn nhiệt độ bắt cháy từ 1-50C.
5.2.5. Nhiệt độ tự bốc cháy
Là nhiệt độ thấp nhất cần phải gia nhiệt cho vật chất hoặc toàn bộ hỗn hợp cháy tự gia nhiệt đến một nhiệt độ nhất định nó sẽ bốc cháy và tiếp tục cháy mà không cần đưa mồi lửa đến gần hoặc không cần mồi lửa bên ngoài.
Như vậy, không cần nguồn lửa, sự cháy vẫn có thể xảy ra. Nguyên nhân là do chất hữu cơ bị ôxy hóa tích tụ lâu ngày tỏa nhiệt và tích tụ nhiệt gây ra cháy (ví dụ cháy hầm than ở bếp tàu).
Bảng 5.2. Nhiệt độ tự bốc cháy của một số chất lỏng
Tên chất cháy Nhiệt độ tự bốc cháy Tên chất cháy Nhiệt độ tự bốc cháy
Xăng A- 47 3000C Phim ảnh 1400C
Dầu hỏa 2500C Khí Hydro 5300C
Glyxerin 5230C Giấy 1840C
Benzen 6590C Gỗ 2500C
Axeton 7240C Lụa hóa học 1800C
Sơn 3800C
5.2.6. Nguyên lý chữa cháy
Từ bản chất của quá trình cháy, điều kiện cháy và diễn biến của đám cháy ta có các phương pháp chữa cháy cơ bản:
- Tách chất cháy ra khỏi lửa: Đây là trưòng hợp đương nhiên không còn gì để mà chữa nữa.
- Loại trừ ôxy trong không khí: thực tế chỉ cần giảm lượng ôxy trong không khí
xuống còn 15% bằng cách đậy kín đám cháy như dùng bạt, cát, chăn thấm nước. Đưa CO2
hoặc CCl4 vào thì đám cháy cũng bị dập tắt.
- Hạ thấp nhiệt độ đám cháy đến mức nó không giải phóng ra đủ khí cháy để duy trì sự cháy.
- Phương pháp tổng hợp các phương pháp trên: Trong thực tế phương pháp không chỉ dựa trên một nguyên lý mà dựa vào sự kết hợp nhiều nguyên lý thì việc chữa cháy mới có hiệu quả.
Ngoài phương pháp chữa cháy chung, trong chữa cháy còn có chiến thuật dập tắt đám cháy, chiến thuật bao vây dập tắt toàn bộ, chiến thuật phân chia dập tắt từng phần và tiến tới dập tắt toàn phần.
Việc lựa chọn chiến thuật chữa cháy phải căn cứ vào đặc điểm đám cháy, nhân lực, phương tiện, dụng cụ hiện có mà quyết định chiến thuật.
Tùy theo mức độ tồn tại của các yếu tố trên mà cháy có những tốc độ cháy khác nhau:
- Cháy chậm: là cháy không phát ra ánh sáng và tỏa nhiệt ít.
- Cháy nhanh: là cháy phát sáng nhiều và ngọn lửa nóng.
- Bốc cháy rất nhanh hay bốc cháy tức thì tức là phát nổ.
5.2.7. Diễn biến của đám cháy
Thông thường đám cháy diễn biến qua 3 giai đoạn:
- Giai đoạn đầu: Nguồn nhiệt nung nóng vật cháy đến nhiệt độ bén lửa. Giai đoạn này dài hay ngắn tùy thuộc vào vật chất cháy. Nếu vật cháy là chất dễ cháy thì giai đoạn đầu ngắn, nếu vật cháy là chất khó cháy thì giai đoạn đầu dài hơn.
Khi mới bén cháy, tốc độ ngọn lửa còn chậm, nếu phát hiện kịp thời có thể dập tắt đám cháy mau chóng.
- Giai đoạn cháy to: Tốc độ phát triển nhanh nhất, nhiệt độ cháy cao nhất, tiêu hao chất cháy nhiều nhất. Giai đoạn này, lửa có khả năng lan tràn từ khu vực này sang khu vực khác. Sự lan tràn này có thể do lửa trực tiếp bén sang, cũng có thể do quá trình bức xạ nhiệt truyền nhiệt làm cho vật cháy bị phân hủy rồi bén cháy.
- Giai đọan kết thúc: Nhiệt độ và vận tốc đám cháy giảm xuống rồi tắt hẳn. Có hai nguyên nhân:
- Cứu chữa: loại trừ mọi khả năng để cho đám cháy không thể phát triển được nữa suy giảm dần rồi tắt hẳn.
- Tự kết thúc khi những điều kiện cháy không tồn tại.
5.2.8. Phân loại lửa
Để tiện gọi tên và chọn phương pháp chữa cháy thích hợp người ta phân ra thành
các loại lửa sau đây:
- Loại lửa A: là loại lửa thông thường phát sinh từ các vật dễ cháy như gỗ, bông, ngư cụ, giấy, dây nhợ, quần áo, than... loại lửa này vừa cháy trên bề mặt, vừa cháy sâu vào bên trong vật cháy. Sau khi ngọn lửa đã tắt, vẫn còn mầm lửa hoặc tàn lửa.
Dập tắt loại lửa này phải xịt nước làm lạnh và phải làm lạnh triệt để không cho cháy hồi phục lại.
- Loại lửa B: là loại lửa do cháy các chất lỏng dễ cháy như xăng, dầu hỏa, dầu bôi trơn, cồn, sơn, nhựa đường, dầu mỡ động thực vật...
Loại lửa này chỉ giới hạn ở trên bề mặt của chất cháy và có nguy cơ nổ do quá trình cháy có sự bốc hơi và tạo sản phẩm hơi cháy rất mạnh.
Chữa loại lửa này bằng phương pháp ngăn cách bề mặt của chất cháy với không khí bằng cách dùng hệ thống hóa học để dập lửa. Có thể sử dụng bọt tạo thành màng bao phủ bề mặt chất cháy hoặc dùng khí CO2, hơi nước, khí trơ để chữa ở các vị trí khoang, buồng đang bị cháy. Tuyệt đối không dùng vòi rồng xịt nước vào các loại cháy này vì dầu nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặt nước làm cho đám cháy lan rộng và vô tình tạo ra cho đám cháy càng phát triển.
- Loại lửa C: là loại lửa do điện bị chập mạch hoặc do rò hở cũng có thể do hai loại lửa A, B cháy lan ra mà gây nên.
Chỉ được chữa cháy ở đường dây điện và thiết bị điện bằng khí CO2 hay CCl4, không được chữa cháy bằng bọt và nước vì chúng dẫn điện. Trong trường hợp không sợ ảnh hưởng đến tính năng của thiết bị điện, có thể dùng cát khô dập lửa trên diện tích hẹp.
Khi chữa cháy ở khu vực nào thì phải ngắt điện ở khu vực ấy.
- Loại lửa D: là loại lửa do cháy các kim loại như Mg, Kali, bột nhôm, Natri, các chất như phim ảnh...Cách chữa các loại lửa này phải được nghiên cứu kỹ lưỡng. Có thể dùng CO2
hay bột khô để chữa lửa.
5.2.9. Phán đoán trạng thái cháy
Căn cứ vào màu khói ta có thể phán đoán trạng thái cháy:
- Khói trắng, xám nhạt: lửa cháy tự do.
- Khói đen hay xám: lửa nóng và thiếu ôxy.
- Khói vàng, đỏ hay tím: cháy có hơi khí độc.