Rola Tlenu w Procesie Spalania i Systemach Zapobiegania Pożarom

Pożar to niekontrolowany, samoistny proces spalania materiałów palnych w miejscu i czasie do tego nieprzeznaczonym, powodujący straty materialne. Samo spalanie, w ujęciu chemicznym, to intensywna reakcja utleniania z wydzieleniem energii cieplnej. Tlen jest jednym ze składników powietrza atmosferycznego, który jest niezbędny organizmom żywym do oddychania, a jego obecność oraz stężenie ma również duże znaczenie dla rozwoju pożaru i jego przebiegu, ponieważ jest konieczny do podtrzymywania reakcji spalania.

Podstawy Procesu Spalania

Aby zapłonął ogień, potrzebne są trzy elementy: temperatura, paliwo i środek utleniający - zazwyczaj tlen. W każdym przypadku do rozprzestrzeniania się ognia w wyniku reakcji łańcuchowych zawsze niezbędne są materiał palny, utleniacz i ciepło.

Trójkąt Spalania

Do zaistnienia procesu spalania niezbędne jest jednoczesne wystąpienie takich czynników jak:

• materiał palny,
• utleniacz (najczęściej tlen),
• czynnik inicjujący o odpowiedniej energii (płomień, iskra),
• zaistnienie rozgałęzionych reakcji chemicznych.

Powyższy proces często jest przedstawiany w formie czworościanu lub trójkąta spalania. Do przerwania procesu spalania lub uniemożliwienia jego zaistnienia konieczne jest usunięcie co najmniej jednego z tych elementów.

Krytyczne Stężenie Tlenu dla Podtrzymania Pożaru

Powietrze, którym oddychamy, składa się w 78,08% obj. z azotu i tylko 20,95% obj. z tlenu (pozostałe to 0,93% obj. z argonu i 0,04% obj. z CO2). Utleniaczem każdego pożaru jest zawsze tlen dostarczany przez naturę. Spalanie większości materiałów nie występuje przy stężeniu tlenu niższym niż około 15% obj. w normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Zmniejszając zawartość tlenu, w pewnym momencie zgasimy ogień.

Praktycznie więc zawartość około 13,5% obj. tlenu jest docelowym poziomem w systemach tłumienia ognia opartych na redukcji tlenu. Systemy generowania azotu są w stanie przygotować wymaganą mieszaninę tak, aby w zagrożonej strefie uzyskać od 85% do 88% obj. azotu i od 12% do 15% obj. tlenu.

Wskaźnik Tlenowy (WT/OI)

Ilość tlenu niezbędna do podtrzymania procesu spalania danego materiału jest zależna od jego budowy chemicznej oraz temperatury. Najmniejsza, wyrażona w procentach objętościowych, zawartość tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, która w warunkach metody badań podtrzymuje stałe palenie się badanej próbki tworzywa, definiuje się jako Wskaźnik Tlenowy WT (Oxygen Index - OI).

Wskaźnik tlenowy określany jest w sposób laboratoryjny w badaniach małoskalowych. Należy jednak pamiętać, że przywołane parametry ściśle zależą od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury spada wartość wskaźnika tlenowego, czyli materiał może ulec zapaleniu przy niższym stężeniu tlenu, co obserwujemy w środowisku pożarowym, gdy spalaniu ulegają materiały uznawane za trudnopalne.

Wpływ Zmiany Stężenia Tlenu na Bezpieczeństwo Ludzi

Tlen jest życiodajnym gazem, którego obecność w atmosferze umożliwia rozwój i życie obecnych na Ziemi organizmów. Jednakże zmiana stężenia tlenu może nieść ze sobą realne zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia osób, które przebywają w zmienionej atmosferze. W każdej zamkniętej przestrzeni, w której przebywają ludzie lub znajdują się urządzenia mogące zapoczątkować pożar, zachowanie właściwego stężenia tlenu staje się kluczowe dla bezpieczeństwa.

Skutki Niedoboru Tlenu

Skutki niedoboru tlenu mogą nieść bezpośrednie ryzyko utraty zdrowia, a nawet życia. W rzeczywistości ludzkie oddychanie wymaga minimum około 12% tlenu. Niestety, urządzenia do walki z ogniem przez wyparcie tlenu nie sprawdzą się w miejscach, gdzie mogą przebywać ludzie, ponieważ spadek stężenia tlenu prowadzi do problemów z oddychaniem, a w skrajnych przypadkach do śmierci.

Człowiek zaczyna odczuwać skutki niedoboru tlenu już wówczas, gdy jego ilość w powietrzu spada do około 16%, co objawia się zmęczeniem, problemami z koncentracją i logicznym myśleniem. Obniżenie zawartości tlenu do mniej więcej 10% może doprowadzić do utraty przytomności, a poniżej tej granicy najprawdopodobniej dojdzie do niedotlenienia mózgu. Wartości oscylujące wokół 6% tlenu zazwyczaj powodują szybką śmierć wskutek uduszenia.

Zależności wpływu stężenia tlenu na organizm człowieka:

• ok. 19% - uznawane za całkowicie bezpieczne bez ograniczenia czasu przebywania,
• 19% - 13% - możliwe jest czasowe przebywanie z koniecznością przerwy i przebywania w atmosferze o stężeniu 20,9% tlenu (zaleca się obniżenie zawartości tlenu z 21% poniżej 15%, ale nie mniej niż 12% dla utrzymania życia),
• ok. 15% - wyraźnie spada koncentracja, zaburzone są funkcje fizjologiczne,
• ok. 10% - może dojść do utraty przytomności,
• poniżej 13% - przebywanie ludzi jest zabronione,
• ok. 6% - może dojść do uduszenia się, wymagana natychmiastowa resuscytacja i podanie tlenu.

Z uwagi na powyższe, najczęściej nie stosuje się systemów obniżających stężenie tlenu poniżej 13% w pomieszczeniach, gdzie ludzie muszą wykonywać pracę. Instalacje zabezpieczeń przeciwpożarowych, w szczególności systemy gazowego gaszenia, muszą być projektowane w taki sposób, by ograniczyć ryzyko niedotlenienia.

Ryzyko Związane z Nadmiarem Tlenu

Stężenie tlenu przekraczające 21% również może stanowić realne zagrożenie. Choć początkowo wyższe stężenie może być przyczyną lepszego samopoczucia, to po pewnym czasie stan ten mija, gdyż erytrocyty przestają nadążać za dystrybucją zbyt dużej ilości tlenu pobieranego ze środowiska, co wywołuje nadciśnienie, a także podnosi ryzyko kwasicy i nagromadzenia się w organizmie dużej ilości wolnych rodników. Zwiększona zawartość tlenu nie prowadzi do natychmiastowych reakcji organizmu, jednak dłuższe oddychanie powietrzem tego rodzaju lub nawet czystym tlenem ma niekorzystny wpływ na różne organy. Najwcześniej pojawiają się problemy z błonami śluzowymi, następnie może nastąpić obrzęk płuc.

Bardzo poważnym zagrożeniem, wynikającym z podniesionego stężenia tlenu w atmosferze, jest możliwość samozapłonu niektórych gazów palnych. Atmosfera, w której zawartość tlenu przekroczy około 24%, będzie stanowiła poważne zagrożenie wybuchowe, jeżeli pojawi się w niej podwyższona temperatura, iskra lub otwarty płomień. W obecności materiałów łatwopalnych nadmiar tlenu znacznie przyspiesza reakcje spalania, a niektóre substancje mogą ulec zapłonowi nawet bez kontaktu z ogniem. Dotyczy to m.in. niektórych olejów i smarów, które przy wzroście stężenia tlenu stają się potencjalnym źródłem samozapłonu.

Dla projektantów oraz użytkowników oznacza to konieczność uwzględnienia dokładnych obliczeń objętościowych i kontrolowania dynamiki rozprzestrzeniania się gazów w pomieszczeniach. W obiektach o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa coraz częściej stosuje się czujniki tlenowe i systemy zarządzania atmosferą. Urządzenia te nie tylko mierzą stężenie tlenu, ale w razie potrzeby uruchamiają procesy napowietrzania lub odtleniania - w zależności od potrzeb sytuacji. Przykładem mogą być pomieszczenia magazynowe z materiałami wybuchowymi, w których atmosfera jest celowo zubożana w tlen, by zapobiec niekontrolowanemu zapłonowi.

Metody Gaszenia Pożarów Poprzez Redukcję Tlenu (Inertyzacja)

Metodą usunięcia tlenu z reakcji spalania jest inertyzacja, czyli kontrolowana redukcja stężenia tlenu gazem obojętnym. Jest ona stosowana zarówno w urządzeniach gaśniczych, poczynając od prostych gaśnic śniegowych z ładunkiem CO2, po stałe urządzenia gaśnicze gazowe z gazami obojętnymi, jak również w urządzeniach inertyzujących, ograniczających stężenie tlenu w całych pomieszczeniach, stosowanych w celu zapobieżenia zaistnienia procesu spalania.

Dwutlenek Węgla (CO2) jako Środek Gaśniczy

Uniwersalnym i skutecznym środkiem gaśniczym, stosowanym przede wszystkim w przemyśle, jest dwutlenek węgla (CO2). Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i nieprzewodzącym elektrycznie. W warunkach normalnych (temperatura otoczenia około 20°C, ciśnienie atmosferyczne rzędu 1000 hPa) jego gęstość jest w przybliżeniu półtorakrotnie większa niż gęstość powietrza atmosferycznego. Dzięki swojej większej gęstości CO2 skutecznie wypiera tlen z obszaru spalania, przerywając proces palenia.

Azotowe Systemy Redukcji Tlenu (SZA)

Bardzo skuteczną metodą zapobiegania pożarowi jest zastosowanie systemu redukcji tlenu (systemu zabezpieczenia azotem) typu "SZA". Celem systemu redukcji tlenu „SZA” jest ochrona przeciwpożarowa obiektu poprzez niedopuszczenie do powstania pożaru. Cel ten realizowany jest poprzez zredukowanie i utrzymywanie zawartości tlenu na odpowiednim, bezpiecznym poziomie, zazwyczaj około 15%, przy którym dany materiał nie zapali się. Redukcja zawartości tlenu realizowana poprzez kontrolowane podawanie azotu do zabezpieczanej przestrzeni polega na zmianie objętości poszczególnych składników powietrza.

Takie rozwiązanie to zdecydowana przewaga nad tradycyjnymi systemami gaszenia pożaru, takimi jak systemy tryskaczowe czy systemy aktywnej piany, które powodują straty w postaci uszkodzenia/zniszczenia materiałów/urządzeń znajdujących się w zabezpieczanym pomieszczeniu nie tylko podczas samego gaszenia pożaru, ale bardzo często również podczas niekontrolowanych samoczynnych uruchomień „fałszywych alarmów”.

Komponenty Systemu SZA

System zabezpieczenia azotem, oparty na powszechnym zjawisku fizycznym polegającym na redukcji zawartości tlenu w powietrzu poprzez podawanie azotu, składa się z:

• Źródła azotu - generatora azotu / generatorów azotu,
• Instalacji rozprowadzającej azot do wnętrza zabezpieczanego pomieszczenia (dysze azotowe, zawory, rurociągi),
• Instalacji elektrycznej i aparatury kontrolno-pomiarowej (analizatory tlenu),
• Elementów informacyjno-ostrzegawczych (tablice ostrzegawcze, sygnalizatory świetlno-dźwiękowe, plafony informacyjne, wyświetlacze LED, przełączniki kluczykowe stężenia tlenu itp.),
• Centrali sterującej systemu z panelem operatora.

Wewnątrz zabezpieczanego pomieszczenia zainstalowane są analizatory do monitorowania aktualnego stężenia tlenu O2. Sterownik PLC systemu redukcji tlenu „SZA” w sposób ciągły analizuje zawartość tlenu w chronionym pomieszczeniu. Wytworzony z generatora azot o określonej wydajności, czystości i ciśnieniu, transportowany jest rurociągiem do zabezpieczanego pomieszczenia, poprzez zawory oraz odpowiednio rozmieszczone dysze rozprowadzany jest równomiernie w całym pomieszczeniu.

Technologie Wytwarzania Azotu

Azot do redukcji zawartości tlenu pozyskiwany jest bezpośrednio z powietrza atmosferycznego przy pomocy generatora/generatorów azotu. Dzięki takiemu rozwiązaniu mamy do dyspozycji nieograniczoną ilość środka obniżającego zawartość tlenu/gaśniczego w miejscu jego bezpośredniego przeznaczenia. Do głównych technologii otrzymywania azotu z powietrza należą:

• Technologia kriogeniczna: Azot jest pozyskiwany na zasadzie skraplania ze sprężonego powietrza atmosferycznego w niskich temperaturach (ok. -200°C). Technologia ta nie rozpowszechniła się w systemach inertyzujących.
• Ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym: Azot powstaje jako produkt uboczny po wykorzystaniu tlenu atmosferycznego do utlenienia metanu. Najczęściej ogniwa paliwowe pracują w układach kogeneracyjnych produkcji prądu elektrycznego, ciepła i chłodu.
• Metoda membranowa: Azot uzyskiwany jest w wyniku przepuszczania oczyszczonego sprężonego powietrza przez moduły separacyjne zbudowane z tysięcy kapilarnych włókien membranowych. Azot jako cząsteczka większa od cząsteczek pozostałych gazów (tlen, dwutlenek węgla, para wodna, argon) wolniej przenika przez ścianki włókien i pozostaje w ich wnętrzu, a następnie jest przesyłany do zabezpieczanego pomieszczenia. Każdy generator azotu wyposażony jest w sprężarkę, osuszacz oraz zespół filtrów sprężonego powietrza. Technologia membranowa jest bardziej niezawodna, niemniej jednak jest nieco bardziej energochłonna oraz nie pozwala na uzyskanie bardzo wysokich koncentracji azotu (powyżej 99,99%).
• Metoda adsorpcyjna (PSA - Pressure Swing Adsorption): Sposób działania technologii adsorpcyjnej opiera się o proces adsorpcji zmiennociśnieniowej, podczas którego tlen zawarty w powietrzu atmosferycznym jest adsorbowany przez złoże węglowego sita molekularnego. W celu zapewnienia ciągłości produkcji azotu w generatorach azotu opartych o tę technologię stosuje się co najmniej dwa adsorbery pracujące naprzemiennie. Gdy pierwszy adsorber adsorbuje molekuły tlenu, w drugim odbywa się regeneracja pod wpływem obniżenia ciśnienia, dzięki czemu proces PSA jest procesem ciągłym. Dla zachowania płynności dostawy azotu oraz zapewnienia prawidłowej pracy sprężarki niezbędnymi elementami są zbiorniki buforowe powietrza i azotu. Każdy generator azotu wyposażony jest w sprężarkę, osuszacz oraz zespół filtrów sprężonego powietrza.

Zarówno w technologii adsorpcyjnej, jak i membranowej produktem ubocznym jest mieszanina gazów o wysokiej zawartości tlenu, która jest odprowadzana do atmosfery.

Projektowanie i Parametry Systemów Inertyzacji

Aby system inertyzacji funkcjonował prawidłowo, musi zostać zaprojektowany i wykonany w odpowiedni sposób oraz z odpowiednich materiałów. W celu realizacji tych zadań opracowano szereg wytycznych projektowych.

Niezależnie od przyjętych wytycznych projektowych, parametrami wpływającymi na projekt systemu inertyzacji i jego późniejsze funkcjonowanie są:

• rodzaj palnych materiałów w pomieszczeniu,
• wymiary i kubatura pomieszczenia,
• przeznaczenie pomieszczenia,
• parametry wentylacji,
• szczelność pomieszczenia,
• lokalizacja generatora azotu,
• rodzaje zamknięć otworów w pomieszczeniu i czas ich otwarcia,
• ilość ścian zewnętrznych,
• temperatura w chronionym pomieszczeniu.

Na podstawie powyższych parametrów określane jest m.in. stężenie tlenu do ochrony przeciwpożarowej oraz wymagana wydajność produkcji azotu. Niezależnie od parametrów systemu, źródeł azotu oraz rodzaju obiektu, całością systemu steruje układ, który czuwa nad odpowiednim stężeniem tlenu dzięki wyposażeniu go w sieć sensorów tlenu.

Zalety Systemów Inertyzacji

Do zalet systemów inertyzujących zaliczyć można:

• Brak strat spowodowanych akcją gaśniczą (w przypadku działania systemu inertyzującego niemożliwe jest powstanie ognia, a tym samym żadnych strat związanych z akcją gaśniczą; dodatkowo azot jako gaz inertyzujący jest obojętny).
• Stężenie w zabezpieczanym pomieszczeniu jest ustalane na poziomie bezpiecznym dla ludzi.
• Systemy inertyzujące nie powodują ingerencji w istniejący układ magazynów wysokiego składowania.
• Regały wysokiego składowania mogą mieć mniejszą nośność w związku z brakiem konieczności przenoszenia obciążeń ze strony instalacji gaśniczej.
• Brak martwych stref koniecznych dla łatwego przepływu wody gaśniczej.
• Nieograniczona ilość azotu produkowanego na terenie obiektu (niezbędne jest wyłącznie zasilanie w energię elektryczną).
• Niezawodność systemu z uwagi na redundancję jego krytycznych elementów.
• Ograniczony czas przestoju w przypadku zdarzenia potencjalnie pożarowego (np. skutkami zwarcia w instalacji elektrycznej będzie wyłącznie zniszczenie elementów w bezpośrednim otoczeniu awarii).
• W odróżnieniu od systemów gaśniczych dopuszczalne jest wyższe stężenie tlenu w systemach inertyzujących, co związane jest z działaniem zapobiegawczym systemów inertyzujących i koniecznością ugaszenia rozwiniętego pożaru o wysokiej temperaturze w przypadku systemów gaśniczych.

Wady Systemów Inertyzacji

Wadami systemów inertyzujących są:

• Nieskuteczność w przypadku spalania substancji o bardzo niskim wskaźniku tlenowym, wysoce reaktywnych, zawierających w swoim składzie tlen i metali lekkich.
• Konieczność zapewnienia odpowiedniej szczelności pomieszczeń.
• Utrudnienia w przebywaniu ludzi - brak możliwości zorganizowania stałych stanowisk pracy w pomieszczeniach inertyzowanych.
• Brak możliwości zastosowania w obiektach ogólnodostępnych, jak centra handlowe, dworce, teatry.
• Nieskuteczność w przypadku zabezpieczenia otwartych przestrzeni oraz z dużymi przeszkleniami.
• Konieczność współdziałania z czułym systemem sygnalizacji pożaru - inertyzacja pomieszczenia zapobiega przed rozwojem spalania i przed pożarem, ale nie zabezpiecza przed awariami, tj. zwarciem, uszkodzeniami kondensatorów, zapaleniem łuku elektrycznego, zatarciami łożysk.

Podsumowując, inertyzacja wyłamuje się z dotychczas stosowanego podziału zabezpieczeń przeciwpożarowych na bierne i czynne. Z uwagi na budowę systemu można by go zaliczyć do zabezpieczeń czynnych, jednak rozpatrując sposób działania, czyli niedopuszczenie do powstania ognia w zabezpieczanym pomieszczeniu, wpisuje się w ideę zabezpieczeń biernych. Mimo stosunkowo krótkiej historii tego rodzaju systemów oraz braku prawnego obowiązku ich stosowania, z uwagi na zalety tego rodzaju systemów, istnieje szansa na ich rozpowszechnienie. W głównej mierze systemy te mogą służyć zabezpieczeniu serwerowni, pomieszczeń elektrycznych, pomieszczeń technicznych, tuneli kablowych, automatycznych magazynów wysokiego składowania, mroźni i chłodni, magazynów substancji niebezpiecznych, archiwów oraz magazynów muzealnych, w tym obiektów o dużej kubaturze.

W naszej opinii systemy inertyzujące są w szczególności zalecane jako alternatywa dla instalacji tryskaczowych do zabezpieczenia automatycznych magazynów wysokiego składowania, w tym mroźni i chłodni, oraz magazynów urządzeń elektronicznych o dużej wartości jednostkowej z minimalną obsługą ludzką. W przypadku wskazanych obiektów nawet skuteczne zadziałanie instalacji tryskaczowej spowoduje bardzo duże straty związane z zalaniem towaru nieobjętego pożarem, natomiast z uwagi na konstrukcje obiektów ewentualna akcja gaśnicza prowadzona przez jednostki ochrony przeciwpożarowej będzie bardzo utrudniona, a wręcz niemożliwa, przez co może zostać ograniczona do działań zewnętrznych. W porównaniu do instalacji tryskaczowej systemy inertyzujące mają za zadanie niedopuszczenie do powstania pożaru, a nie tylko ograniczenie rozwoju pożaru, ponadto koszty tych systemów są zbliżone dla wskazanych obiektów.

tags: #ile #moze #byc #tlenu #aby #ugasic