Pożar

W potocznym rozumieniu termin pożar oznacza samorzutne, niekontrolowane rozprzestrzenianie się ognia, powodujące straty.

Pojęcie to od dawna funkcjonuje także na gruncie prawa karnego, gdyż stanowi znamię przestępstw określonych zarówno w poprzednio obowiązującym kodeksie karnym z 1969 r. (art. 138—139 k.k.), jak i kodeksie karnym z 1997 r. (art. 163 k.k.). W wyroku z dnia 13 lutego 1978 r., sygn. IV KR 18/78, Sąd Najwyższy uznał, że „przez pożar należy rozumieć ogień obejmujący z siłą żywiołową mienie ruchome lub nieruchome. Ogień taki odpowiada pojęciu pożaru zarówno wtedy, gdy obejmuje kilka obiektów (np. budowle, lasy, składy materiałów), jak i wówczas, gdy obejmuje jeden obiekt, którego spalenie wywoła szkodę w mieniu w znacznych rozmiarach. Dla pojęcia pożaru nie jest istotne niebezpieczeństwo przerzucenia się ognia na inne przedmioty, np. na inne budowle” (OSNPG 1978 Nr 7, poz. 80). Pogląd ten, pomimo upływu kilkudziesięciu lat od jego wyrażenia, nadal pozostaje aktualny.

Pożar jest gwałtownie przebiegającym, z wydzielaniem płomieni oraz stałych, ciekłych i lotnych produktów spalania, procesem utleniania się materiałów palnych, czyli łączenia materiałów palnych z tlenem (lub innym utleniaczem, jednak z uwagi na to, że prawie 100% pożarów utlenianych jest tlenem, a prawie 90% z nich tlenem atmosferycznym, będziemy mówić tylko o tlenie jako czynniku podtrzymującym palenie).

Utlenianie jest zjawiskiem bardzo powszechnie występującym w przyrodzie. Polega ono na egzotermicznej (z wydzielaniem ciepła) reakcji materiału z tlenem (np. rdzewienie metali, butwienie związków organicznych itp.). Szybkość utleniania wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Spalanie jest więc skomplikowanym procesem fizykochemicznym. Podczas spalania spotykamy się z wydzielaniem ciepła, światła oraz produktów spalania w postaci dymu, oparów i popiołów. Łączenie się materiału palnego z tlenem jest poprzedzone termicznym rozpadem cząsteczek na atomy, które łatwiej wchodzą w reakcje. Atomy te znane są pod nazwą „wolnych atomów”. Wspomniany rozpad wymaga pewnej minimalnej energii dostarczonej w postaci ciepła, stąd mowa o pewnej wielkości zwanej temperaturą zapłonu/zapalenia. Aby kontynuować proces palenia musimy ciągle dostarczać nowego paliwa – materiału palnego.

Obydwa czynniki – paliwo (materiał palny) i utleniacz (tlen) – muszą być dostarczone w ilościach wystarczających do prowadzenia tego procesu oraz w odpowiednich proporcjach. Postęp reakcji spalania w wielu kierunkach zależy od stanu skupienia materiału palnego, jego reaktywności, stężenia tlenu w strefie spalania oraz od innych czynników (wilgotność, rozdrobnienie materiału palnego i in.).

Możemy wyróżnić dwa rodzaje spalania: płomieniowe i bezpłomieniowe. Spalanie bezpłomieniowe, zwane tleniem lub żarzeniem, jest przykładem powolnego utleniania się, podczas którego materiał palny znajduje się w stanie stałym. Spalanie płomieniowe zaś jest przykładem szybciej przebiegającej reakcji utleniania, podczas której materiał palny jest w fazie gazowej (gaz lub para).

Tlenie jest powolnym spalaniem materiału bez emisji światła widzialnego, charakteryzującym się oczywiście wydzielaniem dymu i wzrostem temperatury. Ten rodzaj spalania dotyczy głównie materiałów pochodzenia naturalnego, np. węgla drzewnego, skóry, filcu, torfu, suchych trocin. Jeśli zaś podczas spalania bezpłomieniowego pojawi się żar (emisja widzialnego światła ze strefy spalania), wówczas proces spalania nazywamy żarzeniem. Na powierzchni materiału oprócz zwęglania widać żar, ale brak jest płomienia – charakterystycznego dla spalania płomieniowego.

Stąd już krok do sformułowania bardzo prostej i obejmującej całość zagadnienia definicji pożaru, o której była mowa w rozdziale 1. Należy przypomnieć, że pożar jest niekontrolowanym procesem spalania, występującym w miejscu do tego nieprzeznaczonym, rozprzestrzeniającym się w sposób niekontrolowany, powodującym zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi i zwierząt oraz straty materialne.

Do cech charakterystycznych pożaru zaliczyć możemy:

— możliwość występowania wysokiej temperatury,

— występujące wysokie promieniowanie cieplne (co uniemożliwia zbliżenie się do płomieni na bliższą odległość i powoduje utrudnienia w czasie gaszenia pożaru gaśnicami),

— wydzielanie się dużych ilości produktów spalania (szczególnie podczas spalania niepełnego, gdy występuje mniej tlenu niż w proporcjach stechiometrycznych – co negatywnie wpływa na efektywność ewakuacji),

— niekontrolowane rozprzestrzenianie się ognia.

Z pożarem związane są zawsze trzy podstawowe czynniki: materiał palny, ciepło (bodziec energetyczny, energia aktywacji) i utleniacz (najczęściej jest to tlen, o czym już wcześniej była mowa). Wzajemne zależności pomiędzy tymi czynnikami, określające przebieg procesu spalania, można przedstawić symbolem trójkąta, zwanego „trójkątem pożaru” lub „trójkątem spalania”, którego boki przedstawiają materiał palny, ciepło i utleniacz. Przedstawiony na rysunku 3.1 trójkąt pożaru stanowi podstawę do dalszych rozważań obejmujących przyczyny powstawania i rozprzestrzeniania się pożaru, a także zagadnienia związane ze środkami gaśniczymi.

Współistnienie tych trzech wspomnianych czynników w jednym miejscu, w jednym czasie i w odpowiednich proporcjach warunkuje zapoczątkowanie i rozwój procesu spalania prowadzącego do pożaru. Stąd łatwo można wywnioskować, że brak któregokolwiek z tych czynników spowoduje przerwanie procesu spalania, czyli przerwanie łańcuchowej reakcji spalania, co będzie równoznaczne z ugaszeniem pożaru.

Wystarczy więc podjąć jakieś działanie zmierzające do usunięcia jednego lub więcej z wymienionych czynników składających się na trójkąt pożaru, aby pożar ugasić. W taki sposób do tego problemu podeszły osoby pracujące nad zagadnieniami środków gaśniczych opracowując różne środki, gaszące pożary z różną intensywnością.

Jak już wcześniej wspomniano, pierwszym z niezbędnych do powstania i rozwoju pożaru czynników jest materiał palny, który może występować w stanie skupienia stałym, ciekłym lub gazowym. Stałe materiały palne mogą także występować w różnych stopniach rozdrobnienia.

Palne ciała stałe, zanim spłoną, muszą (poza nielicznymi wyjątkami) przejść w stan gazowy. Warunkiem zapalenia materiału stałego jest ogrzanie jego powierzchni do temperatury zapalenia (w zależności od rodzaju materiału są to temperatury od 270ºC do 400ºC), w której nastąpi na tyle szybki proces pirolizy (czyli nieodwracalnego rozkładu substancji pod wpływem oddziaływania ciepła), że ilość powstającej fazy gazowej będzie wystarczająca do zapalenia i podtrzymania spalania.

Po zapaleniu się ciała stałego płomień będzie rozprzestrzeniał się po jego powierzchni, jednak wtedy materiały stałe zachowywać się będą w dwojaki sposób. Jedne z nich, na przykład drewno, papier, niektóre tworzywa sztuczne, będą palić się tworząc warstwę żaru (nie będą się topić). Drugi typ materiałów to większość tworzyw sztucznych, na przykład polietylen, polistyren. Będą się one palić bez wytworzenia żaru, czyli będą się topić. Typowym przykładem takiego procesu jest spalanie świecy, do produkcji której została użyta parafina.

Aby ciecz palna mogła ulec zapaleniu, musi najpierw tak odparować, aby nad jej powierzchnią znalazła się odpowiednia ilość par. To właśnie pary cieczy palnych (znajdujące się w fazie gazowej) wchodzą w reakcje z tlenem. W trakcie spalania cieczy powstaje płomień, który ogrzewa (poprzez promieniowanie) ciecz i powoduje wzrost intensywności jej parowania.

Pary mieszają się z powietrzem i ulegają zapaleniu w cienkiej warstwie strefy spalania – tuż nad powierzchnią cieczy. Temperatura zapłonu cieczy jest najczęściej stosowanym i chyba najważniejszym parametrem charakteryzującym stopień zagrożenia pożarowego powodowanego przez palne ciecze. Im wyższa temperatura zapłonu, tym trudniej jest zapalić ciecz, a tym samym klasyfikowana jest ona jako bezpieczniejsza. Niska temperatura zapłonu oznacza, że ciecz może ulec zapaleniu od punktowego bodźca energetycznego (np. płomienia zapałki) praktycznie w każdych warunkach. Definicja mówi, że temperatura zapłonu jest to najniższa temperatura cieczy, w której wytwarza ona pary w ilości wystarczającej do zapłonu od zewnętrznego bodźca energetycznego.

Tab. 3.1. Temperatury zapłonu niektórych cieczy [1]

Ropę naftową i produkty naftowe, z wyjątkiem gazu płynnego (LPG), w zależności od temperatury zapłonu zalicza się do następujących klas [2]:

1) do I klasy – ropę naftową i produkty naftowe o temperaturze zapłonu do 294,15 K (21°C),

2) do II klasy – produkty naftowe o temperaturze zapłonu od 294,15 K (21°C) do 328,15 K (55°C),

3) do III klasy – produkty naftowe o temperaturze zapłonu od 328,15 K (55°C) do 373,15 K (100°C).

Gazy palne są powszechnie wykorzystywane w przemyśle i gospodarstwach domowych. Obszar zagrożeń jest jednak znacznie szerszy i spowodowany tym, że gazy palne mogą być transportowane zarówno rurociągami, jak i w zbiornikach w transporcie drogowym, kolejowym i wodnym. Warunkiem zapalenia się gazu jest utworzenie jego mieszaniny z powietrzem w odpowiednim stężeniu (spalanie kinetyczne) lub dostarczanie tlenu w trakcie jego spalania (spalanie dyfuzyjne). Zbyt mała ilość gazu w powietrzu spowoduje, że mieszanina taka nie zapali się.

Jeżeli w atmosferze powietrza powstanie nam mieszanina gazów palnych, par palnych cieczy lub pyłów palnego ciała stałego, będziemy mogli wtedy mówić o zagrożeniu wybuchem. Poziom tego zagrożenia charakteryzowany jest przez dwa pojęcia:

— dolna granica wybuchowości (DGW) – jest to minimalna zawartość składnika palnego w mieszaninie z powietrzem, przy której zapłon jest już możliwy,

— górna granica wybuchowości (GGW) – jest to maksymalna zawartość składnika palnego w mieszaninie z powietrzem, przy której zapłon jest jeszcze możliwy.

Pomiędzy DGW a GGW istnieje przedział wybuchowości, czyli obszar, w którym mieszanina wybuchowa będzie się zapalała zawsze (pod warunkiem występowania w tej mieszaninie tlenu oraz odpowiednio mocnego bodźca energetycznego). Usytuowanie strefy zagrożenia wybuchem uzależnione będzie także od gęstości mieszaniny względem gęstości powietrza (tabela 3.2), a także od temperatury czynnika palnego, kolumny konwekcyjnej oraz występujących innych ciągów powietrza.

Tab. 3.2.  Podział par i gazów – gęstość w stosunku do gęstości powietrza

Urządzenia mogące znaleźć się w strefie zagrożenia wybuchem, pod względem maksymalnej temperatury powierzchni zewnętrznej dzieli się na 6 klas. Klasa temperaturowa urządzenia jest definiowana w zależności od temperatury zapłonu/zapalenia produktu, który potencjalnie mógłby znajdować się w strefie zagrożonej wybuchem. W tabeli 3.3 przedstawiono dopuszczalne temperatury powierzchni dla poszczególnych klas temperaturowych oraz przykłady materiałów palnych z da-nych klas. 

Tab. 3.3. Klasy temperaturowe

Klasa	Dopuszczalna temperatura powierzchni, [°C]
T1 (octan etylu, aceton, metanol, amoniak, benzen, etan, metan, propan, metylobenzen, wodór)	400
T2 (octan butylu, etanol, gaz ziemny, etylen, acetylen)	300
T3 (cykloheksan, dekan, heptan, nafta, ciężka benzyna, pentan, ropa naftowa)	200
T4 (acetaldehyd)	135
T5	100
T6 (azotan etylu)	85

Drugim z niezbędnych czynników jest utleniacz, czyli najczęściej tlen atmosferyczny (chociaż do utleniania materiałów może być użyty także tlen zawarty w cząsteczce lub inny utleniacz). Tlen atmosferyczny jest czynnikiem podtrzymującym palenie w przeważającej ilości występujących pożarów. Tlen jest pierwiastkiem chemicznym występującym w normalnych warunkach w postaci gazu. Łatwo wchodzi w reakcje chemiczne z innymi pierwiastkami i związkami. W atmosferze ziemskiej jest ponad 20% tlenu. Dzięki niemu istnieje życie na Ziemi.

Trzecim z niezbędnych do zapoczątkowania i podtrzymywania procesu palenia jest ciepło (szerzej – energia, wyższa od energii aktywacji). Ciepło umożliwia osiągnięcie przez materiał palny odpowiedniej temperatury, która warunkuje przebieg reakcji spalania. Ciepło (energia cieplna) może rozprzestrzeniać się poprzez:

— unoszenie, czyli przemieszczanie za pośrednictwem cząstek nagrzanego powietrza,

— przewodzenie, czyli nagrzewanie się kolejnych części materiałów,

— promieniowanie.

W zależności od rodzaju materiału palnego, jego stanu skupienia oraz jego rozdrobnienia różna jest ilość ciepła, czyli niezbędna do zapoczątkowania procesu palenia wielkość bodźca energetycznego.

Proces spalania możemy zainicjować poprzez:

— zapalenie,

— zapłon,

— samozapalenie.

Zapalenie polega na równomiernym ogrzaniu materiału palnego do takiej temperatury, w której zapali się on samorzutnie w całej masie, bez udziału tzw. punktowego bodźca energetycznego.

Zapłon polega na zainicjowaniu procesu spalania cieczy palnej punktowym bodźcem energetycznym (dzieje się to w ograniczonej przestrzeni, a czoło płomienia przemieszcza się następnie już samoczynnie na całą pozostałość mieszaniny) – dotyczy tylko cieczy palnych.

Samozapalenie jest zjawiskiem zachodzącym w wyniku procesów biologicznych lub fizycznych i chemicznych (egzotermicznych), przy czym najpierw występuje samonagrzewanie się materiałów, a następnie ich zapalenie w wyniku przekroczenia temperatury samozapalenia. Zjawisko to zachodzi bez udziału zewnętrznego bodźca energetycznego (np. samozapalenie zestogowanego siana, samozapalenie w wyniku egzotermicznej reakcji chemicznej pomiędzy nadmanganianem potasu i gliceryną itp.).

Temperatura zapalenia jest to najniższa temperatura materiału, który ogrzewany strumieniem ciepła dostarczonym z zewnątrz, w wyniku rozkładu termicznego  wydziela palną fazę lotną o stężeniu umożliwiającym jego zapalenie się, tzn. samorzutne pojawienie się płomienia.

Temperatura zapłonu jest to najniższa temperatura cieczy ogrzewanej w ściśle określony sposób, której pary tworzą z powietrzem mieszaninę ulegającą zapłonowi przy zbliżeniu płomienia. Temperatura zapłonu charakteryzuje tylko ciecze palne.

Temperatura samozapłonu jest to najniższa temperatura, przy której następuje zapłon substancji palnej w wyniku zajścia reakcji egzotermicznych, bez udziału bodźców energetycznych z zewnątrz.