Kapittel 12. Brannkjemi Brannfirkanten

Transkript

1 Kapittel 12 Brannkjemi I forbrenningssonen til en brann må det være tilstede en riktig blanding av brensel, oksygen og energi. Videre har forskning vist at dersom det skal kunne skje en forbrenning, må det også være frie radikaler tilstede i forbrenningssonen [7]. De frie radikalene inngår i kjedereaksjonene som foregår inne i selve forbrenningssonen. Nedenfor vil begrepene brannfirkant, brensel og kjedereaksjon bli presentert nærmere Brannfirkanten Innen brannteknisk litteratur blir det ofte fremstilt som om det er tilstrekkelig med brensel, oksygen og varme for å starte og opprettholde forbrenningen i en brann. Dette forholdet blir ofte illustrert med en branntrekant, se figur 12.1 [48]. Branntrekanten er en tilstrekkelig illustrasjon for dem som kun ønsker en kort introduksjon til branntekniske emner. De som studerer brann, må også ha kjennskap til de interne kjemiske reaksjonene som foregår inne i en forbrenningssone. Frie radikaler og kjedereaksjoner spiller en avgjørende rolle i de kjemiske reaksjonene som foregår inne i forbrenningssonen til en brann. Det er ikke tilstrekkelig kun å kjenne til reaktantene og sluttproduktene som inngår i forbrenningen. De mellomliggende prosessene som beskrives av kjedereaksjonene må også forstås [24]. For å illustrere viktigheten av kjedereaksjonene, er branntrekanten utvidet til en brannfirkant, se figur I engelsk og amerikansk litteratur blir branntrekanten utvidet til en tetraeder 1 og ikke en firkant [7]. Dette er illustrert i figur En tetraeder er en trekantet pyramide. 175

2 176 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI Figur 12.1: Branntrekant og -firkant Figur 12.2: Branntetraeder

3 12.1. BRANNFIRKANTEN Brensel De som arbeider med brannbekjempelse eller forebyggende arbeid, vil i stor grad komme i kontakt med brenselstyper som er karbonbasert, ett unntak er hydrogengass (H 2 ). Brensel kommer i tre aggregattilstander: fast stoff, væske og gass. Dersom en forbrenning med flamme skal kunne oppstå og opprettholdes, må brenselet være i gassform. Faste stoff og væsker må omdannes til gass før de kan delta i forbrenningen [20, 63], se figur Væsker fordamper og danner en luft/gass-blanding som kan antenne, dersom blandingsforholdet er riktig. Faste stoffer må i mange tilfeller først smelte og så fordampe før en forbrenningsreaksjon kan oppstå. Det er også en del faste stoffer som sublimerer eller gjennomgår en kjemisk spaltning 2, og avgir gasser direkte. Trevirke er et godt eksempel på et slikt materiale [17]. Figur 12.3: Bensel Brenselets opprinnelige aggregattilstand vil i mange tilfeller kunne påvirke sammensetningen av forbrenningsproduktene. Grunnen er at ufullstendige forbrenninger vil resultere i mange forskjellige kjemiske sluttprodukter [20]. Sluttproduktene vil være tilstede i røyken som blir avgitt av brannen. Røyken kan inneholde store mengder giftige gasser som i verste fall kan drepe både mennesker og dyr. I tillegg er det ofte svært mye partikler i røyken og disse vil redusere sikten i rømningsveiene. 2 Den kjemiske spaltingen omtales som pyrolyse og står for en kjemisk nedbrytning.

4 178 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI Oksygen og energi Oksygen og energi er sentrale faktorer i en forbrenning. Oksygen vil være tilgjengelig gjennom luft som blir trukket inn i forbrenningssonen p.g.a. trykkog tetthetsforskjeller. Luft inneholder vanligvis 20,95 % oksygen, og tilfører dermed forbrenningen oksygen så lenge lufttilførselen er tilfredstillende [20]. Det vil først oppstå oksygenmangel når lufttilgangen hindres. Lufttilgangen hindres vanligvis ved å lukke dører og vinduer eller ved å bruke slukkesystem som fortrenger oksygen, f.eks. vanntåke eller skum. Energi for å opprettholde forbrenningen må produseres i selve forbrenningssonen. Energiproduksjonen må være tilstrekkelig til både å opprettholde temperaturen i forbrenningssonen og bidra til at en tilstrekkelig del av brenselet blir omgjort til brennbar gass. Temperaturen i forbrenningssonen må holdes rundt K for å opprettholde forbrenningen 3 [17]. Videre er det en god antagelse at % av energien som produseres i brannen stråles vekk fra flammen og til omgivelsene [24, 44, 45]. I tabell 12.3 blir det gitt noen eksempler på hvor mye energi som stråles vekk. Energien som stråles vekk fra flammen, bidrar ikke til oppvarmingen av forbrenningsproduktene Kjedereaksjon Når to eller flere stoffer reagerer med hverandre, blir kjemiske reaksjonsligninger benyttet for å beskrive mengdene av reaktanter og sluttprodukter. De mellomliggende prosessene som ofte blir kalt kjedereaksjoner eller katalytiske-reaksjoner, blir ikke beskrevet i de kjemiske reaksjonsligningene. I de katalytiske prosessene inngår det frie radikaler (ioner, atomer og molekyler) som er nødvendige for å holde en prosess i gang, men som selv ikke brukes opp eller forsvinner fra reaksjonssonen. Frie radikaler kjennetegnes ved at det ytterste elektronskallet til atomet, ionet eller molekylet ikke er fylt opp, dvs. uparede elektroner [76]. Antallet ledige plasser i det ytre elektronskallet blir markert med,f.eks. H. Et eksempel på en slik kjedereaksjon, er ved forbrenningen av en hydrogenoksygenblanding. En tennkilde vil forme enslige hydrogenatomer. Et hydrogenatom ( H) vil lett reagere med et oksygenmolekyl (O 2 ), og danner et hydroksidion ( OH ) og et enslig oksygenion ( O 2 ) [24]. H + O 2 OH + O 2 Både hydroksidionet og oksygenionet vil reagere med omliggende hydrogenmolekyler fra blandingen, som illustrert i figur For å øke forståelsen 3 Minimums-temperaturen i forbrenningssonen er relatert til konsentrasjonen av brenselet ved nedre brennbarhetsgrense.

5 12.2. FORBRENNING AV GASSER 179 av emnet, er ladningene til ionene ikke inkludert i den videre diskusjonen av kjedereaksjoner. Figur 12.4: Illustrasjon av en kjedereaksjon Introduksjonen av et enkelt hydrogenatom som et fritt radikal i en hydrogenoksygen-blanding, vil resultere i produksjonen av to H 2 O molekyler og tre nye hydrogenatomer [24]. De nye hydrogenatomene vil fortsette reaksjonen til alt hydrogenet er brukt opp, for så til slutt å forme vann. Kjedereaksjoner vil ikke bli diskutert nærmere. Grunnen er at ved mer komplekse brensel blir antallet reaksjoner med frie radikaler fort så stort at en mister oversikten. I eksemplet med hydrogen/oksygen-blandingen var det tre reaksjoner som beskriver kjedereaksjonene. Ved reaksjoner mellom metan og oksygen, vil antallet kjedereaksjoner overstige ett hundre. Metan er også et ukomplisert brensel [20, 24]. Ettersom kjedereaksjonene inngår i forbrenningsprosessen, medfører dette at branntrekanten er utvidet til en brannfirkant eller en branntetraeder. Dette er gjort for å vise hvor viktig kjedereaksjonene er i en forbrenning, samt for å illustrere det teoretiske aspektet innen brannkjemi Forbrenning av gasser Når en gass brenner, blir det forbrukt oksygen. I de tilfeller alt brenselet og oksygenet blir brukt opp, kalles reaksjonen en fullstendig forbrenning. En

6 180 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI fullstendig reaksjon tilsier at det ikke vil være reaktanter blant sluttproduktene. Men i forbindelse med branner, vil svært ofte blandingsforholdene mellom luft og gass medføre ufullstendig forbrenning hvor en del av de opprinnelige reaktantene vil være tilstede blant produktene fra brannen. Det er to situasjoner som oppstår når luft-gassblandingen ikke er ideell eller fullstendig. I den ene situasjonen er det ikke tilstrekkelig brensel til å forbruke all oksygenet, og denne type blandingsforhold kalles brenselsfattig. I den andre situasjonen er det for mye brensel, slik at det er et underskudd på oksygen. Dette blandingsforholdet kalles brenselsrikt eller fet blanding. For å illustrere de tre blandingsforhold, kan en se på tre forskjellige blandinger av metan og oksygen Fullstendig forbrenning I den første blandingen reagerer metan (CH 4 ) fullstendig med oksygen og former vann og karbondioksid. Ved fullstendige forbrenninger av hydrokarboner er H 2 OogCO 2 de eneste produktene av reaksjonen [20]. Den støkiometriske reaksjonsligningen er vist i ligningene nedenfor. CH 4 + x O 2 y CO 2 + z H 2 O (12.1) En fullstendig forbrenning medfører at x, y og z kan bestemmes. Den balanserte ligningen blir da som følger: Brenselsfattig y =1 2z =4 z =2 2x =2y + z x = =2 2 CH 4 +2 O 2 CO 2 +2 H 2 O I den andre blandingen er det et underskudd på brensel, dvs. brenselsfattig 4. Dette blandingsforholdet tilsier at det vil være oksygen blant forbrenningens sluttprodukt. I reaksjonen mellom 1 mol metan (CH 4 ) og 3 mol oksygen (O 2 ) er ikke alt oksygenet forbrukt, se ligning 12.2 CH 4 +3O 2 CO 2 +2 H 2 O + O 2 (12.2) 4 Når mengden brensel er styrende eller dimensjonerende for reaksjonene, blir brannen kalt brenselskontrollert.

7 12.2. FORBRENNING AV GASSER Brenselsrik I den tredje blandingen vil det være mer brensel enn det som kan reagere fullstendig med oksygen 5. Dersom 2 mol metan reagerer med 2 mol oksygen oppstår det en situasjon som ikke kan løses ut i fra en støkiometrisk beregning. Grunnen er at det ikke uten videre kan fastslås hvilke produkter som produseres. 2 CH 4 +2 O 2 α CO 2 + β H 2 O + γ CO + δ H 2 + ζ CH 4 Det er fullt mulig å bruke empiriske data 6 for å bestemme typene og mengdene av produktene. Vanskene ved bruk av slike data, er at det må foreligge informasjon om hvilke forhold brenselet er testet under og at dette er forenelig med det virkelige scenarioet. Forhold som stråling, turbulens og blandingsforholdet mellom luft og gass, vil påvirke produksjonen av forbrenningsproduktene. Eksempel 12.1 Hvor mange mol O 2 blir forbrukt ved en fullstendig forbrenning av propan (C 3 H 8 )? Løsning: En begynner med å sette opp den kjemiske reaksjonsligningen. C 3 H 8 + xo 2 yco 2 + zh 2 O y =3 2z =8 z =4 2x =2y + z x = =5 2 C 3 H 8 +5O 2 3CO 2 +4H 2 O Det blir forbrukt 5 mol O 2 pr forbrent mol propan. 5 Når mengden oksygen er styrende eller dimensjonerende for reaksjonene, blir brannen kalt ventilasjonskontrollert. 6 Empiriske data er funnet via eksperimentelle forsøk.