Ekaterinburg, Russian Federation
UDC 614.841.12
UDC 614.841.125
An experiment was conducted to study changes in the composition of wood combustion products under conditions similar to those of an interior fire using an AGM-510 gas analyzer. During the experiment, the concentrations of carbon monoxide (II), carbon oxide (IV), and oxygen were determined at the sampling point, as well as the temperature during free and restricted gas exchange. Pine blocks were used as the combustible load. With free air flowing into the combustion chamber, an inverse relationship was found between fire temperature and carbon monoxide concentration, as well as between the oxygen and carbon dioxide contents. The experiment revealed that the most toxic environment forms at temperatures around 150°C, not only at the onset of wood combustion but also during the afterburning of its carbon residues. During a study of the composition of wood combustion products under limited gas exchange, three peaks in carbon monoxide concentration were recorded: at low temperatures at the beginning and during combustion, and when the highest combustion temperature was reached. Presumably, the high carbon monoxide concentration is due to the low temperature of the gas environment inside the combustion chamber (approximately 150°C), at which its complete oxidation to carbon oxide (IV) does not occur, even with a relatively high oxygen concentration. The increase in carbon monoxide concentration at the maximum temperature is due to a lack of oxygen due to a limited air supply.
gas analyser, internal fire, fire dynamics, combustion products, fire hazards, fire (combustion) temperature, timber
Древесина, обладая рядом достоинств, широко применяется в строительстве. Структура использования лесоматериала представлена на Рис.1 [1].
Рис.1. Структура использования лесоматериала в строительстве
Структура включает в себя пять основных областей применения лесоматериала:
1 – как вспомогательный материал, при производстве строительно-монтажных работ;
2 – несущие деревянные конструкции;
3 – малоэтажное домостроение;
4 – кровельные настилы, обрешетка;
5 – столярные изделия.
Несмотря на то, что согласно диаграмме, лесоматериал используется нерационально, тенденции последних лет демонстрируют рост интересов к деревянным конструкциям в области малоэтажного частного домостроения из-за того, что набирает популярность использование экологически чистых материалов в быту [1]. Высокая доля древесины в составе горючей нагрузки будет оказывать доминирующую роль во влиянии на динамику развития пожара.
В настоящее время исследования в области динамики внутреннего пожара, в основном направлены на изучение температуры газовой среды при пожаре как с помощью математического моделирования [2-4], так и при проведении непосредственных огневых испытаний строительных конструкций [5,6]. Однако исследования по составу газовоздушной смеси практически отсутствуют. В работе сотрудников Государственного научно-исследовательского института горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР Орликовой В.П. и Момота Д.И. [7] разработана методика изучения термодеструкции древесины и исследован состав образующихся газов, но в данной работе отсутствует упоминание об оборудовании с помощью которого определяли объемную долю газа.
На пожаре протекает широкий спектр химических превращений, которые в большей степени определяются температурой среды, от которой зависит состав продуктов разложения твёрдых горючих веществ и глубина их окисления кислородом воздуха.
Изучение состава продуктов горения при условиях близких к условиям протекания внутреннего пожара позволит установить степень полноты сгорания материалов, коэффициент избытка воздуха, условия образования окиси и двуокиси углерода на разных стадиях пожара.
В данной работе объектом исследования являются продукты горения древесины. Целью данной работы является изучение влияния температурного режима на состав продуктов горения древесины.
В качестве измерительного устройства использовали газоанализатор АГМ-510, представленный на Рис.2.
Рис.2. Газоанализатор АГМ-510
Газоанализаторы широко применяются в различных отраслях промышленности для контроля объема газа, его качественного и количественного состава. Применение газоанализатора позволяет провести анализ воздуха и сделать вывод о состоянии воздушной массы как в рабочей зоне того или иного производственного процесса [8, 9], так и в окружающей среде [10].
Газоанализатор АГМ-510 предназначен для измерения содержания кислорода (О2), оксида углерода (СО), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), сернистого ангидрида (SO2), сероводорода (Н2S), углекислого газа (CO2) и углеводородов в отходящих газах топливосжигающих установок. Кроме того, данный газоанализатор позволяет измерять температуру в точке отбора пробы.
Для создания условий близких к условиям внутреннего пожара использовалась камера, выполненная из кирпича с размерами 0,5 х 0,75 х 1,2 м. В нижней части камеры расположено окно с размерами 0,3 х 0,4 м. Выход продуктов горения расположен в верхней части камеры. Зонд прибора помещался в камеру на высоте 1,0 м (Рис.3).
Рис.3. Расположение зонда газоанализатора в камере
а) расположение зонда снаружи камеры
б) расположение зонда внутри камеры
Измерения проводили с открытым загрузочным окном при котором поступление воздуха происходит неограниченно. В таком случае протекание пожара контролируется горючей нагрузкой. При закрытом окне протекание пожара контролируется вентиляцией.
В качестве горючей нагрузки использовали бруски из сосны, представленные на Рис.4, сложенные в виде штабеля, каждый слой в перпендикулярном направлении. Удельная горючая нагрузка составляла около 10 кг/м2.
Рис.4. Камера с горючей нагрузкой
Перед началом испытаний газоанализатор запускали и выдерживали 3 минуты для калибровки и обнуления измеряемых параметров, затем производили инициирование горения.
Показания прибора снимали в течение 40 минут (до прекращения пламенного горения и тления).
Визуально динамику выгорания материалов можно наблюдать на Рис.5. На 10-ой минуте практически вся горючая нагрузка была вовлечена в горение. Аналогичная ситуация наблюдается на стадии развитого пожара.
Рис.5. Горение древесины с 1-ой по 10-ю минуты
На 20-ой минуте прекращалось пламенное горение, как и на стадии затухания. По истечении 40 минут с начала эксперимента горение древесины полностью завершилось (Рис.6).
Рис.6. Горение древесины с 20-ой по 40-ю минуты
В случае свободного поступления воздуха в камеру, можно установить ряд особенностей:
– в начале экспермента с уменьшением концентрации кислорода наблюдается увеличение содержания углекислого газа (Риc.7);
Рис.7. Зависимость концентрации газов от времени (модель с открытыми проемами)
– при минимальной концентрации кислорода зафиксирована наибольшая концентрация углекислого газа. Данные параметры были достигнуты при температуре 400оС (Рис.8);
Рис.8. Зависимость температуры в месте отбора пробы от времени (модель с открытыми проемами)
– из Рис.7 видно, что концентрация оксида углерода (II) резко возрастает в начале эксперимента и постепенно снижается с ростом температуры. Минимальная концентрация оксида углерода (II) зафиксирована при наибольшей температуре, которая соответсвует моменту полного охвата горючей нагрузки пламенем. Со снижением температуры его концентрация возрастает. Максимальная концентрация и как следстие наиболее токсичная среда зафиксирована при температуре около 150оС. Это связано с тем, что при низкой тепературе не происходит окисление окида углерода (II) до окисида углерода (IV). В случае реального пожара следует ожидать повышенную концентрацию угарного газа как в его начале, так и в конце.
Результаты проведенных исследований показали, что существует обратная связь между температурой пожара и концентрацией оксида углерода (II), а также между содержанием кислорода и оксидом углерода (IV).
При проведении эксперимента с ограниченным газообменом зафиксированы аналогичные закономерности, как при свободном поступлении воздуха (Рис.9).
Рис.9. Зависимость концентрации газов от времени (модель с закрытыми проемами)
Поскольку интенсивность поступления кислорода значительно уменьшилась, наблюдается и общее снижение температуры горения (Рис.10). Отличительной особенностью является рост концентрации оксида углерода (II) и при достижении наибольшей температуры зафиксировано её максимальное значение (Рис.9). Видимо из-за дефицита кислорода не происходит его доокисление до оксида углерода (IV).
Рис.10. Зависимость температуры в месте отбора пробы от времени (модель с закрытыми проемами)
Полученная температурная зависомость в обоих экспериментах сочетается с классической зависимостью, описывающей динамику внутреннего пожара.
Следует отметить, что в экспериментах зафиксирована незначительная продолжительность стадии интенсивного горения. Видимо это связано с особенностью горючей нагрузки и её количеством.
Таким образом, в ходе проведения исследования были созданы условия схожие с условиями внутреннего пожара для установления состава газовой среды с помощью газоанализатора АГМ-510 при свободном горении.
На основании экспериментальных данных установлена взаимосвязь между концентрацией кислорода, оксида углерода (II), оксида углерода (IV) и температурой при горении древесины как при свободном поступлении воздуха, так и при ограниченном газообмене.
Набольшая концентрация оксида углерода (II) наблюдается в обоих случаях при температуре дымовых газов 100-150оС и как следствие, возможно ожидать его высокие концентации на начальной стадии пожара и на стадии затухания в условиях реального пожара. При ограниченном газообмене зафиксирован максимум концентрации оксида углерода (II) при масимальной температуре.
1. Kosov I.I. Applications of Wood as a Structural Material in the 21st Century // International Journal of Applied Sciences and Technology “Integral” No.2 2019. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primeneniya-drevesiny-v-kachestve-konstruktsionnogo-materiala-v-xxi-veke/viewer (accessed 20.06.2025).
2. Murzinnov V. L. Investigation of the Dynamics of the Thermal Regime of the Gaseous Medium during a Fire // V. L. Murzinnov, V. L. Khudikovsky, E. A. Sushko, S. P. Aksenov // Scientific Journal of Construction and Architecture. – 2015. – No. 4(40). – Pp. 118–125. EDN: https://elibrary.ru/VJMJFN
3. Rudakova O. A. Calculation of the Average Volumetric Temperature of an Internal Fire / O. A. Rudakova, D. V. Sidorenko // Fire and Technosphere Safety: Challenges and Routes to Improvement. – 2020. – No. 3(7). – pp. 428–432. EDN: https://elibrary.ru/QBLNRE
4. Efremov R. V. Temperature Regime under Conditions of an Internal Fire // Contemporary Scientific Research: Topical Issues, Achievements and Innovations: Collection of Articles of the XXI International Scientific and Practical Conference, Penza, 10 October 2021. – Penza: Science and Education (Individual Entrepreneur Gulyaev G.Y.), 2021. – pp. 16–22. EDN: https://elibrary.ru/GTVPEA
5. Studies of the Temperature of the Gaseous Medium during Full-Scale Fire Testing of Building Structures / D. S. Nekhan, I. Yu. Kurachenko, N. M. Olesiuk, L. A. Kreer // Bulletin of the University of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Belarus. – 2020. – Vol. 4, No. 2. – pp. 130–141. DOI: https://doi.org/10.33408/2519-237X.2020.4-2.130; EDN: https://elibrary.ru/QUAXSD
6. Thermography during Fire Tests of Building Fragments and Structural Elements / V. S. Melnikov, I. R. Khasanov, S. V. Kirillov [et al.] // Fire Safety. – 2015. – No. 3. – pp. 83–90. EDN: https://elibrary.ru/ULHHOF
7. Orlikova V. P. Gas Analysis of the Products of Thermal Decomposition of Wood / V. P. Orlikova, D. I. Momot // Scientific Bulletin of the Research Institute for Mining and Respiratory Protection. – 2022. – No. 2(59). – pp. 64–72. EDN: https://elibrary.ru/DWTOVV
8. Chuikov A. M. Application of an Intelligent Gas Analyser for Timely Assessment and Monitoring of the Gaseous-Air Environment / A. M. Chuikov, A. V. Meshcheryakov, A. A. Gapeev // Fire Safety: Problems and Prospects. – 2015. – Vol. 2, No. 1(6). – pp. 367–368. EDN: https://elibrary.ru/WNESIJ
9. Bulgakov A. B. On the Use of Gas Analysers for Monitoring Fuel in the Air Environment of Enterprises in the Rocket and Space Industry / A. B. Bulgakov, S. P. Vashchuk, R. A. Panshin // Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technologies and Mechanical Engineering. – 2021. – Vol. 20, No. 3. – pp. 110–118. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2021-20-3-110-118; EDN: https://elibrary.ru/ISJZOY
10. Dukhnovsky D. A. Analysis of the Possibility of Using a Portable Gas Analyser for Measuring the Concentrations of Major Air Pollutants in Megacities // Student Scientific Community: Proceedings of the IX International Student Scientific and Practical Conference: in 2 volumes, Cheboksary, 31 May 2016 / Chuvash State University named after I.N. Ulyanov; Kharkiv National Pedagogical University named after Skovoroda; Aktobe Regional State University named after K. Zhubanov; LLC “Centre for Scientific Cooperation ‘Interactive Plus’”. Vol. 2. – Cheboksary: Limited Liability Company “Centre for Scientific Cooperation ‘Interactive Plus’”, 2016. – pp. 28–30. EDN: https://elibrary.ru/WDVJIL
11. Review of Methane Gas Analysers / G. T. Zemsky, A. V. Ilyichev, N. V. Kondratyuk, D. V. Dolgikh // Topical Issues of Fire Safety. – 2021. – No. 4(10). – pp. 14–27. DOI: https://doi.org/10.37657/vniipo.avpb.2021.35.86.003; EDN: https://elibrary.ru/DJDZVX
