Материал: Теория горения и взрыва. Возникновение и распространение горения. Оценка пожарозрывоопасности веществ и материалов. Однолько А.А., Колодяжный С.А

6.2. Особенности горения пылей

6.2.1. Свойства пылей, влияющие на их пожаровзрывоопасность

Твердые горючие вещества в измельченном состоянии (в виде пыли) представляют значительную пожаровзрывоопасность. Известно, что ежедневно в мире происходит десять пылевых взрывов, уносящих жизни и приносящих ущерб, из них только зерновой пыли – 2 взрыва. В нашей стране были годы, когда только на предприятиях хранения зерновых происходило до 20 взрывов, приводящих к гибели 30 и травмированию 90 человек [13].

Для предотвращения и эффективной защиты необходимо знать природу пыли, ее пожароопасные свойства и характеристики [6].

Пыль – дисперсная (измельченная) система, состоящая из газообразной дисперсной среды (воздуха, др. газов) и твердой дисперсной (измельченной) фазы.

В ГОСТ 12.1.044 [7] приводится другое определение пыли – твердое вещество в раздробленном состоянии, размер частичек менее 850 мкм.

В производственных условиях пыль образуется:

а) при измельчении твердых веществ (шлифовка, дробление);

б) при получении порошка или пыли методом кристаллизации или сублимации.

Пыль может образовываться как:

• готовый продукт производства (мельницы, сахарное производство, пылепроизводство),

• побочный продукт (деревообработка, мебельная фабрика, льнопроизводство, текстильная промышленность, торфодобыча).

Пыль может находиться в осевшем и взвешенном состоянии. Пыль в осевшем состоянии называют аэрогелем (или пыль – гель), во взвешенном состоянии аэрозолем (или пыль – аэровзвесь) [12, 14].

Известно, что измельчение веществ повышает их пожаровзрывоопасность. Так, железо, цинк, алюминий в состоянии пыли (пудры) могут самовозгораться на воздухе, древесина, зерно становятся взрывоопасными.

Аэрозоль горит аналогично газам, часто горение протекает с взрывом (см. гл. 4). Поэтому считается, что аэрозоли более пожаровзрывоопасны, чем аэрогели. Однако, при хлопке, тушении компактной водяной струей аэрогель может перейти во взвешенное состояние и взорваться.

К наиболее важным свойствам аэрозолей, влияющим на их пожаровзрывоопасность, относятся: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Рассмотрим эти свойства подробнее.

Дисперсность – степень измельченности частичек пыли, n = 1/a; где a – измельченность пылинок.

Степень дисперсности определяется методами микроскопии, седиментометрии, механического разделения (ситовой и фильтрационный).

Степень дисперсности влияет на все другие свойства пылей: с увеличением дисперсности растет химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации, уменьшается температура самовоспламенения, нижний КПРП. Таким образом, с ростом степени дисперсности растет пожаровзрывоопасность пыли.

Химическая активность – склонность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе в реакцию окисления. Чем выше химическая активность, тем выше пожаровзрывоопасность.

Химическая активность определяется природой вещества и зависит от дисперсности. При увеличении степени измельченности n растет химическая активность, так как увеличивается площадь контакта и количество дефектов молекулярных и кристаллических структур. Например, 500 г угля сгорает в течение минуты, а 500 г угольной пыли – за доли секунды.

Адсорбционная способность. Под адсорбцией понимают поглощение паров и газов поверхностью вещества.

Адсорбция – экзотермический процесс, приводит к самонагреванию и самовозгоранию (торф, сажа, травяная мука). Чем больше склонность к адсорбции, тем выше пожаровзрывоопасность пыли.

Различают:

• физическую адсорбцию – поглощение паров и газов протекает под воздействием сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса);

• хемосорбцию – поглощение протекает под воздействием сил валентных и координационных связей (поверхностная химическая реакция).

Обычно в среде негорючих газов пожаровзрывоопасность веществ снижается, однако в случае с пылями все происходит наоборот. Так, бурые угли, обработанные диоксидом углерода СО₂ увеличивают свою склонность к самовозгоранию за счет увеличения экзотермических адсорбционных процессов.

Склонность пыли к электризации. Электризация – способность пыли приобретать заряды статистического электричества. В определенных условиях они могут стать источником зажигания. В связи с этим считается, что чем выше склонность к электризации – выше пожаровзрывоопасность пыли.

Электризация может произойти в результате:

• трение пыли о поверхность воздуха;

• при дроблении, измельчении;

• адсорбции газов.

Величина заряда статического электричества зависит:

• от скорости движения;

• от степени дисперсности;

• от влажности;

• от природы пыли (удельного электричества, сопротивления ).

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под пылью?

2. Назовите два основных пути образования пыли в производственных условиях.

3. Как называют пыль в осевшем состоянии, как – во взвешенном?

4. Назовите наиболее важные свойства пылей и поясните, как они влияют на пожаровзрывоопасность пылей.

6.2.2. Показатели пожаровзрывоопасности пылей и способы обеспечения их пожаровзрывобезопасности

В связи с тем, что аэрозоли сходны по свойствам с газами, для них применяются такие же показатели пожаровзрывоопасности, как и для газов; для аэрогелей – как для твердых горючих веществ [6].

Пожаровзрывоопасность аэрогелей чаще всего определяют с помощью следующих показателей пожаровзрывоопасности:

• температура самовоспламенения (например, ржаная мука

t_св = 245 ^оС, сера t_св = 575 С, табак t_св = 988 С);

• температура воспламенения и т.д.

Для оценки пожаровзрывоопасности аэрозолей (аэровзвесей) применяют следующие показатели пожаровзрывоопасности:

• нижний КПРП (верхний КПРП для аэрозолей практически не применяется);

• минимальное взрывоопасное содержание кислорода МВСК;

• минимальная энергия зажигания источника зажигания Еmin;

• максимальное давление взрыва;

Чаще всего для оценки пожаровзрывоопасности аэрозолей применяют нижний КПРП (верхний КПРП в производственных условиях практически не достижим). Нижний КПРП в помещениях, как правило, недостижим, и образуется в технологических установках (характеризуется видимостью в 3-4 м).

В качестве примера, приведем значение нижнего КПРП ряда веществ: нафталин – 2 г/м3, эбонит – 7,6 г/м3, сахар – 8,9 г/м3, алюминий – 10 г/м3, сено – 12-22 г/м3, древесная мука – 13-25 г/м3, торфяная пыль – 50 г/м3, мука ржаная – 78 г/м3.

КПРП аэровзвесей, так же как паровоздушных смесей, величина не постоянная и зависит от ряда факторов, которые можно использовать для обеспечения пожаровзрывобезопасности:

• мощность источника зажигания (чем она выше, тем при меньших концентрациях начинается распространение пламени и взрыв);

• влажность пыли и воздуха (вода, содержащаяся в пыли, увеличивает время, необходимое для разложения частичек, поэтому при увеличении влажности нижний КПРП увеличивается, пожарная опасность уменьшается). Однако увлажнение ускоряет самовозгорание металлической пыли (вода разрушает оксидную пленку);

• зольность пыли (наличие негорючих частичек твердого вещества приводит к увеличению расстояния между частичками, затрудняет теплообмен, увеличивается нижний КПРП, пожаровзрывоопасность уменьшается). При зольности выше 50 % пыли становятся не взрывоопасными;

• дисперсность пыли (с увеличением степени измельченности увеличивается поверхность окисления, уменьшается нижний КПРП, увеличивается пожаровзрывоопасность);

• состав воздуха (добавление негорючих газов (N₂, СО₂) увеличивает нижний КПРП, уменьшает пожарную опасность).

• начальная температура пылевоздушной смеси (вначале нижний КПРП уменьшается, т.к. пыль становится суше, однако при более высоких температурах нижний КПРП растет, т.к. сказывается недостаток кислорода);

• турбулентность (увеличивает нижний КПРП, снижает пожаровзрывоопасность).

Способы обеспечения пожаровзрывоопасности пыли приведены в ГОСТ 12.1.041 [6]. В числе прочих используются факторы, влияющие на КПРП пылей.

При обеспечении пожаровзрывоопасности пыли различают предотвращение пожара/ взрыва и взрывозащиту.

Предотвращение пожара и взрыва основано на исключении условий возникновения горения (гл. 1).

В качестве мер, исключающих наличие горючего вещества, применяют:

• снижение концентрации пыли меньше нижнего КПРП (герметизация оборудования, отсосы, удаление пыли);

• использование факторов, влияющих на НКПРП;

• замена пылящего вещества;

• минеральные присадки к пылящему веществу, например в шахтах применяют «осланцевание», добавление негорючей пыли.

В качестве мер, устраняющих наличие окислителя:

• флегматизация негорючими газами (СО₂, N₂);

• снижение концентрации кислорода меньше минимального взрывоопасного содержания кислорода МВСК (6 – 12%).

Устранение источника зажигания достигается следующими способами:

• взрывозащищенное исполнение электрооборудования;

• защита от статического электричества;

• недопущение искр удара и трения;

• огнепреградители.

Полностью устранить вероятность возникновения горения практически не представляется возможным, поэтому, помимо исключения условий возникновения горения, особое внимание уделяется взрывозащите:

• применение оборудования, рассчитанного на взрыв;

• системы активного взрывоподавления (встреливание в объем минеральных присадок, например, талька);

• устройства сброса давления (взрывные мембраны; легкосбрасываемые покрытия и конструкции).

Вопросы для самоконтроля

1. Какие показатели чаще применяют для аэровзвесей, какие – для аэрогелей?

2. Дайте определения используемым для оценки пожаровзрывоопасности пылей показателям.

3. Почему чаще для оценки пожаровзрывоопасности применяют НКПРП аэрозоля? Дайте определение НКПРП.

4. Какие факторы влияют на НКПРП аэровзвесей и как это влияние используют для обеспечения пожаровзрывобезопасности?

5. Перечислите условия возникновения горения.

6. Приведите примеры мер, применяемых для исключения наличия горючего вещества, окислителя, источника зажигания.

6.2.3. Механизм горения аэрозолей и аэрогелей

Механизм горения у аэрозолей и аэрогелей несколько различен.

Аэрогель можно представить как ТГВМ в измельченном и осевшем состоянии, поэтому горение аэрогеля аналогично горению ТГВМ (см. пп. 6.1.3).

Стадии воспламенения аэрогеля:

1) нагрев влажного материала;

2) сушка, удаление физической воды;

3) удаление химической воды, нагрев сухого материала;

4а) начало газификации (выделение летучих), t = 120-150 ^оС. Для растительных веществ при 250 ^оС концентрация летучих превышает их нижний КПРП, т.е. при наличии источника зажигания происходит воспламенение летучих (t_воспл);

4б) интенсивный пиролиз (выделение летучих под действием температуры). Особенность пыли – не все летучие выделяются, частичка не сгорает полностью;

5) нагрев углеродистого остатка и его горение.

Теплообмен при распространении горения осуществляется, в основном, теплопроводностью и излучением, однако он затруднен в связи со значительным расстоянием между частичками. Кроме этого затруднен доступ воздух в глубину аэрогеля, меньше выделяется летучих (частички сгорают не полностью), поэтому аэрогель горит менее интенсивно, чем ТГВМ, чаще в виде тления.

Необходимо учитывать, что аэрогель легко переходит во взвешенное состояние (при толчке, хлопке, попадании компактной водяной струи), что может привести к взрыву.

Механизм возникновения и распространения горения по аэрозолю аналогичен газовым смесям, однако существует особенность: необходимость подготовки частички к горению (5 стадий) и выделяются не все летучие – поэтому горение менее интенсивное.

Передача тепла при горении аэрозоля происходит излучением и теплопроводностью, частички нагреваются, сушатся, газифицируются, окисляются, концентрация паров достигает нижнего КПРП и происходит воспламенение, затем фронт пламени распространяется по смеси.

Скорость распространения достаточно высокая, возможно образование ударной волны.

Скорость горения аэрозоля (а следовательно, и давление взрыва) зависит:

• от вида пыли (состава продуктов пиролиза);

• от размера частичек (очень мелкие и очень крупные частички – не горят);

• от концентрации пыли (максимальная скорость горения наблюдается при концентрации пыли, превышающей стехиометрическую);

• от влажности (что можно использовать для снижения пожаровзрывоопасности).

Скорость распространения фронта пламени по аэрогелю описывается формулой Тодеса (действительна для диаметров 0,1 – 1 мкм):

(6.5)

где  – коэффициент Стефана-Больцмана;

T – температура излучения, К;

С_о – объемная теплоемкость Дж/(м^2.К);

T_в – температура воспламенения аэрогеля;

Т_о – начальная температура.

В угольных шахтах, на мукомольных предприятиях иногда наблюдается так называемые циклические взрывы. Горение пылей может перейти в детонацию (когда ударная волна опережает фронт пламени, взвешивая пылинки). Однако скорости по рассмотренным нами выше причинам меньшие, чем при детонации газов.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и охарактеризуйте стадии воспламенения аэрогелей. В чем состоит особенность пиролиза аэрогеля в условиях реального горения?

2. Перечислите отличия горения аэрогелей от ТГВМ?

3. В чем отличие горения аэровзвесей от горения газов?

4. Перечислите способы передачи тепла при горении аэрогеля и аэрозоля.

5. Какие факторы влияют на давление взрыва аэровзвесей?