Горение пылевоздушных смесей кратко

Обновлено: 02.07.2024

- Правила противопожарного режима в Российской Федерации (утв. постановлением Правительства РФ от 25 апреля 2012 г. N 390);

содержат требования пожарной безопасности, устанавливающие правила поведения людей, порядок организации производства или содержания территорий, зданий, сооружений, помещений в целях обеспечения пожарной безопасности.

Термины и определения и определения.

Пожар — неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

Источник зажигания- средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения.

Взрывоопасная смесь- смесь воздуха или окислителя с горючими газами, парами легковоспламеняющихся жидкостей, горючими пылями или волокнами, которая при определенной

концентрации и возникновении источника инициирования взрыва способна взорваться.

Пожарный риск- мера возможности реализации пожарной опасности объекта защиты и ее последствий для людей и материальных ценностей.

Окислители- вещества и материалы, обладающие способностью вступать в реакцию с горючими веществами, вызывая их горение, а также увеличивать его интенсивность.

Опасные факторы пожара- факторы пожара, воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу.

Обеспечение пожарной безопасности – комплекс мероприятий, направленных на принятие и соблюдение нормативных правовых актов, правил и требований пожарной безопасности, а также проведение противопожарных мероприятий

Температура самовоспламенения – самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, заканчивающейся пламенным горением.

Воспламенение пылевоздушных смесей аналогично воспламенению паро - и газовоздушных смесей с той лишь разницей, что носит ступенчатый характер, включающий стадию испарения влаги и газификацию, стадию воспламенения образовавшейся горючей смеси из продуктов газификации и воздуха. В первой стадии тепловой поток от источника зажигания приводит к пиролизу твердого вещества и образованию паро - и газовоздушной смеси. На второй стадии источник зажигания воспламеняет образовавшуюся горючую смесь. [1]

Для воспламенения пылевоздушной смеси необходимо, чтобы концентрация пыли в воздухе была не менее нижнего концентрационного предела воспламенения. Для воспламенения пылевоздушной смеси необходим источник зажигания с достаточной тепловой энергией - порядка нескольких МДж и более. От источника воспламенения по пыли распространяется пламя, в котором сначала происходит сгорание летучих в газовой фазе и наиболее мелких частиц. После прохождения фронта пламени продолжается горение более крупных частиц. Таким образом, зона горения значительно расширяется и горение принимает объемный характер. [2]

Устранение источников воспламенения пылевоздушных смесей в аппарате является очень важной задачей в обеспечении безопасной эксплуатации производств, связанных с переработкой горючих дисперсных веществ. [3]

Основными источниками воспламенения пылевоздушной смеси в пылеприготовительных установках являются тлеющие отложения пыли. [4]

Для обеспечения быстрого и полного воспламенения пылевоздушной смеси в топке необходимо нагреть пыль и воздух, поступающий с пылью, до температуры воспламенения. На температуру воспламенения, а следовательно, ЕЙ на устойчивость зажигания пылевоздушного потока оказывают влияние такие основные факторы, как 1) реакционная способность исходного топлива, 2) концентрация пыли, 3) степень измельчения топлива, 4) влажность пыли, 5) организация смесеобразования со своевременной и эффективной подачей окислителя, 6) повышение температуры у корня факела. [6]

Нижние концентрационные пределы воспламенения пылевоздушных смесей колеблются для большинства веществ от 2 5 до 30 г / м3; такие концентрации пыли наблюдаются в аппаратуре и в сильно запыленных помещениях. [8]

Верхние концентрационные пределы воспламенения пылевоздушных смесей велики и внутри помещений практически трудно достижимы. [9]

Нижние концентрационные пределы воспламенения пылевоздушных смесей колеблются для большинства веществ от 2 5 до 30 г / м3; такие концентрации пыли наблюдаются в аппаратуре и в Сильно запыленных помещениях. При таких концентрациях предметы на расстоянии 1 - 2 м не различаются. [13]

При горении факела в ограниченном пространстве воспламенение пылевоздушной смеси начинается на периферии и в результате молярной диффузии распространяется в глубь струи, образуя конус невоспламевившейся пыли. [15]

Аэрогели и аэровзвеси являются гетерогенными системами. Однако аэровзвеси по своим свойствам занимают промежуточное место между аэрогелями и гомогенными газо- и паровоздушными смесями. Аэровзвеси сходны с аэрогелями тем, что обе эти системы являются гетерогенными, дисперсными системами с одинаковой твердой фазой и поведение их определяется физико-химическими свойствами твердой фазы.

Воспламенение, горение и взрыв пылевоздушных смесей представляют собой комплекс взаимосвязанных физико-химических процессов. Горение сопровождается выделением тепла, появлением пламени и образованием газообразных продуктов сгорания. Скорость распространения пламени не превышает скорости звука. Если при горении пылевоздушной смеси с дозвуковой скоростью распространения пламени образуются сжатые газы, способные совершать механическую работу, то такое горение называется взрывным. Под действием источника зажигания происходит воспламенение пыли в элементарном объеме, из которого образуется фронт пламени. После того как образуется фронт пламени, протекает вторая стадия - собственно горение аэровзвеси.

Пламенное горение пылей обусловлено тем, что они выделяют горючие пары или газы в количестве не ниже нижнего концентрационного предела воспламенения .

Образовавшийся фронт пламени распространяется по аэровзвеси с определенной скоростью, которая зависит от ряда факторов.

Скорость распространения фронта пламени возрастает с уменьшением объемной теплоемкости аэровзвеси и повышением ее начальной температуры.

С увеличением концентрации О₂ скорость распространения пламени возрастает. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается в чистом кислороде.

Скорость распространения фронта пламени зависит от концентрации пыли. Максимальная скорость распространения пламени достигается при концентрации пыли намного большей стехиометрической. Это свидетельствует о том, что процесс горения пыли несовершенен; сгорают наиболее мелкие частицы пыли, крупные — не успевают разложиться и лишь обугливаются с поверхности.

Воспламенение аэровзвеси и распространение по ней пламени происходит только при определенных концентрациях взвешенной пыли в воздухе.
Наименьшая концентрация пыли в воздухе (в г/м 3 или в кг/м 3 ), при которой смесь способна воспламеняться от постороннего источника зажигания с последующим распространением пламени на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени аэровзвеси (НКПР).

Если в помещении создается концентрация пыли, равная НКПВ, то на расстоянии 3- 4 м предметы различить невозможно.

Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется. Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

Согласно теории Н.Н. Семёнова, при взрыве все твёрдые вещества сгорают в газовой фазе. Таким образом, по своей природе, по механизму распространения пламени процесс горения газопылевоздушных и пылевоздушных смесей приближается к горению газовоздушных смесей. Но у них имеются и важные отличия. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на горение пылевоздушных и газопылевоздушных смесей, является выход летучих веществ. Горение аэрозоли органической пыли, являющееся основой взрыва, происходит следующим образом. При воспламенении аэрозоли пылинки, находящиеся вблизи источника воспламенения, нагреваются до температуры распада, происходит их газификация. Образовавшиеся продукты газификации, нагреваясь до температуры воспламенения, сгорают, тепло в результате излучения, теплопроводности и конвекции из зоны воспламенения передается прилегающим к ней негорящим частицам, которые, воспламеняясь, становятся источниками возгорания последующих слоев смеси. Так возникают условия для развития цепного, лавинообразного процесса горения пылевоздушной смеси. По своим свойствам аэровзвесь приближается к гомогенной горючей смеси.

Так как аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям, то их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПРП, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва.

Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением, испускаемым фронтом пламени.

Пыль, содержащаяся в воздухе, оседает на стенах, полах, оборудовании и строительных конструкциях, образуя легко взвихриваемый аэрогель. Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля , являются температура воспламенения и самовоспламенения.

В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние. При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материалом, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления. Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку

1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое;

2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли.

Тление относится к особому его виду гетерогенного горения, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности гомогенное пламя. Режим горения в виде тления занимает промежуточное положение между режимами сугубо гетерогенного и обычного диффузионного горения. Основным внешним условием горения в виде тления является недостаток поступающего к горящему материалу кислорода. Тление обычно характеризуется менее полным окислением топлива, более низкими температурами и много меньшей скоростью распространения. Все эти характеристики тления изменяются в зависимости от доступа кислорода. Особенности тления обусловливают особые сложности при ликвидации этого вида горения

Тление – это горение твердых веществ (материалов), характеризующееся отсутствием пламени, сравнительно низкими скоростями распространения пламени по веществу и температурами 400-600°С, часто сопровождающееся выделением дыма и др. продуктов неполного сгорания. Тление – это процесс окисления, протекающий неинтенсивно из-за недостатка окислителя в зоне горения и (или) активно рассеивающейся из этой зоны теплоты. Тление может быть переходной стадией после прекращения пламенного горения материала или удаления внешнего источника зажигания. Такое тление называют остаточным.

Температура тления – температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин пожаров, выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов, оценке пожарной опасности полимерных материалов и разработке рецептур материалов, не склонных к тлению. Тление характерно для материалов с развитой поверхностью (хлопок, опилки, зернопродукты, уголь); зарождается при скоплении (хранении) больших масс. Для обнаружения очагов тления в толще материала используют специальные приборы – тепловизоры, термоэлектрические преобразователи (термощупы), или же судят по показаниям газоанализаторов, фиксирующих повышенное содержание оксида углерода (иногда – метана, водорода).

Пыль одного и того же вещества в зависимости от состояния имеет две температуры самовоспламенения: для аэрозоля и аэрогеля. Так, температура самовоспламенения древесной муки во взвешенном состоянии (аэрозоль) равна 775°С, а в осажденном (аэрогель) будет в 2,8 раза ниже (275°С).

Вполне очевидно, что осевшая пыль более опасна с точки зрения ее воспламенения, поскольку у нее значительно ниже температура самовоспламенения.

Условия для взрыва пылевоздушной смеси возникают при концентрации пыли между нижним и верхним пределами воспламенения.

При горении аэрозоля в замкнутом объеме взрывное давление достигает максимального уровня. Если взрывное горение аэрозоля происходит в полузамкнутом объеме, то давление будет зависеть от величины вскрытых сечений, через которые происходит истечение газообразных продуктов взрыва. В обоих случаях давление взрыва может стать значительным и привести к разрушению аппарата или сооружения, в объеме которого произошел взрыв.

Факторами, способствующими развитию и распространению первоначального взрыва к серии взрывов пылевоздушной смеси, являются: повышенная запыленность помещений; наличие связи между отдельными технологическими аппаратами, помещениями и зданиями; присутствие мелкодисперсного продукта в магистралях. При содержании кислорода в пылевом аэрозоле ниже 6 % не только взрыв, но и горение пыли невозможно (даже особо опасная пыль серы требует 8,5 % кислорода).

- орошение осевшей пыли водой и водными растворами поверхностно-активных веществ (угольная пыль с влажностью 17 % считается невзрывчатой);

Начнем с определений.

С.И. Ожегов [1] дает следующее определение взрыва:

Сопровождающееся сильным звуком воспламенение чего-нибудь вследствие мгновенного химического разложения вещества и образования сильно нагретых газов. Взрыв газов. Взрыв бомбы.
Разрушение чего-нибудь, произведенное при помощи такого разложения вещества. Взрыв скалы. Взрыв моста.
(перен.) Внезапное сильное и шумное проявление чего-нибудь. Взрыв смеха. Взрыв возмущения, негодования.

Третье определение оставим без комментариев.

Авторы [2] трактуют взрыв как:

Розрив вибухової речовини, спеціального снаряда, оболонки чого-небудь і т. ін., з дуже сильним звуком і великою руйнівною силою.
Хімічна реакція, при який за дуже короткий час розширюются утворені гази, спричиняючи руйнівні дії.

Васильев Я.Я. и Семенов Л.И. [3] приводят следующую трактовку:

Пылевой взрыв – это неконтролируемый процесс взрывного (дефлаграционного) горения.

Отличительная особенность горения пылевоздушных смесей в сравнении с газовыми заключается в том, что взаимодействие между горючим и окислителем может осуществляться только на поверхности раздела химически активных фаз системы.

Т.е. из приведенных определений ничего не ясно, поскольку нельзя сделать однозначного вывода.

В результате детонационного разложения вещества (взрыва) расширяющиеся продукты формируют волну давления сильного (ударная волна) или слабого разрыва. Разница заключается в том, что на фронте волны давления терпят разрыв параметры (скорость, давление и температура), а на фронте ударной волны терпят разрыв и их производные; волна давления слабого разрыва распространяется в пространстве со скоростью звука, а ударная волна со сверхзвуковой скоростью.

Следует отметить, что ударная волна, в силу рассеивания энергии, на относительно коротких расстояниях (зависит от мощности взрыва и условий распространения) трансформируется в волну давления слабого разрыва.

Трактовка горения пылевоздушной смеси, как взрыва, напоминает ситуацию с порохами: несмотря на то, что пороха относятся к взрывчатым веществам, но к метательным, и затруднительно в научно-технической литературе найти сведения о взрыве порохов (бризантные взрывчатые вещества взрываются, а пороха горят [4], рис. 1)

Обращает на себя внимание факт сравнительно медленного развития процесса. Т.о. взрыва как такового не было. Вероятнее всего, мы имеем дело с горением пыли с возрастающей скоростью, но не переходящее в детонацию.

Настораживает два фактора.

Попробуем подтвердить это расчетами.

При тротиловом эквиваленте взрыва 20 тонн радиус зоны полного разрушения коммунальных и промышленных сооружений по воздействию воздушной волны составит [6]:

Второй. Где могло поместиться более 20 тонн пыли в состоянии аэровзвеси (пылевое облако) на мукомольном заводе?

Из этих двух факторов возникает также два вопроса:

— может быть, разрушительные воздействия являются следствием не только взрыва пылевоздушной среды, но и газовоздушного взрыва;

— а взрывается ли пыль (мучная, зерновая) вообще или она горит?

В предположении минимального поражающего воздействия воздушной волны (случайное повреждение застекления) прикинем возможный тротиловый эквивалент взрыва [6] (тонн):

а в предположении отсутствия повреждений (тонн):

Даже из последнего, самого лояльного предположения следует, что в радиусе

должно было наступить полное разрушение коммунальных и промышленных сооружений.

При таком уровне воздействии радиус опасной зоны для человека, находящегося на открытой местности, составляет (м.):

Т.е. практически все предприятие должно быть разрушено и находящиеся на его территории работники – погибнуть.

Что-то здесь не вяжется.

Не снимается и второй вопрос: где могло поместиться такое количество пыли в состоянии аэровзвеси при общей емкости хранилища 18 тыс. тонн?

Итак, основной вопрос статьи — горит или взрывается пыль — остается открытым.

От решения вопроса, горит или взрывается пыль, зависят основные подходы как к вопросам обеспечения безопасности предприятий, так и к вопросам конструктивно-технологических решений.

Наболевшим вопросом для предприятий являются взрываразрядители.

Допустим, что в помещении 1 (рис. 2) размещено оборудование 2, внутри которого присутствует пыль в состоянии аэровзвеси. По существующим нормативным канонам от оборудования (плоскость А) до наружной стены Б прямолинейно или с небольшим радиусом изгиба должна быть проложена взрываразрядительная труба 3. Не стоит говорить о неудобствах, создаваемых такой конструкцией.

Если же пыль горит, то с момента возгорания начинается истечение продуктов горения. В ряде случаев (соотношение объемов оборудования и помещения, достаточное количество оконных проемов и пр.) от взрываразрядительной трубы можно вообще отказаться и выпускать продукты горения через выхлопной насадок непосредственно в помещение. Как и при взрыве, остекление помещения будет разрушено, но снижение металлоемкости, затрат на изготовление, монтаж и обслуживание системы взрыворазряжения, повышение удобства эксплуатации оборудования являются бесспорными преимуществами второго варианта.

Читайте также: