Лекция 17
ТУШЕНИЕ ПОРОШКАМИ.
ТУШЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫМИ СОСТАВАМИ.
ПОРОШКОВЫЙ ОГНЕТУШИТЕЛЬ ОП-1.
ПОРОШКОВЫЙ ОГНЕТУШИТЕЛЬ ОП-10.
ОГНЕТУШИТЕЛЬ САМОСРАБАТЫВАЮЩИЙ ПОРОШКОВЫЙ (ОСП). САМОВОЗГОРАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Порошковые огнетушители предназначены для тушения возгорания твердых, жидких и газообразных веществ (класса А, В, С или В, С в зависимости от типа применяемого порошка), а также возможно их применение для тушения электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В. Порошковыми огнетушителями рекомендуется оборудовать легковые и грузовые автомобили, сельскохозяйственную технику, противопожарные щиты на химических объектах, в гаражах, мастерских, офисах, гостиницах и квартирах. Не следует использовать порошковые огнетушители для тушения оборудования, которое может выйти из строя при попадании порошка (ЭВМ, электронное оборудование, электромашины коллекторного типа и т.д.). Огнетушители должны эксплуатироваться в диапазоне рабочих температур от -40оС до +50оС.
Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками, препятствующими слеживанию и комкованию. В качестве основы для огнетушащих порошков используют фосфорноаммонийные соли (моно-, диаммонийфосфаты, аммофос), карбонат и бикарбонат натрия, хлориды натрия и калия и др. В качестве добавок — кремнийорганические соединения (например, аэросил АМ-1-300), стеараты металлов, нефелин, тальк и др.
Эти порошки обладают высокой огнетушащей способностью и обеспечивают, например, тушение пожаров класса В на большой площади в течение нескольких секунд. К достоинствам порошков также относятся:
возможность их применения для тушения пожаров любых классов (которые невозможно тушить водой и другими средствами, например металлы), разнообразие способов пожаротушения (стационарные установки, огнетушители, автомобили, флегматизация, взрывоподавление), возможность тушения электрооборудования под напряжением и др.
Механизм огнетушащего действия порошков заключается в ингибировании горения в результате связывания активных центров цепных реакций, протекающих в пламени. Происходит либо гетерогенная рекомбинация этих центров на поверхности порошков, либо гомогенное взаимодействие газообразных продуктов возгонки порошков с активными центрами.
Огнетушащая способность порошков зависит не только от химической природы порошков, но и от степени их измельчения. Чем мельче частицы порошков, тем больше их поверхность и тем выше их эффективность. Но возможность приготовления и применения очень тонких порошков ограничена. Оптимальный размер порошков общего назначения (ПСБ, ПФ, ПГС и т. п.) составляет 40—80 мкм.
В последние годы в качестве средств тушения пожаров применяют порошковые составы на основе неорганических солей щелочных металлов. Они отличаются высокой огнетушащей эффективностью и универсальностью, т.е. способностью тушить любые материалы, в том числе нетушимые всеми другими средствами.
Порошковые составы являются, в частности, единственным средством тушения пожаров щелочных металлов, алюминийорганических и других металлоорганических соединений (их изготавливает промышленность на основе карбонатов и бикарбонатов натрия и калия, фосфорно-аммонийных солей, порошок на основе графита для тушения металлов и т.д.).
У порошков есть ряд преимуществ перед галоидоуглеводородами: они и продукты их разложения не опасны для здоровья человека; как правило, не оказывают корроизионного действия на металлы; защищают людей, производящих тушение пожара, от тепловой радиации.
Порошки хранят в специальных упаковках, предохраняя их от увлажнения, и подают в очаг горения сжатыми газами. Порошки не обладают токсичностью, мало агрессивны, сравнительно дешевы, удобны в обращении. Основные сведения о применяемых в нашей стране порошках приведены в таблице 1 (кроме указанных порошков для тушения некоторых веществ класса D применяют порошок фторида кальция).
Таблица 1. Основные сведения об огнетушащих порошках
|
Порошок (марка) |
Основной компонент
|
Область применения (классы пожаров) |
Огнетушащая способность, кг/м3 |
|
ПСБ-3 |
Бикарбонат натрия |
ВСЕ |
1,6 |
|
ПФ |
Диаммоний фосфат |
АВСЕ |
1,4 |
|
ПС |
Карбонат натрия |
D |
40 |
|
П-2АП |
Аммофос |
АВСЕ |
1,8 |
|
Пирант А |
» |
АВСЕ |
1,8 |
|
ПГС-М |
Смесь хлоридов калия и натрия |
ВСD |
26D 1,4ВС |
|
СИ-2 |
Силикагель, насыщенный хладоном 114В2 |
D (металлорганические соединения, гидриды металлов |
20-32D 0,2В |
|
РС |
Графит, вспучиваю- щийся при нагреве |
D (сплав калия и натрия) |
6,0-9,0 |
|
МГС |
Графит с понижен- ной плотностью |
D (для натрия и лития) |
3,0-10,0 |
Существует целый ряд моделей порошковых огнетушителей, различных как по массе заряда порошка (от 900 г до 79 кг), по массе самого огнетушителя (от 2,8 кг до 135 кг) и габаритным размерам, так и по длине струи огнетушащего вещества (от 3 до 6 метров) и продолжительности подачи огнетушащего вещества (от 5 до 30 секунд).
Для тушения небольших очагов загораний горючих жидкостей, газов, электроустановок напряжением до 1000 В, металлов и их сплавов используются порошковые огнетушители ОП-1, ОП-25, ОП-10.
Порошковый огнетушитель ОП-1 «Спутник» емкостью 1 л используется при тушении небольших загораний на автомобилях и сельскохозяйственных машинах. Состоит из корпуса, сетки и крышки, изготовленных из полиэтилена. Заполнен составом ПСБ (порошок сухой бикарбонатный), состоящий из 88 % бикарбоната натрия с добавлением 10 % талька марки ТКВ, стеаратов металлов (железа, алюминия, магния кальция, цинка) – 9 %.
Во время пользования снимают крышку огнетушителя и через сетку порошок ПСБ вручную распыливают на очаг горения. Образующееся устойчивое порошковое облако изолирует кислород воздуха и ингибирует горение.
Порошковый огнетушитель ОП-10 (рисунок 4) содержит в тонкостенном десятилитровом баллоне порошок ПС-1 (углекислый натрий с добавками). Подается с помощью сжатого газа (азот, диоксид углерода, воздух), хранящегося в дополнительном баллончике емкостью 0,7 л под давлением 15 МПа. Применяется для тушения загораний щелочных металлов (лития, кадия, натрия) и магниевых сплавов.
В других огнетушителях этого типа используются порошковые составы: ПСБ (бикарбонат натрия с добавками), ПФ (фосфорно-аммонийные соли с добавками), предназначенные для тушения древесины, горючих жидкостей и электрооборудования, СИ-2 (сидикагель с наполнителем) - для тушения нефтепродуктов и пирофорных соединений.
Огнетушитель самосрабатывающий порошковый (ОСП) - это новое поколение средств пожаротушения. Он позволяет с высокой эффективностью тушить очаги загорания без участия человека.
Огнетушитель представляет собой герметичный стеклянный сосуд диаметром 50 мм и длиной 440 мм, заполненный огнетушащим порошком массой 1 кг. Устанавливается над местом возможного загорания с помощью металлического держателя (рисунок 5). Срабатывает при нагреве до 100 °С (ОСП-1) и до 200 °С (ОСП-2). Защищаемый объем до 9 м3.
Огнетушители ОСП предназначены для тушения очагов пожаров твердых материалов органического происхождения, горючих жидкостей или плавящихся твердых тел, электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В.
Достоинства ОСП: тушение пожара без участия человека, простота монтажа, отсутствие затрат при эксплуатации, экологически чист, нетоксичен, при срабатывании не портит защищаемое оборудование, может устанавливаться в закрытых объемах с температурным режимом от минус 50 °С до плюс 50 °С.
Таблица 2.Виды порошковых огнетушителей
|
ТУШЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫМИ СОСТАВАМИ
Комбинированные — это огнетушащие составы, в которых сочетаются свойства различных огнетушащих средств. Наиболее эффективными являются такие составы, которые представляют собой комбинации носителя с сильным ингибитором горения. К ним относятся, например, водно-хладоновые эмульсии и комбинации воздушно-механической пены с хладонами. К комбинированным можно отнести также порошок СИ-2.
Для объемного тушения разработаны азотно-хладоновый и углекислотно-хладоновый составы, обеспечивающие 4—5-кратное снижение удельного расхода дорогостоящих и дефицитных бром-хладонов. Особенно перспективен состав, содержащий 85 % (масс.) СО2 и 15 % (масс.) хладона 114В2. Этот состав рекомендуется СНиП 2.04.09—84. К его достоинствам относится взаимная растворимость компонентов при указанных соотношениях в конденсированной фазе (под давлением). При этом обеспечивается возможность хранения состава в одном баллоне, что значительно упрощает и удешевляет его применение. Расчетная масса состава т определяется по формуле (в кг)
т=КVqn
где К — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения;
V — объем помещения, м3;
qn — норма подачи, равная 0,27 кг/м3 при т=30 с и 0,4 кг/м3 при т=60 с.
Для объемного тушения в помещениях с натрием разработан комбинированный состав, содержащий 94 % (об.) азота и 6 % (об.) диоксида углерода. Добавка диоксида углерода к азоту обусловливает снижение пирофорности натрия (увеличение его температуры самовоспламенения) и увеличение огнетушащей способности азота.
Самовозгорание в промышленности
Наибольший вред самовозгорание причиняет при разработке угольных и сульфидных месторождений, а также при добыче фрезерного торфа.
Самовозгорание может быть случайной аварией, иногда принимающей характер катастрофы, предвидеть и предотвратить которую трудно. В других случаях в него переходит самонагревание, которое является неизбежным спутником при разработке некоторых месторождений.
Если не учитывать возможности самовозгорания, то могут произойти пожары с очень тяжелыми последствиями. Примерами могут служить уральские медно-колчеданные рудники (1935-1948 г) и Текелийский свинцово-цинковый рудник (1954-1961 г), производительность которых на несколько лет была сильно снижена, а ликвидация пожаров потребовала огромных затрат.
В угольной промышленности имеется характерная тенденция к увеличению общего числа рудничных пожаров. Так, по всему Советскому Союзу с 1953 по 1959 год, по сравнению с периодом 1946-1952, число пожаров увеличилось на 64%. Это, по-видимому, связано с изменением в экономике минерального топлива, которое потребовало значительного удешевления добычи угля. Поэтому, наряду с увеличением эффективности средств добывания, произошло ослабление противопожарной профилактики.
Приблизительно половина рудничных пожаров в угольной промышленности возникает от самовозгорания. Остальные связаны главным образом с применением электрической энергии, с взрывными работами и трением в механизмах. Для этих экзогенных пожаров проявляется тоже характерная тенденция, которая состоит в уменьшении относительного числа пожаров от электрического тока и в увеличении пожаров от трения в механизмах и от открытого огня, особенно при сварочных работах. Это, несомненно, связано с ростом механизации добычи угля.
Для пожаров от самовозгорания характерно крайне неравномерное распределение по месторождениям. Наибольший вред оно причиняет в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса, Челябинском бассейне, на месторождениях Средней Азии и Дальнего Востока.
В Прокопьевско-Киселевском районе 95% рудничных пожаров возникает от самовозгорания, причем один пожар приходится примерно на 1 млн т добытого угля. На трех самых мощных пластах, которые дают около 60% добычи, из десяти выемочных участков один загорается, а в четырех происходит самонагревание.
В Донецком же бассейне только около 20% пожаров имеет эндогенное происхождение.
Наибольшее число эндогенных пожаров наблюдается на месторождениях Средней Азии. Это только отчасти может быть объяснено малым объемом добычи на этих месторождениях, в основном же объясняется большой пожароопасностью, создавшейся в настоящее время при разработке этих месторождений.
В рудной промышленности наибольший ущерб самовозгорание причиняет при добывании сульфидных руд, содержащих пирит. Нередки также пожары от самовозгорания углистых сланцев на месторождениях, руды которых сами по себе не способны самовозгораться.
На уральских колчеданных рудниках много пожаров стало возникать в середине ЗО-х годов, что было вызвано полным отсутствием профилактики самовозгорания при значительном расширении и форсировании добычи руды. На пяти рудниках для ликвидации 300 пожаров было затрачено 200 млн. руб. Сначала для их тушения применялось заиливание. Но затем было предложено заливать пожарные участки водой с тем, чтобы она выщелачивала из горячей руды медь (которая, как обычно, извлекается из рудничного водоотлива). Это сильно способствовало развитию пожаров. В 1946—1948 г вновь перешли на заиливание.
На Дегтярском руднике 80% выработок бездействовало из-за пожаров. В 1949 г. было начато систематическое заиливание запожаренных участков, которое продолжалось пять лет и стоило 25 млн. руб. В результате этих работ и включения профилактического заиливания в систему ведения горных работ пожарное состояние рудника было ликвидировано.
Прямые расходы на борьбу с рудничными пожарами, то есть на профилактику и тушение, составляют по всему Советскому Союзу около 15 млн. руб. в год. Кроме этих прямых расходов, большие убытки получаются из-за выхода из строя участков, на подготовку которых затрачены средства, а также вследствие стеснения горных работ. В Прокопьевском районе профилактическое заиливание одного участка стоит в среднем 5 тыс. руб., а тушение одного пожара 15—25 тыс. руб. В год расходуется на профилактику и тушение пожаров около 2 млн. руб., причем профилактика обходится в два раза дороже тушения (1961 г.).
В Челябинском бассейне в 1957 г. расходы на борьбу с пожарами составили 1 руб. на 1 тонну добытого угля.
На уральских колчеданных рудниках профилактическое заиливание обходится в среднем 80 коп. на 1 тонну добытой руды и составляет меньше 1 % ее себестоимости (1959 г.).
ОСНОВЫ БОРЬБЫ С САМОВОЗГОРАНИЕМ
Борьба с самовозгоранием заключается в профилактических мероприятиях и в непосредственной ликвидации пожаров. Ликвидация эндогенных пожаров мало отличается от тушения пожаров, вызванных внешними причинами, и практика располагает для этого достаточно эффективными способами. Затруднение вызывает лишь определение точного местонахождения недоступных пожаров очагов. Профилактика же самовозгорания чрезвычайно трудна, а существующие методы не удовлетворяют промышленность: они недостаточно эффективны, стесняют производство и обходятся дорого.
Для целесообразного применения профилактических мероприятий необходимо оценивать пожароопасность, то есть возможность и условия возникновения пожара в данном месте. Все, что способствует самовозгоранию, называется факторами пожароопасности. Из них слагается степень пожароопасности.
Таких факторов можно указать много, и они трудно поддаются точному определению. Это очень затрудняет оценку пожароопасности. Непосредственное наблюдение не дает для этого надежных критериев. Чтобы преодолеть эти затруднения, необходимо исходить из современных научных представлений. Становится все более ясно, что промышленность в этой области руководствуется устаревшей, неудовлетворительной теорией.
Общий подход можно получить на основе теории самовозгорания, которая определяет физические условия его возникновения. Этих условий только три:
1) химическая активность окисляющихся материалов;
2) приток воздуха в их скоплениях;
3) теплообмен со средой.
Пожароопасность надо рассматривать как реализацию этих физических условий. Таким образом, появляется возможность оценивать значимость неопределенно большого числа факторов, которые обнаруживаются при непосредственном наблюдении. Это дает также основу для систематизации фактических данных при накоплении опыта.
Химическая активность расценивается как склонность к самовозгоранию и является внутренним условием, так как она обусловлена природой окисляющегося материала. Приток воздуха и теплообмен иногда объединяют как внешние условия.
Основные результаты в области борьбы с самовозгоранием в горной промышленности получены путем применения таких способов ведения горных работ, которые включают в себя как элементы противопожарные мероприятия, предотвращающие самовозгорание и предусматривающие ликвидацию пожара в случае его возникновения.
В соответствии с отмеченной выше тенденцией к увеличению эффективности средств добывания угля необходимо изменить подход к борьбе с самовозгоранием и поставить новые задачи исследовательских работ по ее улучшению: время требует организовать борьбу с самовозгоранием так, чтобы она не мешала эффективности производства и вместе с тем достаточно защищала его от пожарной опасности.
ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА САМОВОЗГОРАНИЯ
На современном уровне научного знания самовозгорание промышленных объектов должно изучаться и рассматриваться с точки зрения теории химических процессов.
Задача состоит в выяснении физических условий самовозгорания в том виде, в каком это имеет место в промышленности.
Исследуемый процесс начинается с самонагревания. Основное его условие состоит в том, что в скоплении окисляющегося материала тепла образуется больше, чем отдается в среду. Это чисто тепловое условие. Химические же превращения служат лишь одним из факторов, действующим в результате того, что они сопровождаются переходом химической энергии в тепловую.
Поэтому, чтобы количественно определить факторы самонагревания, надо основываться на законе, которому подчинены тепловые явления, то есть на законе сохранения энергии. В данном случае ему можно придать форму теплового баланса.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ САМОНАГРЕВАНИИ
Тепловой баланс для скопления самонагревающегося материала имеет вид:
Генерация тепла = Нагревание материала + Вынос тепла воздухом + Отдача тепла теплопроводностью + Прочие статьи для частных случаев. Чтобы пользоваться им, надо выразить его статьи через физические величины, которые в действительности могут быть измерены, и установить методы нахождения численных значений этих величин.
Рассмотрим последовательно статьи баланса. Приходную часть баланса составляет генерация тепла за счет химической энергии окисляемого материала. Генерация тепла пропорциональна скорости сорбции кислорода, причем коэффициентом пропорциональности служит Q —удельная теплота сорбции, то есть количество тепла, образующееся при сорбции 1 мл кислорода.
При сорбции кислорода из воздуха, который находится в соприкосновении с окисляющимся материалом, в общем случае происходит уменьшение и концентрации кислорода, и объема воздуха. Количество сорбированного кислорода равно произведению концентрации на объем воздуха:
М = Со Vo - CV, мл,
где Со и Vo — начальная концентрация и объем;
С и V — концентрация и объем в данный момент времени.
Для малого промежутка времени это соотношение принимает дифференциальную форму:
dM = -d (VC) мл.
Относя это количество к единицам времени и массы материала, получим удельную скорость сорбции:
(1.1)
Как это следует из наших опытов по низкотемпературному окислению углей и сульфидов, она пропорциональна концентрации кислорода. Поэтому:
где U — константа скорости сорбции кислорода. Средняя скорость сорбции за время τ будет
Если пренебречь уменьшением объема воздуха, вызванным сорбцией кислорода, то:
(1.2)
Интегрирование этого уравнения дает зависимость концентрации кислорода от времени:
(1.3)
где τ — продолжительность соприкосновения воздуха с материалом («время контакта»).
Это уравнение применимо к любому рассматриваемому объему воздуха независимо от того, находится ли он в покое, или течет через материал (фильтруется через кусковой материал, идет по трещинам в целиках или даже по одному каналу).
Константа U зависит от природы материала, степени его измельчения и разрыхления, времени его соприкосновения с воздухом, температуры и некоторых других факторов. Эти зависимости описаны в разделе, посвященном низкотемпературным процессам.
В скоплении окисляющегося материала воздух заполняет пустоты. Количество кислорода, сорбированного 1 г материала, выразится уравнениями (1.1) и (1.2). В 1 см3 скопления находится γ г материала. Поэтому количество сорбированного кислорода будет
. (1.4)
где m — пористость скопления.
Количество образовавшегося при этом тепла
(1.5)
Это и есть приходная статья теплового баланса, рассчитанного на 1 см3 самонагревающегося скопления материала. Так как U зависит от температуры, которая может быть не одинакова для разных частей скопления и изменяться со временем, то последнее уравнение выражает среднюю скорость образования тепла.
РАСХОДНЫЕ СТАТЬИ БАЛАНСА
Наиболее общие из них - нагревание материала, вынос тепла исходящим воздухом и теплопроводность. В частных случаях могут приобретать значение и некоторые другие. Например, испарение воды. Его можно учесть добавочным членом вида
где dW/dτ —скорость испарения;
q —удельная теплота испарения.
Нагревание единицы объема в скоплении материала вычисляется по формуле:
где γ —объемный вес скопления;
с —теплоемкость материала;
dT/dy — скорость нагревания.
Конвекционный вынос тепла воздухом равен:
где у' —плотность воздуха;
Ср —теплоемкость воздуха;
Б —скорость воздушного потока;
dT/dy —градиент температуры вдоль потока.
Теплопроводность
для общего случая символически
обозначается
.где
Δ2Т
— оператор Лапласа — сумма вторых
производных температуры по трем
координатам.
В тех случаях, когда самонагревающееся скопление материала имеет поверхность, которая соприкасается с воздушной средой, потеря тепла с этой поверхности происходит путем теплоотдачи, вычисляемой по закону охлаждения (закон Ньютона):
где а — коэффициент теплоотдачи;
Т — температура поверхности;
Тп — температура воздушной среды;
А — поверхность теплоотдачи.
Эта статья имеет существенное значение для штабелей и терриконов.
Таким образом, уравнение теплового баланса для единицы объема в скоплении самонагревающегося материала имеет вид:
(1.6)
где Ф (н) — прочие статьи, которые могут приобретать значение в частных случаях.
Члены этого уравнения выражают мгновенные скорости генерации и распределения образующегося тепла. Интегрирование его в общем виде невозможно. Но все члены теплового баланса могут быть вычислены, если определить среднее значение соответствующих физических величин для рассматриваемого промежутка времени. Например среднее значение концентрации С кислорода за время τ, т. е. той концентрации, которой была бы пропорциональна средняя скорость сорбции за то же время, получаем из формулы (2.2):
(1.7)
Подставим в это уравнение значение τ из уравнения (1. 3) и получим:
(1.8)
Таким образом, средняя концентрация кислорода равна среднему логарифмическому из концентраций в начальный и в конечный моменты. Если разность Со — С невелика, то без значительной ошибки можно пользоваться средней арифметической концентрацией, которая вычисляется проще:
Вычисление членов, связанных с нагреванием материала и конвекцией тепла воздухом, не представляет трудностей. Вычисление же теплопроводности связано с чрезмерными математическими трудностями и дает ненадежные результаты, вследствие упрощающих допущений, которые приходится делать. Если остальные статьи определены достаточно точно то теплопроводность надежнее вычислять из уравнения теплового баланса.
Из уравнения (2.6) теплового баланса можно получить математическую формулировку условий самонагревания и возгорания и делать практические выводы.
Приток воздуха
Приток воздуха служит важным фактором самонагревания и в особенности самовозгорания, так как он влияет на две основные статьи теплового баланса: на генерацию тепла, путем увеличения концентрации кислорода, и на вынос тепла исходящим воздухом. Непосредственно от него зависит продолжительность соприкосновения воздуха данного объема с окисляющимся материалом (время контакта). Для воздуха, который течет через материал, время контакта τ вычисляется из соотношения:
Б =my/τ, (2.9)
где Б —объемная скорость воздушного потока;
τ —пористость скопления материала;
у — путь, пройденный элементом потока.
Если значение τ из этой формулы подставить в уравнение (2.3), получим:
(1.10)
Для 1 см3 скопления V = m и Н = γ.
Этим уравнением можно воспользоваться для решения обратной задачи: определения скорости Б воздушного потока на основании анализа исходящего воздуха:
(1.11)
Это представляет интерес, так как прямое измерение скорости течения воздуха в промышленных скоплениях материалов чрезвычайно затруднительно. Например, в изолированных подземных выработках она так мала, что ее нельзя измерить анемометром. Определение же ее по утечкам вентиляционных потоков не дает удовлетворительных результатов, так как поверхность, через которую проникает воздух, остается неизвестной.
Если данных о внутренней структуре скопления материала нельзя получить, то оно может рассматриваться мегоскопически (сверхмакро-скопически) как среда, характеризуемая активностью поглощения кислорода. Если же такие данные имеются, можно установить связь между поглотительной активностью и скоростью воздушного потока, а также факторами, влияющими на нее: проницаемостью скопления, степенью измельченности и разрыхленности материала.
Уравнение (1.10) описывает уменьшение концентрации кислорода вдоль воздушного потока в окисляющемся материале и зависимость этого уменьшения от скорости воздуха.
НЕРАВНОМЕРНОСТЬ САМОНАГРЕВАНИЯ
Наблюдения показывают, что в начале самонагревание развивается довольно равномерно по всему объему окисляющегося материала. Это объясняется тем, что при низких температурах потребление кислорода идет медленно и его достаточно даже в тех участках скопления материала, в которых приток воздуха мал. А там, где он больше, согласно предыдущему он не может вызвать ускорения процесса. Поэтому неравномерность просачивания воздуха обычно не оказывает значительного влияния на процесс. Равномерности нагревания способствует также то, что вначале оно идет медленно и теплопроводность успевает выравнивать разности температур
В дальнейшем, по мере развития, самонагревание становится все более неравномерным; в скоплении материала увеличиваются разности температур, и ее максимум сосредотачивается во все меньшем объеме. Это вызывается неравномерностью притока воздуха. В скоплениях окисляющихся материалов воздух течет преимущественно по «коридорам» с наименьшим сопротивлением. Вдоль оси коридора скорость воздуха наибольшая, а к периферии его она убывает.
В начале при низких температурах неравномерность вызывается переносом тепла воздухом вдоль его потока. Поэтому в материале темпера тура повышается вдоль потока и ее максимум находится в его конце.
Рядом с коридором, даже при невысоких температурах, концентрация кислорода может значительно понизиться, что вызывает замедление генерации тепла и создает разность температур в направлении, перпендикулярном к потоку (по оси х).
С повышением температуры вследствие ускорения сорбции кислорода эта разность увеличивается — увеличивается неравномерность нагревания. Если скорость воздуха мала, или температура высока, то большая часть кислорода расходуется в начале потока. В конце же его генерация тепла замедляется, и нагревание происходит только за счет переноса тепла вдоль потока. Поэтому максимум температуры перемещается к началу потока.
САМОВОЗГОРАНИЕ
Когда хотя бы в небольшой части скопления материала достигается критическая температура, самонагревание быстро переходит в возгорание. Эта температура для больших скоплений материалов в промышленности обычно находится в пределах от 60 до 100°.
Итак, первое условие возгорания состоит в достижении критической температуры. Но при этой температуре сильно ускоряется потребление кислорода. Поэтому дальнейшее развитие процесса с переходом его в возгорание возможно только при большом притоке воздуха. Это второе условие возгорания.
Тепловой баланс дает возможность оценить эффективность изоляции окисляющегося материала для разных стадий его самонагревания. Для начала самонагревания достаточен очень слабый приток воздуха и, следовательно, такая совершенная изоляция, которую трудно создать. Но даже не очень хорошая изоляция может воспрепятствовать переходу самонагревания в возгорание.
Значение притока воздуха можно наблюдать на угольных штабелях, имеющих изоляционное покрытие. В них самонагревание может продолжаться выше критической температуры, не переходя в возгорание (иногда наблюдались температуры до 160°). Но возгорание происходило быстро, если нарушалось изоляционное покрытие в результате оседания штабеля или при его разборке.
Аналогичное происходит в подземных горных выработках. В них самонагревание может длиться годами. Вскрытие такого очага нагревания или его подработка приводят к быстрому возникновению пожара.
Из описанной неравномерности самонагревания понятно, почему самовозгорание происходит всегда в отдельных небольших очагах и для объяснения этого нет надобности привлекать гипотезу о присутствии особо активных включений, как это делают представители химических теорий самовозгорания, например Г. Л. Стадников (1956). Их представления основаны на наблюдениях над пирофорными материалами, то есть такими, которые немедленно загораются при соприкосновении с воздухом.
Обычно такие материалы не встречаются в месторождениях. Имеются только более или менее активные прослойки и участки. Но они не настолько активны, чтобы, будучи рассеяны в скоплении измельченного материала, могли вызвать гнездовое возгорание. Местное нагревание, вызванное активными примесями, может возникать только в том случае, если они сконцентрированы в одном месте.
Как на пример материалов повышенной активности указывают на пирит и на некоторые углистые сланцы в Кураховском районе Донбасса, в Осиновском районе Кузбасса и в Воркутском месторождении. Надо заметить, что эти сведения основываются на случайных наблюдениях и недостаточно проверены специальными исследованиями.
Значительно больший интерес представляют зоны повышенной склонности углей к самовозгоранию, которые наблюдаются, например, в Кузнецком бассейне. Если происходит фильтрация воздуха, то очаги самовозгорания зарождаются преимущественно в этих зонах.
Тепловой баланс может служить для определения времени, по истечении которого самонагревание перейдет в возгорание. Очевидно, что это произойдет тогда, когда накопится столько тепла, что температура достигнет критического значения. Для решения задачи в уравнение (1.6) надо подставить ΔТ = Тк — То, где Тк и Го критическая и начальная температуры, а также средние значения генерации и распределения образующегося тепла. Затем, чтобы перейти от скоростей к количествам тепла, надо все члены уравнения умножить на искомое время. Тогда получим:
Из этого уравнения можно узнать, от каких факторов зависит длительность инкубационного периода.
СКЛОННОСТЬ К САМОВОЗГОРАНИЮ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Разные материалы, например угли разных месторождений, участков или пластов, самовозгораются не одинаково легко. Это несомненный факт, установленный непосредственным наблюдением. Но он может быть обусловлен как природой материала так и внешними причинами, то есть условиями притока воздуха и теплообмена. Обе эти группы факторов проявляются всегда вместе и создают условия для самовозгорания.
Уже давно возникло стремление разделить внутренние и внешние факторы. При этом значение внутренней природы материалов переоценивалось и казалось, что для ее характеристики легче найти объективный показатель.
ПОКАЗАТЕЛЬ СКЛОННОСТИ К САМОВОЗГОРАНИЮ
Под внутренними факторами в данном случае понимается химическая активность материала, зависящая только от его природы и не зависящая от внешних условий. Поэтому в качестве показателя склонности к самовозгоранию принимается способность окисляться, точнее — скорость окисления.
Ее можно определять в разных условиях, то есть при воспроизведении разных химических процессов. Очевидно, что чем ближе условия испытания к тем, при которых возникает самовозгорание в промышленности, тем вернее выбранный показатель будет характеризовать склонность к самовозгоранию.
Надо заметить, что полное моделирование самовозгорания в лаборатории не может быть осуществленно, так как оно возможно только при размерах модели, близких к натуре, как и почти для всех химических гетерогенных процессов.
Из сказанного прежде всего следует, что окисляемость надо определять по отношению к газообразному кислороду и при низких температурах, так как наибольшее значение для оценки склонности к самовозгоранию имеет интервал от 20 до 60°. Показатель, полученный при более высоких температурах, может не согласоваться с действительностью, так как при этом механизм окисления изменяется.
Относительность и условность показателя. Итак, в качестве показателя склонности к самовозгоранию принимается химическая активность материала, измеряемая по скорости окисления. Эта предпосылка требует существенных оговорок.
Скорость окисления должна быть достаточно велика для того, чтобы генерация тепла была больше, чем теплоотдача. А это значит, что скорость окисления материала может быть только относительным показателем склонности к самовозгоранию — по отношению к внешним условиям.
При благоприятных условиях могут самовозгораться и материалы с малой скоростью окисления. Например, кузнецкие угли в Прокопьевском районе менее активны донецких, а самовозгораются они несравненно чаще. Самовозгораются сульфидные руды, хотя скорость их окисления меньше, чем у углей, относимых к группе, не склонных к самовозгоранию.
Определение скорости окисления связано с экспериментальными трудностями. Отсюда и возникает условность получаемых показателей.
В угоду лабораторной технике часто заменяют трудно определяемую окисляемость кислородом при низких температурах более удобной для воспроизведения окисляемостью при повышенных температурах или в водной среде. Но при этом воспроизводятся не те процессы, которые вызывают самовозгорание. Принцип физического подобия грубо нарушается со всеми нежелательными последствиями.
Так, при повышенных температурах реализуется среднетемпературная форма окисления, которая сильно отличается от низкотемпературной формы и не имеет значения для самовозгорания. Поэтому получаемый показатель может не согласоваться с действительностью.
Разные методы отличаются и другими условиями, в которых производится окисление (концентрация кислорода, теплообмен, влажность и т. д.). В метод входит также условность отбора и хранения образцов. Все это создает условность получаемых показателей, ограничивающую область их применимости, причем границы этой области остаются неопределенными.
Таким образом, только принимая во внимание относительность и условность лабораторно-определяемой окисляемости, можно пользоваться ею в качестве показателя склонности к самовозгоранию, который может быть использован только после сопоставления с промышленной практикой.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСЛОЖНЕНИЯ
Большие осложнения вызывает изменение во времени скорости окисления. У свежедобытого каменного угля она может увеличиваться вследствие раскрытия трещин после разгрузки от горного давления. По мере же увеличения количества сорбированного кислорода она уменьшается. Это вносит осложнения двоякого рода. Во-первых, определение скорости окисления дает не одно число, а ряд чисел. В качестве показателя приходится принимать их среднее значение. Во-вторых, как у опробуемого материала, так и у отобранной пробы скорости окисления изменяются со временем. Это сильно осложняет вопрос о представительности пробы. Преодолеть его обычно стремятся путем немедленной герметизации пробы при ее отборе и быстрого ее испытания. Однако это никоим образом не может быть принципиальным решением. Самовозгорание материала происходит не тотчас после проникновения в него воздуха, а по истечении некоторого времени (инкубационного периода). Так что в действительности материалы самовозгораются после более или менее длительного соприкосновения с воздухом. Это значит, что и пробы должны некоторое время выдерживаться на воздухе.
Оба эти осложнения еще увеличивают условность показателя.
Теория теплового баланса самонагревания указывает на большое значение температурного коэффициента скорости окисления для активации притоком воздуха и продолжительности инкубационного периода. Отсюда прямо следует, что медленно окисляющийся материал пожароопасен, если скорость его окисления сильно увеличивается с повышением температуры.