4.4. Особенности горения пылей и порошков

Пыли и порошки могут вести себя при пожаре как большинство компактных веществ, но могут проявлять еще два опасных в пожарном отношении режима горения: тление и взрывное горение. Способность к тлению проявляют не все дисперсии, а только те, которые отличаются пористой структурой и склонностью к обугливанию (древесные опилки, мука). В то же время для многих горючих веществ распыление в воздухе способствует резкому возрастанию скорости горения, приводя к взрыву (угольная пыль в шахтах, текстильная и зерновая пыль).

Для газовзвесей большинства горючих веществ опасность взрывного горения возникает при содержании пылей в воздухе менее 65 г/м³, диаметре частиц менее 450−500 мкм и влагосодержании ниже 10−15 масс. %. Если концентрация частиц газовзвеси в воздухе более 65 г/м³, она является пожароопасной.

К горению пылевзвесей не применимы понятия “фронт пламени” и “скорость распространения пламени”.

Из-за малой способности газовой фазы поглощать тепловую радиацию от горящих частиц воздушная среда нагревается слабо. Отсюда фактическая температура горения газовзвесей значительно ниже температуры диффузионных пламен для веществ в недиспергированном состоянии. Ориентировочные оценки показывают, что нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) газовзвесей примерно в два раза ниже НКПВ газовых смесей этих же веществ. Эта особенность для газовзвесей органических веществ проявляется, начиная с размера частиц ~10 мкм. Для взвесей органических веществ со средним размером частиц 100 мкм и влажности менее 5 масс. % НКПВ можно вычислить по формуле:

, (4.12)

где − стандартная низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг.

Что касается пылей металлов, то их пожарная опасность во многом зависит от химической активности вещества и степени его окисления.

Примеры решения задач

П р и м е р 1. Удельная поверхность частиц дыма, возникающего при горении древесины составила 6 м²/г. Принимая частицы шарообразными определить их средний размер. Найти суммарную поверхность частиц, общий объем которых 90 г. Плотность массы частиц принять равной 1200 кг/м³.

Р е ш е н и е.

Используя уравнение (4.4) удельной массовой поверхности, определим удельную объемную поверхность:

, м²/м³.

Отсюда рассчитаем дисперсность дыма, используя формулу:

S_уд = k ^. D и помня, что для частиц сферической формы k = 6: м⁻¹.

Средний размер частиц дыма будет равен:

м.

Суммарная поверхность всех частиц весом 90 г составит

S_Σ = м².

О т в е т: Размер частиц дыма равен ~8^.10⁻⁷ м, суммарная межфазная поверхность − 720 м².

П р и м е р 2. Снижение поверхностного натяжения воды приводит к увеличению ее смачивающей способности, что повышает коэффициент ее использовании при тушении пожаров.

При температуре 298 K поверхностное натяжение воды составляет σ = 72 ^.10⁻³ Дж/м². Определить поверхностное натяжение воды при 90 ^оС. Температурный коэффициент поверхностного натяжения воды b = −0,154^.10⁻³ Дж/м^2.K.

Р е ш е н и е.

Используем формулу (4.7) для расчета поверхностного натяжения при заданной температуре

σ₃₅₃ = 72 ^.10⁻³ − 0,154^.10⁻³ (353 − 0 298) = 61,99 ^.10⁻³ Дж/м².

Температурный коэффициент поверхностного натяжения (b, Дж/м^2.град) необходимо взять с обратным знаком.

О т в е т: Поверхностное натяжение при 90 ^оС составляет ~62^.10⁻³ Дж/м².

П р и м е р 3. Произойдет ли расплавление алюминиевой пудры при повышении среднеобъемной температуры до 300 ^оС во время пожара на складе. Средний размер частиц пудры − 10⁻⁸ м. Справочная температура плавления алюминия составляет 933 K (см. приложение П. 9), теплота плавления − 10,8 кДж/моль, величина поверхностного натяжения − 1,14 Дж/м².

Р е ш е н и е.

Для расчета воспользуемся выражением (4.10)

.

Предварительно рассчитаем мольный объем алюминия: или

м³/моль, тогда K.

Температура плавления пудры составит Т_д = Т_∞ − 401 = 532 K или 259 ^оС.

О т в е т: Так как ожидаемая температура плавления алюминиевой пудры составила 259 ^оС, среднеобъемной температуры до 300 ^оС во время пожара на складе она расплавится.

П р и м е р 4. Насколько снизится нижний концентрационный предел воспламенения взвеси частиц метанола в воздухе размером 100 мкм по сравнению со справочным значением для паров метанола (6,7 об. %)?

Р е ш е н и е.

Для расчета используем эмпирическое соотношение (4.12)

.

Справочное значение низшей теплоты сгорания метанола

Q_C = 19940 Дж/кг, тогда об. %.

Разница между справочным и расчетным значениями нижних концентрационных пределов Δ = 6,7 − 4,01 = 2,69 об. %

О т в е т: Нижний концентрационный предел воспламенения взвеси частиц метанола в воздухе снизится на 2,69 об. % для паров метанола по сравнению со справочным значением.

Задачи

4.1. Дым, образующийся при горении древесины, имеет средний размер частиц 5 ^. 10⁻⁶ м. При сгорании образца древесины образовалось 100 г дыма. Определить удельную поверхность частиц дыма, если плотность массы составляет 1500 кг/м³.

4.2. Средний размер частиц огнетушащего порошка составляет 50 мкм. Определить его дисперсность, удельную объемную и удельную массовую поверхность. Плотность массы принять 2100 кг/м³.

4.3. Частицы дыма оксида цинка имеют средний размер частиц 5 ^. 10⁻⁸ м. Определить число частиц дыма, если после конденсации общий объем составил 50 см³.

4.4. Определить суммарную поверхность частиц дыма, образовавшихся после сгорания деревянного образца, если их средний размер составляет 10⁻⁶ м, а общий объем − 100 см³.

4.5. Дисперсность частиц дыма, образовавшегося при горении органического полимера, составила 2^.10⁵ м⁻¹. Определить размер частиц дыма и его удельную поверхность.

4.6. Аэрозоль ртути сконденсировался в виде одной большой капли объемом 3,5^.10⁻⁶ м³. Насколько при этом уменьшилась удельная поверхность ртути, если в состоянии дисперсность была равна 10⁵ м⁻¹. Плотность ртути − 13,55^.10 ⁵ кг/м³.

4.7. Определить общую межфазную поверхность частиц водяного тумана массой 100 г, если дисперсность частиц тумана составит 5^.10⁵ м⁻¹. Плотность воды в расчетах принять равной 1000 кг/м³.

4.8. Удельная поверхность частиц аэрозоля, возникшего при горении поливинилхлорида 0,5 м²/г. принимая частицы шарообразными, определить их диаметр. Плотность поливинилхлорида − 1,4^.10 ³ кг/м³.

4.9. Полагая, что хлопчатобумажная пыль имеет волокнистую форму вычислить ее дисперсность и удельную поверхность частиц, имеющих поперечные размеры 10 мкм, 1 мкм, 100 нм.

4.10. Вычислить межфазную поверхность 2 кг угольной пыли с размером частиц 8^.10⁻⁷ м. Определить также удельную объемную и удельную массовую поверхность. Плотность пыли принять равной 1800 кг/м³.

4.11. При 273 K поверхностное натяжение гексана равно 21,31^.10⁻³ Дж/м². Определить поверхностное натяжение гексана при 323 K, если температурный коэффициент поверхностного натяжения равен −1,039^.10⁻⁴ Дж/м^2.K.

4.12. По зависимости поверхностного натяжения от температуры определить графически коэффициент поверхностного натяжения для бензола:

Температура, K	353	363	373	383	393
σ .103, Дж/м2	20,28	19,16	19,16	16,85	15,71

4.13. При какой температуре поверхностное натяжение ртути уменьшится вдвое, если при 298 K оно составляет 473,5 ^.10⁻³ Дж/м², а температурный коэффциент −0,23^.10⁻³ Дж/м^2.K?

4.14. Чему будет равна температура плавления порошка железа дисперсностью 10⁷ м⁻¹, если справочная температура плавления железа 1806 K, величина поверхностного натяжения 2,3 кДж/м², а теплота плавления 13,8 кДж/моль?

4.15. Чему будет размер частиц меди, если температура плавления медного порошка снизилась на 100 градусов по сравнению со справочной? Принять поверхностное натяжения меди 1,43 кДж/м², а теплоту плавления 13,05 кДж/моль.

4.16. Насколько снизится температура плавления натрия по сравнению со справочной (370,3 K), если после диспергирования средний размер частиц составил 5^.10⁻⁷ м? Принять поверхностное натяжение равным 0,25 кДж/м², а теплоту плавления 2,6 кДж/моль.

4.17. Рассчитать температуру плавления кальция, состоящего из частиц дисперсностью 2^.10⁸ м⁻¹? Теплота плавления кальция 8,66 кДж/моль, поверхностное натяжение равным 1,4 кДж/м².

4.18. Справочная температура плавления свинца 600,6 K. Произойдет ли его плавление при 473 K, если дисперсность его порошка составляет 2^.10⁸ м⁻¹? Теплота плавления свинца 4,77 кДж/моль, величина поверхностного натяжения равным 0,56 кДж/м².

4.19. Температура внутреннего пожара составила 600 ^оС. Раплавится ли находящаяся там дисперсия магния с размером частиц 5^.10⁻⁸ м. Теплота плавления магния 8,56 кДж/моль, поверхностное натяжение равным 0,66 кДж/м², справочная температура плавления − 923 K.

4.19. На внутреннем пожаре среднеобъемная температура в помещении составила 500 ^оС. Какой минимальный размер должен быть у алюминиевой пудры, чтобы не произошло ее плавление. Справочная температура плавления − 933 K теплота плавления 10,8 кДж/моль, поверхностное натяжение 1,14 кДж/м².

4.20. Чему будет равен нижний концентрационный предел воспламенения газовзвеси частиц этанола размером 100 м? Справочное значение низшей теплоты сгорания этанола 1235 кДж/моль.

4.21. Справочное значение нижнего концентрационного предела воспламенения для паров этилена 2,7 об. %. Изменится ли и насколько это значение для газовзвеси сжиженного этилена? Низшая теплота сгорания этилена 1323 кДж/моль.

4.22. Насколько снизится нижний НКПВ газовзвеси жидкого метана по сравнению с газовоздушной смесью. Низшая теплота сгорания метана 802 кДж/моль. НКПВ для газовоздушной смеси 5,0 об. %.