8.2 Пределы взрываемости

Не всякая смесь горючего газа с воздухом является взрыво­опасной.

Если газо-воздушные смеси различного процентного состава поместить в сосуд, имеющий источник зажигания и внутри, и снаружи (на выходе газа из сосу­да), то возможны следующие три случая (рис. 8.4):

Рисунок 8.4 – Концентрационные пределы взрываемости

1. смесь не воспламеняется ни от внутреннего запальника, ни от наружного (вернее, вблизи от за­пальника может идти процесс горения, но он не распространяется в объем; при удалении запальника горение прекращается);

2. смесь воспламеняется и внутри сосуда, и на выходе из него;

3. смесь воспламеняется только на выходе из сосуда.

Таким образом, в сосуде воспламеняются только такие смеси, в которых концентрация горючего газа находится в определенных пределах.

Это происходит потому, что горючие газы, способные образовывать с воздухом (или кислородом) взрывоопасные смеси, имеют определенные пределы взрываемости, характеризующие минимальную и максимальную концентрацию газа в смеси, вне которых данная газо-воздушная смесь не является взрывоопасной. Эти (нижний и верхний) пределы взрываемости образуют диапазон взрываемости, различный для различных смесей.

Ниже приводятся пределы взрываемости и температуры воспламенения различных газов.

	Нижний Предел, %	Верхний Предел, %	Температура Воспламенения, 0С
Аммиак, NH3	16,0	27,0	780
Ацетилен,C2H2	3,5	82,0	480
Водород, H2	4,15	75,0	570
Метан, CH4	5,0	16,0	650
Окись углерода, CO	12,8	75,0	651
Пропан, C3H8	2,3	9,5	446
Сероводород, H2S	4,3	45,5	345

Пределы взрываемости смесей нескольких горючих газов с воздухом могут быть определены экспериментально или вычис­лены по формулам:

где П_н и П_в – нижний и верхний пределы взрываемости смеси газов с воздухом, %;

С₁, С₂, и С₃ – процентное содержание газа в смеси;

П₁,П₂ и П₃ – нижние пределы, %;

П₁¹, П₂¹, П₃¹ – верхние пределы взрываемости каждого из составляющих смеси газов с воздухом, %.

Колошниковый, коксовый, генераторный, природный газы, используемые в металлургических процессах, представляют сме­си горючих и инертных газов. Их пределы взрываемости могут быть вычислены по приведенным выше формулам, но вместо от­дельных горючих газов основой для подсчета служит группиров­ка данной смеси на пары: инертный газ + горючий. Для каждой такой пары определяется суммарный состав, а пределы взрыва­емости определяются из диаграмм по отношению инертного газа к горючему в данной паре.

Пределы взрываемости изменяются в зависимости от ряда факторов: мощности источника воспламенения, примеси инерт­ных газов, начальной температуры газовой смеси, давления смеси и др..

При одной и той же температуре источника воспламенения пределы взрываемости тем шире, чем больше поверхность ис­точника.

Примесь инертных газов изменяет пределы взрываемости.

С повышением начальной температуры смеси пределы взры­ваемости расширяются.

Изменение начального давления в смесях влияет на пределы взрываемости по-разному. Так, для смесей водорода с воздухом пределы взрываемости не изменяются при давлении до 1,25-10⁶ н/м², в то время как для смеси окиси углерода с воздухом пределы взрываемости резко изменяются: при давлении 2 • 10⁶ н/м² эти смеси невзрывоопасны.

Скорость распространения пламени при прочих равных усло­виях изменяется в зависимости от состава смеси, примеси инертных газов и их теплоемкости, температуры смеси и ее предварительного подогрева, формы сосуда и др. При горении взрывчатых газовых смесей в трубах скорость распространения пламени возрастает с увеличением диаметра (но до некоторого предельного значения); при уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается при определен­ном (для данной смеси) критическом диаметре пламя распрост­раняться не может вследствие увеличения тепловых потерь на единицу объема газа (из-за увеличения отношения теплоотдающей поверхности трубы к заключенному в ней объему газа).

Механизм распространения пламени в пыле-воздушных сме­сях подобен механизму этого явления в газо-воздушных смесях.

Так же, как и газы, смеси горючих пылей с воздухом имеют верхний и нижний пределы взрываемости.

Пределы взрываемости пыле-воздушных смесей также не­сколько изменяются в зависимости: от дисперсности (расширя­ющей диапазон взрываемости), содержания летучих (увеличи­вающих взрывоопасность), зольности (снижающей взрывоопасность), окружающих условий и характера источника воспламе­нения.

Центральный научно-исследовательский институт пожарной обороны (ЦНИИПО) разработал следующую классификацию пылей:

А. Взрывоопасные пыли

1-й класс, наиболее взрывоопасные — с нижним пределом взрываемости до 15 г/м³ (включительно);

2-й класс, взрывоопасные—с нижним пределом взрываемо­сти от 15 до 65 г/м³.

Б. Пожароопасные пыли (с нижним пределом взрываемости более 65 г/м³)

3-й класс, наиболее пожароопасные — с температурой вос­пламенения до 250°С;

4-й класс, пожароопасные — с температурой воспламенения более 250° С.

Жидкости могут воспламеняться при наличии над поверхно­стью определенного состава смеси их паров с воздухом.

Так же как газы и пыли, пары горючих жидкостей образуют с воздухом взрывоопасные смеси с нижним и верхним предела­ми взрываемости.

Важной характеристикой является температура вспышки паров легковоспламеняющейся или горючей жидкости — опре­деленная стандартным методом, самая низкая температура этой жидкости, при которой посторонний источник зажигания вызывает вспышку ее паров, насыщающих пространство, но не со­провождающуюся воспламенением самой жидкости.

Другой характеристикой взрывоопасной смеси газов или па­ров легковоспламеняющейся или горючей жидкости с воздухом является температура самовоспламенения — определенная стан­дартным методом, самая низкая температура, до которой долж­на быть равномерно нагрета указанная смесь для того, чтобы она воспламенилась без внесения в нее постороннего источника зажигания.

При достижении определенной температуры нагрева жидко­сти вспышка не произойдет, если концентрация паров слишком мала (ниже нижнего предела взрываемое™) или слишком вы­сока (выше верхнего предела); произойдет кратковременная вспышка (в течение нескольких секунд), если концентрация па­ров в смеси достигла нижнего предела взрываемости; произой­дет вспышка и затем воспламенение смеси, если концентра­ция паров над жидкостью превышает нижний предел взрывае­мости.

Особенно опасны те жидкости, у которых температуры вспышки и воспламенения близки.

В зависимости от температуры вспышки жидкости делятся на два класса:

1) легковоспламеняющиеся — с температурой вспышки до 45°С (бензин, керосин, ацетон, бензол и др.);

2) го­рючие—с температурой вспышки выше 45°С (мазут, минераль­ные и растительные масла и др.).

Решающее значение для определения степени огне- и взрыво­опасное™ жидкости имеет упругость пара. Воспламенение (в условиях равновесия) не может произойти, если упругость на­сыщенного пара жидкости выше парциального давления, соответствующего верхнему концентрационному пределу воспламе­нения, или ниже парциального давления, соответствующего нижнему концентрационному пределу. Воспламенение возмож­но, если это условие не соблюдено.