Оценка взрыво- и пожароопасности производственных объектов, перерабатывающих пылеобразующие материалы (90

Составитель: проф. Ф.М. Гимранов

Оценка взрыво-и пожароопасности производственных объектов, перерабатывающих пылеобразующие материалы: методические указания / Ф.М. Гимранов; Федер. агентство по

образованию, Казан. гос. технол. ун-т. – Казань: Издательство КГТУ, 2011.- 28 с.

Изложены особенности образования и горения пылевоздушных смесей, охарактеризованы факторы, влияющие на опасность горения пыли. Указаны основные принципы, способы и методы обеспечения взрыво- и пожароопасности в процессе эксплуатации производств, перерабатывающих пылеобразующие материалы или использующих пылевидные вещества.

Методические указания предназначены для выполнения самостоятельных работ по курсу «Безопасность жизнедеятельности» и могут быть использованы при разработке выпускных квалификационных работ студентами, обучающимися по специализациям пищевой технологии, деревообработки, переработки полимеров и других горючих материалов, а также обучающимися по специальности «Безопасность технологических процессов и производств».

Подготовлены на кафедре промышленной безопасности.

Печатаются по решению методической комиссии по циклу общепрофессиональных дисциплин.

Рецензенты:

2

ВВЕДЕНИЕ

Во многих технологических процессах (например, пневмотранспорт, измельчение, сушка, распаривание, механическая обработка и другие), осуществляемых в пищевых, зерноперерабатывающих, фармацевтических, химических и других производствах, участвуют материалы, находящиеся в дисперсном состоянии. Это и исходное сырье и образующиеся полупродукты и конечные продукты. Внутри технологических аппаратов, трубопроводов и в воздухе производственных помещений дисперсные

пылевоздушной смесью или просто пылью. Если твердые дисперсные частицы являются горючими, то пыли представляют значительную опасность. В случае воспламенения из-за огромной поверхности пылевых частиц возникает возможность взрывного протекания процесса горения. Действительно, около 50% всех происшедших промышленных взрывов относятся к взрывам пылевоздушных смесей. Из 1120 взрывов пылевоздушных смесей 540 произошло при работе с зерном, мукой, сахаром и другими продуктами, а также при переработке других растительных веществ, 80 - с металлами, 63 - с угольной пылью на установках дробления топлива, 33 - с серой, 61 -в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, остальные

– при переработке древесных и других материалов [1,2].

Решение проблемы обеспечения промышленной безопасности объектов, в которых используются или образуются горючие пылевоздушные смеси, основывается, в первую очередь, на знании особенностей образования и горения пылевоздушных смесей и количественной оценке последствий вероятных взрывов и пожаров. Результаты количественной оценки опасности используются для категорирования помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности [2,3] и при создании эффективных, экономически оправданных методов и способов предупреждения пылевых взрывов и пожаров и обеспечения защиты работников и промышленных объектов и окружающей природной среды от последствий взрывов и пожаров. Настоящая методическая разработка направлена на восполнение пробела знаний студентов в данной области.

3

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И ГОРЕНИЯ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ.

Характерный признак аэрозолей – их неустойчивость: под действием силы тяжести частицы осаждаются на различных поверхностях, образуя осадки (отложения), а под действием воздушных потоков эти пылевые отложения могут вновь переходить во взвешенное состояние. Пожарную опасность представляют как пылевые облака, так и отложения пылей на строительных конструкциях и технологическом оборудовании. Воспламенение и горение горючей пыли происходит как в слое пылевых отложений, так и в пылевоздушном потоке. Горение пылевых отложений обычно протекает медленно и его часто называют тлением. Однако после перехода через некоторый критический предел горение отложений может перейти в быстрое горение, определяемое в основном диффузионным поступлением кислорода к поверхности частиц, т.к. горение протекает на поверхности частиц.

При воспламенении и горении пылевоздушного потока ход процесса целиком определяется темпом насыщения газового объема пылевзвеси летучей частью горючей пыли и протеканием гомогенной реакции горения образовавшейся горючей газовой смеси. Но в обоих случаях (как в отложениях, так и в потоке) основной горючей составляющей являются газифицированные летучие части пыли.

При воспламенении в потоке газифицирование пыли происходит при высокой температуре в зоне действия источника воспламенения. Частицы органических веществ плавятся и испаряются (или разлагаются) с образованием газообразных продуктов. Огромная поверхность пылевых частиц обуславливает возможность очень быстрого протекания процесса. Поэтому в потоке происходит взрыв пыли с формированием ударной волны. При низкотемпературном окислении частицы осевшей на поверхность пыли адсорбируют кислород из окружающей среды. Кислород, по- видимому, вступает в реакцию, присоединяясь к отдельным ветвям топливных молекул. Эти ветви менее прочно соединены с основной группой атомов молекул, и поэтому они легко отрываются при нагреве (усилении теплового движения). Они и составляют летучую часть топлива.

4

В любом случае взрывы топливной пыли связаны с наличием летучей части. Это подтверждается тем, что при содержании в топливе менее 8% летучих практически не наблюдалось взрывов пыли. Подобно взрывоопасным газовоздушным смесям аэровзвеси пыли характеризуются нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. (КПРП) Диапазон концентрационных пределов весьма широк – от десятков граммов до килограммов в 1м3 воздуха. Верхний КПРП пыли обычно достаточно велик, и достичь его в производственных помещениях даже при аварийных ситуациях практически невозможно. Поэтому для пылей важнейшей характеристикой является нижний КПРП (сокращенно НКПРП).

НКПРП – минимальное содержание горючей пыли, при котором возможно распространение пламени на любое расстояние от источника зажигания. Горючие пыли или волокна, имеющие значение НКПРП 65 г/м3 и менее считаются взрывоопасными, а при НКПРП более 65 г/м3 – относятся к пожароопасным. [2]

Кроме этого уровень опасности пыли, находящейся во взвешенном состоянии, характеризуется объемной плотностью энерговыделения, максимальным давлением взрыва в замкнутом пространстве, скоростью распространению пламени, скоростью нарастания давления при взрыве, максимально допустимым содержанием кислорода в смеси пыли с воздухом, при котором пыль не воспламенится, минимальной энергией зажигания.

Для пыли, находящейся в осевшем состоянии установлены следующие показатели: температура воспламенения, температура самовоспламенения, минимальная энергия зажигания.

На процессы воспламенения и распространения пламени аэровзвесей, т.е. на показатели взрыво- и пожароопасности горючих пылей, влияют множество факторов: дисперсный состав, форма поверхности частиц, влагосодержание, химический состав пыли, начальные температура и давление, электризуемость и другие. Например, на основной показатель – величину НКПРП пыли – существенное влияние оказывают дисперсный состав (размер частиц, форма и характер поверхности, влажность, состав пыли, температура и давление). Взрывоопасность облаков пыли возрастает при уменьшении размеров частиц: частицы меньшего размера легче переходят во взвешенное состояние, дольше остаются во взвеси, легче зажигаются и быстрее сгорают. Это подтверждается тем, что

5

максимальное давление взрыва и скорость его нарастания с уменьшением размера частиц возрастают. Но изменение НКПРП происходит неоднозначно: при увеличении размера частиц от 10 до 70-100 мкм НКПРП снижается; дальнейшее увеличение размера частиц приводит к его повышению [1].

НКПРП аэрозолей органических веществ с увеличением влагосодержания частиц всегда повышается и при влагосодержании около 20-25 % (масс) аэрозоли становятся вообще не взрывоопасными.

Присутствие в горючих пылях инертных компонентов снижает их взрывоопасность (повышается НКПРП и значение минимальной энергии зажигания, снижается максимальное давление взрыва и скорость его нарастания). Для каждой горючей пыли (с НКПРП <65 г/м3) можно найти такую концентрацию инертного компонента («пороговая» концентрация), при которой аэрозоль переходит из класса взрывоопасных в класс пожароопасных (с НКПРП >65 г/м3).

С ростом начальной температуры аэрозоля наблюдается монотонное снижение НКПРП вплоть до температур, при которых происходит самовоспламенение аэрозоля. Установлено, что понижение начального давления приводит к снижению НКПРП. При давлении 1,5-2,0 кПа снижение прекращается. Горение аэрозолей уже не наблюдается при давлении около 1,0-1,2 кПа [4].

Сведения, приведенные в известных источниках [1;4;5], и характерные особенности образования и горения аэрозолей позволяют отметить, что большинству, имевших место промышленных аварий с пылевидными материалами предшествовали локальные взрывы (хлопки) в оборудовании и воспламенение в отдельных участках здания, что вызывало встряхивание пыли, осевшей на полу и в других строительных конструкциях здания и оборудовании. Это приводило к образованию взрывоопасных концентраций пыли во всем объеме, взрыв которой вызывало сильные разрушения. В других случаях облако пыли образовывалось не сразу в объеме помещения, а непосредственно перед фронтом пламени, распространяющегося над твердыми поверхностями; осевшая пыль при этом быстро переходит во взвешенное состояние, а ускорение распространения пламени в объеме свежей смеси приводит к формированию ударной волны и дальнейшему образованию больших объемов пылевзвеси. Взрывы пыли имеют как бы «эстафетный» характер.

6

Начальным импульсом, переводящим осевшую пыль во взвешенные состояния, может явиться не только взрыв в аппарате, но и разрыв трубопровода со сжатым газом, сотрясение конструкций, различные аварии технологического оборудования, или другие явления, приводящие к повышенной подвижности воздуха под действием конвективных потоков.

Для обеспечения взрывопожаробезопасности производств, в которых присутствуют (образуются, используются) горючие пыли, используется система организационных и технических мероприятий, основным из которых можно считать: - создание таких технологических процессов, чтобы образование пыли в оборудовании, особенно мелких фракций, было минимальным;

-обеспечение регулярной и эффективной очистки оборудования, трубопроводов и производственных помещений от накапливающейся пыли;

-применение эффективной общеобменной и местной вытяжной систем вентиляции, а также способов капсулирования, когда оборудование полностью заключают в кожух, и аспирации, когда образующаяся пыль удаляется непосредственно из внутренних объемов технологического оборудования;

-обеспечение герметичности оборудования и трубопроводов, в которых обращается пыль; оборудование и трубопроводы не должны иметь застойных зон и «карманов», в которых может собираться пыль;

-технологическое оборудование оснащается взрыворазрядными устройствами;

-исключение появления источников воспламенения (защита от проявления разрядов статического электричества, устранение возникновения искр удара и трения, применение взрывозащищенного электрооборудования, увлажнение воздуха в производственных помещениях и другое);

-в необходимых случаях ведение технологических процессов в инертной среде, использование систем взрывоподавления;

-оснащение зданий и сооружений легкосбрасываемыми конструкциями, площадь которых должна быть достаточной для стравливания избыточного давления, возникшего при взрыве пыли;

-создание в зданиях и сооружениях путей эвакуации для обслуживающего персонала на случай возникновения аварийной ситуации и другое. Однако изложение выше перечисленных методов

7

и способов обеспечения безопасности от промышленной пыли не входит в задачи настоящей работы.

С целью установления экономически и технически обоснованных требований к обеспечению взрывопожаробезопасности производственных зданий и помещений в отношении планировки этажности, совокупной площади, конструктивных решений, инженерного оборудования, выбора и размещения сетей и коммуникаций и других осуществляется категорирование зданий, сооружений, строений и помещений по пожарной и взрывопожарной опасности [2].

2. КАТЕГОРИРОВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ,ЗДАНИЙ И НАРУЖНЫХ УСТАНОВОК ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ.

На основании положений Федерального закона [2] МЧС России принял Свод правил СП 12.13130.2009 [3], в котором определены классификационные признаки отнесения здания, сооружений, строений и помещений производственного и складского назначения к категориям по взрывопожарной и пожарной опасности, а также методы и способы определения классификационных признаков.

Категории помещений и зданий определяются, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, а также, исходя из объемно- планировочных решений помещений и характеристик проводимых в них технологических процессов (табл.1).

При определении критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в образовании горючих газо-, паро-, пылевоздушных смесей участвует наибольшее количество газов, паров, пылей, наиболее опасных в отношении последствий сгорания этих смесей.

8

9

Но учитывая направленность данной работы, ниже приводится методика определении идентификационных критериев категорирования производственных помещений, связанных с наличием в них только промышленных пылей, т.к. в пищевых технологиях и перерабатывающих производствах в лишь ограниченных количествах используются горючие газы и жидкости. Категорирование помещений базируется на расчете избыточного давления взрыва (∆Р) пылевоздушной смеси в помещении, величина которой рассчитывается по формуле [3]

где m – расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли, кг; HT

– теплота сгорания пыли, кДж/кг (для некоторых веществ HT приведена в табл.1 приложения); P0 – атмосферное давление (допускается принимать равным 101кПа); z – коэффициент участия горючего во взрыве (для пыли допускается принимать равным 0,5); VCB – свободный объем помещения, м3 (допускается принимать 80% от геометрического объема); ρВ – плотность воздуха при температуре Т0, кг/м3; ср – теплоемкость воздуха, равная 1,01 кДж/кг·к; Т0 – начальная температура воздуха в помещении, (допускается принимать равной 293К); K – коэффициент неадиабатичности процесса горения (допускается принимать равным 3).

Количество взвешенной в объеме помещения пыли m определяется, исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного из аппаратов, а расчетной аварии предшествовало пыленакопление в помещении, происходящее в условиях нормального режима работы оборудования или при регламентируемых режимах ведения технологических процессов;

б) вся содержимая в аппарате пыль поступает в помещение; в) происходит одновременно поступление вещества по

трубопроводам (при их наличии), питающих аппарат, по прямому или обратному потокам в течении времени, необходимого для отключения трубопроводов.

10