Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Выход горючих веществ из технологического оборудования при авариях на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

15.Чтопонимаютподвременемотключенияивременемсрабатывания?

16.Какие значения при отсутствии данных допускается принимать для времени отключения трубопроводов?

17.Какопределитьмассугорючеговещества,участвующеговобразовании зоны ВОК с учетом работы аварийной вентиляции?

18.Чему равна площадь пролива 0,2 м3 жидкой смеси на полу производственного помещения, содержащей 60 % по массе растворителей?

19.Чему равна площадь пролива 30 л горючей жидкости на полу производственного помещения, содержащей 80 % по массе растворителей?

20.Поясните выражение для определения длительности испарения жидкости, разлившейся на полу производственного помещения.

21.Поясните выражение для определения интенсивности испарения не нагретых выше расчетной температуры жидкостей.

22.Как определить расчетную температуру в помещении?

23.Поясните выражение для определения массы паров, образующихся при испарении жидкости, нагретой выше расчетной температуры, но не выше температуры кипения.

24.Поясните выражение для определения массы взвешенной в объеме помещения пыли (волокон), образовавшейся в результате аварийной ситуации.

25.Перечислите значения коэффициента разлития жидкостей на территории наружных установок.

26.Как определить долю перелившейся через обвалование жидкости при квазимгновенном разрушении вертикального наземного резервуара?

27.Как определить длительность испарения жидкости с поверхности пролива на территории наружной установки?

28.Как определить расчетную температуру на наружной установке?

29.Поясните величины в выражении для определения массы паров СГГ, участвующих в образовании зоны ВОК на наружной установке.

30.Поясните величины в выражениях для определения параметров зоны ВОК при аварийном поступлении горючего газа в производственное помещение.

31.Поясните величины в выражениях для определения параметров зоны ВОК при аварийном поступлении ЛВЖ в производственное помещение.

32.Поясните величины в выражениях для определения параметров зон ВОК при аварийном поступлении горючих газов и паров СГГ, ЛВЖ и ГЖ в открытое пространство на наружной установке.

33.Что принимают за начало отсчета зон ВОК в производственных помещениях и на наружных установках?

34.Перечислите способы предотвращения аварий и защиты техноло-

гического оборудования от повреждений и разрушения, поясните их.

151

Пожарная безопасность технологических процессов

Глава 9

производственные источники зажигания и способы обеспечения пожарной безопасности

9.1.Классификация производственных источников зажигания

иусловия предотвращения их появления

Условием возникновения горения является одновременное присутствие в определенной точке пространства горючей среды и источника за- жигания(ИЗ)–средстваэнергетическоговоздействия,инициирующеговоз- никновение горения.

Производственные источники зажигания классифицируют по продолжительности действия, природе образования, запасу тепловой энергии, месту возникновения и другим признакам.

По продолжительности действия источники зажигания подразделяются на постоянно действующие и потенциально возможные; по природе образования – на тепловое проявление химической энергии, тепловое проявление механической энергии, тепловое проявление электрической энергии и т. п.; по запасу тепловой энергии – на низкокалорийные и высококалорийные. В зависимости от условий возникновения горения различают вынужденное воспламенение, самовозгорание и самовоспламенение горючей среды.

9.1.1. Вынужденное воспламенение горючей среды

Вынужденное воспламенение горючего вещества в среде окислителя происходит под действием внесенного извне источника тепла. Если такой источник тепла нагреет горючую среду до определенной температуры, то в ней начнется самоподдерживающаяся реакция окисления. Значительно легче воспламеняются горючие смеси, т. е. смеси горючих газов и паров с воздухом в определенных количественных соотношениях, так как отсутствуют стадиипрогревавеществ,выделенияизнихгорючихгазовипаровиихдиффузииввоздух.Вэтомслучаедостаточнонагретьдоопределеннойтемпера- турылокальныйобъемгорючейсмеси(0,5–1,0мм3),чтобывоспламенитьее.

Известно, что не всякий источник тепла (ИТ) способен воспламенить любую горючую среду и даже горючую смесь. Чтобы источник тепла стал источником вынужденного зажигания конкретной горючей среды, необходимо одновременное выполнение трех условий:

1)  температураисточникатеплаtи.т,°С,должнабытьненижетемпературы самовоспламенения горючего вещества tсв, °С;

2)  энергия источника тепла Wи.т, Дж, должна быть не меньше минимальной энергии зажигания Wmin, Дж;

152

Производственные источники зажигания и способы обеспечения пожарной безопасности

3)  длительность действия источника тепла τи.т, c, должна быть не меньше суммы периода индукции τинд, c, горючей среды и времени нагрева τнаг, с, локального объема этой среды от начальной температуры до температуры самовоспламенения.

Перечисленные условия появления источника зажигания записываются следующим образом:

Опасностьпостоянно действующегоисточника тепловой энергии оцениваютспомощьюпервыхдвухусловий,адляоценкиопасностивысокотемпературногоисточникатепла,температуракоторогозначительнопревышает температуру самовоспламенения горючей среды (например, электрического разряда), оценивают по выполнению второго условия.

9.1.2. Самовоспламенение и самовозгорание горючих веществ

Самовоспламенение происходит, когда горючее вещество:

–  вступает в экзотермическое взаимодействие с воздухом при повышенной температуре вещества;

–  вступает в экзотермическое взаимодействие с воздухом при температуре окружающей среды;

–  вступает в экзотермическое взаимодействие с водой или с другими веществами;

–  разлагается с выделением тепла при нагревании или механическом воздействии.

Самовозгоратьсямогутвеществаиматериалы,склонныекхимическому, тепловому и микробиологическому самовозгоранию, при наличии начального теплового импульса и соблюдении условий, способствующих процессу самовозгорания. Опасность самовозгорания вещества или материала оценивают с помощью двух условий:

где tср – максимальная температура среды (горючего вещества или материала) при проведении технологического процесса или окружающей среды при хранении или транспортировке, °С; tс – температура самовозгорания, °С; τпр – длительность процесса (технологического, транспортировки, хранения и т. д.), с; τс – период времени от начала процесса самонагревания до самовозгорания материала (индукционный период), с.

153

Пожарная безопасность технологических процессов

9.1.3. Условия предотвращения образования в горючей среде источника зажигания

Энергетический (тепловой) источник не станет источником вынужденного зажигания горючей среды при выполнении одного из условий:

где–безопаснаятемператураисточникатепла,°С;–безопаснаяэнер- гия источника тепла, Дж.

Самовозгорание веществ и материалов не происходит при выполнении одного из условий:

где–безопаснаятемпературагорючеговеществаилиматериала(припро- ведении технологического процесса) или окружающей среды (при хранении или транспортировании), °С; – безопасная длительность технологического процесса, с; Kб > 1 – коэффициент безопасности.

9.2.Пожарная опасность теплового проявления химической энергии

испособы обеспечения пожарной безопасности

9.2.1. Пожарная опасность процессов сжигания топлива

Во многих технологических процессах, где необходимо получить высокую температуру, широко применяется тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива в аппаратах огневого действия (печи, топки, теплогенераторы, котлы, реакторы). Энергия сгорания топлива также используется в двигателях для получения механической энергии. Помимо этого, топливо сжигают при проведении огневых ремонтных работ (в горелках, паяльных лампах) и при утилизации горючих отходов производства на факельных установках. Сжигание топлива сопровождается появлением таких источников зажигания, как открытый огонь, высоконагретые продукты сгорания, раскаленные поверхности оборудования, искры.

Открытый огонь, высоконагретые продукты сгорания, раскаленные поверхности оборудования

Температура пламени и продуктов сгорания в аппаратах огневого действия достигает 1 000–1 300 °С в зависимости от вида сжигаемого топлива, при проведении огневых ремонтных работ – 3 000–3 300 °С, а температура раскаленных поверхностей оборудования достигает 800–900 °С. Температура же самовоспламенения большинства горючих газов и паров находится

154

Производственные источники зажигания и способы обеспечения пожарной безопасности

в диапазоне 100–700 °С. Энергия указанных источников тепла значительно (на несколько порядков) превышает минимальную энергию зажигания любых горючих смесей (в пределах 0,01–1,5 мДж).

Сумма периода индукции и времени нагрева локального объема горючей газопаровоздушной смеси от начальной температуры до температуры самовоспламенения достигает 0,5–1,0 с, а горючих жидкостей и твердых материалов – десятков секунд или минут, что значительно меньше длительности существования рассмотренных источников тепла (τи.т → ∞).

Таким образом, согласно выражению (9.1), открытый огонь, высоконагретые продукты сгорания, раскаленные поверхности оборудования являются источниками зажигания любых горючих смесей, веществ и материалов.

Пожарная безопасность при эксплуатации аппаратов огне - вого действия обеспечивается следующими основными спосо - бами и их комбинацией:

1.  Размещением аппаратов огневого действия изолированно от оборудования с горючими веществами или на безопасном расстоянии от мест хранения горючих веществ и материалов.

2.  Устройством экранов или размещением зданий между аппаратами огневого действия и оборудованием с горючими веществами или местами их хранения.

3.  Устранением причин искрообразования путем регулирования процесса сжигания топлива и использования рекомендованных эксплуатационной документацией видов топлива.

4.  Установкой искроулавливателей и искрогасителей.

Искроулавливатели и искрогасители представляют собой устройства,

устанавливаемые в дымовых каналах аппаратов огневого действия или на выхлопных коллекторах двигателей внутреннего сгорания и обеспечивающие улавливание искр из продуктов горения и (или) их тушение.

Искроулавливатели и искрогасители могут быть сухими и мокрыми. Сухиеискроулавливатели(искрогасители)фильтрационноготипа напоминаютпоустройствуфильтры,используемыедляочисткигазовотпыли. Достоинство таких искроулавливателей – высокая надежность улавливания искр из продуктов горения. Основные недостатки: большое гидравлическое сопротивление, забивание искроулавливающих элементов твердыми частицами (при использовании в качестве искроулавливающих элементов метал-

лических сеток наблюдается их быстрое прогорание).

Сухиеискроулавливатели(искрогасители)динамическоготипаустроены и работают так же, как пылеосадительные камеры, инерционные камеры или циклоны. В инерционных камерах и циклонах искры не только улавливаются, но и при ударах о стенки или перегородки дробятся, истираются и

155

Пожарная безопасность технологических процессов

теряют скорость, что способствует их догоранию, охлаждению и оседанию на дно камер.

Примером сухих искрогасителей динамического типа являются тур- бинно-вихревые искрогасители, которые обычно устанавливаются на вертикальных выхлопных коллекторах двигателей сельскохозяйственной техники. Схема турбинно-вихревого искрогасителя показана на рис. 9.1.

Проходя через зазор между лопастями 2 «турбинки», неподвижно закрепленной в корпусе искрогасителя 1, выхлопные газы приобретают вращательное движение. Искры отбрасываются к корпусу, истираются на нем, быстро догорают, охлаждаются и с безопасной температурой выбрасываются в атмосферу.

Искроулавливатели динамического типа менее надежны по сравнению с устройствами фильтрационного типа, но имеют меньшее гидравлическое сопротивление.

Высокую надежность улавливания и тушения искр имеют мокрые искроулавливатели и искрогасители. На рис. 9.2 показана схема искроулавливателя с орошаемой насадкой, который представляет собой аппарат с цилиндрическим корпусом 2, заполненным насадкой 3 (кольцами, шариками, осколкамигранита,кварцаит.п.),лежащейнаопорнойрешетке4.Продукты сгорания поступают в искроулавливатель снизу по линии I, проходят через слой насадки и сбрасываются в атмосферу по линии II. Насадка с помощью распределительного устройства 1 равномерно орошается водой. Шлам отводится через патрубок, расположенный в нижней части искроулавливателя.

156

Производственные источники зажигания и способы обеспечения пожарной безопасности

5.  Контролем исправности кладки дымовых каналов и своевременного ее ремонта.

6.  Аварийной остановкой аппарата огневого действия с одновременной подачей водяного пара или инертного газа в топку.

7.  Контролем и автоматическим регулированием температуры топочных газов, вступающих по условиям технологии в контакт с горючей средой, до значения не выше 0,8tсв горючих веществ или материалов.

8.  Установкой непрерывной отражающей или локальной паровой за-

весы.

9.  Защитой теплоизоляцией нагретых поверхностей оборудования, имеющих температуру выше 0,8tсв в местах возможного контакта с горючей средой, контролем ее состояния и своевременным ремонтом.

10.  Отведениемтопочных газов на безопасное расстояние от оборудования с горючими веществами или мест их хранения.

11.  Охлаждением топочных газов, сбрасываемых вблизи от мест возможного образования горючей среды, до температуры ниже 0,8tсв.

Искры, образующиеся при работе аппаратов огневого действия, двигателей и факельных установок

Искры представляют собой тлеющие частицы несгоревшего топлива или сажевых отложений и могут образоваться в аппаратах огневого действия, двигателях внутреннего сгорания, а также на факельных установках.

Толщина сажевых отложений в выхлопных системах может достигать 10 мм и более. При вибрации и тряске двигателей достаточно крупные нагретыечастицынагараотслаиваютсяоттруб,вылетаютнаружуиприсоприкосновениисвоздухомсамовоспламеняются.Экспериментальноустановлено, что искры пожароопасны при диаметре 2 мм и температуре 1 000 °С, при диаметре 3 мм и температуре 800 °С, при диаметре 5 мм и температуре 600 °С. Продолжительность охлаждения искр диаметром около 3 мм в воздухе до температуры 200 °С составляет примерно 5 с.

Дальность полета искр зависит от скорости ветра и высоты места их выхода (например, дымовой трубы). При скорости ветра 20 м/с скорость полета искр достигает 8–12 м/с, а дальность полета при охлаждении до безопаснойтемпературыможетпревысить60мпривысотедымовойтрубы20м. Тление(свечение)искрпослеихоседаниядаженавлажныетвердыеповерхности продолжается 3–5 с.

Несмотря на относительно небольшой запас тепловой энергии, искры способны воспламенять горючие смеси, аэрогели, волокнистые материалы. Отмечаются случаи воспламенения твердых материалов (например, бревен,

157

Пожарная безопасность технологических процессов

досок, торфяных брикетов) вследствие попадания искр в щели между элементами конструкций или брикетами.

Пожарная безопасность при эксплуатации аппаратов огне - вого действия и двигателей внутреннего сгорания обеспечива - ется следующими основными способами и их комбинацией:

1.  Устранением причин искрообразования путем регулирования двигателей и использования рекомендованных эксплуатационной документацией видов топлива.

2.  Установкой искроулавливателей и искрогасителей (см. рис. 9.1, 9.2). 3.  Контролем исправности выхлопных трактов и своевременным их

ремонтом.

4.  Соблюдением сроков очистки выхлопных трактов.

5.  Устройствомтеплоизоляциинагретыхповерхностейоборудования, имеющих температуру выше 0,8tсв в местах возможного контакта с горючей средой, контролем ее состояния и своевременным ремонтом.

6.  Отводом выхлопных газов на безопасное расстояние от оборудования с горючими веществами или от мест хранения горючих веществ и материалов.

7.  Охлаждением выхлопных газов, сбрасываемых вблизи от мест возможного образования горючей среды, до температуры ниже 0,8tсв.

Пожарная безопасность при эксплуатации факельных установок обеспечивается следующими основными способами и их комбинацией:

1.  Размещением факельных установок на безопасном расстоянии от оборудования с горючими веществами или от мест хранения горючих веществ и материалов.

2.  Расчетом достаточной по условиям взрывопожарной безопасности высоты ствола факела.

3.  Ограждением территории вокруг ствола факела.

4.  Применением горелки, обеспечивающей полное сгорание газа в факеле.

5.  Установкой сепараторов для отделения от газа жидкой фазы. 6.  Установкой огнепреградителей на подводящей линии.

7.  Устройством дежурной горелки.

Примечание. Пожарная опасность факельной установки рассматривается как источник зажигания и как причина образования зоны ВОК при затухании факела.

158

Производственные источники зажигания и способы обеспечения пожарной безопасности

9.2.2.Пожарная опасность процессов самовоспламенения

исамовозгорания веществ и материалов и основные способы

обеспечения пожарной безопасности

Вусловияхпроизводства,транспортировкиихранениячастопроисходят пожары вследствие самовоспламенения и самовозгорания горючих веществ и материалов при их контакте с воздухом, водой или друг с другом в приведенных ниже случаях:

1.  Горючее вещество в технологическом оборудовании нагрето до температуры, превышающей температуру самовоспламенения, т. е. tр ≥ tсв, где tp – рабочая (действительная) температура горючего вещества.

Например, для получения этилена пары углеводородов подвергают пиролизу в трубчатой печи при температуре 850 °С, а образующийся газ пиролиза имеет температуру самовоспламенения 530–550 °С; при разгонке мазута температура в нижней части вакуумной ректификационной колонны достигает 360–380 °С, а температура самовоспламенения мазута и продуктов его перегонки составляет 250 °С. Контакт нагретых продуктов с воздухом приводит к их самовоспламенению.

2.  Горючее вещество в технологическом оборудовании имеет температуру самовоспламенения не выше температуры окружающей среды, т. е. tсв ≤ tср, где tср – температура окружающей среды.

Например, в процессе производства полиэтилена НД (низкого давления) используют металлоорганические катализаторы триэтилалюминий или диэтилалюминий хлорид, которые имеют температуру самовоспламенения

–­ 68 °С и –60 °С соответственно. Контакт этих веществ с воздухом приводит к их самовоспламенению.

3.  Пожароопасное вещество при контакте с водой, кислородом воздуха или с другими веществами взрывается, воспламеняется или вызывает горение:

а)  при взаимодействии карбида кальция с водой, протекающем по реакции

СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2 + 126,8 кДж/моль,

температура кусков карбида достигает 1 000  °С, что вызывает возгорание выделяющегося ацетилена, так как его температура самовоспламенения составляет 335 °С;

б)  при взаимодействии щелочных металлов с водой, кислотами, основаниями выделяется и возгорается водород, а сами металлы расплавляются, разбрызгиваются и возгораются. Упомянутые выше металлоорганические катализаторы при контакте с этими веществами взрываются;

в)  при взаимодействии извести с водой, протекающем по реакции СаО + Н2О → Са(ОН)2 + 65 кДж/моль,

159

Пожарная безопасность технологических процессов

температуракусковизвестидостигает600 °С,чтовызываетвозгораниетары, в которой она находится: крафт-мешков, досок и других горючих материалов; г)  гидросульфид натрия, сернистый натрий, сульфид железа и тому подобные пирофорные вещества во влажном состоянии интенсивно окисляются на воздухе с выделением тепла и серы, которая при этом может возгораться. В процессе окисления сульфида железа кислородом воздуха, проте-

кающем по реакции

4FeS + 3О2 → 2Fe2О3 + 2S2 + Q,

температура образующихся продуктов превышает температуру самовоспламенения выделяющейся серы (tсв = 220 °С), которая возгорается;

д)  взаимодействие горючих веществ с окислителями (галогенами, окислами азота, азотной кислотой, перекисью натрия, бария и водорода, хромовым ангидридом, хлорной известью, жидким кислородом, селитрами, хлоратами, перхлоратами, перманганатами и другими химическими соединениями) сопровождается их воспламенением или образованием веществ и смесей, разлагающихся со взрывом.

4.  Пожароопасное вещество воспламеняется либо разлагается со взрывом при нагревании или механическом воздействии (ударе, трении).

Например, взрывное разложение треххлористого азота при трении происходит по реакции

2NCl3 → N2 + 3Cl2 + 460 кДж/моль

и сопровождается выделением большого количества тепла, способного вызвать воспламенение горючих веществ (со взрывом разлагаются также ацетилен, перекись водорода, бутиндиол и другие вещества).

5.  Горючее вещество, склонное к химическому, тепловому и микробиологическому самовозгоранию, на воздухе самовозгорается.

Самонагреваниетакихвеществилиматериаловвплотьдовозникновенияпламенногогоренияпроисходитвтомслучае,еслионинагретыдоопределенной температуры и отсутствует (или затруднен) теплообмен с окружающей средой.

Вслучае микробиологического самовозгорания импульсом служит тепловая энергия, выделяющаяся в результате жизнедеятельности термофильныхмикроорганизмов,использующихгорючеевеществовкачествепитательнойсреды.Самонагреваниеторфа,сена,силосаидругихподобныхматериалов начинается по этой причине и часто завершается пламенным горением.

Вслучае химического самовозгорания тепловой импульс возникает при окислении вещества на воздухе или при взаимодействии с определенным реагентом. По такому механизму самовозгораются порошки металлов

160