8.8 Особливості горіння пилу в стані аерозоль та аерогель

Працівників пожежних підрозділів цікавить особливості поведінки і горіння пилу як в осілому, так і у завислому стані.

Особливості горіння аерогелю

Загалом горіння пилу в осілому стані подібно горінню твердого горючого матеріалу, з якого цей пил отримано. При нагріванні протікають всі ті ж підготовчі процеси, що характерні для твердих горючих матеріалів.

Основними параметрами, що характеризують пожежну небезпеку аерогелю, є температури займання і самоспалахування.

Однак, за рахунок дисперсності речовини горіння аерогелю має певні особливості.

1. Температура займання та час займання для пилу менше, ніж для ТГМ, з якого цей пил отриманий, а швидкість поширення горіння бвльша.

Це пояснюється розвиненою поверхнею теплосприйняття, підвищеною хімічною активністю, зниженою теплопровідністю матеріалу при його подрібненні, збільшеною адсорбційною здатністю пилу і швидкістю процесу розкладення.

2. Аерогель має підвищену схильність до самозаймання в порівнянні з вихідним матеріалом, з якого пил отриманий, за рахунок наявності великої площі поверхні окислення і погіршеними умовами тепловіддачі через низький коефіцієнт теплопровідності дисперсної маси.

3. Відмітною особливістю аерогелю є його здатність переходити у завислий стан. Пил може переходити у завислий стан внаслідок механічної дії (струшування), дії повітряних потоків, а також до завихрення пилу може приводити турбулентний рух продуктів горіння, які утворюються при швидкому поширенні горіння по поверхні відкладення пилу.

При поширенні полум'я над поверхнею аерогелю хвиля горіння приводить до підвищення тиску перед фронтом полум'я і утворення повітряних конвекційних потоків. Глибина зони підвищеного тиску порівнянна з висотою вогненного валу - висотою підйому завихреного пилу Н.

Схема поширення полум'я над поверхнею аерогелю

1 - аерогель; 2 - продукти горіння; 3 - фронт полум'я; 4 - зона передполум'яного повітряного потоку.

Тоді концентрацію горючого пилу безпосередньо в передполум'яній зоні визначається як

φ ^’_ф = γ /u_н,

де u_н - видима швидкість рушення полум'я, м/с;

γ - інтенсивність уносу пилового відкладення, г/(м²с).

Збільшення швидкості поширення фронту полум'я відбувається при збільшенні концентрації пилу в повітрі безпосередньо перед фронтом полум'я.

Потужні конвекційні потоки, що виникають при горінні, можуть приводити до завихрення пилу в всьому об'ємі і переходу горіння в кінетичний режим. Саме ця здатність осілого пилу легко завихрюватися (переходити в стан аерозоль) визначає особливості пожеж, що протікають на промислових об'єктах, пов'язаних з переробкою або отриманням пилу.

4. Окислювальні процеси протікають одночасно як на поверхні пилового шару, так і в його глибині за рахунок кисню, який адсорбований на поверхні часток пилу. Швидкість протікання процесів окислення під шаром горючого пилу на порядок нижче, ніж на поверхні, в результаті горіння в товщі пилового відкладення може перейти в режим тління. Тліючий пил представляє велику небезпеку, оскільки 1) горючі продукти розкладання, що виділяються, можуть накопичуватися в закритих об'ємах, і горіння з дифузійного може перейти в кінетичне; 2) навіть при слабкому струшуванні (завихренні) тліюча маса може самоспалахувати через різку притоку кисню і викликати вибух завислого пилу.

Особливості горіння пилу у завислому стані

Аерозолі по своїх властивостях займають проміжне положення між аерогелем і гомогенною газоповітряною сумішшю. Також як і аерогелі аерозолі є гетерогенними дисперсними системами з однаковою твердою фазою, і поведінка їх визначається фізико-хімічними властивостями цієї твердої фази. З газоповітряними сумішами аерозолі схожі тим, що горіння більшості з них протікає в кінетичному режимі або з вибухом, і тому їх пожежна небезпека характеризується багатьма параметрами, типовими для газових сумішей, а саме: КМПП, мінімальною енергією запалювання, максимальним тиском вибуху.

Однак потрібно відзначити особливості горіння аерозолю від горіння газів.

1) Аерозоль – гетерогенна система, що складається із твердої фази. Ця властивість обумовлює більш високу енергію запалювання (на два порядки вище), чим для газових сумішей.

2) Запалення і поширення полум'я по всьому об'єму аерозолю відбувається тільки в тому випадку, якщо її концентрація знаходиться в діапазоні концентраційних меж запалення.

Нижньою (верхньою) концентраційною межею поширення полум'я пилу називається найменша (найбільша) концентрація пилу в повітрі, при якій суміш здатна запалюватися від джерела запалювання з подальшим поширенням горіння на весь об'єм аерозолю.

Проте схильність аерозолів до коагуляції (злипанню) і осадження істотно відрізняє їх від газово-повітряних сумішей. Так, верхня концентраційна межа поширення полум'я для пилу також існує, і може бути визначена в лабораторних умовах. Проте значення верхньої межі є досить невизначеним, що пов’язано зі складністю створення і підтримування протягом достатнього часу рівномірної пилової хмари великої щільності, особливо для крупнодисперсних систем. Отже верхня концентраційна межа поширення полум’я має малу практичну цінність. Це зумовлене тим, що постійне існування концентрацій аерозолю вище верхньої межі, коли виключається запалення, неможливо і завжди буде існувати такий момент часу, коли внаслідок осадження концентрація пилу виявиться у вибухонебезпечному діапазоні.

Тому на відміну від газових систем вибухонебезпека аерозолю у виробництві характеризується тільки НКМПП.

3. Швидкість поширення полум'я в аерозолі на порядок вище за швидкість поширення горіння в гомогенних газоповітряних сумішах. Ця особливість пояснюється відмінністю механізму поширення полум'я, що, в свою чергу, зумовлено наявністю гетерогенної фази (твердих часток) в аерозолях, які сприяють передачі тепла випромінюванням. Поширення горіння по аерозолю відбувається по естафетному механізму.

4. Температурний режим у фронті полум'я і поблизу нього аналогічний температурному режиму для газових сумішей, однак кінетичне горіння дисперсних систем пов'язано з протіканням додаткових підготовчих процесів перед фронтом полум'я (рис. 8.16).

Рис. 8.16

Отже, на відміну від горіння перемішаних газових сумішей горіння аерозолів ускладнюється додатковою обставиною – тривалістю прогріву часток пилу та можливістю протікання реакції в кінетичному та дифузійному режимі. Тепловиділення відбувається на поверхні частки (гетерогенне горіння) та в полум’ї, що оточує частку.

На значному віддаленні від фронту полум'я знаходиться область початкової суміші, в якій температура рівна початковій температурі дисперсного середовища. Ближче до фронту полум'я знаходиться область підготовчих процесів, в якій протікають наступні процеси:

• попередній нагрів дисперсної фази від початкової температури до температури початку фізико-хімічних перетворень (для ТГМ 2-го роду – процесу розкладання);

• фізико-хімічні перетворення пилу, внаслідок яких утворюються газові продукти та твердий залишок (наявність цього етапу відрізняє горіння аерозолю від горіння газів);

• утворення достатньої концентрації газоподібних продуктів розкладання або сублімації (більше, ніж НКМПП) і нагрів газоповітряного середовища до температури запалення;

• поява швидкої реакції окислення, виникнення зони полум'яного горіння.

5. На відміну від гомогенного горіння газоподібних систем для аерозолю характерно декілька режимів горіння в залежності від особливостей горіння початкового твердого горючого матеріалу:

• гомогенний режим - горіння підготовлених продуктів випаровування або розкладення і сублімації.

• квазігомогенний режим - відбувається гетерогенне горіння кожної окремої частки, але загалом горіння дисперсної суміші проходить в об’ємі хмари аерозолю як би в гомогенному вигляді (початковий матеріал - ТГМ, що не газифікуються, - нелеткі метали, сажа, антрацит).

• змішаний режим горіння - отримані газоподібні продукти горять в гомогенному режимі, а вуглецевий залишок може догорати гетерогенним горінням (пил отриманий з ТГМ 2-го роду).

6. Поетапність вибухів.

Якщо під час горіння пилоповітряної суміші з дозвуковий швидкістю поширення полум'я (дефлаграційне горіння) утворяться стислі гази, здатні здійснювати механічну роботу, то таке горіння називають вибуховим.

Вибух пилу - це швидке згоряння аерозолю, внаслідок якого виникає підвищений тиск, зумовлений миттєвим виділенням тепла і газоподібних продуктів. Тиск, виникаючий при такому вибуху, супроводжується хвилею стиснення, достатньою для руйнування або пошкодження обладнання. Ця небезпека посилюється, якщо первинний спалах пилу приводить в стан аерозолю значні кількості осілого пилу з подальшим його запаленням.

Поетапні вибухи, що слідують в швидкій послідовності один за одним, неодноразово спостерігалися в промислових умовах. При дослідженні вибухів пилу в будівлях, вугільних шахтах встановлено, що первинний вибух відбувається при низькій концентрації пилу в повітрі (близької до НКМПП). Це обумовлює малу швидкість поширення фронту полум'я, незначне підвищення тиску. Однак ударна хвиля першого вибуху підіймає в повітря осілий пил і концентрація аерозолю стає значно вищою, при цьому різко збільшуються всі параметри процесу кінетичного горіння аерозолю. Саме з цієї причини подальші вибухи пилоповітряної суміші мають велику потужність, що приводить до руйнування будівельних конструкцій.

Тиск вибуху і швидкість наростання тиску зростають не тільки із збільшенням концентрації пилу, але і із збільшенням хімічної активності речовин. Для деяких металевих пилів ці показники є значно вищими, ніж для органічних речовин, вибухи носять особливо руйнівний характер.

При згорянні пилоповітряної суміші в невеликих об'ємах максимальний тиск вибуху може бути менше за рахунок високого рівня теплових втрат і більш низької повноти згоряння. У великих об'ємах більш повне згоряння пояснюється турбулізацією пилоповітряної суміші, при цьому досягається більше тепловиділення і тиск вибуху.

Горіння пилоповітряної суміші може відбуватися без підвищення тиску і утворення стислих газів, здатних здійснювати механічну роботу руйнування. Таке горіння називається спалахом.

Якщо пилоповітряна суміш горить в обмеженій зоні виробничого приміщення тиск підвищується трохи. При цьому утворяться високотемпературні продукти, що не спричиняють руйнування, і процес горіння на суміжні ділянки виробництва не поширюється. Подібне явище називають локальним пиловим вибухом.

Одиночний розвинений пиловий вибух з підвищенням тиску, що перевищує допустимий рівень до руйнування окремого технологічного апарату, споруди, частини огороджуючих будівельних конструкцій.

Вказані види горіння пилу можуть послідовно перейти з одного режиму в інший, розвиваючись в серію потужних пилових вибухів з катастрофічними наслідками. Це відбувається за рахунок переходу у завислий стан відкладення пилу високотемпературними газами спалаху (на сусідніх дільницях), що розширяються, локального вибуху і одиночного пилового вибуху (в сусідньому приміщенні). Причому, одиночний пиловий вибух може привести до вибуху пилу в приміщенні чистому від пилу, за рахунок викиду власного мілкодисперсного продукту.

Фактори, що впливають на вибухонебезпечність аерозолю

НКМПП пилоповітряних систем залежить від цілого ряду чинників, основними з яких є природа ТГМ, з якого отриманий пил, та дисперсність цього матеріалу, склад газового середовища, умови, в яких знаходиться пил і відбувається процес запалення.

Основні параметри, які характеризують вид ТГМ:

1. вогкість пилу;

2. зольність матеріалу;

3. вміст летючих компонентів;

4. дисперсність пилу.

Основні параметри, які характеризують склад газового середовища:

5. склад окислювального середовища (вміст кисню і негорючих газів);

6. вміст горючих газів.

Основні параметри, які характеризують умови, в яких знаходиться пил і відбувається процес запалення:

7. потужність джерела запалювання;

8. початкова температура;

9. тиск системи.

Вогкість (W,%)

Зі збільшенням вогкості пилу зменшується інтенсивність вибуху аерозолю, НКМПП збільшується, оскільки наявність молекул води змінює теплофізичні та структурно-механічні властивості пилу. В процесі нагріву аерозолю частина тепла витрачається на випаровування води і нагрів цієї пари. Водяна пара, в свою чергу, створює навколо частки пилу екрануючий шар, зі зменшеним вмістом кисню і збагачений водяною парою. Підвищення вологості погіршує електризацію. Крім того, вологий пил легше злипається і тим самим зменшує питому активну поверхню часток. Чим крупніший пил, тим глибшу сушку можна проводити без побоювань викликати вибух.

При вмісті вологи 20-30% аерозолі є вибухобезпечними.

Зольність (А, %)

Зольність - процентний вміст в горючому пилу негорючих компонентів. Чим вище зольність, тим менший вміст горючих компонентів, а, отже, вище НКМПП. Присутність інертних домішок в горючому аерозолі зменшує максимальний тиск при вибуху й швидкість його наростання.

Так кам'яновугільний пил, що містить золи більше за 15-20%, не вибухає. Для торфу критичний вміст золи перевищує 50%. (рис. 8.17)

Рис. 8.17

Вміст летючих компонентів (V^г, %)

Вибухонебезпека пилу визначається можливістю пилу утворювати газоповітряну суміш в концентрації не менше φ _н. Із збільшенням вмісту летючих компонентів при розкладенні матеріалу пилу скоріше досягається необхідна для займання кількість горючих летючих продуктів, схильність до вибуху підвищується, а, отже, НКМПП пилу меншає (рис. 8.18).

Рис. 8.18

Дисперсність (d_ч)

Зі збільшенням дисперсності пилу збільшується його питома поверхня, а, отже, і швидкість прогрівання, газифікації й реакції окислення. При цьому НКМПП меншає, а максимальний тиск при вибуху зростає. Однак, із значним збільшенням дисперсності нижня концентраційна межа поширення полум’я починає зростати, так як меншає радіус вогненної сфери, і для передачі горіння "естафетним" способом необхідна більша кількість часток в одиниці об'єму.

При збільшенні розміру часток від 10 мкм до 40-50 мкм нижня межа знижується приблизно в 2- 2,5 рази, а при подальшому зростанні розміру часток знову йде зростання нижньої концентраційної межі. Крупні частки повільніше прогріваються, відбираючи тепло від зони реакції, але не утворюючи при цьому летючі продукти газифікації, внаслідок цього в суміші не створюється потрібна концентрація горючих газів, розвиток вибуху стає неможливим. Грубодисперсний пил є вибухобезпечним, так, аерозолі багатьох органічних речовин стають нездатними до поширення полум’я при діаметрі часток порядку 400-500 мкм (8.19).

Рис. 8.19

Вміст негорючих газів (φ _нг)

Зі збільшенням вмісту негорючих газів в дисперсійному середовищі вміст кисню зменшується, а, отже, швидкість хімічної реакції окислення й тепловиділення зменшуються, НКМПП збільшується.

Для зниження пожежної небезпеки пилу використовують його властивість поглинати інертні гази й утримувати їх на своїй поверхні (8.20).

Рис. 8.20

Вміст кисню в окислювальному середовищі (φ _О2)

При зменшенні концентрації кисню в окислювальному середовищі горючість пилу зменшується, а НКМПП при цьому збільшується. Критична концентрація кисню, за якої ще можливе виникнення горіння аерозолю, називається мінімальною вибухонебезпечною концентрацією (φ _МВКК) (рис. 8.21)

Рис. 8.21

Під мінімальною вибухонебезпечною концентрацією кисню в аерозолі приймається концентрація кисню, нижче за яку неможливо запалення аерозолю з поширенням горіння на весь об'єм суміші.

Не всі речовини при зменшеному змісті кисню втрачають здатність запалати. Так порошки деяких металів можуть запалати з подальшим вибухом і у відсутності кисню в середовищі, із яким вони здатні реагувати з виділенням тепла (азот, діоксид вуглецю, водяна пара).

Вміст горючих газів (φ_гг)

Присутність у пилу невеликих домішок горючих газів різко підвищує пожежну небезпеку таких систем. Аерозолі, що складаються з горючого пилу, горючих газів і газоподібного окислювача, називаються гібридними сумішами.

Гібридні суміші утворюються в шахтах, на хімічних підприємствах при сушці порошкоподібних матеріалів, розчинених в органічних розчинниках, при переробці полімерів.

Горіння гібридних сумішей має характерні особливості:

• іскрові заряди, які не ініціювали горіння пилу, можуть запалювати суміш у присутності невеликої кількості горючого газу;

• пил і газ, взятий у концентраціях менших НКМПП, при поєднанні можуть утворювати вибухонебезпечні суміші;

• тиск вибуху аерозолів підвищується в присутності горючих газів (рис. 8.22).

Рис. 8.22

Потужність джерела запалювання (Е_ДЖ)

Зі збільшенням потужності ДЗ НКМПП пилу знижується, але до певної межі. Така потужність називається потужністю насичення. Існує також мінімальна енергія запалювання, яка знаходить практичне застосування при розрахунках і виробленні рекомендацій по застосуванню іскроутворюючого обладнання на пилоутворюючих підприємствах (рис. 8.23).

Рис. 8.23

Початкова температура (Т_о)

З підвищенням початкової температури аерозолю меншає вміст кисню в пилу за рахунок десорбції, при цьому швидкість хімічної реакції окислення меншає, НКМПП збільшується.

При подальшому підвищенні температури швидкість реакції окислення збільшується, а тепловтрати на попередній нагрів гетерогенної фази зменшуються, при цьому НКМПП починає зменшуватися (рис. 8.24).

Рис. 8.24

Початковий тиск (Р_о)

В зв’язку із впровадженням в промисловість методів спалювання палива при підвищенному тиску практичний інтерес набуває питання впливу початкового тиску в системі на характер вибуху пилу. Із збільшенням початкового тиску нижня концентраційна межа поширення полум’я аерозолю збільшується (рис. 8.25).

Рис. 8.25

Максимальний тиск вибуху пилу на відміну від вибуху гомогенних газоповітряних сумішей відповідає коефіцієнту надлишку повітря = 0,08 ¸  0,1.

Класифікація пилу за пожежною небезпекою

М.Г. Годжелло на початку 60-х років запропонував класифікувати пил горючих речовин з урахуванням їх пожежної небезпеки як у зваженому, так і в осілому стані.

У стані аерозолю пил може горіти в кінетичному режимі, тобто з вибухом, тому за основний параметр пожежної небезпеки приймається НКМПП. У осілому стані пил може самоспалахувати й самозайматися, і для оцінки пожежонебезпечних властивостей пилу-гелю використовують температуру самоспалахування.

Весь горючий пил можна розділити на дві групи і чотири класи:

Перша група - вибухонебезпечний пил. Пил, що здібний до кінетичного горіння і має нижню концентраційну межу поширення полум’я менше 65 г/м³включно.

1 клас - найбільш вибухонебезпечний пил з НКМПП 15 г/м³ і нижче;

2 клас - вибухонебезпечний пил з НКМПП від 16 і до 65 г/м³;

Друга група - пожежонебезпечний пил

3 клас - найбільш пожежонебезпечний пил із Т_сс не вище за 250^оС;

4 клас - пожежонебезпечний пил із Т_сс вище за 250^оС.

Практичний розрахунок концентраційних меж поширення полум'я з умов теплового балансу ускладнений і тому для практичних розрахунків використовуються емпіричні формули.

У роботі Льюїса і Ельбе зазначено, що для аерозолю з розмірами часток пилу сумірними з розмірами молекул (до 10 мкм) концентраційні межі пилу і тієї пари, яка утворюється при його випаровуванні, практично співпадають.

НКМПП для пари, утвореної в зоні підготовчих процесів, визначається за формулою:

де h_f = 0,0246 × моль× кДж ^–1;

Δ H^о_f - теплота утворення речовини у газоподібному стані, кДж× моль^–1;

m_j , m_s - число атомів та структурних груп.

h_j , h_s – коефіцієнт відповідно j-го елемента та s-ої групи.

При збільшенні розміру часток до 40-50 мкм нижня межа знижується приблизно в 2- 2.5 рази, а при подальшому зростанні розміру часток знову йде зростання нижньої концентраційної межі.

Таким чином можна розрахувати значення НКМПП за формулами:

для крупнодисперсного пилу (розмір часток 40-50 мкм):

для мілкодисперсного пилу (розмір часток < 10 мкм):

Наявність взаємозв'язку між теплотою згоряння і НКМПП для газів і пари визначила пошук такої ж залежності для пилу. Було досліджено 30 видів технічного пилу органічних речовин, що містять в основному C, Н, О, і 10 видів металевого пилу. Внаслідок досліджень отримана залежність Шоневальда:

де Q^/_н – нижча масова теплота згоряння речовини;

a, b – коефіцієнти, значення яких наведено в таблиці

Однак, існуючі методи розрахункового визначення масової нижньої концентраційної межі поширення полум’я по пилоповітряним системам ґрунтуються на припущенні, що адіабатична температуру горіння аерозолю на нижній межі дорівнює 1000^оС, що не зовсім обґрунтовано. Цим пояснюється істотне розходження між розрахунковими і експериментальними даними. Тому надійні данні можуть бути отримані лише експериментальним шляхом.

ВИСНОВОК: Урахування особливостей запалення і горіння пилоповітряних сумішей допоможе вам не тільки попередити вибухи і пожежі на об'єктах, але і правильно організувати гасіння пожеж на виробництвах, пов'язаних з виділенням пилу. Класифікація пилу по пожежній небезпеці є основою для визначення характеру технологічного процесу і категорії виробничих приміщень по вибуховій і пожежній небезпеці.

ЛЕКЦІЯ 9. ПОШИРЕННЯ ГОРІННЯ В ЗАКРИТОМУ ПРОСТОРІ

Питання для розгляду на лекції:

9.1 Динаміка розвитку пожежі в огорожі.