2.2.11. Горючесть и взрываемость пыли

Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли. Ни в чем так не проявляется отличие физико-химических свойств пыли от свойств твердых веществ, из которых она образована, как в ее пожаро- и взрывоопасности. Такие вещества, как зерно и сахар, хотя и способны сгорать при определенных условиях, не являются взрывоопасными веществами. Будучи же приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными.

Многие виды пыли образуют с воздухом взрывоопасные смеси, которые способны взрываться. При взрывах пыли возможны весьма тяжелые последствия — несчастные случаи с людьми, разрушение и повреждение оборудования, строительных конструкций и т. д.

Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе помещений, взрывоопасна. Осевшая пыль (гель) пожароопасна.

Однако при определенных условиях осевшая пыль способна переходить во взвешенное состояние, образуя взрывоопасные смеси. Может происходить как взрыв, так и горение пыли, находящейся во взвешенном состоянии. При взрыве реакция протекает значительно быстрее распространяясь со скоростью сотни и тысячи метров в секунду, при горении — со скоростью несколько десятков метров в секунду. Процесс горения пыли, находящейся во взвешенном состоянии, протекает гораздо интенсивнее, чем горение осевшей пыли (аэрогель).

Горение аэрогеля происходит с поверхности, однако при подъеме этой пыли в результате локального взрыва, удара и т. д. аэрогель переходит во взвешенное состояние, и может произойти интенсивный взрыв.

Локальный взрыв пыли может перевести во взвешенное состояние осевшую пыль, в результате фронт взрыва расширится. При первом или последующем взрыве происходит встряхивание здания и расположенного в нем оборудования. Пыль, покрывающая тонким слоем их поверхности, переходит во взвешенное состояние, образуя взрывоопасную смесь, которая вновь становится питательной средой для следующего взрыва. Последующий более мощный взрыв способен разрушить емкости, где хранятся пылевидные материалы. Это уже будет средой для мощного взрыва, способного разрушить здание.

Приведем ряд определений, характеризующих горение и взрыв.

Горением называется физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света.

Под возгоранием понимают начальную стадию горения, которая возникает под действием источника зажигания. Возгорание, которое сопровождается появлением пламени, называется воспламенением .

Самовозгорание — возникновение горения вещества в отсутствие источника зажигания. Самовозгорание может быть тепловым, микробиологическим и химическим.

Тепловое самовозгорание происходит в результате нагрева вещества до определенной температуры.

Микробиологическое самовозгорание возникает в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Химическое самовозгорание происходит в результате химического взаимодействия веществ.

Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Температура самовоспламенения — самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Взрыв — одна из разновидностей реакции горения. Ее характерным отличием является исключительно быстрое, практически мгновенное протекание реакции в объеме.

При взрыве мгновенно образуется большое количество продуктов сгорания — газов. Давление внезапно появившихся газов, их быстрое, резкое движение, которое происходит волнами, толчками, приводит к разрушению окружающих конструкций, оборудования и т. д.

Возбуждение взрыва пыли возможно при сочетании определенных условий, необходимых для взрыва. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, взрыв не произойдет, несмотря на наличие остальных.

Этими условиями являются следующие:

— концентрация пыли в воздухе между нижним и верхним пределами;

— наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной зоне;

— питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.

Нижний концентрационный предел распространения пламени по пылевоздушным смесям (НКПРП), г/м3, — минимальное содержание пыли в воздухе, достаточное для возникновения взрыва (при наличии других условий).

НКПРП соответствует определенному среднему значению расстояния между пылевыми частицами, при котором происходит достаточно интенсивный теплообмен между частицами. При этом накапливается необходимая для взрыва тепловая энергия. Если концентрация пыли в воздухе незначительна, расстояния между частицами велики и теплообмен ограничен.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП), г/м3, пылевоздушных смесей — максимальное содержание пыли в воздухе, при котором взрывообразование прекращается, несмотря на наличие прочих необходимых условий.

При концентрациях больше ВКПРП кислорода становится недостаточно для реакции, и процесс прекращается.

Между НКПРП и ВКПРП находится концентрация пыли в воздухе, которая является наиболее взрывоопасной. Ей соответствует наибольшее значение взрывного давления. Такое значение, естественно, имеется для каждого вида пыли.

НКПРП зависит от химического состава, от дисперсности пыли. Высокодисперсный материал имеет большую поверхность контакта с окислителем (кислородом воздуха). У материала с развитой поверхностью большая электрическая емкость, следовательно, значительная способность получать заряды статического электричества вследствие трения частиц, что увеличивает пожарную опасность вещества. На НКПРП пыли влияет также наличие в ее составе минеральных добавок, не участвующих во взрывообразовании. Являясь инертным компонентом, минеральная составляющая сдерживает взрывообразование в результате экранирования и поглощения теплоты.

Взрыво- и пожароопасность уменьшается также с увеличением влажности пыли.

Выделение из пыли летучих горючих газов повышает взрываемость. Пыль каменного угля при содержании в ней менее 10 % летучих газов не взрывоопасна. Не взрываются и пыли антрацита и древесного угля.

При содержании в воздухе кислорода до 11— 13 % не происходит воспламенения пыли. НКПРП, приводимый в таблицах, относится к условиям, когда воздух в помещении практически неподвижен. При движении воздуха со скоростью 5 м/с нижний предел повышается в 2—3 раза.

Определение НКПРП пылевоздушных смесей производится согласно методике, установленной ГОСТ 12.032-81. Сущность этого метода состоит в зажигании пылевоздушной смеси определенной концентрации в объеме реакционного сосуда и оценке результатов зажигания. Изменяя концентрацию пылевоздушной смеси, устанавливают ее минимальное значение, при котором происходит воспламенение, т. е. НКПРП.

НКПРП определяют на установке, схема которой показана на рис. 2.10. Установка состоит из реакционного сосуда в виде стеклянного цилиндра 1; системы распыления, включающей распылитель 2, электромагнитный клапан 3, вентили 4 и 6, ресивер 7 с манометром 5; источника зажигания (электрической спирали) 9; блока управления 8 с программными реле.

Взрыво- и пожароопасные пыли делят на четыре класса. Критерием является значение НКПРП и температуры самовоспламенения.

I класс — наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП до 15 г/м3;

II класс — взрывоопасные пыли с НКПРП 16—65 г/м3;

III класс — наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения в куче, в токе воздуха до 250°С;

Рис. 2.10. Установка для определения нижнего концентрационного предела воспламенения пылевоздушных смесей (НКПВ) по ГОСТ 12.1.032—81: 1 — реакционный сосуд; 2 — распылитель; 3 — электромагнитный клапан; 4, 6 — вентили; 5 — манометр; 7 — ресивер; 8 — блок управления; 9 — источник зажигания; 10 — защитный вытяжной шкаф

IV класс — пожароопасные пыли, обладающие температурой самовоспламенения при тех же условиях выше 250°С.

Ниже приведены НКПРП некоторых пылей и пылевидных материалов I и II классов, г/м3

1 класс		II класс
Сера	2,3	Пыль льняной костры	16,7
Нафталин	2,5	Горох.	25,2
Канифоль	5,0	Жом свекловичный	27,7
Сухие сливки с сахаром	6,3	Казеин технический	32,8
Шрот подсолнечный	7,6	Крахмал картофельный	40,3
Эбонитовая пыль	7,6	Чайная пыль	32,8
Молоко сухое	7,6	Сланцевая пыль	58,0
Сахар свекловичный	8,9
Камфара	10,1
Пыль мельничная серая	10,1
Мясокостная мука	10,1
Уротропин	15,0
Шеллак..	15,0

Приведены также НКПРП и температура самовоспламенения некоторых пылей III и IV классов.

III класс Наименование-*—	Температура самовоспламенения осажденной пыли (геля) в куче	НКПРП, г/м3
Табачная пыль	205	68,0—101,0
Элеваторная пыль	250	277,0
IV класс Наименование	Температура самовоспламенения осажденной пыли (геля) в куче	НКПРП, г/м3
Угольные пыли (высокозольные)	260	114—400
Древесные опилки	275	выше 65,5