192 (Расчетно-практические работы по БЖД)

21

ственный состав и строение молекул вещества) и в большей степени зависит от дисперсности. Это объясняется тем, что химическая реакция между твердым веществом (пылинками) и газообразным окислителем протекает на поверхности твердого вещества. Скорость реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а, т.к. с увеличением дисперсности увеличивается удельная поверхность, химическая активность возрастает. Повышенную адсорбционную способность имеют пылевые частицы пористой структуры. Адсорбция воздуха способствует окислительным процессам, протекающим на поверхности твердых частиц при повышенных температурах, и ускоряет подготовку пыли к горению. Таким образом, адсорбционная способность пыли повышает ее пожарную опасность.

Твердые частицы пыли в процессе размола, транспортирования по пылепроводам и движения в воздухе способны электризоваться – на их поверхности возникает заряд статического электричества. Частицы пыли могут заряжаться в результате ударов и трения одна о другую и о воздух, трения о твердую поверхность (например, при размоле на вальцах, при транспортировании по трубам), а также вследствие адсорбции ионов из газовой среды. Потенциал зарядов при электризации пыли во время ее движения зависит от концентрации размеров частиц (дисперсности), скорости движения пылевой смеси, влажности атмосферы и других факторов.

Горение осевшей пыли (аэрогеля) по своему характеру не отличается от горения твердых веществ, но протекает более энергично. Горение же аэровзвесей подчиняется многим законам горения газовых смесей, но по сравнению с ними протекает более медленно и неполно. Скорость распространения пламени в аэровзвесях зависит от концентрации и дисперсности частиц. Максимальная скорость фронта пламени достигается при концентрациях частиц, много больших (иногда в 5-10 раз), чем стехиометрические. По мере увеличения размеров частиц скорость распространения пламени резко уменьшается, и если размер частиц окажется больше не-

www.mitht.ru/e-library

22

которого критического значения, то пламя распространяться не будет.

На скорость распространения пламени аэровзвеси оказывает влияние содержание в пыли летучих веществ и золы (негорючих компонентов пыли). Увеличение содержания летучих компонентов и уменьшение зольности пыли увеличивает скорость распространения пламени.

При воспламенении (взрыве) аэровзвеси в замкнутом объеме значительно повышается давление, обычно в 4-6 раз. Повышение давления при взрывах аэровзвесей объясняется двумя причинами: образованием газообразных продуктов сгорания, объем которых значительно превышает объем сгоревших твердых частиц, и нагреванием газообразных продуктов сгорания до высоких температур.

В производственных условиях значительную опасность представляет не только взвешенная, но и осевшая пыль. Объясняется это следующим образом. При возникновении даже самой небольшой локальной вспышки осевшая пыль быстро переходит во взвешенное состояние, что приводит к образованию вторичного, более сильного взрыва. Главная ударная волна, опережая фронт пламени, переводит во взвешенное состояние по пути своего движения все большие и большие количества пыли, вызывая повторные взрывы. Именно этим объясняется тот факт, что такие взрывы, как правило, развивают, в конечном счете, большие давления и сопровождаются сильными разрушениями.

Базовыми показателями пожаровзрывоопасности пыли являются три характеристики: нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП), температура самовоспламенения, минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК), минимальная энергия зажигания, удельное объемное электрическое сопротивление вещества.

Нижний концентрационный предел распростране-

ния пламени (Сн, г/м3) – минимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной сре-

www.mitht.ru/e-library

23

дой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Концентрации аэровзвесей, соответствующие НКПРП, могут образовываться в аппаратуре или установках, а также в непосредственной близости от них. Как правило, в производственном помещении концентрации аэровзвесей значительно меньше НКПРП. Если в помещении создается концентрация пыли, равная НКПРП, то на расстоянии 3-4 м предметы различить невозможно.

Значения НКПРП непостоянны и зависят от многих факторов: дисперсности и зольности пыли, начальной температуры и влажности пылевоздушной смеси, содержания в ней кислорода, мощности источника зажигания и др.

НКПРП аэровзвеси учитывают при классификации помещений по взрывопожароопасности в соответствии с НПБ 105-03 и ПУЭ. Аэровзвесь твердого вещества считается взрывоопасной, если НКПРП не превышает 65 г/м3. Наиболее взрывоопасными считаются аэровзвеси, НКПРП которых не выше 15 г/м3 (рис.2.1).

НКПРП применяют также при расчете безопасных режимов работы установок пневмотранспорта, пылеосаждения и др. Взрывобезопасной считают концентрацию аэрозоля в технологическом оборудовании, если она не превышает 50% НКПРП (при отсутствии в аппарате осевшей пыли). Однако, обеспечение взрывобезопасности среды в аппарате при нормальном технологическом режиме не дает основания считать данное оборудование невзрывоопасным.

Температура самовоспламенения (Тсв, °С) – самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.

Тсв большинства газов и жидкостей находится в пределах 350-700°С. Тсв твердых веществ зависит от количества выделяющихся летучих продуктов и составляет 250-450°С для дерева, торфа, углей и 450-800°С для цинка, магния, алюминия, кокса. При измельчении твер-

www.mitht.ru/e-library

24

дого вещества, а также при увеличении содержания в этом веществе кислорода и уменьшении содержания в нем углерода Тсв снижается.

Тсв твердых веществ учитывают при сравнении веществ друг с другом, экспертизе причин пожаров и в других случаях. Тсв твердых веществ нельзя использовать для определения допустимых температур безопасного нагрева технологического оборудования. Для этого используют температуру самонагревания с учетом условий теплового самовозгорания.

Минимальное взрывоопасное содержание кислоро-

да (Сmin О2, % об.) – такая концентрация кислорода, ниже которой воспламенение и горение пылевоздушной смеси становится невозможным при любом содержании горючего в этой смеси.

Ориентировочно величину Сmin О2 (% об.) можно определить по формуле:

Сmin О2 = 0,0020946 (100 – Сфл) (100 – СН2О) (2.1)

где Сфл – содержание флегматизатора, % (об.); в данной работе в качестве флегматизатора выступает углекислый газ, содержащийся в воздухе, поэтому можно принять Сфл = 0,03 % об.;

СН2О – содержание паров воды в воздухе, т.е. относительная влажность воздуха, %.

Пример 2.1

Определить МВСК, если известно, что содержание флегматизатора соответствует концентрации углекислого газа в воздухе и относительная влажность воздуха составляет 63%.

Решение:

Сфл = 0,03 % (об.); СН2О = 63%.

Используя формулу 2.1, получим:

Сmin О2 = 0,0020946 (100 – 0,03) (100 – 63) = 7,7 % (об.)

Минимальная энергия зажигания (Еmin, мДж) –

наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь пыли (пара или газа) с воздухом.

Еmin связана с мощностью источника зажигания, которая влияет на область распространения пламени и

www.mitht.ru/e-library

25

соответственно на величины концентрационных ПРП. Особенно это характерно для диэлектрических разрядов. Увеличение мощности искры приводит к расширению пределов распространения пламени горючей смеси, т.е. к уменьшению величины НКПРП.

Допустимая энергия искрового разряда не должна превышать 40% Еmin.

Значение Еmin используют для обеспечения пожаровзрывобезопасных условий переработки горючих веществ и электростатической искробезопасности технологических процессов.

Искровые разряды статического электричества представляют пожарную опасность, т.к. по энергии они могут превышать Еmin. Основным критерием, определяющим способность веществ электризоваться, является их удельная электропроводимость =1/ , где – удель-

ное объемное электрическое сопротивление вещества,

Ом*м.

В соответствии с «Правилами защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности» все вещества и материалы в зависимости от величины подразделяются на следующие группы:

диэлектрические ( > 108 Ом*м);

антистатические ( = 105-108 Ом*м);

электропроводящие ( < 105 Ом*м).

Наиболее сильно электризуются диэлектрические вещества и материалы, причем с ростом увеличивается и интенсивность электризации. Антистатические материалы, как правило, не электризуются, если не происходит их интенсивное распыление или разбрызгивание через сопла или форсунки и другие подобные устройства со скоростью в десятки и сотни метров в секунду. Электропроводящие материалы в процессах производства и переработки не электризуются.

Отсутствие для аэрозолей таких показателей как

температура вспышки (Твсп) и верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) объяс-

няется специфическими особенностями горения аэрозо-

www.mitht.ru/e-library

26

лей. В отличие от горючих газов, паров и твердых материалов в монолитном (не измельченном) состоянии, горение которых осуществляется путем распространения по горючей смеси или по материалу сплошным фронтом пламени, горение аэрозолей, представляющих собой дискретную совокупность горючих частиц или капель, характеризуется диффузионным выгоранием отдельных частиц при отсутствии сплошного фронта пламени.

Отсутствие в случае жидких аэрозолей Твсп обусловлено тем, что такие аэрозоли могут воспламеняться при температурах значительно более низких, чем Твсп соответствующих жидкостей.

ВКПРП аэровзвеси не нормируется, т.к. для большинства пылей он чрезвычайно велик (несколько кг вещества в 1 м3 воздуха) и практически недостижим в производственных помещениях.

Классификация пыли по степени пожарной опасности представлена на рис.2.1. Примерами горючей пыли могут служить: 1 класса – пыль серы, нафталина; 2 класса – Al-порошок, пыль чайная, древесная, льняная; 3 класса – табачная, хлопковая пыль; 4 класса – Zn-пыль, пыль древесных опилок, углей с зольностью 32-36%.

Рис.2.1. Классификация пыли по степени пожарной опасности

Показатели пожаровзрывоопасности пыли применяются для определения категорий помещений по взрывопожарной опасности в соответствии с требованиями НПБ 105-03, взрывобезопасных концентраций пыли внутри технологического оборудования и трубопроводов, разработки мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов, а также

www.mitht.ru/e-library

27

учитываются при проектировании вентиляционных систем.

Пожарная безопасность объекта*3 должна обеспечиваться:

системой предотвращения пожара (предотвращением образования горючей среды, предотвращением образования в горючей среде источников зажигания);

системой противопожарной защиты (применением средств пожаротушения, пожарной сигнализации, средств индивидуальной и коллективной защиты, эвакуации и др.);

организационно-техническими мероприятиями (организацией пожарной охраны соответствующего вида (профессиональной, добровольной и т.п.), паспортизацией веществ, материалов, изделий, технологических процессов, разработку и реализацию норм и правил пожарной безопасности и др.).

2.1.Определение категории помещения по взрывопожарной опасности в соответствии с НПБ 105-03

2.1.1. Обоснование расчетного варианта

Количество пыли, которое может образовать взрывоопасную смесь, определяется из следующих предпосылок:

1)рассматривается наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва;

2)всё содержимое аппарата поступает в помещение;

3)расчетной аварии предшествовало пыленакопление в производственном помещении, происходящее в условиях нормального режима работы (например, вследствие пылевыделения из негерметичного производственного оборудования);

*3 Объект – здание и сооружение, наружная установка, транспортное средство, места открытого хранения материалов, в пределах которых возможно присутствие людей или материальных ценностей с учетом технологических процессов, оборудования, изделий

www.mitht.ru/e-library

28

4)в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в помещение всей находившейся в аппарате пыли.

2.1.2. Расчет избыточного давления взрыва

Для определения категории помещения необходим предварительный расчет избыточного давления взрыва. Он проводится по формуле, рекомендованной в Нормах пожарной безопасности НПБ 105-03:

где Р0 – начальное давление, соответствующее атмосферному, кПа; допускается принимать Р0 = 101,3 кПа; m – расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли, образовавшейся в результате аварийной ситуации, кг; в отсутствие пояснений принимается в соответствии с п.2.1.1 как масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, т.е. как масса высуши-

ваемого в аппарате продукта;

Z – коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве; в отсутствие возможности получения сведений для расчета величины Z допускается принимать Z = 0,5; Qн – низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг; при отсутствии данных можно определить по формулам

2.3-2.4;

Vсв – свободный объем помещения, м3; определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием; если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения;

ρв – плотность воздуха до взрыва при начальной

температуре Т0, кг/м3; в данной работе принята ρв = 1,29 кг/м3;

Ср – теплоемкость воздуха, кДж/(кг К); допускается принимать Ср = 1,02 кДж/(кг К);

www.mitht.ru/e-library

29

Т0 – начальная температура воздуха, К; в данной работе принята Т0 = 293 К;

Кн – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения; допускается принимать Кн = 3.

Высшую Qв (ккал/кг) и низшую Qн (ккал/кг) теплоту сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д.И. Менделеева:

где nC, nH, nO, nS – содержание молекул углерода, водорода, кислорода и серы в горючем веществе соответственно, %;

W – влажность вещества, %.

Пример 2.2

Определить низшую теплоту сгорания Qн (кДж/кг) сернистого мазута, имеющего состав (в %): nC = 82,5; nH = 10,65; nO = 0,5; nS = 3,1; nA (зола) = 0,25; W = 3.

Решение:

Используя формулы 2.3-2.4, получим:

Qв = 81*82,5 + 300*10,65 – 26 (0,5 – 3,1) = 9809,9 ккал/кг

Qн = 9809,9 – 6 (9*10,65 + 3) = 9216,8 ккал/кг = 38563,1 кДж/кг*4

2.1.3. Категорирование помещения по взрывопожароопасности

По взрывопожарной и пожарной опасности помещения в зависимости от веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в них в соответствии с НПБ 105-03 подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д.

Определение категорий помещений следует осуществлять путем последовательной проверки принадлежности помещения к категориям, приведенным в табл.2.1, от высшей (А) к низшей (Д).

*4 1 кал = 4,184 Дж

www.mitht.ru/e-library

30

Таблица 2.1.

Категории помещений

Пример 2.3

Исходные данные. Закрытое акционерное общество ЗАО «Рога и Копыта» организовало небольшое производство лакокрасочных материалов, в составе которого есть установка для получения порошка стеарата лития. Технологический цикл получения этого продукта включает сушку стеарата лития в кипя-

www.mitht.ru/e-library