2.4. Горение пылевоздушных смесей

Многие технологические процессы, связанные с получением или переработкой пылевидных материалов, являются пожаро- и взрывоопасными, представляют большую опасность.

Горючая пыль – это дисперсная система, состоящая из твердых частиц размером  850 мкм, находящихся во взвешенном или осевшем состоянии в газовой среде, способная к самостоятельному горению в воздухе. Таким образом, пыль – это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы. Пыли по общей классификации коллоидно-дисперсных систем относятся к аэрозолям, в которых дисперсионная среда – воздух, а дисперсная фаза – твердое вещество в мелко раздробленном состоянии.

Осевшая пыль называется аэрогелем, пыль во взвешенном состоянии – аэрозоль. И те, и другие – гетерогенные системы.

Аэрогели являются пожароопасными. Их пожароопасность зависит от содержания летучих веществ в твердом горючем. При горении пыли выгорают обычно только летучие вещества, а углеродистый остаток не успевает сгореть. Так, пыль кокса, графита, антрацита и некоторых других веществ не пожароопасны, так как почти не содержат летучих компонентов. Наиболее пожароопасными являются аэрогели с температурой самовоспламенения до 250⁰С.

Аэрозоли являются взрывоопасными. Взрывоопасность аэрозолей, содержащих летучие вещества, характеризуется НКПВ. Наиболее взрывоопасными являются аэрозоли с величиной НКПВ < 15 г/м³.

Горючие пыли

Взрывоопасные

Пожароопасные

НКПВ < 65 г/м³

НКПВ > 65 г/м³

Наиболее

взрывоопасная

Взрыво-

опасная

Наиболее

пожаро-

опасная

Пожаро-

опасная

T_С.В. гель

до 250С

T_С.В. гель

> 250С

1 класс

сера, нафталин, древесная мука, канифоль

НКПВ < 15 г/м³

НКПВ = 15…65 г/м³

2 класс

алюминиевый порошок, магний, полистирол, пыль мучная

3 класс

табачная пыль,

элеваторная пыль и другие пыли

4 класс

древесные опилки, цинковая пыль

2.4.1. Классификация пыли горючих веществ по степени пожаро-

и взрывоопасности

ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ регламентирует следующие показатаели пожаро- и взрывоопасности горючих аэрозолей и аэрогелей [3]:

• для горючих пылей во взвешенном состоянии: НКПВ, W_min, Р_max (максимальное давление взрыва), d_p/d (скорость нарастания давления при взрыве), МВСК (минимально взрывоопасное содержание кислорода);

• для пылей в осевшем состоянии: t_восп., t_св, t_сн (самонагревание), t_тр (температура трения), температурные условия теплового самовозгорания, W_min, способность гореть и взрываться с водой, кислородом воздуха и другими веществами.

2.4.2. Свойства, определяющие пожаровзрывоопасность пылей

Из свойств горючих пылей наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Дисперсность – степень измельченности частиц оценивается удельной поверхностью (суммарная площадь поверхности единицы массы пыли). С увеличением дисперсности повышается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, снижается t_св и НКПВ, то есть повышается ее пожаро- и взрывоопасность.

Химическая активность – способность пыли вступать в реакции с различными веществами (в том числе реакции окисления и горения). Химическая активность пыли определяется природой вещества и в большей степени зависит от ее дисперсности (так как химические реакции протекают в основном на поверхности) скорость реакции с увеличением дисперсности возрастает. Металлы (Fe, Al, Zn), обычно негорящие при нормальных условиях, в состоянии пудры мгновенно самовозгораются при контакте с воздухом. Таким образом, пыли по пожаровзрывоопасности во много раз превосходят продукт, из которого они получены.

Адсорбционная способность – способность поверхности твердых частиц пыли поглощать пары и газы из окружающей среды. Различают физическую (за счет сил межмолекулярного взаимодействия – сил Ван-дер-Ваальса) и химическую (за счет валентных связей) адсорбцию.

Физическая и химическая адсорбция сопровождаются выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии геля могут самонагреваться и самовозгораться.

Адсорбированные на поверхности пыли молекулы горючих газов и паров повышают устойчивость аэровзвесей, ускоряют подготовку пыли к горению. И наоборот, адсорбция негорючих газов (СО₂, N₂) понижают склонность пыли к самовозгоранию. Это явление находит практическое применение в различных отраслях промышленности.

Склонность пыли к электризации – способность пыли приобретать заряды статического электричества. Электризация пыли происходит в результате адсорбции ионов газов из воздуха, где пыль находится во взвешенном состоянии.

Потенциал заряда пыли зависит от скорости движения пыли и ее дисперсности. Чем они выше – тем больше заряд С.Э.

Основная опасность, создаваемая электризацией пылей, состоит в возможности искрового разряда. Разряд С.Э. возникает тогда, когда напряженность электростатического поля над поверхностью диэлектрика или проводника достигает критической (пробивной) величины. Для воздуха эта величина равна 30 кВ/м. Воспламенение горючих пылей искровыми разрядами С.Э. произойдет, если выделяющаяся энергия будет больше W_min энергии зажигания для данной смеси.

Эффективным способом борьбы с накапливанием зарядов С.Э. является повышение влажности воздуха. Например, при относительной влажности воздуха 70% электризация пыли опасности уже не представляет (но иногда поддерживать такую влажность трудно). Поэтому основным и достаточно эффективным мероприятием безопасности в этих случаях является надежное заземление подвижных и неподвижных частей оборудования.

2.4.3. Взрывы пылевоздушных смесей

К наиболее взрывоопасным относятся пыли, имеющие размеры частиц в пределах 70…100 мкм с величиной НКПВ менее 15 г/м³. Практически все органические, а также неорганические, в том числе металлические пыли, сгорают в воздухе и могут привести к катастрофическим взрывам в замкнутых объемах.

Типичная последовательность событий при взрыве пылей такова. Вначале происходит небольшой взрыв в какой-либо части оборудования (трубопроводе, аппарате). Затем образовавшиеся продукты взрыва и вибрация оборудования поднимают в воздух осевшую на загрязненном рабочем месте пыль. Эта пыль уже является горючим для второго разрушительного взрыва.

Другая типичная ситуация на шахтах: сначала взрыв метано-воздушной сме-

си  поднимается большое количество угольной пыли  второй взрыв угольной пыли с катастрофическими последствиями.

Важнейшей характеристикой взрывоопасности пыли является НКПВ (НКПР). На величину НКПР влияют дисперсность, влажность, температура, давление и другие факторы. Наименьшее НКПР при дисперсности 70…100 мкм. Влажность до 15% зависимость линейная (возрастание), а дальше – резко вверх. Повышение температуры ведет к понижению НКПВ. Снижение давления вызывает снижение НКПВ (до 1,5…2,0 кПа), дальнейшее снижение – горения пылевоздушных смесей не наблюдается.