Вопрос 5. Горение пылей

Основные определения.

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

Взрывы промышленных пылей представляют большую опасность, так как час­то влекут за собой не только большие материальные убытки, но и гибель людей.

При различных видах технологических процессов в производстве (например, при дроблении, истирании, измельчении, просеивании и т.п.) возможно попутное образование пылей, что приводит к возникновению взрыво­опасных пылевых систем.

Многие металлы - алюминий, магний, цинк и другие - в компактном состоянии на воздухе практически не горят. Если их перевести в измель­ченное состояние, то за счет теплоты, выделяемой от физической и хими­ческой адсорбции, многие металлы сначала самонагреваются, а затем самовозгораются.

Частицы металла, переведенные во взвешенное состояние, в воздухе способны взрываться.

Такой особенностью обладает не только металлическая пыль, но и пыль, образованная органическими твердыми ве­ществами.

При транспортировке порошков по пневмотранспорту частицы перено­сятся во взвешенном состоянии и, следовательно, при определенной их концентрации могут возникать взрывоопасные пылевоздушные смеси.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 пыли - диспергированные твердые вещест­ва и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

Пыль - это дисперсная система, состоящая из газовой дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы.

Дисперсная фаза - частицы твердого горючего материала в раздроб­ленном состоянии.

Дисперсионная среда - газовая фаза, в которой взвешены частицы твердого горючего материала.

Если дисперсионной средой является воздух, то такая пыль носит название - аэрозоль.

Пыль может образовываться при механическом измельчении твердых тел, а также при получении порошкообразных и пылеобразных веществ ме­тодом кристаллизации и сублимации. Может находиться как во взвешенном, так и в осевшем состоянии.

Осевшая пыль называется аэрогелем (или просто - гелем).

Аэрогели и аэрозоли являются гетерогенными системами. Однако аэ­розоли по своим свойствам занимают промежуточное место между аэрогелями и гомогенными газо- и паровоздушными системами.

Аэрозоли сходны с аэрогелями тем, что обе эти системы являются гетерогенными, дисперсными системами с одинаковой твердой фазой и по­ведение их определяется физико-химическими свойствами твердой фазы.

С газо- и паровоздушными системами аэрозоли сходны тем, что горе­ние большинства из них протекает в виде взрыва, поэтому аэрозоли, как и газовоздушные, смеси, характеризуются многими однотипными параметрами.

Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ. Поэтому аэрозоли более пожаровзрывоопасны, чем аэрогели.

Охарактеризуем, используя классификацию видов горения, пылевоздушную систему:

- несмотря на то, что аэрозоль является гетерогенной системой, горение аэрозолей происходит, тем не менее, в гомогенном режиме, это связано с тем, что горению предшествует процесс разложения твердой фа­зы (дисперсной) на горючие летучие компоненты;

- горение пылевоздушных систем происходит в предварительно подго­товленной смеси, поэтому, в зависимости от условий смесеобразования компонентов, данное горение может быть однозначно охарактеризовано как кинетическое;

- в зависимости от механизма распространения зоны горения, от скорости распространения пламени по пылевоздушной смеси, горение пыле­воздушной смеси, обычно сопровождающееся взрывом, может быть охаракте­ризовано как детонационное.

Итак, для пылевоздушных смесей характерны следующие виды горения: гомогенное, кинетическое, детонационное.

Пожароопасные свойства пылей.

Какие же свойства пылей определяют ее пожарную опасность.

Наибо­лее важными являются дисперсность, химическая активность, адсорбцион­ная способность, склонность к электризации.

Дисперсность.

Дисперсностью называется степень измельченности частичек пыли и определяется как величина, обратная размеру (диаметру) дисперсной час­тицы а.

D=1/а, (1/м), где

а - так называемый эквивалентный диаметр. Это диаметр шара, име­ющего объем, равный объему средней частицы пыли.

D – дисперсность пыли.

Дисперсный состав определяется различными лабораторными методами. Наиболее распространенным является ситовый рассев, позволяющий опреде­лять состав пыли с частицами размером до 40 мкм и выявлять относитель­ное содержание частиц различных размеров.

Со степенью дисперсности пыли тесно связана удельная поверхность пыли, которая увеличивается с повышением дисперсности.

S_уд · D, (1/м)

Как влияет дисперсность на пожароопасные свойства пылей:

• чем больше дисперсность аэровзвеси, тем сильнее развита ее поверхность;

• за счет увеличения площади контакта между горючим и окислителем дисперсионной средой и дисперсной фазой увеличивается ее активность;

• более полно и интенсивно происходит реакция горения;

• понижается темпе­ратура самовоспламенения;

• понижается величина нижнего концентрационного предела воспламенения.

Химическая активность.

Под химической активность понимается способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе и реакции горения и окис­ления.

Химическая активность определяется природой вещества и в большой степени дисперсностью пыли.

Скорость химической реакции зависит от поверхности соприкоснове­ния реагирующих веществ, а так как с увеличением дисперсности увеличи­вается удельная поверхность, химическая активность возрастает.

Помимо того, что химическая активность зависит от природы вещест­ва, дисперсности твердой фазы, она еще также зависит от количества дефектов молекулярных и кристаллических структур, которые могут, явля­ться активными центрами химических реакций.

Адсорбционная способность.

Адсорбцией называют механизм поглощения одного вещества другим, происходящий на границе раздела фаз.

В нашем случае твердые частицы пыли адсорбируют окружающие пары и газы, поглощая их поверхностью вещества.

Различают физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция протекает за счет сил межмолекулярного воз­действия самопроизвольно.

Адсорбируемые пары и газы стремятся пол­ностью занять всю поверхность каждой пылинки.

Количество адсорбируемых паров и газов зависит от поверхности пылинки и свойств самого вещества (таких, например, как пористость).

Помимо физической адсорбции на поверхности вещества происходит и химическая адсорбция (хемосорбция) - поверхностная химическая реакция паров и га­зов адсорбируемого вещества с поверхностью адсорбента.

Пожарная опасность данного явления заключается в том, что процесс адсорбции идет с выделением тепла.

Это увеличивает склонность пыли в осевшем состоянии (аэрогеля) к само­возгоранию.

А с другой стороны увеличивает устойчивость пыли во взвешенном состоянии (аэрозоля).

Адсор­бированные компоненты увеличивают возможность окисления и ускоряют под­готовку к горению.

Если пыль адсорбирует негорючие газы (азот, углекислый газ), ее пожарная опасность уменьшается: снижается склонность к самовозгоранию, к взрыву. Это явление находит практическое примене­ние на производствах.

Склонность пыли к электризации.

При размоле твердых веществ, их транспортировке по пылепроводам и при движении пыли по воздуху пылинки способны электризоваться.

Электризация - способность пыли приобретать и накапливать заряды статического электричества.

Электризация происходит вследствие: адсорбции ионов газов из воз­духа, при трении пыли о твердую поверхность или воздух, при дроблении и измельчении твердого вещества.

Величина заряда статического электричества зависит от силы трения вещества степени дисперсности пыли (с увеличением площади поверхности увеличивается электроемкость), величины удельного сопротивления, влаж­ности воздуха.

Исследования показывают, что заряды в дробилках зерна могут дос­тигать 10 - 11 тыс. В.

При разряде зарядов такой величины могут возни­кать искры, способные воспламенять облако пыли.

По величине удельного электрического сопротивления можно судить об опасности электризации пыли, при удельном сопротивлении менее 10⁶Ом/см пыль практически малоопасна в отношении электризации.

Эффек­тивным методом борьбы с накапливанием статического электричества явля­ется повышение относительной влажности воздуха. При влажности воздуха более 70% электризация пыли опасности уже не представляет.

Однако в большинстве случаев в производстве поддерживать такую влажность не представляется возможным по технологии производства, поэтому еще одним важным мероприятием является надежное заземление и соединение между собой всех металлических частей производственных установок.

Механизм воспламенения и перемещения пламени по пылевоздушным смесям.

Аэрогели. Пожарная пожарная опасность аэрогелей (пылей в осевшем состоянии) характеризуется температурой воспламенения, температурой самовоспламенения, температурой самонагревания (для веществ склонных к самовозгоранию или пирофорных).

Температура воспламенения аэрогеля - наименьшая температура, при которой пыль, окисляясь и разлагаясь, выделяет достаточное для воспла­менения от источника зажигания количество газообразных и парообразных продуктов, при этом горение их продолжается после удаления источника зажигания.

Для воспламенения аэрогеля большое значение имеет мощность источ­ника зажигания, который, воздействуя на аэрогель, способствует ее разло­жению с выделением летучих горючих компонентов.

Образующиеся пары и газы воспламеняются и сгорают, при этом выделяется тепло, которое в дальнейшем активизирует и поддерживает процесс горения.

За счет теп­лопередачи теплопроводностью, конвекцией или излучением, нагреваются участки осевшей пыли еще не подверженные горению.

При нагревании эти участки, разлагаются на летучие компоненты, которые воспламеняются и таким образом горение продолжается.

С увеличением дисперсности температура воспламенения уменьшается, увеличение влажности приводит к повышению температуры воспламенения пыли.

Помимо пламенного горения (гомогенного) пыль может тлеть (гетеро­генное горение).

Температурой тления называется наименьшая температура разогрева пыли-геля, при которой на ее отдельных участках появляется тление.

Небольшое встряхивание тлеющей пыли приводит к ее воспламене­нию и начинается пламенное горение.

Помимо всего прочего пыли характеризуются температурой самовосп­ламенения - наименьшей температурой окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний наблюдается самовоспламенение вещества.

Самовоспламенение - резкое увеличение скорости экзотермических реак­ций, сопровождающееся пламенным горением или взрывом.

Часть аэрогелей относятся к пирофорным веществам - склонным к са­мовозгоранию. Эти вещества характеризуются температурой самонагревания - самой низкой температурой вещества, при которой происходит его само­нагревание, приводящее к самовозгоранию.

Аэрозоли. Аэрозоли воспламеняются и горят аналогично газовоздуш­ным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется теми же па­раметрами, что и газовоздушные смеси: нижним концентрационным пределом распространения пламени (воспламенения), минимальным взрывоопасным со­держанием кислорода, температурой воспламенения, температурой само­воспламенения.

Необходимо отметить, что склонность к слипанию частиц и их осаж­дению существенно отличает их от газовоздушных смесей.

Это свойство обусловливает при прочих равных условиях меньшую ве­роятность взрыва аэрозоля.

При других равных условиях по сравнению с газовоздушной смесью, для воспламенения аэровзвеси требуется гораздо более высокая энергия зажигания, чем для газовоздушных смесей.

Кроме того, необходимо отметить, что по сравнению с осевшей пылью (аэрогелем) аэрозоль имеет более высокую температуру самовоспламенения, что обус­ловливается большей площадью контакта частиц аэрозоля с окружающей средой и соответственно большей скоростью теплоотвода.

Процесс воспла­менения аэровзвеси протекает в соответствии с тепловой и цепной теори­ей самовоспламенения (основное положение тепловой теории самовоспламе­нения - это превышение скорости тепловыделения над скоростью теплоот­вода).

Основным отличием распространения пламени в пылевоздушных сме­сях от распространения пламени в газовоздушных смесях является наличие непосредственно перед фронтом пламени зоны, в которой происходят под­готовительные процессы.

Эти процессы характерны тем, что под действием темпе­ратуры горения твердые частицы дисперсной фазы, разлагаясь, выделяют горючие газы и пары, которые воспламеняются при достижении концентра­ции этих паров нижнего концентрационного предела распространения пла­мени.

Необходимо отметить, что, несмотря на то, что аэрозоль является гетерогенной системой, горение аэрозолей происходит в гомогенном режиме за счет того, что горючими компонентами фактически являются продукты термического разложения дисперсной фазы.

Горение аэрозолей характеризуется такими физическими параметрами, как скорость распространения фронта пламени и давлением при взрыве.

Скорость распространения фронта пламени и давление, развиваемое при взрыве:

- возрастает с уменьшением объемной теплоемкости и повышением на­чальной температуры аэровзвеси;

- возрастает с повышением дисперсности системы;

- зависит от концентрации пыли, причем наибольшая скорость расп­ространения пламени наблюдается при концентрациях намного больше стехиометрических.

Это объясняется тем, что при горении реагируют наиболее мелкие частицы, наиболее крупные не успевают полностью разложиться и не участвуют до конца в химической реакции;

- возрастает с увеличением концентрации кислорода в воздухе, мак­симальная скорость распространения пламени наблюдается при горении в чистом кислороде;

- увеличивается с увеличением содержания летучих компонентов и уменьшением содержания золы.

Давление, развиваемое при взрыве пылевоздушных смесей, определяет категорию производств по взрывопожарной опасности согласно НПБ 105-03.