 |
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 | 68,0—101,0 | |
| Элеваторная пыль | 277,0 | |
| IV класс Наименование | Температура самовоспламенения осажденной пыли (геля) в куче | НКПРП, г/м3 |
| Угольные пыли (высокозольные) | 114—400 | |
| Древесные опилки | выше 65,5 |
Коагуляция пыли
Аэрозоль — неустойчивая система. Он подвержен постоянным изменениям. С течением времени в аэрозоле происходит укрупнение взвешенных частиц. Этот процесс носит название коагуляции (агрегирования, агломерации); он происходит в результате взаимодействия частиц под влиянием различного рода физических факторов. Наибольшая роль в коагуляции принадлежит молекулярным силам и силам электрического притяжения.
С точки зрения обеспыливания воздуха (газов) коагуляция весьма полезное явление, так как благодаря укрупнению пылевых частиц повышается эффективность их улавливания. Мелкодисперсная пыль, плохо или совсем не улавливаемая в более простых аппаратах, может быть задержана ими после коагуляции. Соединение и укрупнение частиц происходит при слипании их вследствие столкновения под действием гравитационных сил, сил инерции, броуновского движения, взаимного притяжения и т. д. Параллельно с процессом образования агломератов происходит процесс разрушения образовавшихся укрупненных частиц.
Коагуляция будет происходить тем интенсивнее, чем больше вероятность столкновения аэрозольных частиц. Эта вероятность увеличивается под действием указанных выше факторов. Мелкие частицы в большей степени подвержены коагуляции, чем крупные. Ускоряется также коагуляция при повышении концентрации пылевых частиц в газовой среде.
|
|
|
Имеет место естественная коагуляция, когда этот процесс происходит под действием естественных сил, т. е. в основном за счет броуновского движения и гравитационных сил, и искусственная коагуляция, когда этот процесс интенсифицируют, применяя дополнительные факторы, например, турбулизацию запыленного потока, его искусственную ионизацию и акустическую обработку. Процесс коагуляции в результате ускоряется во много раз, т. к. вероятность столкновения и взаимодействия частиц во много раз увеличивается.
Скорость коагуляции аэрозольных частиц подчиняется закону
где n — концентрация частиц в некоторый момент времени т:
(в с), 1/м3;
n0 — начальная концентрация частиц, 1/м3; Кк — константа коагуляции, м3/с.
Рис. 2.11. Изменение концентрации частиц в неподвижном воздухе
во времени:
1, 2, 3, 4 — соответственно пыли вяза, ясеня, березы, краевого дерева
где N — скорость коагуляции, соответствует числу встреч частиц в единице объема в единицу времени, 1/(м2-с).
Из выражения (2.4.) следует, что в начальный момент, когда концентрация частиц велика, коагуляция происходят с большей скоростью, но затем ее скорость быстро падает.
На рис. 2.11. показано изменение счетной концентрации древесной пыли ряда пород в результате коагуляции в период времени, в течение которого число частиц уменьшилось вдвое.
Параметры воздушной среды: температура 20°С, относительная влажность 50 %, атмосферное давление 750 мм рт. ст.
Тепловая (броуновская) коагуляция. В основе броуновской коагуляции лежит броуновское (хаотическое, беспорядочное) движение весьма малых частиц — до 0,1 мкм.
Процесс тепловой (броуновской) коагуляции мало зависит от природы пылевых частиц. Коагуляция происходит тем быстрее, чем больше диапазон размеров частиц, так как имеет место процесс поглощения крупными частицами мелких. Увеличение скорости коагуляции за счет полидисперсности, по сравнению с коагуляцией монодисперсной пыли, не превышает 10 %.
I Скорость тепловой коагуляции повышается с увеличением абсолютной температуры дисперсной среды. Скорость коагуляции малых частиц также вырастает с повышением давления.
Замечено, что дисперсность пыли в технологических газах, поступающих на очистку, обычно выше, чем в источнике пылеобразования. Это можно объяснить тем, что броуновская коагуляция происходит почти мгновенно.
Градиентная коагуляция. Градиентная коагуляция обусловлена наличием градиента скорости в потоке запыленных газов. Наиболее характерным примером является течение газов около j твердой стенки канала. В соответствии с законами гидравлики, i частица вблизи стенки движется с меньшей скоростью, чем части-S пд, находящаяся ближе к продольной оси канала. Контакт частиц I возможен, если расстояние между ними меньше суммы их размеров Действие градиентной коагуляции ограничивается в основном пристенным слоем. Поэтому она играет существенную роль
Скорость убывания счетной концентрации частиц в результате процесса коагуляции определяется из выражения
при значительной длине каналов и большой поверхности, по которой происходит контакт.
Турбулентная коагуляция. Скорость коагуляции частиц в дисперсной среде может быть искусственно повышена путем турбулизации аэрозоля. Вихревое движение среды, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения частиц и, следовательно, повышает скорость коагуляции.
Турбулизацию пылегазовых потоков осуществляют для укрупнения пылевых частиц и повышения благодаря этому эффективности очистки. Вихревое движение, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения и, следовательно, укрупнения частиц. Применяют специальные турбулизирующие устройства, которые располагаются перед пылеуловителями или непосредственно в них (разд. 5.).
Кинематическая коагуляция. Процесс кинематической коагуляции происходит при относительном движении частиц различного размера под действием внешних сил — силы гравитации, центробежных сил и др. Частицы различного размера движутся с различными скоростями. Вследствие этого происходит их столкновение и укрупнение. Примером кинематической коагуляции является осаждение частиц на каплях, находящихся под действием силы тяжести (этот процесс называется также гравитационной коагуляцией). Кинематическая коагуляция происходит также при встречном движении распыленной воды и аэрозоля в мокрых пылеуловителях.
Электрическая коагуляция. Как отмечено выше, пылевые частицы во многих случаях имеют электрический заряд — положительный или отрицательный. Между заряженными частицами, а также между заряженными и незаряженными частицами возникают силы взаимодействия. Это в значительной мере определяет поведение частиц. Частицы сталкиваются, слипаются, образуя агрегаты.
Между частицами действуют следующие электрические силы взаимодействия: кулоновская сила притяжения или отталкивания, возникающая между двумя заряженными частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга; сила индукции между заряженной частицей и соседней незаряженной; сила взаимодействия между заряженной частицей и другими частицами с тем же знаком; сила внешнего электрического поля (если оно имеется).
Электрическая коагуляция используется в технике пылеулавливания. Применяют электрофильтры-коагуляторы, которые конструктивно представляют собой упрощенный электрофильтр. Принципы электрической коагуляции используются также при искусственной ионизации газопылевых потоков с целью укрупнения пылевых частиц (разд. 6.).
Акустическая коагуляция. Пылегазовый поток проходит через акустическое поле, создаваемое источником звука и ультразвука.
При определенных параметрах поля и характеристиках пылегазового потока вследствие колебания среды значительно возрастает число столкновений между пылевыми частицами, что приводит к их слипанию, т. е. к укрупнению пыли. Акустическая обработка осуществляется с целью повышения эффективности пылеулавливания. Рассматривается в разд. 6.
|
|
|
