Горение и взрыв пылевых смесей

Пылевоздушные горючие смеси.

Вопрос 3. Условия образования паровоздушных смесей над поверхностью жидкостей и твердых горючих материалов.

Горение жидкости происходит в паро-воздушной фазе, следовательно, на процесс горения оказывает влияние испарение жидкости.

Горение жидкости складывается из двух процессов:

1) испарение и 2) горение паро-воздушной смеси.

В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходят в паровую фазу, образуя над поверхностью жидкостей паро-воздушную смесь. Для того чтобы молекула оторвалась от поверхностного слоя жидкости, онадолжна иметь кинетическую энергию примерно в 10 раз больше, чемсредняякинетическая энергия молекул жидкости. Поэтому большинство молекул не могут преодолеть силы взаимного притяжения при невысоких температурах и перейти в паровую фазу.

Испарение – переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жидкости.

Испарение является эндотермическим процессом, следовательно, в процессе испарения жидкость охлаждается.

Факторы, влияющие на скорость испарения:

1. Природа (состав) вещества: молекулярная масса, вязкость.

2. Давление над поверхностью жидкости.

3. Температура среды.

4. Количество тепла, выделяющегося при горении жидкости.

5. Скорость движения среды.

Процесс образования паровоздушной смеси над поверхностью жидкости:

Нагрев ® Испарение ® Смешение паров с кислородом воздуха ® Воспламенение ® Горение

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием паров, газов и углеродистого остатка. Количество образующихся при этом газообразных (летучих) продуктов и их состав зависят от температуры и режима нагревания твердых горючих веществ.

Несколько иные свойства имеют полимерные материалы. Большинство из них при нагревании плавится и образует в процессе горения на поверхности горения жидкий слой. Когда нет условий стекания жидкого слоя, он постепенно растет, достигая своей постоянной для каждого вещества толщины.

Неорганические твердые горючие вещества, металлы, металлоиды и их соединения при нагревании почти все плавятся и над поверхностью образуется слой паров, как и при горении жидкостей.

Процесс образования паровоздушной смеси над поверхностью твердого вещества:

Нагрев ® Термическое разложение ® Газификация летучих компонентов ® Воспламенение ® Горение

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. Пыль — это дисперсная система, состоящая из газо­образной дисперсионной среды и твердой дисперсной фа­зы. Дисперси­онной средой является воздух, а дисперсной фазой — твердое вещество в раздробленном состоянии.

Пыли – диспергированные твердые вещества и материалы с частицами размером менее 850 мкм (ГОСТ 12.1. 044 – 89^* Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения).

Пыль может образовываться при механическом из­мельчении твердых тел, а также при получении порош­кообразных ипылеобразных веществ методами кристал­лизации исублимации; может находиться в осевшем иво взвешенном состоянии. Пыль, взвешенная в воздухе или другом газе, называется аэрозолем. Пыль, осевшая на стенках и потолках помещений, поверхностях труб, оборудования и других предметов, называется аэрогелем.

Аэрогели иазровзвеси являются гетерогенными системами. Однако аэрозоли по своим свойствам занимают промежуточное место между аэро­гелями и гомогенными газо- и паровоздушными смеся­ми. 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 смесями аэрозоли сходны тем, что горение большинства из них протекает в виде взрыва, поэтому они, как и газовоздушные сме­си, характеризуются многими однотипными параметра­ми. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ. Наибольшую опасность в отношении взрыва представляют аэрозоли, однако аэрогели также могут самовозгораться и приводить к пожарам.

Свойства, определяющие пожароопасность пылей

Дисперсность пыли. Дисперсность – степень измельченности частиц пыли. Степень дисперсности – это величина обратная диаметру пылинки. Она оказывает влияние на все другие свойства пыли.

С увеличением степени дисперсности увеличивается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации.

С увеличением степени дисперсности понижается температура самовоспламения пыли, нижний концентрационный предел распространения пламени пыли.

Химическая активность пыли. Химическая активность – способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе в реакции окисления и горения.

Химическая реакция между газом и твердым веществом – гетерогенная реакция – протекает на поверхности твердых частиц. Скорость такой реакции зависит от величины поверхности соприкасающихся реагирующих веществ. При измельчении вещества в пыль, резко увеличивается его удельная поверхность и, соответственно, скорость горения.

Например, один килограмм угля сгорает в течение пяти минут, а один килограмм угольной пыли – в течение одной секунды. Многие металлы, например алюминий, магний, цинк в компактном состоянии не способны гореть; находясь в воздухе в виде пыли, они горят со скоростью взрыва. Порошки железа и свинца могут самовозгореться при распыливании в воздухе. Алюминиевая пудра обладает способностью самовозгораться в состоянии аэрогеля. Поэтому пуд­ры и порошки этих металлов готовят в среде инертного газа (N₂ или Ar) и перетирают с твердым жиром.

Адсорбционная способность. Кроме изменения химической активности твердого тела в процессе его измельчения изменяется также его адсорбционная способность. Адсорбционная способность – поглощение паров и газов поверхностью вещества.

Объем адбсорбированного газа всегда превышает объем адсорбировавшей его пыли. Например, 1 м³ пылеугольной газовзвеси может содержать 0,9 м³ адсорбированного воздуха, и только 0,05 м³ сажевых частиц. При этом объем адсорбированного воздуха в 19 раз больше объема адсорбировавшей его смеси. Наличие на поверхности пыли адсорбированного кислорода содействует окислительным процессам при повышенных температурах и ускоряет подготовку пыли к горению. Объем кислорода, адсорбированного пылью, недостаточен для ее полного сгорания, но обеспечивает протекание начальных процессов окисления.

Помимо физической адсорбции на поверхности пыли­нок протекает хемосорбция - поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества с по­верхностью твердой пылинки. Хемосорбция основывает­ся на силах валентных и координационных связей.

Физическая и химическая адсорбция сопровождается выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии геля мо­гут самонагреваться и самовозгораться. Отмечены слу­чаи самовозгорания газовой сажи при хранении ее в бункерах и мешках, уложенных в штабели.

Адсорбция пылью ионов из воздуха способствует ее электризации, но если пыль адсорбирует негорючие газы (СО₂, N₂), ее пожарная опасность уменьшается.

Склонность к электризации. Склонность к электризации – способность пыли приобретать заряды статического электричества.

Электризация пылинок происходит в результате адсорбции ионов газов из воздуха, при трении пыли о твердую поверхность или о воздух, при дроблении или измельчении твердого вещества.

Эффективным методом борьбы с накапливанием зарядов статического электричества является повышение относительной влажности воздуха. При влажности воз­духа 70% электризация пыли опасности уже не пред­ставляет, однако во многих случаях такую влажность в условиях производства поддерживать невозможно, так как она может оказывать вредное воздействие на каче­ство изделий. Основным и обычно эффективным меро­приятием обеспечения безопасности в этих случаях мо­жет быть тщательное заземление и соединение всех ме­таллических частей устройства как неподвижных, так и движущихся.

Классификация пылей по пожарной опасности

Вывод по вопросу. Изучены условия образования паровоздушных смесей над поверхностью жидкостей и твердых горючих материалов, факторы, определяющие пожарную опасность пылей.