Пылевоздушные смеси

Взрыв пыли (серы, фосфора, каменного угля и других твердых горючих веществ) происходит при мгновенном соединении горючей части пыли с кислородом воздуха с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов, которые нагреваясь, расширяются и образуют взрывную волну. Сила и интенсивность взрыва пыли зависят от многих факторов и достигают максимальных значений при соответствующем соотношении горючей массы и кислорода. Процесс окисления кислородом протекает на поверхности твердых частиц пыли. В зависимости от структуры и свойств исходного вещества и условий образования пыли ее частицы могут иметь различную форму, быть волокнистыми, гладкими, шероховатыми, иметь различные размеры, что обусловливает воспламеняемость и взрываемость пыли.

Скорость образования взрывоопасной смеси возрастает по мере увеличения поверхности контакта воздуха и твердых частиц пыли.

Поэтому опасность взрыва зависит от размера частиц пыли и содержания кислорода в системе. Мелкодисперсная пыль с сильно развитой поверхностью характеризуется большей активностью, более низкой температурой самовоспламенения и широким интервалом между нижним и верхним концентрационными пределами взрываемости.

При низких концентрациях пыли расстояние между частицами, находящимися во взвешенном состоянии, велико, переноса пламени от частицы к частице не происходит, следовательно, взрыв не распространяется на весь объем. Чрезмерно большое количество пыли также препятствует возникновению и распространеню взрывов, так как в этом случае в смеси содержится слишком мало кислорода для сгорания пыли.

В отличие от газовых смесей образование взрывоопасного облака аэрозоля в помещении может происходить в процессе самого взрыва. Взрыву в большинстве случаев предшествуют локальные хлопки в оборудовании и воспламенение в отдельных участках здания, что вызывает встряхивание пыли, осевшей на полу, стенах и других строительных конструкциях и оборудовании. Это приводит к образованию взрывоопасных концентраций пыли во всем объеме, взрыв которой вызывает сильные разрушения. Установлено, что с увеличением объема помещения (сосуда) максимальное давление взрыва возрастает, а скорость нарастания давления снижается.

Уровень опасности взрыва пыли, так же как и парогазовых смесей, характеризуется концентрационными пределами воспламенения, объемной плотностью энерговыделения, максимальным давлением, возникающим при воспламенении, скоростью распространения пламени и нарастания давления при взрыве, максимально допустимым содержанием кислорода в смеси пыли с воздухом, при котором пыль не воспламенится.

Пылевзвеси характеризуются весьма широким интервалом концентрационных пределов распространения пламени – от десятков граммов до килограммов в 1 м³ воздуха. Верхние концентрационные пределы распространения пламени пыли обычно достаточно велики и достичь их в производственных помещениях даже при аварийных ситуациях практически невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также более высокие концентрации, при которых достигается максимальная объемная плотность энерговыделения. Нижний концентрационный предел распространения пламени аэрозолей органических веществ с увеличением влажности твердой фазы пыли всегда повышается. и при содержании влаги ≈20-25% по массе аэрозоли становятся невзрывоопасными. Присутствие в горючих пылевзвесях других инертных компонентов также повышает нижний концентрационный предел.

При взрывах аэрозолей со стехиометрическим соотношением твердого вещества и воздуха, в отличие от взрывов парогазовых смесей, не достигается максимальное избыточное давление. Максимальные параметры ударных волн наблюдаются при значительном избытке воздуха и концентрации твердой фазы, в 3-4 раза превышающей нижний концентрационный предел распространения пламени, что обусловлено неполнотой сгорания пыли. Однако при этом объемная плотность энерговыделения во многих случаях близка к значениям показателя для парогазовых смесей стехиометрического состава.

Для данного твердого горючего вещества всегда могут создаться оптимальные условия взрыва аэрозоля в воздухе, при которых достигаются максимальные значения параметров ударной волны (давления и скорости его нарастания). При прочих равных условиях этому соответствует оптимальное соотношение твердой фазы и кислорода, при которых достигается максимальное удельное объемное тепловыделение. Отклонения от этого оптимального состава, так же как и отклонения от стехиометрического соотношения газовых смесей, приводят к снижению объемной плотности энерговыделения и соответственно к снижению параметров ударных волн.

Для оценки уровня взрывоопасности аэрозоля в помещении (сосуде) определяют энергетический потенциал взрыва по формуле:

Е = q_vV,

где q_v – объемная плотность энерговыделения, кДж/м³;

V – объем пылевоздушного облака, м³.

При положительном балансе кислорода в аэрозоле значения q_v рассчитывают как теплоту сгорания всего вещества в 1 м³ смеси. При отрицательном балансе, когда часть твердой горючей массы в смеси при взрыве останется несгоревшей, объемную плотность энерговыделения рассчитывают по наличию имеющегося кислорода с учетом его минимального взрывоопасного содержания.

В общем случае для технологического блока со взрывоопасными аэрозолями по аналогии с парогазовыми смесями можно определить тротиловый эквивалент W, используя для этого энергетический баланс ударной волны:

Vcqzz′ = 0,9q_тW,

где V – объем аэрозоля, м³;

с – концентрация дисперсной горючей среды в смеси, кг/м³;

q – теплотворная способность твердой фазы, кДж/кг;

q_т – удельная энергия сгорания тротила, кДж/кг;

z – доля участия взвешенного дисперсного продукта во взрыве;

z′ - доля энергии взрыва пыли, расходуемой на образование ударной волны (принимается по аналогии с парогазовыми смесями);

Для определения радиусов R_i зон интенсивности воздействия ударной волны при взрыве пылевоздушной смеси пользуются формулой:

R_i = К_i ³ W/ [1 + (3180/W)²]^1/6,

где W – тротиловый эквивалент, кг;

К_i – коэффициент пропорциональности, соответствующий определенной зоне интенсивности ударной волны (см. таблицу 8.3).

Избыточное давление взрыва ∆Р (кПа) пылевоздушной смеси в объеме помещения рассчитывают по формуле:

∆Р = GgP_oz / V_свρ_вс_рТ_оК_н,

где G – масса взвешенной пыли, кг;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;

Р_о - начальное (атмосферное) давление в помещении (101 кПа);

z – доля участия взвешенного дисперсного продукта во взрыве;

V_св – свободный объем помещения, м³;

ρ_в – плотность воздуха (1,29 кг/м³);

с_р - теплоемкость воздуха [1,01 кДж/(кг∙К)];

Т_о – начальная температура воздуха в помещении, К;

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускается принимать К_н = 3).

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте каждую из четырех групп конденсированных

взрывчатых веществ по степени взрывоопасности.

2. Охарактеризуйте физические взрывы сосудов со сжатыми газами (парами).

3. При каких условиях возможны взрывы горючих парогазовых смесей?

4. Почему возможен взрыв приналичии перегретых жидкостей?

5. Какими факторами характеризуется уровень опасности взрыва пыли?

6. Приведите формулу для оценки уровня взрывоопасности аэрозоля в помещении (сосуде).

7. Приведите формулу для определения избыточного давления взрыва пылевоздушной смеси в помещении.