2015-04-17
5822
Пыли относятся к дисперсным системам, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фразой – твердое вещество в раздробленном состоянии (с размером частиц менее 850 мкм)
Иногда можно встретить такое определение пылей.Пыли – диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм (по ГОСТ 12.1.044-89).
Различают два состояния пылей
Аэрозоль – система, состоящая из тонкодиспергированной фазы твердого или жидкого вещества, находящейся во взвешенном состоянии в воздухе. Другими словами, аэрозоль – пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли пожаровзрывоопасны.
Осадки, которые получаются при разрушении (коагуляции) аэрозолей, называются аэрогелями. Другими словами, аэрогель – осевшая на поверхности пыль. Аэрогели пожароопасны.
Аэрогели и аэрозоли являются гетерогенными системами. Однако горение этих систем происходит по различным механизмам. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ, а горение большинства аэрозолей протекает в виде взрыва. Поэтому аэрозоли более пожаровзрывоопасны, чем аэрогели.
|
|
|
Пожарная опасность аэрогелей характеризуется температурой воспламенения, температурой самовоспламенения, температурой самонагревания, которая определяет склонность пылей к самовозгоранию. Мы уже говорили, что горение аэрогелей происходит аналогично горению ТГМ в измельченном состоянии. Однако главная их опасность заключается в том, что при относительно небольших возмущениях они способны переходить во взвешенное состояние (происходит так называемое взмучивание).
Рассмотрим подробнее пожаровзрывоопасность аэрозолей относящихся к пылевоздушным системам, что отвечает цели данной лекции.
Аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газовоздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется НКПР пламени, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва и скоростью нарастания давления взрыва. Однако механизм распространения пламени по пылевоздушным системам имеет существенные отличия от механизма распространения пламени по газовоздушным системам.
Из свойств пылей, характеризующих их пожаровзрывоопасность наиболее важными являются:
- дисперсность;
- химическая активность;
- адсорбционная способность;
- склонность к электризации.
Дисперсность
Дисперсностью называется степень измельченности частичек пыли. Если кубик объемом 1 см3 разбить на n3 кубиков, то каждый кубик будет иметь ребро а = 1/n см. Отсюда n = 1/а. Величина n называется степенью дисперсности. Следовательно, степень дисперсности – это величина, обратная диаметру пылинки. Чем больше степень дисперсности, тем меньше диаметр пылинок.
|
|
|
n = 1/dср; см-1 (19)
где dср – средний диаметр пылинок, см.
Со степенью дисперсности пыли тесно связана удельная поверхность пыли, которая увеличивается с повышением степени дисперсности пыли. Удельную поверхность Sуд аэрозольной системы можно выразить уравнением:
Sуд = S1,2 / V (20)
где S1,2 – поверхность между фазами 1 и 2, м2;
V – объем дисперсной фазы, м3.
Дисперсность оказывает наиболее существенное влияние на все другие свойства пылей. С увеличением степени дисперсности повышается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, понижается температура самовоспламенения и величина НКПР пламени.
Химическая активность
Под химической активностью понимается способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе и в реакции окисления и горения.
Химическая активность пыли определяется природой вещества, из которого она образована, и в большой степени зависит от ее дисперсности.
Например, 500 г каменного угля в кусках сгорает в течение нескольких минут, а 500 г каменноугольной пыли сгорает за доли секунды. Металлы – железо, алюминий, цинк, обычно не горящие при нормальных условиях, при измельчении в пудру самовозгораются при контакте с воздухом.
Это объясняется тем, что скорость химической реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а так как с увеличением дисперсности увеличивается удельная поверхность, химическая активность возрастает.
Адсорбционная способность
Твердые частицы пыли способны адсорбировать окружающие пары и газы.
Адсорбция – это поглощение паров и газов поверхностью вещества. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция протекает самопроизвольно за счет сил межмолекулярного взаимодействия и адсорбируемые пары и газы стремятся полностью занять всю поверхность каждой пылинки.
Химическая адсорбция (хемосорбция) – поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества с поверхностью твердой пылинки.
И первый, и второй вид адсорбции сопровождается выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии геля способны самонагреваться и самовозгораться.
Поверхностью частичек пыли могут адсорбироваться и негорючие газы (N2, CO2), что снижает ее пожарную опасность: понижается склонность пыли к самовозгоранию, повышается ее температура самовоспламенения и т.д.
Склонность пыли к электризации
Электризацией называется способность пыли приобретать заряды статического электричества.
Частицы пыли могут приобретать заряд статического электричества путем:
1) адсорбции ионов газов из воздуха, где пыль находится во взвешенном состоянии;
2) трения пыли о твердую поверхность, частиц пыли друг о друга или о воздух;
3) дробления или измельчения твердого вещества.
Исследования показывают, что заряды в дробилках зерна достигают 10000-11000 В, а в вальцовых мельницах – от 5000 до 7000 В. При разряде зарядов такой величины могут возникать искры, способные воспламенять облако пыли. Величина зарядов при электризации пыли во время ее движения зависит от концентрации, размеров частиц, скорости движения пылевой смеси, влажности атмосферы и других факторов.
Ни диффузионная теория (за счет диффузии активных центров), ни тепловая (за счет теплопроводности) не могли объяснить столь высоких скоростей распространения пламени по пылевоздушным системам (до 22 м/с по торфяной взвеси в воздухе). Для сравнения: максимальная скорость распространения пламени по водородо-кислородной смеси (гремучая смесь) - до 10 м/с.
В последующем было выдвинуто и обосновано предположение, что распространение пламени по пылевоздушным смесям происходит главным образом за счет прогрева холодной смеси лучистым тепловым потоком от фронта пламени. Твердые частицы порошка, поглощая лучистый тепловой поток, нагреваются и разлагаются с выделением газообразных горючих продуктов (летучих), которые образуют горючие смеси с воздухом.
|
|
|
Особенностью данного механизма распространения пламени является то, что глубина прогрева и разложения твердых частиц лучистым потоком достаточно велика. Вследствие чего перед фронтом пламени образуется значительный слой парогазовоздушной смеси, прогретой до высокой температуры, соизмеримой с температурой разложения твердой фазы (обратить внимание на скорость прогрева – стремится к скорости света).
Итак, определяющим фактором в механизме распространения пламени по пылевоздушным системам является прогрев системы лучистым тепловым потоком от фронта пламени.
Тогда для скорости распространения пламени можно записать следующее выражение:
U=q0/Cэ(Tc-T0) (21)
где q0 – интенсивность лучистого потока от факела пламени, кВт×м-2;
Сэ – эффективная теплоемкость дисперсной фазы, Дж×моль-1×К-1;
Тс – температура самовоспламенения частиц, К;
То – начальная температура частиц, К.
Данное уравнение было скорректировано ученым О.М. Тодесом. При горении аэровзвеси, содержащей частички диаметром 0,1-1,0 мм, скорость распространения пламени подчиняется соотношению:
(22)
где σ – постоянная Стефана – Больцмана, 1,380662×10-23 Дж×К-1;
Тэ – эффективная температура лучеиспускания (фронта пламени), К.
Скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям зависит от ее дисперсности, количества летучих веществ, состава воздуха, концентрации пыли, влажности пыли и воздуха, начальной температуры пыли, наличия флегматизаторов и от мощности источника зажигания.
Воспламенение и распространение пламени по всему объему аэровзвеси происходит только в том случае, если ее концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов распространения пламени.
|
|
|
Наименьшая концентрация пыли в воздухе (в г/м3 или кг/м3), при которой смесь способна воспламеняться от постороннего источника зажигания с последующим распространением пламени на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени по аэровзвеси.
НКПР пыли характеризует степень пожаро– и взрывоопасности аэровзвесей в производстве, где эти пыли образуются. Этот показатель учитывают при классификации производств по степени пожарной опасности, при расчете безопасных режимов работы установок пневмотранспорта, пылеосаждения и т.п. В таблице 3 приведены НКПР пламени некоторых пылей.
Таблица 3.
Нижние концентрационные пределы воспламенения некоторых пылей
| Пыль, ее характер | Выход фракции 70 мкм, % | Технический анализ для фракции 850 мкм | Нижний предел воспламенения, г/м3 | |
| Влажность % | Зольность % | |||
| Мучная пыль всасывающих фильтров Сенная пыль Торфяная пыль из газоходов осадительной трубы Угольная пыль (Подмосковный бассейн) Эбонитовая пыль с вальцового станка | 32,0 17,0 65,0 57,1 80,0 | 9,3 8,19 16,5 7,8 - | 2,58 33,0 7,0 32,4 - | 30,2 55,4 17,6 114,0 7,6 |
Под зольностью пыли понимается остаток негорючих частиц твердого вещества. Увеличение зольности пыли приводит к увеличению расстояния между горючими пылинками, что приводит к снижению выхода летучих и увеличению теплопотерь из зоны реакции. Следовательно, чем выше зольность частиц твердого тела, составляющих аэровзвесь, тем меньше ее взрывоопасность. Если зольность пыли 50% и выше, то пыли имеют слабую способность или вообще не способны взрываться.
Обычно концентрации, соответствующие НКПР, возможны только в аппаратуре, установках или в непосредственной близи них. Если концентрация пыли, равная НКПР, создается в производственном помещении, то на расстоянии 3-4 м предметы различить невозможно.
Вы, наверное, обратили внимание, что мы с вами оперируем только понятием НКП. А ВКПР? Существуют ли ВКПР у пылей?
Что касается ВКПР пламени аэровзвеси, то они настолько велики, что в большинстве случаев практически недостижимы. Так, ВКПР для аэровзвеси сахарной пудры равен 13,5 кг/м3, для торфяной пыли - 2,2 кг/м3. Поэтому в справочной литературе даны только НКПР.
НКПР пламени аэровзвесей непостоянны. Они зависят от тех же факторов, что и скорость распространения пламени по пылевоздушным системам.
