Свойства, определяющие пожароопасность пылей

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. Пыли по общей классификации коллоидно-дисперсных систем относятся к аэрозолям, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой — твердое вещество в раздробленном состоянии (с частицами размером менее 100 мкм).

Пыль может образовываться при механическом измельчении твердых тел, а также при получении порошкообразных и пылеобразных веществ методами кристаллизации и сублимации; может находиться в осевшем и
во взвешенном состоянии. Осевшая пыль называется аэрогелем (пыль — гель). Пыль, находящаяся во взвешенном в воздухе состоянии, называется аэрозолем (пыль — аэровзвесь). Аэрогели и аэровзвеси являются гетерогенными системами. Аэровзвеси 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 аэровзвеси сходны тем, что горение большинства из них протекает в виде взрыва поэтому аэровзвеси, как и газовоздушные смеси, характеризуются многими однотипными параметрами. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ. Поэтому аэровзвеси более пожаро-взрывоопасны, чем аэрогели.

Из свойств аэровзвесей наиболее важными являются:

дисперсность,

химическая активность,

адсорбционная способность,

склонность к электризации.

Дисперсность. Дисперсностью называется степень измельченности частичек пыли. Степень дисперсности — это величина обратная диаметру пылинки. Чем больше степень дисперсности, тем меньше диаметр пылинок.

Для частиц неправильной формы вводится понятие эквивалентного диаметра. Это диаметр шара, имеющего, объем, равный объему средней частицы пыли. Средний диаметр характеризует полидисперсную пыль (пыль, состоящую из пылинок различного диаметра).

Дисперсный состав пыли определяют методами микроскопии, седиментометрии и механического разделения (ситовой и фильтрационный анализ). Наиболее распространенным методом является ситовой 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 степени дисперсности пыли.

С увеличением степени дисперсности повышается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, понижается температура самовоспламенения и величина нижнего концентрационного предела воспламенения.

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 (качественный и количественный состав и строение
молекул вещества), и в большой степени зависит от ее дисперсности. С увеличением дисперсности возрастает химическая активность пыли. Это объясняется тем, что химическая реакция между твердым веществом (пылинками) и газообразным окислителем протекает на поверхности твердого вещества. Скорость реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Металлы — железо, алюминий, цинк, обычно не горящие при нормальных условиях, в состоянии пудры моментально самовозгораются при контакте с воздухом. Химическая активность зависит от количества дефектов молекулярных и кристаллических структур, число которых в свою очередь зависит от дисперсности и природы вещества.

Адсорбционная способность. Твердые частицы пыли способны адсорбировать окружающие пары и газы. Адсорбцией называется поглощение паров и газов поверхностью вещества. Различают физическую и химическую
адсорбцию. Физическая адсорбция протекает за счет
сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса). Физическая адсорбция протекает самопроизвольно, и адсорбируемые пары и газы стремятся полностью запять всю поверхность каждой пылинки.

Величина адсорбированных пылинкой паров и газов зависит от поверхности пылинки и величины дипольного момента молекул адсорбируемых газов и самого твердого вещества, из которого образовалась пыль.

Вещества пористой структуры обладают более высокой адсорбционной способностью.

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

Адсорбированные на поверхности пылинки, молекулы паров и газов повышают устойчивость аэровзвеси, увеличивают возможность окисления, ускоряют подготовку пыли к горению. Адсорбция пылью ионов из воз-
духа способствует ее электризации. Но если пыль адсорбирует негорючие газы (N₂, СО₂), ее пожарная опасность уменьшается, понижается склонность пыли к
самовозгоранию, повышается температура самовоспламенения, снижается склонность пыли ко взрыву. Это явление находит практическое применение на объектах народного хозяйства.

Склонность пыли к электризации. При размоле твердых веществ, транспортировании их по пылепроводам и при движении пыли по воздуху пылинки способны электризоваться.

Электризацией называется способность пыли приобретать заряды статического электричества. Электризация пылинок происходит:

- в результате адсорбции ионов газов из воздуха, где пыль находится во взвешенном состоянии;

- при трении пыли о твердую поверхность или о воздух;

- при дроблении и измельчении твердого вещества.

Величина заряда статического электричества зависит от скорости движения пыли (силы трения), степени дисперсности пыли, величины удельного электрического сопротивления и от влажности пыли и воздуха. Чем больше скорость движения пыли и больше степень дисперсности, тем больше величина заряда статического электричества.

При транспортировании аэровзвеси по трубопроводу потенциал зарядов изменяется по его сечению. Наиболее низкий потенциал наблюдается вблизи стенок трубопровода, а наиболее высокий — на расстоянии 2 см
от стенок.

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.

Пожарная опасность аэрогелей характеризуется:

температурой воспламенения,

температурой самовоспламенения,

температурой самонагревания, которая определяет склонность пыли к самовозгоранию.

Температура воспламенения аэрогеля — это та 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. При воздействии на пыль — гель определенного количества тепла она нагревается до температуры воспламенения, при которой начинается ее разложение, сопровождаемое выделением тепла. Образующиеся пары и газы воспламеняются и сгорают, при этом выделяется тепло, которое в дальнейшем активизирует процесс горения.

Температура воспламенения веществ может изменяться в зависимости от ряда факторов. С увеличением степени дисперсности температура воспламенения понижается. Увеличение влажности приводит к повышению температуры воспламенения целлюлозных и полимерных пылей.

Процентное содержание кислорода в воздухе также влияет на величину температуры воспламенения.

Для аэрогелей важным параметром является температура тления. В процессе нагрева пыли при определенной температуре образуются на некоторых участках обугленные продукты реакции, которые при дальнейшем
нагревании переходят в пирофорное состояние и самопроизвольно накаляются до свечения (пыль начинает тлеть). Следовательно, температурой тления называется наименьшая температура разогрева пыли—геля, при которой на отдельных участках ее появляется тление. Тлеющая пыль представляет собой большую опасность, так как при слабом встряхивании тлеющей массы она мо-
ментально самовоспламеняется, что обусловлено большим притоком кислорода воздуха. Температура тления зависит так же, как и температура воспламенения, от степени дисперсности пыли, ее влажности, теплоемкости и теплопроводности.

Температура самовоспламенения пыли—геля тоже является весьма важным параметром, характеризующим ее пожарную опасность. Это та наименьшая температура нагрева пыли, при которой резко ускоряются экзотер-
мические реакции, приводящие к пламенному горению. Чем ниже температура самовоспламенения, тем более опасна пыль. Величина температуры самовоспламенения зависит от измельченности пыли. Чем выше степень дисперсности пыли, тем ниже температура самовоспламенения. Температура самовоспламенения полимерных и целлюлозных пылей понижается с увеличением концентрации кислорода в воздухе и с уменьшением влажности пыли.

Многие аэрогели склонны к самовозгоранию — процессу самопроизвольного разогрева до температуры самовоспламенения. Чем ниже температура самонагревания аэрогеля, тем большую опасность в отношении самовозгорания представляет такая пыль.

Наиболее подвержены микробиологическому самовозгоранию травяная мука, древесная мука и древесные опилки. Тепловыделение этих пылей обусловлено жизнедеятельностью растительных клеток и микроорга-
низмов, при этом пыль нагревается до температуры разложения и в отдельных местах обугливается. Образующийся уголь адсорбирует пары и газы, нагреваясь до температуры, при которой интенсивно окисляется и начинает тлеть. Металлические пудры и порошки обладают склонностью к химическому самовозгоранию при взаимодействии их с окислителями (кислородом, хло-
ром, бромом). Процесс самовозгорания происходит при обычной (комнатной) температуре. Так, алюминиевая пудра самовозгорается в атмосфере хлора и в парах галоидоуглеводородов со взрывом.

Теория горения аэровзвесей

Аэровзвеси воспламеняются и горят аналогично газовоздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газовоздушные смеси:

- нижним концентрационным пределом воспламенения,

- минимальным взрывоопасным содержанием кислорода,

- минимальной энергией зажигания,

- максимальным давлением взрыва и скоростью нарастания давления.

Процесс воспламенения аэровзвеси протекает в соответствии с тепловой или цепной теорией самовоспламенения. Для большинства органических пылей характерно протекание под воздействием источника зажигания подготовительных процессов, как и для твердых веществ. Затем начинается окисление, достигается температура самонагревания и происходит самовоспламенение.

Образовавшийся фронт пламени распространяется по аэровзвеси с определенной скоростью, которая зависит от ряда факторов

где — коэффициент Стефана — Больцмана, Вт/(м^г • К⁴) ; Т_в — эквивалентная температура излучения; С₀ — объемная теплоемкость аэрозоля, Дж/(м² К); Т_в — температура воспламенения частиц, К; Т₀ — начальная температура аэрозоля, К.

Скорость распространения фронта пламени возрастает с уменьшением объемной теплоемкости аэровзвеси и повышением ее начальной температуры.

Скорость распространения фронта пламени обратно пропорциональна диаметру частиц аэровзвеси.

Давление при взрыве и скорость его нарастания уменьшаются с увеличением размера пылинок. При крупности пылинок 40—50 мкм

нижний концентрационный предел воспламенения и скорость распрост-
ранения пламени мало зависят от диаметра, но с увеличением крупности
частиц резко возрастает нижний концентрационный предел воспламене-
ния и уменьшается скорость распространения пламени.

Скорость распространения фронта пламени зависит от концентрации пыли. Минимальная скорость распространения пламени достигается при концентрации пыли, на много большей стехиометрической. Это свидетельст-
вует о том, что процесс горения пыли несовершенен; сгорают наиболее мелкие частицы пыли, крупные — не успевают разложиться и лишь обугливаются с поверхности.

Скорость распространения пламени при горении пыли зависит от концентрации кислорода в воздухе. С увеличением концентрации О₂ скорость распространения пламени возрастает. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается в чистом кислороде.

Исследование процесса распространения пламени в аэровзвесях угольной пыли показали, что в трубах или штольнях значительной протяженности возникает ударная волна. Установлено, что при горении каменноугольной пыли скорость распространения ударной волны равна 338 м/с, скорость движения воздуха за ударной волной 30 м/с, скорость пламени 7 м/с, скорость сгоревших газов позади пламени 5 м/с. Этот режим быстрого распространения пламени, до некоторой степени приближающийся к режиму детонации, обусловлен не теплопроводностью или излучением, а сжатием прилегающих к фронту пламени слоев газа и связанным с ним резким повышением температуры. В этом случае процесс распространения взрыва, очевидно, будет определяться свойствами газовой фазы, образовавшейся при сгорании аэровзвесей.

При возникновении даже самой небольшой локальной вспышки аэрогель быстро переходит во взвешенное состояние, что приводит к образованию вторичного, более сильного взрыва пыли. Взрывная ударная волна опережает фронт пламени, переводя во взвешенное состояние по пути своего движения все большие и большие количества пыли, подготавливая среду для распространения пламени и таким образом усиливает взрывной эффект.

При горении аэровзвесей некоторых веществ газообразные продукты не образуются (например, при горении алюминия), и объем газообразных продуктов после взрыва равен объему газообразных веществ до реакции. В этом случае увеличение давления при взрыве объясняется лишь нагреванием.

Давление, возникающее при взрыве аэровзвеси, сопровождается волной сжатия, скорость распространения которой в окружающей среде может изменяться от нескольких сантиметров в секунду до нескольких сотен
метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения и повреждения оборудования.

Пыль-аэрогель можно представить как твердое вещество в состоянии тонкого измельчения. При ее нагревании возникает окисление, которое при определенной скорости реакции переходит в самовоспламенение и горе-
ние. Температура самовоспламенения пыли-аэрогеля и процесс горения ее практически не отличаются от температуры самовоспламенения и характера горения твердого вещества.