Анализ пожарной опасности применяемых в технологических процессах веществ и материалов

В процессе изучения документации на технологические процессы выясняется количество и агре­гатное состояние применяемого сырья, промежуточных продуктов, вспомогательных материалов, отходов производства и готовой продукции. Вещества и материалы, свойства которых ка­ким-либо образом благоприятствуют возникновению или развитию по­жаров и взрывов в условиях производства, относят к пожаровзрыво­опасным.

Номенклатура показателей пожаровзрывоопасности для газов, жидкостей, твердых веществ и материалов и пылей установлена ГОСТ 12.1.044. Все необходимые сведения о пожаровзрывоопасности применяемых в производстве веществ и материалов можно найти по справочникам и информационным материалам науч­но-исследовательских организаций . Если данные о пожаровзрывоопасных свойствах веществ и мате­риалов в технологической документации отсутствуют, и в справочной литературе нет по ним информации, то необходимо их определить расчетом.

Собранные сведения о пожаровзрывоопасности применяемых в производстве веществ и материалов рекомендуется сводить в общую таблицу (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1 ― Оценка пожарной опасности обращающихся веществ и материалов

Наименование вещества	Показатели пожарной опасности
Группа горючести	tвсп, оС	tвос, оС	tсв, оС	, г/м3 (%)	, г/м3 (%)	tн, оС	tв, оС	Другие показатели

При оценке пожарной опасности веществ и материалов необходимо учитывать, что в процессе их обработки, изменения рабочих параметров и воздействия других факторов, предусмотренных условиями проведения технологических процессов, показатели пожаровзрывоопасности могут значительно изменяться. Так температура самовоспламенения веществ может снижаться при увеличении объема смеси (объема аппарата), увеличении давления, при использовании катализаторов.

С повышением рабочей температуры в аппарате нижний концентрационный предел распространения пламени будет уменьшаться, а верхний - увеличиваться. Значения НКПР и ВКПР (в %) при температурах, превышающих 25 ^оС, определяются по формулам:

, (2.1)

. (2.2)

В процессе механической обработки твердых горючих веществ (например, зерновых культур) значение нижнего концентрационного предела для пыли может значительно уменьшаться по мере продвижения сырья по технологической цепочке. Это обусловлено, прежде всего, уменьшением дисперсности частиц, уменьшением содержания минеральных примесей, увеличением поверхности материала контактирующей с кислородом воздуха, образованием на поверхности ненасыщенных валентных связей с высокой реакционной способностью, снижением влажности материала и влиянием других факторов.

При анализе пожарной опасности технологических процессов необходимо учитывать все факторы, которые могут повлиять на изменение пожаровзрывоопасных свойств обращающихся веществ и материалов. С учетом этого возникает необходимость оценки пожарной опасности каждого отдельно взятого технологического аппарата или участка технологической цепочки, где происходит изменение рабочих параметров или превращение веществ.

2.3 Оценка возможности образования горючей среды внутри технологического оборудования

Применяемые в различных технологиях аппараты и трубопроводы с пожаровзрывоопасными веществами при определенных условиях могут явиться местом возникновения пожара или взрыва. Для выявления возможности возникновения горения внутри технологического оборудования необходимо, прежде всего, оценить возможность образования в нем горючей среды. Под горючей средой понимается смесь горючего вещества с окислителем в таких соотношениях, при которых возможно возникновение и дальнейшее развитие горения.

Для оценки возможности образования горючей среды внутри технологического оборудования необходимо знать основные режимные параметры (рабочую температуру, давление, концентрацию), а для аппаратов с жидкостями необходимо также иметь сведения о наличии свободного объёма. Эта информация содержится в технологической документации.

Полученные данные рекомендуется сводить в общую таблицу (см. табл. 2.2), которая впоследствии может быть использована при вынесении заключения о возможности образования в аппаратах горючей среды.

Условия образования горючей среды в аппаратах с горючими газами, жидкостями, твердыми материалами и пылями несколько отличаются.

Аппараты с газами чаще всего заполняются чистыми горючими газами без примесей окислителя. Такие аппараты всегда находятся под избыточным давлением, поэтому поступление воздуха в них не­возможно, а следовательно, невозможно и образование горючей среды.

В редких случаях по условиям технологии в аппарат необходимо подавать смесь горючего газа с воздухом или кислородом (например, при получении водорода конверсией метана или при получении ацети­лена путем

Таблица 2.2 ― Анализ пожарной опасности аппаратов

Наименование аппаратов и обращающихся в них горючих веществ (с указанием агрегатного состояния)	Сведения о наличии свободного объема	Основные рабочие параметры	Вывод о возможности образования горючей среды
jр, %, (г/м3)	Рр, Па	tр,оС

термоокислительного пиролиза природного газа). В таких ситуациях возможность образования горючей среды оценивают путем сравнения рабочей концентрации j_р с нижним и верхним концентраци­онными пределами распространения пламени. Горючая среда будет иметь место, если выполняется условие:

. (2.3)

В закрытых аппаратах с жидкостями горючая среда может образоваться только в том случае, когда над поверхностью (зеркалом) жидкости имеется свободный объем. При этом любая жидкость, находящаяся в аппарате, будет испаряться, и ее пары постепенно распределятся в свободном пространстве. Если в свободном пространстве аппарата имеется воздух или любой другой окислитель, то пары жидкости, смешиваясь с ним, могут образовать горючую среду.

Наличие над зеркалом жидкости свободного пространства является необходимым, но не достаточным условием для образования горючей среды. Для того чтобы выяснить наличие в аппарате горючей паровоздушной смеси, необходимо, как и в случае с газами, проверить условие (2.3).

Однако при этом следует учитывать, что концентрация паров по высоте свободного пространства распределяется неравномерно. Над поверхностью жидкости она близка к концентрации насыщения, а у крыши аппарата её значения минимальны. Даже на одной и той же высоте в различные промежутки времени от начала испарения концентрация будет отличаться. Это обусловлено, прежде всего, особенностями протекания процесса диффузии паров в свободное пространство аппарата. То есть для технологического оборудования с горючими жидкостями характерно то, что в свободном пространстве может присутствовать лишь некоторая область концентраций, которая находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения. Высота расположения зоны опасных концентраций с течением времени изменяется. С методиками расчётного определения концентрации паров в свободном пространстве аппаратов с жидкостями можно ознакомиться в специальной технической литературе [].

Для аппаратов с неподвижным уровнем жидкости (например, для аппаратов непрерывного действия) оценка возможности образования горючей среды может быть облегчена. Эксплуатация таких аппаратов характеризуется неизменными значениями рабочей концентрации при постоянной температуре и давлении в аппарате. Учитывая это, оценку возможности образования горючей среды можно провести путем сравнения рабочей температуры жидкости t_р со значениями температурных пределов распространения пламени. Горючая среда в аппара­тах с неподвижным уровнем жидкости будет образовываться в том случае, если выполняется условие:

(2.4)

Условие (2.4) можно также использовать и для аппаратов с подвижным уровнем жидкости в период их заполнения после простоя. Это обусловлено тем, что при подъеме уровня жидкости в аппарате насыщенная концентрация паровоздушной смеси над зеркалом жидкости не изменяется. В случае же опорожнения таких аппаратов состояние насыщения свободного пространства парами жидкости нарушается за счет поступления дополнительного количества воздуха через дыхательную арматуру. При этом концентрация паров над зеркалом жидкости уменьшается и может стать опасной. Поэтому оценку возможности образо­вания горючей среды в период опорожнения аппаратов производят только по условию (2.3).

Итак, в общем случае возможность образования горючей среды в закрытых аппаратах с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями может быть оценена путем:

1) проверки наличия над зеркалом жидкости свободного паровоздушного объема;

2) сравнения рабочей концентрации паров жидкости с концентрационными пределами воспламенения;

3) сравнения рабочей температуры жидкости в аппарате со значениями температурных пределов воспламенения.

В технологическом оборудовании с твердыми горючими веществами и материаламигорючая среда может образоваться при тепловом воздействии на последние или в результате их саморазогрева. Как известно, сами твердые горючие вещества и материалы не способны образовывать в смеси с воздухом горючую среду. Однако в процессе их нагрева до некоторых температур может начаться процесс разложения с выделением летучих. Так, в процессе пиролиза древесины при температурах 150 – 275 ^оС происходит разложение менее термостойких ее компонентов с выделением окиси углерода, уксусной кислоты, метана, водорода и других веществ. Выделяющиеся продукты разложения в смеси с окислителем при определенных условиях могут образовывать горючую смесь. В таких случаях оценку возможности образования горючей среды в технологическом оборудовании производят, как и в случае газами, по условию (2.3).

Технологические аппараты с горючими пылями характеризуются значительной пожарной опасностью. При работе мельниц, дробилок, хлопковых разрыхлителей, центробежных классификаторов, систем пневмотранспорта образуется очень большое количество пыли. Пыли в таких аппаратах могут находиться во взвешенном в воздухе состоянии (аэрозоль) и в осевшем состоянии (аэрогель). В первом случае пожарная опасность пылей рассматривается как для газов и паров, во втором случае ─ как для твердых веществ и материалов.

Взвешенная в воздухе пыль может образовывать взрывоопасные концентрации. Для оценки возможности образования горючей среды внутри технологического оборудования с пылевидными материалами на практике используют значение нижнего концентрационного предела распространения пламени j_н. Верхние концентрационные пределы для пылей настолько велики, что практического значения для оценки пожарной опасности не имеют. Кроме того, пылевоздушные смеси в большей степени, чем паро- и газовоздушные, склонны к расслоению. Поэтому в оборудовании даже при очень высоких концентрациях всегда могут образовываться локальные зоны с концентрацией ниже ВКПР.

При определении рабочей (фактической) концентрации пыли внутри технологического оборудования необходимо учитывать массу взвешенной и осевшей пыли. Горючая среда в аппаратах с пылями будет образовываться в том случае, если выполняется условие:

(2.5)

Взрывы и пожары внутри технологического оборудования часто возникают в периоды неустановившегося режима работы. К таким периодам относятся пуск аппаратов в эксплуатацию и их остановка для профилактического осмотра или ремонта. В эти периоды опасность образования горючей среды внутри технологического оборудования очень высока. Так период пуска оборудования характеризуется поступлением горючих компонентов в объем аппаратов, заполненных воздухом, и выходом аппаратов на заданный рабочий режим. При этом концентрация горючих веществ в аппаратах увеличивается и может стать горючей, если превысит значение НКПР.

Причинами образования горючей среды при остановке технологического оборудования являются:

· снижение температурного режима в аппаратах с рабочей температурой жидкости, превышающей значение ВТПР. При этом температура, снижаясь, войдет в температурную область воспламенения;

· поступление наружного воздуха через дыхательную арматуру при опорожнении аппаратов или через открытые люки при их разгерметизации;

· неполное удаление из аппаратов горючих веществ;

· негерметичное отключение аппаратов от трубопроводов с горючими веществами. При этом горючие вещества через неплотности будут попадать в аппарат, и образовывать в смеси с воздухом горючую смесь.

Все эти особенности необходимо учитывать при оценке возможности образования горючей среды внутри технологического оборудования и разработке пожарно-профилактических мероприятий.

После проведённого анализа возможности образования горючей среды внутри каждого технологического аппарата необходимо дать соответствующее заключение и сделать запись в графе 6 таблицы 2.2.

2.4 Оценка возможности образования горючей среды в производственных помещениях и на открытых технологических площадках при выходе веществ наружу из оборудования

В производственных помещениях и на открытых технологических площадках горючие паро-, газо- и пылевоздушные смеси могут образовываться в двух характерных случаях:

1) При выходе горючих веществ из нормально действующих технологических аппаратов.

2) При выходе горючих веществ из поврежденного технологического оборудования.

При нормальных режимах работы оборудования горючая среда на технологических участках может образовываться в том случае, если по условиям технологии применяются аппараты с открытой поверхностью испарения, аппараты с дыхательными устройствами, аппараты периодического действия и герметичные аппараты, работающие под избыточным давлением.

1-й тип. Аппараты с открытой поверхностью испарения (окрасочные ванны, ванны для пропитки изделий, ванны для промывки и обезжиривания деталей, закалочные ванны и т. п.). Горючая концентрация па­ров жидкости в смеси с воздухом над поверхностью таких аппаратов будет образовываться в том случае, если рабочая температура жидкости t_р будет выше ее температуры вспышки:

(2.6)

2-й тип. Аппараты с дыхательными устройствами. Данные аппараты представляют собой закрытые емкости, внутренний объем которых сообщается с окружающей средой через дыхательные устройства (дыхательные трубы, клапана и т.п.). К таким аппаратам относятся резервуары, мерники, дозаторы и другие емкости, работа которых по условиям технологии требует изменения уровня жидкости.

Выход горючих паров из аппаратов с дыхательными устройствами происходит при увеличении температуры в газовом пространстве и в периоды их заполнения. В таких случаях опасность образования горючей среды у дыхательных устройств оценивают путем сравнения рабочей температуры жидкости t_р в аппарате со значением нижнего температурного предела распространения пламени t_н. Верхний температурный предел распространения пламени t_в не используется, поскольку концентрация паров при их выходе из аппарата снижается и может попасть в область воспламенения. Образование горючей среды у дыхательных устройств возможно, если рабочая температура жидкости в аппарате больше или равна НТПР:

(2.7)

3-й тип. Аппараты, периодически открываемые для выгрузки и загруз­ки веществ. При открывании загрузочных и разгрузочных крышек, лю­ков и других приспособлений, установленных на аппаратах периоди­ческого действия, в окружающую среду может выходить значительное количество горючих паров, газов и пыли. Оценка возможности образования горючей среды в объеме помещений или локальных зонах в общем случае может быть произведена путем сравнения фактической концентрации горючих веществ j_ф со значением нижнего концентраци­онного предела распространения пламени j_н. Горючая среда будет образовываться в том случае, если выполняется условие:

(2.8)

4-й тип. Герметичные аппараты, работающие под избыточным давлени­ем. При эксплуатации таких аппаратов даже при их исправном состо­янии могут происходить небольшие утечки горючих веществ через прокладки, швы, разъемные соединения, уплотнения валов, плунжеров и т.п. Это объясняется тем, что даже при самой тщательной обра­ботке прилегающих друг к другу поверхностей нельзя создать абсо­лютную непроницаемость. При соприкосновении двух поверхностей из-за наличия незначительных выпуклостей образуется большое коли­чество капиллярных каналов, по которым происходит истече­ние газов и жидкостей.

Значительное количество аппаратов, работающих под избыточным давлением, имеют вращающиеся механизмы (лопасти мешалок, колеса насосов, винты шнеков и т.п.). Все эти элементы связаны с элект­роприводом при помощи валов или штоков, которые проходят через корпус аппаратов. Зазоры между валами и корпусом аппаратов чаще всего герметизируются посредством сальниковых уплотнений. Создать надежную герметичность сальников достаточно трудно, в процессе работы оборудования они изнашиваются, поэтому эксплуатация аппа­ратов с наличием сальниковых уплотнений всегда связана с утечками паров, газов или жидкостей.

Для оценки возможности образования горючей среды в объеме помещений или локальных зонах необходимо, как и в случае с аппаратами периодического действия использовать условие (2.8).

Наибольшую пожарную опасность технологическое оборудование представляет в тех случаях, когда нарушается его нормальный режим работы и происходят повреждения аппаратов и коммуникаций. При этом горючие вещества могут выходить наружу в больших количест­вах, растекаться и создавать значительные зоны загазованности.

Все возможные причины повреждений технологического оборудования объединяются в три основные группы:

· механические воздействия (образование повышенного или пониженного давления, динамические нагрузки, эрозионный износ);

· температурные воздействия (воздействие высоких и низких температур, температурные напряжения в металле);

· химические воздействия (химическая и электрохимическая коррозия).

При прогнозировании возможных причин повреждения технологического оборудования необходимо четко представлять цепочку причинно-следственных связей. Любая причина повреждения аппаратов и трубопроводов может стать следствием ряда других причин. Более подробно цепочки причинно-следственных связей, приводящих к повреждению технологического оборудования, рассмотрены в учебной литературе [50].

Газо-, паро- и пылевоздушные смеси при аварийных ситуациях могут образовывать горючую среду внутри помещений или на открытых технологических площадках, если выполняется условие (2.8). Методы расчета зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени газов и паров приведены в ГОСТе [2].