Аннотация
Описано распространенное явление, играющее ведущую роль в обеспечении пожаро- и взрывобезопасности работ с пылями и газовыми смесями: гибридная смесь. Приведены исторические сведения и дано определение современного состояния проблемы. Подчеркнута необходимость исследования подобных смесей, как пример, для угольных бассейнов. Кратко рассмотрены применяемые в мире методики определения показателей взрыва гибридных смесей – максимального давления взрыва, нижнего концентрационного предела распространения пламени, минимального взрывоопасного содержания кислорода и минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора. Также подробно рассмотрена экспериментальная установка, рекомендованная к применению в РФ. Описана изготовленная конструкция такой установки с необходимыми дополнениями. Приведены результаты экспериментальных исследований, показывающие необходимость дальнейших исследований и описаны возможности применения подобных экспериментальных установок в различных областях промышленности.
Гибридная смесь. Показатели взрыва. Экспериментальная установка. Исследования гибридных смесей. Области применения
Введение
Как известно, некоторые дисперсные материалы, перемещающиеся внутри аппаратов и в воздушной среде производственных зон, могут образовывать пожароопасные аэрозоли или, так называемые, гибридные (комбинированные) смеси.
Подобные смеси представляют собой дисперсные системы, состоящие из мелких (менее 0,01 мм) твердых или жидких частиц (капель), являющихся дисперсной фазой и дисперсионной среды в виде воздуха или смеси газов [1].
Согласно определению, приводимому в различной нормативной документации, описывающей, помимо взрывоопасных сред, обеспечение взрывозащиты оборудования и правила безопасной работы с ним; комбинированной смесью называется смесь с воздухом горючих веществ, находящихся в разных физических состояниях. Примером комбинированной смеси, может быть, смесь метана и угольной пыли с воздухом. Исследования, направленные на изучение таковых смесей начались давно [2] и продолжаются в настоящий момент времени [3, 4, 5].
Основной опасностью, возникающей при работе с таковой смесью, является то, что смесь отдельных веществ, находящихся в концентрациях при нормальных условиях невзрывоопасных, при их объединении становится способной к взрыву [6]. По этой причине связанные с ними операции, требуют особого внимания для обеспечения максимальной эффективности работ и сохранности оборудования.
Образование подобных смесей возможно в результате любых процессов, связанных с механическим измельчением твердых веществ, процессов конденсации пара или затвердевания разбрызгиваемого жидкого металла, дробления или измельчения стружки. Подобные процессы имеют место в химической, фармацевтической, горнорудной, энергетической [7, 8, 9], пищевой промышленности [10].
В работах [11, 12] исследован механизм образования наноразмерного аэрозоля при механическом разрушении угля из шахт Кузбасса. С помощью диффузионного аэрозольного спектрометра измерены концентрация и спектр размеров аэрозольных частиц в лаве при работающем очистном комбайне. Установлено, что 90 % частиц имеют размер менее 200 нм. При этом в наноразмерном диапазоне присутствуют два пика, соответствующие средним диаметрам 20 и 150 нм: первый из них обусловлен одиночными частицами, второй — агрегатами, состоящими из одиночных частиц.
Исследовано влияние угольного аэрозоля на горение газовых смесей. Лабораторные эксперименты показали, что наличие наноаэрозоля в бедной метановоздушной среде существенно повышает ее взрывоопасность. Это проявляется как в росте максимального давления, так и в значительном увеличении скорости нарастания давления при взрыве. Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что источником наноаэрозоля являются органические компоненты, содержащиеся в угле и выделяющиеся в газовую фазу при локальном прогреве угля на зубцах выемочного комбайна.
В угледобывающем районе РФ, Кузнецком угольном бассейне, ведутся исследования [13, 14], направленные на обеспечение безопасности работ и сохранность оборудования в угольных шахтах как при наличии в выработке горючего газа, так и угольной пыли.
В регионе действуют различные организации, деятельность которых связана с предотвращением пожаров и взрывов на угольных предприятиях. Например, в НПО Алзамир ведутся работы, связанные предотвращением эндогенных пожаров [15], но также планируются работы, связанные определением безопасных концентраций смесей угольной пыли и метана.
Актуальность проведения исследований взрывов гибридных смесей, в частности взрывов в смесях метана, воздуха и угольной пыли, безусловна, поскольку трагические события, связанные с наличием подобных смесей, случаются регулярно, а сами исследования жизненно необходимы, ввиду большого количества жертв и разрушений [16].
Основная часть
В мире действуют нормативные документы, дающие рекомендации по работе с взрывоопасными пылевыми и газовыми смесями. При этом отмечается что стандарты меняются очень быстро и порой кажутся противоречащими друг другу, но постепенно нормативные акты становятся все более согласованными.
В 2023 году опубликован литературный обзор, посвященный взрывам гибридных смесей [17], в котором обозначено следующее: «На сегодняшний день до сих пор не существует стандартизированного оборудования и процедур, специально предназначенных для изучения взрывоопасности гибридных смесей».
Но, тем не менее, в 2024 году опубликована статья [18], в которой среди прочего описаны используемые методы и применяемые устройства для определения параметров взрыва гибридных смесей.
Кратко рассмотрим некоторые установки и методы испытаний, используемые для определения взрывоопасности гибридных смесей. Прежде всего испытания проводятся в камере взрыва объемом 1 м3. На рис. 1 показан, имеющийся в наличии, в лаборатории Физики и химии горения газов Института Химической Кинетики и Горения Сибирского Отделения Российской Академии Наук (ИХКГ СО РАН) взрывной сосуд указанной вместимости.
Также испытания могут быть проведены в камере взрыва CA20L вместимостью 20 дм3, изготовленной также в Чешской республике. В лаборатории ФХГГ имеются взрывные сосуды вместимостью 10 л и несколько сосудов вместимостью 3 л, которые могут быть использованы в качестве камер взрыва.
Интересным является стандарт [19], действующий в Германии, в котором приведены данные об опасности смесей угольной пыли с воздухом и гибридных смесей. Помимо описанных ранее взрывных сосудов в нем приводится схема устройства взрывной угольной шахты. Действующие взрывные угольные шахты есть в Польше и ЮАР. В нашей стране подобных шахт нет.
В РФ вопросы обеспечения пожаровзрывообезопасности находятся в компетенции Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС РФ). Разработаны инструкции, правила и нормативные документы по обращению с взрывоопасными средами.
Действующим в РФ является нормативный документ [20], в котором приведено описание метода экспериментального определения показателей взрыва пылевоздушных смесей — максимального давления взрыва, нижнего концентрационного предела распространения пламени, минимального взрывоопасного содержания кислорода и минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора.
В ИХКГ СО РАН спроектированы и изготовлены установки по определению показателей взрыва пылевоздушных смесей с использованием схемы установки, приводимой в том же нормативном документе, но в процессе изготовления некоторые параметры были доработаны [21]. Принципиальная схема установки показана на рис. 2, Изготовленная установка показана на рис. 3.
На схеме: 1-3 вентили подачи воздуха, газа и флегматизатора; 4 – вентиль манометра; 5 – вентиль подачи в ресивер; 6 – вентиль подачи газа из ресивера в газоанализатор; 7 – вентиль подачи из реакционного сосуда в газоанализатор; 8 – вентиль для измерения давления в реакционном сосуде с помощью манометра; 9 – вентиль сброса давления из магистрали в атмосферу; 10 – вентиль сброса давления из реакционного сосуда; 11 – пневмораспределитель; 12 – обратный клапан; 13 – датчик давления; 14 – спираль нагрева; 15 – ротаметр; 16 – газоанализатор; 17 – ресивер; 18 – форкамера; 19 – реакционный сосуд; 20 – манометр; 21 – источник питания; 22- фильтр; 23 – электронный блок управления.
Установка должна обеспечивать определение указанных в нормативном документе параметров пылевоздушных смесей и предназначена для работы с пылевоздушными смесями и размером частиц: не более 50 мкм для металлов и не более 100 мкм для других веществ.
Уровень готовности технологии (TRL) соответствует уровню TRL7 — доказана техническая реализуемость, создан опытный рабочий образец. Прототип продемонстрирован в составе системы в реальных условиях эксплуатации. Установка соответствует нормативному документу [18]. Определяемые при экспериментальных исследованиях показатели взрыва ликоподия соответствуют приведенным в нормативном документе и согласуются с данными современных исследований [22]
Исследования на установке велись в двух направлениях. Первым направлением являлось исследование режимов ее работы, проверка соответствия параметров процесса взрыва на примере стандартизованной пыли — порошка ликоподия по ГОСТ 22226-76. Вторым направлением было получение экспериментальных данных с конкретными образцами угольной пыли.
В рамках первого направления особое внимание было уделено процессу зажигания. Выяснилось, что некоторые предложенные в стандарте параметры источника зажигания противоречили друг другу. В стандарте приведена принципиальная схема установки, даны размеры ее отдельных частей, требования к применяемым материалам. Также указаны нагрузки, действующие на элементы установки, для правильного расчета и выбора их конструктивных параметров.
Для исследования горения угольной пыли в присутствии метана, был проведен ряд экспериментов по горению двух марок углей в метановоздушной смеси с содержанием метана 4.9 об. %. Метановоздушная смесь готовилась в смесителе по парциальным давлениям с точностью 0.1% с использованием технического метана следующего состава: CH4-93.8%, C2H6-0.74%, C3H8-3.54%, C4H10-0.9%; в следовых количествах присутствовали изопентан, пентан, циклопентан, изогексан. Согласно документу [23] нижний концентрационный предел распространения пламени метана в воздухе составляет 5.28%. В нашем случае в качестве дисперсионной среды принята околопредельная метановоздушная смесь с содержанием технического метана 4.9 об%.
Результаты экспериментов показаны на рис. 4
1 – метановоздушная смесь с содержанием технического метана 4.9 об. %;
2 – метановоздушная смесь с добавкой фракции 65 мкм угля «Байкаимская энергетика» в концентрации 72.5 г/м3;
3 – метановоздушная смесь с добавкой фракции 65 мкм угля марки «Байкаимская энергетика» в концентрации 131.1 г/м3;
4 – метановоздушная смесь с добавкой фракции 60 мкм угля марки «Беловский» в концентрации 149.8 г/м3
График, отмеченный цифрой 1 показывает изменение давления в реакционном сосуде при воспламенении только метановоздушной смеси без участия угля, для того, чтобы сравнить интенсивность воздействия угольной пыли различных марок на горение. Такая смесь воспламенялась уже после начального подогрева.
Было установлено, что уголь марки «Байкаимская энергетика» не воспламеняется в воздушной смеси. Однако, опыты с добавками метана показали, что добавка этого угля горит в присутствии околопредельной метановоздушной смеси. При добавлении в метановоздушную смесь с содержанием технического метана 4.9 об. %, эта угольная пыль дает помимо прироста давления от горения метана прирост давления в сосуде около 100-300 кПа (кривые 2 и 3).
Максимальное давление взрыва при перепуске без угля составляет приблизительно 500 кПа (кривая 1). Добавление небольшой навески угля в концентрации 72.5 г/м3, уже дает увеличение давления взрыва до 600 кПа. При дальнейшем увеличении концентрации угольной пыли давление взрыва уже составляет величину около 700 кПа (кривые 4 и 5).
В нашей стране подобная установка была создана во ВНИИПО г. Балашиха еще в 1969 году. В настоящее время изготовленные в ИХКГ установки находятся в г. Екатеринбурге и г. Кемерово, но единой теоретической базы и концепции испытаний пылегазовых смесей с зернами различной дисперсности сейчас нет.
Заключение
Проведены уточнение и дополнение, указанной в нормативном документе схемы экспериментальной установки для определения показателей взрыва пылегазовых смесей, осуществлена разработка конструкции и выполнено изготовление установок.
Проведены экспериментальные исследования горения двух марок углей Кузнецкого угольного бассейна с добавлением околопредельной метановоздушной смеси, реально показавшие роль взаимного влияния горючих добавок в концентрациях, близких к предельным в общем составе гибридной смеси.
Применение установки возможно при проведении испытаний угольной пыли, а также различных веществ, образующихся при производствах, связанных с измельчением или распылением, производством мелкозернистых веществ, образованием аэрозолей, в горнорудной, химической, фармацевтической, энергетической промышленности.
Необходимо участие и финансирование комплексной научно-технической программы (КНТП), посвященной выработке рекомендаций и разработке установок для определения показателей взрыва гибридных смесей, аэрозолей различных веществ в воздухе производственных зон или в технологических трубопроводах.
Сведения об авторах:
Манжос Евгений Витальевич Институт химической кинетики и горения СО РАН им. В.В.Воеводского, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, мнс, тел. (383)333-22-96, e-mail: fhgg1@kinetics.nsc.ru
Коржавин Алексей Анатольевич Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, д.т.н., доцент, зав. лабораторией физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96,
Козлов Ярослав Владимирович Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, мнс, тел. (383)333-22-96, e-mail: yaroslav@kinetics.nsc.ru
Айкин Андрей Владимирович Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение «АЛЗАМИР», 650036, Кемеровская область - Кузбасс, г. Кемерово, ул. Терешковой, стр. 41/1, заместитель генерального директора – технический директор, тел. +7 (3842) 49-29-92,
e-mail: Andrey.Aykin@yandex.ru
Храмцов Виктор Иванович Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение «АЛЗАМИР», 650036, Кемеровская область - Кузбасс, г. Кемерово, ул. Терешковой, стр. 41/1, Начальник отдела профилактики и тушения эндогенных пожаров, тел. +7 (3842) 49-29-92,
e-mail: khramtsov49@yandex.ru
Библиографический список:
1. Годжелло М.Г. Взрывы промышленных пылей и их предупреждение. Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФР, 1952 г.
2. C. Engler. Beitrage zur Kenntniss der Staubexplosionen, 1885
3. Liu, Tianqi & Jia, Ruiheng & Dong, Xiaoting & Zhao, Xuan & Tian, Weiye & Cai, Zhixin & Wang, Ning. (2022). Explosion Flame and Pressure Characteristics of Nonstick Coal Dust and the Inhibition of Explosion Suppressants. Journal of Chemistry. 2022. 1-8. 10.1155/2022/3995455.
4. Peng, Lei & Ji, Wentao & Zhang, Ying & Tian, Runmeng. (2024). Variation Law of Hybrid Explosion Characteristic Parameters of Gas and Coal Dust Coupled with Multiple Factors. ACS Omega. 9. 10.1021/acsomega.3c10468.
5. Ji, Wen-tao & Gan, Xiang-yang & Li, Lu & Li, Zhong & Wen, Xiao-ping & Yan, Wang. (2022). Prediction of the explosion severity of hybrid mixtures. Powder Technology. 400. 117273. 10.1016/j.powtec.2022.117273.
6. W. Bartknecht. Explosionen. Ablauf und Schutzmassnahmen. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg, New York, 1980.
7. Богданов В.С., Анциферов С.И., Богданов Д.В., Сычёв Е.А. Состояние и направления развития техники и технологии измельчения // Вестник БГТУ имени В. Г. Шухова. 2022. №7.
8. Cheng, Yu-Chi & Chang, Shun-Chieh & Shu, C.M.. (2022). Effects of volatile organic compounds on the explosion characteristics of polyethylene dust. Process Safety and Environmental Protection. 168. 114-122. 10.1016/j.psep.2022.09.074.
9. Аль ХазраджиС.А. Итенсификация процесса улавливания капельных аэрозолей в цветной металлургии // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2014. №4-1.
10. БылинскаяН.А., Леенсон Г.Х. Механическое оборудование предприятий пищевых производств. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 2007. - 295 с.
11. С. В. Валиулин, А. М. Бакланов, С. Н. Дубцов, В. В. Замащиков, В. И. Клишин, А. Э. Конторович, А. А. Коржавин, А. А. Онищук, Д. Ю. Палеев, П. А. Пуртов, Л. В. Куйбида. Влияние наноаэрозольной фракции техногенной угольной пыли на горение метановоздушных смесей//Физика горения и взрыва, 2016, т. 52, N-◦ 4, С. 36-51.
12. A.Onischuk, S. Dubtsov, A. Baklanov, S. Valiulin, P. Koshlyakov, D. Paleev, V. Mitrochenko, V. Zamashchikov, A. Korzhavin. Organic Nanoaerosol in Coal Mines: Formation Mechanism and Explosibility// Aerosol and Air Quality Research · January 2017, DOI: 10.4209/aaqr.2016.12.0533
13. ПортолаВ. А. Оценка концентрационных пределов взрывчатости угольной пыли // Вестник КузГТУ. 2016. №5 (116).
14. Романченко С.Б., Девликанов М.О. Влияние дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности // Вестник Научного центра. 2019. №2.
15. ПортолаВячеслав Алексеевич, Дружинин Андрей Александрович, Храмцов Виктор Иванович Способы обнаружения и локации очагов подземных пожаров // Вестник Научного центра. 2014. №1.
16. Портола В.А., Овчинников А.Е., Син С.А., Игишев В.Г. Анализ аварийности и пожароопасности угольных шахт // Вестник Научного центра. 2018. №4.
17. Wu, Dejian & Zhao, Peng & Spitzer, Stefan & Krietsch, Arne & Amyotte, Paul & Krause, Ulrich. (2023). A review on hybrid mixture explosions: Safety parameters, explosion regimes and criteria, flame characteristics. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 82. 10.1016/j.jlp.2022.104969.
18. Helegda, Matous & Pokorny, Jiri & Helegda, Iris & Skrinsky, Jan & Sinay, Juraj. (2024). Parameters Affecting the Explosion Characteristics of Hybrid Mixtures Arising from the Use of Alternative Energy Sources. Fire. 7. 139. 10.3390/fire7040139.
19. DIN 21577. Explosionsgefaehrlichkeit von Kohlenstaub im Steinkohlenbergbau unter Tage - Pruefungen und Bewertung von Kohlenstaub-Luft-Gemischen und hybriden Gemischen.
20. ГОСТ12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
21. Манжос Е.В., Коржавин А.А., Намятов И.Г., Козлов Я.В. Уточнение параметров установки для определения показателей взрыва пылевоздушных смесей // Горение и взрыв, 2021, Т14, С. 11-21.
22. Kukfisz, Bozena & Dowbysz, Adriana & Samsonowicz, Mariola & Siuta, Dorota & Maranda, Andrzej. (2023). Comparative Analysis of Fire and Explosion Properties of Lycopodium Powder. Energies. 16. 6121. 10.3390/en16176121.
23. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2 томах, 2004г.