Взрывы промышленных пылей и их предупреждение

Аннотация

Рассматривается опасность взрывов и пожаров пылевоздушных смесей в различных отраслях промышленности. Предусматриваются обязательные меры по предупреждению разрушения аппаратов, перерабатывающих пылевые среды.

Полный текст

Взрывы пылей горючих веществ приводят к катастрофическим последствиям: человеческим жертвам и материальным потерям вследствие освобождающейся при взрыве большой энергии, заключённой в облаке пыли, образованном при разрушении аппаратов или взвихрении пыли, осевшей на оборудовании. Согласно данным Американского страхового общества, ежегодные потери от взрывов пыли составляют около 75 млн. долларов. При этом 30% относятся к взрывам пылей пищевых продуктов, 20% - пылей пластических масс, 50% приходится на деревообработку, фармацевтику, угольную отрасль, химическую промышленность, включая красители, металлообработку и некоторые другие отрасли. Возможность пылевых взрывов и пожаров должна приниматься во внимание как установившаяся практика там, где присутствуют воспламеняющиеся пыли, и не следует выжидать до появления первоначальных признаков крупных аварий на предприятии. Обычно более экономично предусматривать риск на стадии проектирования с тем, чтобы заложить меры предосторожности при строительстве предприятия. Если меры безопасности будут применяться после завершения строительства предприятия, их стоимость может быть значительно выше. Источниками зажигания пыли могут быть искры удара и трения, нагретые поверхности оборудования, открытое пламя, самовозгорание, разряды статического электричества, искры замыкания и размыкания электрических цепей. Разрабатываемые методы обеспечения достаточной безопасности процессов должны быть экономически целесообразными и базироваться в первую очередь на объективности оценки взрывоопасности технологического процесса и оборудования. Взрывопожароопасность технологического процесса оценивается только по параметрам, величина которых определяется свойствами и дисперсным состоянием перерабатываемого продукта. Так, пожарная опасность аэрогеля – двухфазной дисперсной системы с неподвижными твердыми частицами определяется температурой тления и самовоспламенения: аэрозоля – двухфазной системы с взвешенными в воздухе частицами твёрдой фазы – нижним концентрационным пределом распространения пламени и минимальной энергией зажигания. Разрушающее действие взрыва оценивается по скорости нарастания и максимальному значению давления взрыва. Опасность образования горючей смеси продуктов разложения твердой фазы с воздухом при нагревании аэрогеля определяется температурой начала термического разложения, при которой происходит заметное выделения горючих газов и паров. В большинстве случаев пожаровзрывоопасность технологических процессов оценивается по величине нижнего концентрационного предела распространения пламени. Величина температуры тления и самовоспламенения определяет опасность воспламенения от нагретых поверхностей. По величине минимальной энергии зажигания судят о чувствительности горючей смеси к искровому разряду статического электричества. Для всех процессов переработки горючих дисперсных материалов необходимо определять склонность их к тепловому самовозгоранию. Предупредить взрыв горючей смеси можно за счет уменьшения содержания кислорода до величины, при которой распространение пламени становится невозможным. При переработке горючих дисперсных веществ стараются исключить появление в горючей смеси воспламеняющего теплового источника. Температура поверхности оборудования должна быть ниже температуры тления аэрогеля. Применение конструктивных материалов, не дающих воспламеняющих искр при ударе, предотвращает вероятность воспламенения пылевоздушных смесей в аппаратах с механическими элементами: мешалками, вентиляторами, центрифугами и т.п. Разряды статического электричества как источники воспламенения рассматриваются в связи со взрывами электризующихся пылей. В тех случаях, когда полностью предупредить образование пылевоздушной смеси в аппарате невозможно, применяют устройства, исключающие разрушение аппарата с помощью ослабленных элементов конструкции: мембран, клапанов и т.п. Проходное сечение мембраны рассчитывается из соотношения: , где: F – площадь мембраны, м2; V – объем аппарата, м3. Взрыв пылевоздушной смеси согласно статистико-вероятностным методам, рассматривается как случайное явление, вероятность появления которого определяется произведением вероятностей двух независимых явлений: образование пылевоздушной смеси с горючей концентрацией и появление теплового источника зажигания: , (1) где: , и – вероятности зажигания, образования горючих смесей и воспламеняющего теплового источника. , (2) где: С – расчётная концентрация дисперсной фазы; – концентрация нижнего предела распространения пламени; – плотность вероятности распределения концентрации в данный момент времени. Для нормального закона распределения концентрации: , (3) где: – табличная функция Лапласа; – среднее квадратичное отклонение концентрации горючего компонента в аппарате. Трудности практического применения выражения (3) можно преодолеть, если принять: . (4) Вероятность образования воспламеняющего источника должна быть определена для каждого вида источника: , (5) где: , – вероятность появления теплового источника и условная вероятность воспламенения в предположении, что тепловой источник существует. Для независимых событий: появление источника и его воспламеняющей способности (энергии): , где: – вероятность появления теплового источника с энергией, достаточной для воспламенения пылевоздушной смеси. Для оборудования с механическими движущимися элементами (мельницы, смесители и т.п.) существует опасность зажигания от искр удара в случае отказа (поломки), тогда: . (6) определяется экспериментально при испытании на зажигание от искр удара. При переработке диэлектрических материалов искровые разряды следуют непрерывно, поэтому можно записать: . (7) Тогда: , (8) где: – вероятность появления разряда с энергией, достаточной для зажигания горючей смеси; – плотность вероятности распределения величины энергии в разрядах. Установлено, что энергия искрового разряда – случайная величина, распределённая по нормальному закону. Тогда по аналогии с (4) можно записать: , (9) где: – минимальная энергия зажигания пылевоздушной смеси. В общем виде вероятность зажигания определяется выражением: . (10) Условие безопасности в этом случае запишется: , (11) где: – допустимая (предельная) вероятность зажигания. Если (11) не соблюдается, то разрабатывают также меры защиты, которые обеспечивают выполнение условий безопасности. Принято считать процесс безопасным, если , т.е. возможно одно зажигание в лет. Для каждого вида теплового источника рассчитывается и , и во всех случаях условие (11) должно соблюдаться. С учетом (1), (4), (9) можно записать: . (12) Исходя из характеристики технологического оборудования, можно рекомендовать комплекс защитных мер: · уменьшение содержания окислителя в пылевоздушной смеси разбавлением её инертным газом. Непрерывный контроль содержания кислорода в оборудовании и блокировка его при увеличении кислорода на 20% от взрывоопасного. · температура внутренних и наружных поверхностей оборудования ниже температуры тления перерабатываемого материала не менее чем на 50 ºС. · исключение образования и накопления слоя пыли внутри оборудования. · защита аппарата от разрушения при взрыве. · вращающиеся детали и корпус должны быть из материалов, не образующих при ударе воспламеняющих искр. Циклоны, фильтры и бункерные устройства рекомендуется устанавливать вне помещения. Для всех технологических процессов, связанных с переработкой дисперсных материалов должна быть предусмотрена защита от статического электричества заземлением аппаратов и трубопроводов. Конструкция оборудования должна исключать самовозгорание перерабатываемого продукта.