Виктор Бирюк: «КОГДА ПЫЛЬ КАК ПОРОХ…»

Виктор Бирюк: «КОГДА ПЫЛЬ КАК ПОРОХ…»

Виктор Бирюк: «КОГДА ПЫЛЬ КАК ПОРОХ…»

Виктор Бирюк: «КОГДА ПЫЛЬ КАК ПОРОХ…»

Сегодня в рубрике «Взгляд на проблему» представлен авторский взгляд Виктора Бирюка, заведующего кафедрой промышленной безопасности Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, к.т.н., доцента и Алексея Ясюкевича, адъюнкта факультета подготовки научных кадров Университета гражданской защиты МЧС Беларуси на актуальную проблему предотвращения пылевых взрывов на современных производствах.

Большинство современных технологических процессов и производств связаны с образованием, переработкой и (или) получением пылевидных высокодисперсных материалов. В качестве наиболее многотоннажных технологий можно выделить деревообработку, переработку и хранение зерна, производство сахара, сухого молока, вяжущих материалов и другие.

Об опасности пылевых облаков в замкнутых объемах все мы читали еще в детстве в замечательной книге Якова Перельмана «Занимательная физика». Пыль, независимо от природы происхождения, – мучная, сахарная или цементная – взрывоопасна.

Первое документально подтвержденное исследование взрывов пыли относится именно к взрыву мучной пыли, который произошел в 1785 году в Турине. Тогда мальчик на складе пекарни перекладывал муку из верхнего отделения в нижнее, большое количество ее внезапно рассыпалось, поднявшееся облако пыли вспыхнуло от лампы, и произошел взрыв. Начиная с первого происшествия, серьезные аварии фиксируются довольно регулярно. Так, в 1878 году на мельнице Washburn «A» Mill, которая располагалась в Миннеаполисе американского штата Миннесота, и по заявлениям владельца, являлась самой крупной в мире, произошел взрыв, унесший жизни 22 человек. При этом было полностью уничтожено не только здание мельницы, но возникшая взрывная волна разрушила еще пять близлежащих мельниц. Инцидент получил название «Великая мельничная катастрофа». Похожая авария случилась в 1998 году на элеваторе в городе Уичита, штат Канзас. Пыль от хранящегося там зерна взорвалась и унесла жизни семерых работников. За 1987-1997 годы в США произошло 129 взрывов, связанных с мучной пылью.


В 2008 году четырнадцать человек погибли и сорок два получили ранения при взрыве пыли, который произошел на сахарном заводе в городе Портвентворт, штат Джорджия, принадлежащем компании Imperial Sugar. Расследование причин катастрофы показало, что взрыв произошел в силосном хранилище, где складировали сахар перед фасовкой.

Крупнейшая техногенная авария на территории нашей страны тоже связана с взрывом пылевоздушной смеси. Речь идет о взрыве в цехе футляров Минского радиозавода, в результате которого лишились жизни более ста человек. Это случилось 10 марта 1972 года. Завод входил в объединение «Горизонт», а цех располагался в филиале города Минска по улице Софьи Ковалевской и обеспечивал корпусами самые крупные и современные предприятия Советского Союза: московский «Рубин», львовский «Электрон», литовский «Шилялис», рижский «ВЭФ», минские заводы имени Вавилова и Ленина...


Как установило следствие, в новом цехе, который запустили в январе, была установлена система вентиляции, запроектированная под текстильное производство. Под цехом располагались три просторных шахтных тоннеля сечением 3,5×2 м, куда после взрыва и обрушились основные строительные конструкции цеха.

Стоит вспомнить и 25 октября 2010 года на СООО «Пинскдрев-ДСП». Первый взрыв прогремел в цехе по производству топливных гранул (пиллет), который спровоцировал серию взрывов и пожар на предприятии. Известно, что установленное оборудование работало без необходимой документации. В результате аварии пострадало 22 человека. Двое погибли на месте, 12 – в больницах, еще восемь получили тяжелые травмы, многие остались инвалидами.

Цепочку трагических аварий, вызванных пылевыми взрывами, может продолжить и Скидельский сахарный комбинат, где 25 февраля 2017 года в результате взрыва сахарной пыли пострадали пять работниц предприятия, получившие ожоги более 50% тела, четыре впоследствии скончались.

Стоит также отметить прошлогодний взрыв пылевоздушной смеси на Бобруйском ОАО «ФанДОК» и октябрьский взрыв с последующим возгоранием линии технологического оборудования по производству древесных гранул на территории филиала «Домостроение» Шкловского «Завода газетной бумаги».

Ретроспектива вышеперечисленных трагических событий показывает: несмотря на высокий уровень требований к проектированию и строительству промышленных объектов и использование современного высокотехнологичного оборудования, исключить вероятность взрывов пылевоздушных смесей достаточно сложно. Это обусловлено целым рядов факторов: повышенная концентрация высокодисперсных материалов в замкнутых объемах иногда сложной геометрической формы, многокомпонентный химический состав веществ и материалов, природа возникновения и механизмы действия источников возгорания и многие другие.

В соответствии с ГОСТ 12.1. 044 – 89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» под пылью понимают диспергированные твердые вещества и материалы с частицами размером менее 850 мкм.

При классификации взрывопожароопасных зон по ПУЭ выделяют две группы пылей:

А. Взрывооопасные пыли (с нижним пределом взрываемости менее 65 г/м3)

I-й класс, наиболее взрывоопасные – с нижним пределом взрываемости до 15 г/м3 (включительно);

II-й класс, взрывоопасные – с нижним пределом взрываемо­сти от 15 до 65 г/м3.

Б. Пожароопасные пыли (с нижним пределом взрываемости более 65 г/м3)

III-й класс, наиболее пожароопасные – с температурой вос­пламенения до 250 °С;

IV-й класс, пожароопасные – с температурой воспламенения более 250 °С.


Пыль может образовываться как при механическом измельчении твердых тел, так и при получении порошкообразных и пылеобразных веществ методами кристаллизации и сублимации, и может находиться в осевшем или во взвешенном состоянии. Пыль, взвешенная в воздухе или другом газе, называется аэрозолем. Пыль, осевшая на стенках и потолках помещений, поверхностях труб, оборудования и других предметов, называется аэрогелем. Аэрогели и аэрозоли являются гетерогенными системами и, как правило, пожаровзрывоопасны, однако горение этих систем происходит по различным механизмам. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ, а горение большинства аэрозолей – 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 и последующему взрыву. Однако главная их опасность заключается в том, что при относительно небольших возмущениях они способны переходить во взвешенное состояние (так называемое «взмучивание») и после первичного взрыва ударной волной поднимать пыль (переводить в состояние аэрогеля), скопившуюся на поверхностях, что приводит к повторному, зачастую более сильному взрыву.

Процесс воспламенения аэровзвеси протекает в соответствии с тепловой и цепной теорией самовоспламенения (основное положение тепловой теории самовоспламенения – это превышение скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода).

Основным отличием распространения пламени в пылевоздушных смесях от распространения пламени в газовоздушных смесях является наличие непосредственно перед фронтом пламени зоны, в которой происходят под­готовительные процессы.

Эти процессы характерны тем, что под действием температуры горения твердые частицы дисперсной фазы, разлагаясь, выделяют горючие газы и пары, которые воспламеняются при достижении концентрации этих паров нижнего концентрационного предела распространения пламени.

Горение аэрозолей характеризуется такими физическими параметрами, как скорость распространения фронта пламени и давлением при взрыве.

Скорость распространения фронта пламени и давление, развиваемое при взрыве:

-     возрастает с уменьшением объемной теплоемкости и повышением на­чальной температуры аэровзвеси;

-     возрастает с повышением дисперсности системы;

-     зависит от концентрации пыли, причем наибольшая скорость расп­ространения пламени наблюдается при концентрациях намного больше стехиометрических. Это объясняется тем, что при горении реагируют наиболее мелкие частицы, наиболее крупные не успевают полностью разложиться и не участвуют до конца в химической реакции;

-     возрастает с увеличением концентрации кислорода в воздухе, мак­симальная скорость распространения пламени наблюдается при горении в чистом кислороде;

-     увеличивается с увеличением содержания летучих компонентов и уменьшением содержания золы.

Рассмотрим основные свойства пылей, определяющие их взрывопожароопасность.

Дисперсность пыли. Дисперсность – степень измельченности частиц пыли. Степень дисперсности – это величина обратная размеру (диаметру) пылинки. Если кубик объемом 1 см3 разбить на n3 кубиков, то каждый кубик будет иметь ребро а = 1/n см. Отсюда n = 1/а, где а – так называемый эквивалентный диаметр. Величина n называется степенью дисперсности. Следовательно, степень дисперсности – это величина, обратная диаметру пылинки. Она оказывает влияние на все другие свойства пыли.

С увеличением степени дисперсности увеличивается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, а также понижается температура самовоспламенения пыли, нижний концентрационный предел распространения пламени пыли.

Химическая активность пыли. Химическая активность – способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе в реакции окисления и горения.

Химическая реакция между газом и твердым веществом – гетерогенная реакция – протекает на поверхности твердых частиц. Скорость такой реакции зависит от величины поверхности соприкасающихся реагирующих веществ. При измельчении вещества в пыль, резко увеличивается его удельная поверхность и, соответственно, скорость горения.

Например, один килограмм угля сгорает в течение пяти минут, а один килограмм угольной пыли – в течение одной секунды. Многие металлы, например алюминий, магний, цинк в компактном состоянии не способны гореть; находясь в воздухе в виде пыли, они горят со скоростью взрыва. Порошки железа и свинца могут самовозгореться при распыливании в воздухе. Алюминиевая пудра обладает способностью самовозгораться в состоянии аэрогеля. Поэтому пудры и порошки этих металлов готовят в среде инертного газа (N2 или Ar) и перетирают с твердым жиром.

Адсорбционная способность. Кроме изменения химической активности твердого тела в процессе его измельчения изменяется также его адсорбционная способность – способность к поглощению паров и газов поверхностью вещества.

Объем адсорбированного газа всегда превышает объем адсорбировавшей его пыли. Например, 1 м3 пылеугольной газовзвеси может содержать 0,9 м3 адсорбированного воздуха, и только 0,05 м3 сажевых частиц. При этом объем адсорбированного воздуха в 19 раз больше объема адсорбировавшей его смеси. Наличие на поверхности пыли адсорбированного кислорода содействует окислительным процессам при повышенных температурах и ускоряет подготовку пыли к горению. Объем кислорода, адсорбированного пылью, недостаточен для ее полного сгорания, но обеспечивает протекание начальных процессов окисления.

Помимо физической адсорбции на поверхности пылинок протекает хемосорбция – поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества поверхностью твердой пылинки. Хемосорбция основывается на силах валентных и координационных связей.

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

Адсорбция пылью паров и газов способствует ее электризации, но, если пыль адсорбирует негорючие газы (СО2, N2), ее пожарная опасность уменьшается.

Склонность к электризации. Склонность к электризации – способность пыли приобретать заряды статического электричества.

Электризация пылинок происходит в результате адсорбции ионов газов из воздуха, при трении пыли о твердую поверхность или о воздух, при дроблении или измельчении твердого вещества.

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.

Опасность взрыва возникает при одновременном наличии следующих источников: воздуха; горючей пыли / горючих газов; активных источников воспламенения.

Взрывоопасная смесь может возникнуть при соединении горючей пыли, горючих газов или паров с воздухом. Кроме этого должен присутствовать активный источник воспламенения, способный зажечь эту смесь.


Ниже представлены конкретные примеры физико-химических процессов и явлений, которые могут рассматриваться в качестве активных источников воспламенения.


Рассмотрим, как осуществляется взрывозащита на примере деревообрабатывающего предприятия.

Концепция взрывобезопасности на деревообрабатывающих предприятиях включает в себя меры по предотвращению взрыва (направленные на снижение вероятности возникновения взрыва) и меры по взрывозащите (направленные на снижение последствий взрыва). Меры по предотвращению взрыва включают:

-     недопущение образования взрывоопасной пыли;

-     устранение источников возгорания;

-     поддержание чистоты производственного помещения;

-     обучение персонала основам безопасной работы;

-     надлежащую эксплуатацию оборудования;

-     установку искрогасителей.

К сожалению, иногда не все вышеуказанные меры по предотвращению взрыва, включая установку искрогасителей, могут устранить потенциальную опасность и это, как правило, происходит в случае неправильного функционирования искрогасителей, когда они:

-     не в состоянии гасить крупные искры;

-     не могут подавлять взрыв;

-     не реагируют на искры металла и горячие поверхности.

В этой связи на деревообрабатывающих предприятиях необходимо осуществлять меры по взрывозащите, которые должны быть направлены на решение трех основных проблем:

1.        Повышение взрывоустойчивости оборудования (оборудование проектируется с возможностью выдерживать избыточное давление взрыва мощностью до 10 бар).

2.        Снятие давления взрыва (сброс давления и пламени с помощью взрывных клапанов).

3.        Подавление взрыва (системы активного подавления взрыва, принцип действия которых заключается в обнаружении начальной стадии взрыва (горения) высокочувствительными датчиками и быстром введении в защищаемый аппарат ингибитора (взрывоподавляющего состава), приостанавливающего дальнейший процесс развития взрыва).

Ретроспективный обзор взрывов пылевоздушных смесей и анализ причинно-следственных связей показал, что, к сожалению, пылевые взрывы происходят по всему миру с определенной периодичностью, трудно прогнозируемы и в малой степени зависят от уровня оснащенности производств. Это обусловлено значительными объемами хранения и переработки пылевидных материалов, главным образом растительного происхождения. Потенциальную опасность представляют и другие производства, в технологическом процессе которых обращаются в больших количествах высокодисперсные смеси. К примеру, в последние годы зафиксировано несколько взрывов на заводах по производству сухого молока.

Все это требует неукоснительного соблюдения требований пожарной и промышленной безопасности, производственной санитарии, а также совершенствования мер взрывопредупреждения и взрывозащиты пылеобразующих производств.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Годжелло, М.Г. Взрывы промышленных пылей и их предупреждение / М.Г. Годжелло. – Москва: Изд-во МЖКХ РСФСР,1952. – 143 с.

2.   Баратов, А.Н. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справ. изд. / А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов, А.Я. Корольченко и др. – М.: Химия, 1987. – 272 с.

3.   Померанцев, В.В.Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив / В.В. Померанцев, С.Л. Шагалова, В.А. Резник и др. – Л.: Энергия, 1978. – 144 с.

4.   Бондарь, В.А. Взрывы промышленных пылей и их предупреждение / В.А. Бондарь, В.А. Любартович // Известия МГТУ «МАМИ». – №2 (14), 2012, Т.4. – С.286-289.




Факультеты и филиалы


83eee8bf5cb8310150bcbd0e586bea54  

Календарь мероприятий

Ноябрь 2019

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
28 29 30 31
25 26 28 29 30 1
Университет гражданской защиты МЧС Республики Беларусь logo
Республика Беларусь, г. Минск 220118 ул. Машиностроителей, 25
+375 (17) 340-35-57 +375 (17) 340-35-57 mail@ucp.by