2.9. Пожаро- и взрывоопасность аэрозолей

Измельчение частиц (высокая дисперсность) ведет к увеличению суммарной поверхности и свободной поверхностной энергии системы, т.е. к повышению ее химической активности и к окислению с выделением тепла, которое может при определенных условиях привести к горению. Горение облегчается тем, что твердые частицы аэрозоля и окислитель (кислород воздуха) перемешаны.

Различают воспламенение пыли – т.е. процесс возникновения горения в результате нагрева ее источником воспламенения, и самовоспламенение (самовозгорание), которое, как правило, происходит в результате самоускорения реакции окисления (т.е. превышения скорости тепловыделения экзотермической реакции окисления над скоростью отвода тепла за пределы системы).

Температура самовоспламенения веществ (в нашем случае горючих аэрозолей) очень различна. В связи с этим горючие вещества делят на две группы:

– вещества Iгруппы, для которых температура самовоспламенения выше температуры окружающей среды, т.е. они способны воспламенятся только в результате нагрева.

– вещества IIгруппы, для которых температура самовоспламенения ниже температуры окружающей среды, т.е. они способны воспламенятся без нагрева. Именно такие самовозгорающиеся аэрозоли представляют наибольшую пожарную опасность.

Необходимо отметить, что температура самовоспламенения аэрозолей значительно выше, чем порошков (осевшей пыли), образующихся при оседании аэрозольных частиц, поскольку массовая концентрация этих частиц невелика (намного ниже, чем у порошков) и скорость выделения тепла при реакции окисления может превысить скорость теплоотдачи только при высоких температурах среды.

Самовозгорающиеся вещества (их порошки или пыли) в свою очередь делят на три группы:

1. Вещества, самовозгорающиеся при воздействии на них воздуха (например: бурые и каменные угли, древесный уголь, фрезерный торф, сажа, опилки, сено, листья, сульфиды железа, цинковая и алюминиевая пыль, желтый фосфор, порошок эбонита).

Самовозгоранию ископаемых углей способствует также их измельчение и смачивание; самовозгоранию торфа способствуют биологические процессы.

2. Вещества, самовозгорающиеся при воздействии на них воды (например: калий, натрий, карбид кальция и карбиды щелочных металлов, фосфористые кальций и натрий, негашеная известь и т.д.).

Щелочные металлы (калий, натрий и т.д.) и водородистые калий, натрий и кальций при взаимодействии с водой выделяют водород и значительное количество тепла, в результате чего водород самовоспламеняется и горит вместе с металлом. Примерно также ведет себя ацетилен, образующийся при взаимодействии карбида кальция с небольшим количеством воды.

3. Вещества, самовозгорающиеся при смешивании друг с другом. В эту группу входят различные окислители, например – азотная кислота, разлагаясь, выделяет кислород и может вызвать самовозгорание смолы, льна и других органических веществ.

Химически однородная система (смесь) аэрозолей, поступающая с определенной скоростью из горелки, сгорает устойчивым пламенем. Горение тех же аэрозолей в замкнутом объеме происходит в виде химического взрыва. Такое же горение (т.е. химический взрыв) характерен для некоторых аэрозолей при определенных массовых их концентрациях, называемых концентрационными пределами взрыва. Минимальные и максимальные концентрации аэрозолей, при которых они способны воспламеняться называются нижними и верхними концентрационными пределами. Все горючие аэрозоли, концентрации которых находятся между этими пределами, являются взрывоопасными.

Аэрозоли, концентрации которых находятся ниже нижнего и выше верхнего концентрационных пределов взрыва в замкнутых объемах, являются взрывобезопасными.

Обычно концентрации аэрозольных частиц, соответствующие нижним концентрационным пределам взрыва, настолько значительны, что возможны только в технологическом оборудовании, воздуховодах (газоводах) и пылеулавливателях. В производственных помещениях опасные концентрации аэрозолей могут возникнуть при аварийных ситуациях. Достижение верхних концентрационных пределов возможно в системах аспирации и пневматического транспорта.

Различают следующие классы аэрозолей и порошков по взрыво- и пожароопасности:

I. Наиболее взрывоопасные аэрозоли (пыли) с нижними концентрационными пределами до 15 г/м³ (например: аэрозоли сахара, торфа, эбонита, серы, канифоли).

II. Взрывоопасные аэрозоли (пыли) с нижними концентрационными пределами 16–65 г/м³ (например: аэрозоли алюминия, льна, сланцев, мучная пыль).

III. Наиболее пожароопасные аэрозоли (пыли) с температурой воспламеняемости до 250 ^оС и нижними концентрационными пределами более 65 г/м³ (например: табачная – 205 ^оС; элеваторная пыль – 250 ^оС).

IV. Пожароопасные аэрозоли (пыли) с температурой воспламеняемости выше 250 ^оС и нижними концентрационными пределами более 65 г/м³ (например: древесные опилки – 275 ^оС).

В таблице 2.3 приведены данные о нижних концентрационных пределах некоторых пылей.

В общем случае на взрывоопасность аэрозолей оказывают влияние:

1. Дисперсность аэрозолей. Если размеры частиц велики, то вероятность взрыва резко уменьшается (например: для угольной пыли установлена почти линейная зависимость давления на месте взрыва от удельной поверхности пыли – _взр. ~ f(S_уд); в связи с этим пыль в шахтах с увеличением расстояния от места ее образования становится потенциально более взрывоопасна).

2. Наличие инертных частиц снижает взрываемость пыли, поскольку часть образующегося тепла расходуется на их нагрев, и температура аэрозоля в результате этого снижается. Кроме того, инертная пыль экранирует тепловые лучи, препятствуя распространению пламени по пылевому облаку.

Таблица 2.3

Нижние пределы пожароопасной концентрации

3. Влажность влияет так же, как и инертные добавки, причем влага поглощает в 3–5 раз больше тепла, чем инертная пыль, и кроме того, способствует слиянию мелких частиц, в результате чего уменьшается общая поверхность пыли.

4. Выделение летучих горючих газов повышает взрывоопасность аэрозолей. Пример: пыль каменных углей с содержанием летучих газов менее 10 % – не является взрывчатой. По этой причине пыль антрацита и древесного угля не способна взрываться.

Необходимо заметить, что горючая пыль, вследствие сильно развитой поверхности контакта частиц с кислородом воздуха, способна к самовозгоранию и образованию взрывчатых смесей с воздухом.

Интенсивность взрыва пыли зависит от ее химических и термических свойств, от размеров и свойств частиц, их концентрации в воздухе, от влагосодержания и состава газов, размеров и температуры источника воспламенения и от относительного содержания инертной пыли.

Способностью к воспламенению обладают некоторые пыли органических веществ, образующихся при переработке зерна, красителей, пластмасс, волокон, а также пыли металлов, например марганца, алюминия и цинка.

Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли составляют примерно 20–500 г/м³ воздуха, максимальные – около 700–800 г/м³ воздуха. Чем больше содержание кислорода в газовой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила. При содержании кислорода менее 16 % пылевое облако не взрывается.