к.т.н., д.п.н., профессор Есенбаева Г.А., к.т.н., профессор Какенов К.С.

Карагандинский экономический университет Казпотребсоюза, Казахстан

К вопросу об определении параметров взрыва аэрозолей в помещениях взрывоопасных производств

Первые опыты по изучению условий протекания взрывов в горно-добывающей промышленности начаты Таффанелем в 1907 г. [1] после взрыва угля на шахте «Курьер», во время которого погибло 1100 человек. С началом применения в энергетике камерного сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии потребовались новые методы исследования взрываемости пыли, иной подход к обеспечению взрывобезопасности.

Одним из главных вопросов обеспечения взрывобезопасности установок является определение параметров взрыва пыли с ростом масштаба. На практике наиболее часто используется кубический закон. В данном случае единственным масштабным фактором является объем помещения, а реакционные свойства взрывоопасной среды характеризует скорость распространения пламени S_H. Следовательно, V_o^1/3 (dp/dt) = const, что позволяет переносить результаты лабораторных и стендовых опытов на промышленные объемы.

Экспериментальные проверки кубического закона показали, что он должен применяться в ограниченных пределах проверенных масштабов установок для предварительной оценки параметров взрыва. Например, максимум скорости нарастания давления P_M, МПа/с, при взрывном горении пыли в замкнутом объеме коррелируют с законом кубического корня из объема (ГОСТ 12.1.004-85):

(1)

где a_o – скорость звука в воздухе, м/с; P_o – начальное атмосферное давление, МПа; K_c – константа горючей пылевой системы; λ - геометрический фактор; V_o – свободный объем помещения, м³.

На практике используют аналогичную формулу:

(2)

в которой K_s – коэффициент взрывоопасности пыли, находящийся в диапазоне от 0 до 30 МПа ^. м^I/3 / с и более. Так, для угольной пыли K_s = 8,5; алюминия 5,5; органических пигментов 2,9.

Скорость Р_М в сосуде, аппарате с газообразной средой может быть определена также по формуле:

(3)

где Р₀ - характерная скорость, МПа/с, для объема V_* = 0,01 м³ ;

– коэффициент степени турбулентности. При V > V_* принимают = 1,5 – 2,0, а при наличии в сосуде ребер или, если аппарат проточной, = 2 – 5.

В общем случае основными параметрами, определяющими разрушительное действие дефлаграционных взрывов аэрозолей, являются давление D P_m и максимальная скорость нарастания давления Р_м.

Избыточное давление взрыва D P_м , МПа, аэрозоля в помещениях зданий определяют согласно ГОСТ 12.1.004-85 по формуле:

(4)

где G – общая масса дисперсного продукта, кг; Q – удельная теплота сгорания вещества, Дж/кг; Р_о – начальное давление в объеме, МПа; V – свободный объем помещения, м³; – плотность воздуха, кг/м³; Т_о – температура воздуха в объеме; С_Р – теплоемкость воздуха (1,01 × 103 Дж/кг × К); К_Н= 3 – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадибатность процесса горения; Z = 0,5 – доля участия дисперсного продукта во взрыве.

В качестве примера определим _DР_м в галерее для транспортировки угольной пыли сечением 4,5 х 3,2 м и длиной 216 м с концентрацией пыли М = 0,15 кг/м³. Помещение галереи имеет в стеновом ограждении оконные проемы размером 0,6 х 0,6 м шагом 6,0 м, т.е. является негерметичным. В данном случае имеем: V = 3100 м ³, G = 465 кг, Q = 2,6 × 10⁶ Дж/кг, Р₀ = 101 кПа, Z = 0,5, r₀ = 1,225 кг/м³, С_r = 1,01 × 10³ Дж/(кг × К), Т₀=293 ^ºК, К_н = 3. По формуле (4) определим избыточное давление в галерее при взрыве топливной пыли: _DР_м = 18 кПа.

При тех же условиях в герметичной галерее (без проемов) избыточное давление _DР_м увеличится в 6 раз и составит: :_DР_м = 108 кПа (К_н = 1, Z = 1).

Полученное значение избыточного давления в галерее (_DР_м = 18 кПа) значительно меньше фактического давления, которое было зафиксировано при аварийном взрыве топливной пыли в галереях АО «ИСПАТ-КАРМЕТ». Анализ данных по разрушению строительных конструкций и разлету их обломков показал, что избыточное давление составило около 120 кПа. Поэтому можно сделать вывод о том, что рекомендуемые нормами формулы для определения _DР_м при взрыве аэрозолей дают заниженные значения и могут использоваться только для предварительной оценки, т.к. не учитывают степень проемности помещения, скорость распространения пламени, начальные условия, геометрические размеры помещения.

Литература:

1. Taffanel M.J. Nouvelles experiences poussiers de houille et sur les mogens de combattre leur dangers // Quatrieme et cinquieme series d^,essais sur les inflammations de pouseieres. Ann. des mines. – 1982. - №1. – S. 56-64.

2. Водяник В.И., Малахов Н.Н., Полтавский О.Т., Шелюк И.П. Предохранительные мембраны. - М.: Химия, 1982. – 184 с.