1.4. Особенности горения пылей и порошков

Пыли и порошки могут вести себя при пожаре как большинство компактных веществ, но могут проявлять еще два опасных в пожарном отношении режима горения: тление и взрывное горение. Способность к тлению проявляют не все дисперсии, а только те, которые отличаются пористой структурой и склонностью к обугливанию (древесные опилки, мука). В то же время для многих горючих веществ распыление в воздухе способствует резкому возрастанию скорости горения, приводя к взрыву (угольная пыль в шахтах, текстильная и зерновая пыль).

Для газовзвесей большинства горючих веществ опасность взрывного горения возникает при содержании пылей в воздухе менее 65 г/м³, диаметре частиц менее 450−500 мкм и влагосодержании ниже 10−15 масс. %. Если концентрация частиц газовзвеси в воздухе более 65 г/м³, она является пожароопасной.

К горению пылевзвесей не применимы понятия “фронт пламени” и “скорость распространения пламени”.

Из-за малой способности газовой фазы поглощать тепловую радиацию от горящих частиц воздушная среда нагревается слабо. Отсюда фактическая температура горения газовзвесей значительно ниже температуры диффузионного пламени для веществ в недиспергированном состоянии. Ориентировочные оценки показывают, что нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) газовзвесей примерно в два раза ниже НКПВ газовых смесей этих же веществ. Эта особенность для газовзвесей органических веществ проявляется, начиная с размера частиц ~10 мкм. Для взвесей органических веществ со средним размером частиц 100 мкм и влажности менее 5 масс. % НКПВ можно вычислить по формуле:

, (1.12)

где − стандартная низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг.

Что касается пылей металлов, то их пожарная опасность во многом зависит от химической активности вещества и степени его окисления.

1.5. Примеры решения задач

П р и м е р 1. Удельная поверхность частиц дыма, возникающего при горении древесины составила 6 м²/г. Принимая частицы шарообразными определить их средний размер. Найти суммарную поверхность частиц, общий объем которых 90 г. Плотность массы частиц принять равной 1200 кг/м³.

Р е ш е н и е.

Используя уравнение (1.4) удельной массовой поверхности, определим удельную объемную поверхность:

, м²/м³.

Отсюда рассчитаем дисперсность дыма, используя формулу:

S_уд = k^.D и помня, что для частиц сферической формы k = 6: м⁻¹.

Средний размер частиц дыма будет равен:

м.

Суммарная поверхность всех частиц весом 90 г составит

S_Σ = м².

О т в е т: Размер частиц дыма равен ~8^.10⁻⁷м, суммарная межфазная поверхность − 720 м².

П р и м е р 2. Снижение поверхностного натяжения воды приводит к увеличению ее смачивающей способности, что повышает коэффициент ее использовании при тушении пожаров.

При температуре 298 K поверхностное натяжение воды составляет σ = 72 ^.10⁻³ Дж/м². Определить поверхностное натяжение воды при 90 ^оС. Температурный коэффициент поверхностного натяжения воды b = −0,154^.10⁻³ Дж/м^2.K.

Р е ш е н и е.

Используем формулу (1.7) для расчета поверхностного натяжения при заданной температуре

σ₃₅₃ = 72 ^.10⁻³− 0,154^.10⁻³(353 − 0 298) = 61,99 ^.10⁻³ Дж/м².

Температурный коэффициент поверхностного натяжения (b, Дж/м^2.град) необходимо взять с обратным знаком.

О т в е т: Поверхностное натяжение при 90 ^оС составляет ~62^.10⁻³ Дж/м².

П р и м е р 3. Произойдет ли расплавление алюминиевой пудры при повышении среднеобъемной температуры до 300 ^оС во время пожара на складе. Средний размер частиц пудры − 10⁻⁸ м. Справочная температура плавления алюминия составляет 933K (см. приложение П. 9), теплота плавления − 10,8 кДж/моль, величина поверхностного натяжения − 1,14 Дж/м².

Р е ш е н и е.

Для расчета воспользуемся выражением (1.10)

.

Предварительно рассчитаем мольный объем алюминия: или

м³/моль, тогда K.

Температура плавления пудры составит Т_д = Т_∞ − 401 = 532 K или 259 ^оС.

О т в е т: Так как ожидаемая температура плавления алюминиевой пудры составила 259 ^оС, среднеобъемной температуры до 300 ^оС во время пожара на складе она расплавится.

П р и м е р 4. Насколько снизится нижний концентрационный предел воспламенения взвеси частиц метанола в воздухе размером 100 мкм по сравнению со справочным значением для паров метанола (6,7 об. %)?

Р е ш е н и е.

Для расчета используем эмпирическое соотношение (1.12)

.

Справочное значение низшей теплоты сгорания метанола

Q_C = 19940 Дж/кг, тогда об. %.

Разница между справочным и расчетным значениями нижних концентрационных пределов Δ = 6,7 − 4,01 = 2,69 об. %

О т в е т: Нижний концентрационный предел воспламенения взвеси частиц метанола в воздухе снизится на 2,69 об. % для паров метанола по сравнению со справочным значением.