Пожарная опасность отложений на оборудовании, в вентиляционных системах и местных отсосах объектов переработки и хранения материалов растительного происхождения

Пожарная опасность отложений на оборудовании,

в вентиляционных системах и местных отсосах объектов переработки и хранения материалов растительного происхождения

Вогман Л. П., д. т. н., гл. науч. сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России, г. Москва,

Хрюкин А. В., ст. инспектор ОВР, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

Технологические процессы переработки, транспортирования и хранения материалов растительного происхождения (далее по тексту растительного сырья) на предприятиях по хранению и переработке растительного сырья: хлебоприемных пунктах, элеваторах, комбикормовых заводах, мельничных комбинатах (далее объекты защиты) связаны с транспортированием, измельчением, дроблением, смешиванием мелкодисперсных продуктов. Поэтому в производстве неизбежно присутствует большое количество горючей пыли, состоящей из горючих органических материалов растительного происхождения, которые со временем накапливаются на оборудовании и в системах вентиляции.

Пожаровзрывоопасность объектов защиты обусловливается количеством и физико-химическими свойствами горючих веществ и материалов, обращающихся в технологических процессах, особенностями технологических процессов, видами и исполнением оборудования.

При авариях в помещениях взрывоопасные среды возникают в первую очередь вблизи места утечки или выброса горючих веществ и материалов, а затем могут распространяться по всему помещению.

Для локализации утечек и выбросов горючих веществ и материалов и предотвращения пожаров и взрывов наряду с общеобменной вытяжной и аварийной вентиляцией применяют местные отсосы, которые устанавливают в местах генерации пожаровзрывоопасных сред. Требования пожарной безопасности к системам вентиляции и местных отсосов сформулированы в [1].

Если удаляемые горючие вещества способны взаимодействовать друг с другом или конденсироваться и накапливаться в воздуховодах, вентиляционном оборудовании, то для таких веществ системы местных отсосов должны быть изолированными для каждого помещения или каждой единицы оборудования.

Опасность самовозгорания растительного сырья характерна не только для процессов переработки и хранения, но и для отложений сырья в оборудовании, воздуховодах вентиляционных систем и местных отсосов.

Образующиеся отложения растительного сырья в оборудовании и воздуховодах имеют склонность к самовозгоранию. Для них определяются условия теплового самовозгорания с целью установления периодичности очистки технологического оборудования от отложений.

На основании данных по критическим значениям температуры самовозгорания заданного размера и формы образцов отложений ржаной муки, кинетических параметров (энергии активации, предэкспоненциального множителя) за-

имствованных из [2], для определения критических значений слоя отложений муки, выполнен расчет по определению критической температуры самовозгорания и периода индукции на примере отложений ржаной муки слоем 0,005; 0,01; 0,02; 0,05 и 0,08 м на технологическом оборудовании (например, на поверхности электродвигателей и в трубопроводах (например, в воздуховодах местных отсосов и вентиляции). В качестве примера показан алгоритм решения задачи в соответствии с [2] для слоя пыли 0,01 м по определению условий теплового самовозгорания на поверхности технологического оборудования (электродвигателя).

Исходными данными для расчета критической температуры отложений на нагретой поверхности оборудования являются:

- температура среды, в которой образуются отложения Т0 = 300 К;

- толщина отложений к = 0,01 м;

- коэффициент теплопроводности материала Я =0,152 Вт/(м К);

- теплоемкость исследуемого материала с = 1050 Дж/кг К;

- энергия активации Е реакции окисления = 88054 Дж/моль;

п

- удельное тепловыделение Q = 1,67 -10 Дж/кг;

- предэкспоненциальный множитель Qk0 /Я = 6,55-Ю11 мК/кг;

-5

- плотность ржаной муки р = 655 кг/м .

1. Принимая в первом приближении величину критерия Е1 = 4 и температуру нагретой поверхности оборудования тг равной 500 К, вычисляем среднюю (между температурами нагретой поверхности и газового пространства) температуру т по формуле:

Тг - Тп 500- 300

Тср =Т—Ч+Т0 = —0-, + 300 = 311* .

ср 2

2. Рассчитаем комплекс g /аг и коэффициент теплопроводности воздуха по уравнениям, где g — ускорение силы тяжести, м/с2; V — кинематическая

Л

вязкость воздуха при температуре Т0, м/с; а — температуропроводность воз-

Л

духа при температуре Т0, м/с.

Для облегчения расчетов зависимость комплекса g /va от температуры в диапазоне Т = 350 ^ 800 К может быть рассчитана по уравнению:

1770

= 1,2-108 • вТр

av

^ 1770

= 1,2 • 108 • вТср = 1,2-108 • е 311 = 3,55541-1010

av

Зависимость коэффициента теплопроводности воздуха от температуры может быть определена по формуле:

Я = 6,98 •Ю-3 + 6,41 •Ю-5 Тср

Я = 6,98•10 3 + 6,41 • 10-5Тф = 6,98•Ю-3 + 6,41 •Ю-5 • 311 = 2,6915И0~2

3. По найденным выше значениям определяем другую величину критерия Био по выражению:

Бг =

С • 4

% к3(ГГ -Т0) Л,

^ аТ0 (2Бг +1) к 2,6915110

+ 4аТп

у

к_ 2Л

(

0,27 • 4

V

3,555411010 • 0,013 •

300 •

0,01

+ 4• 5,67• 10-8 • 3003 = 0,373 ,

0,01 2 • 0,152

где С - коэффициент, равный 0,27 для горизонтальной пластины, обращенной

горячей стороной вниз (принимаем в нашем случае, как наиболее жесткий ва-

О Л

риант); а = 5,67 40-8 - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м К ).

4. Найденное в п. 3 значение Ы отличается от принятого в п. 1 более, чем на 10 %. Подставляем последнее значение Ы в вышеизложенные формулы, считаем заново:

т = Тг -т„ | г = 500-300 ср 2

+ 300 = 357,3К

1770

1770

= 1,2• 108 • вТср = 1,2-108 • е357'3 = 1,70051010

ау

Л = 6,98 • 103 + 6,41 • 105 Т = 6,98 • 103 + 6,41 • 105 • 357,3 = 2,98829-10-

" ср

Б1 =

С • 4

% к3 (тг -т.) л,

у • аТ0 (2Бг +1) к

2,9882940-2 0,01

+ 4аТ3

А

2Л

(

0,27 • 4

+

V

4• 5,67•Ю-8 • 3003 )

1,70058^ 1010 • 0,013 •

300^

0,01 2 • 0,152

= 0,44,

5. Найденное в п. 4 значение Ы отличается от принятого в п. 3 более, чем на 10 %. Подставляем последнее значение Ы в вышеизложенные формулы,

считаем заново:

Тг -Тп 500-300

Тр = Т-Ч + Т 0 =—,-7 + 300 = 353,2К

ср 2

1770

1770

8 = 1,2• 108 • еТр = 1,2•Ю8 • е353'2 = 1,80124^ 1010 ау

Л = 6,98• 103 + 6,41 • 10 5Т = 6,98• 103 + 6,41 • 10 5 • 353,2 = 2,9620110

Л-5

л-2

ср

Бг =

С • 4

8 к3(ТГ - Т0) Л + а

у • аТ0 (2Бг +1) к

2,9620110-

• 0,01

_к_ 2Л

+

0,27 • 4

V '

^АЛ?

1,801244010 • 0,013 •

300 •

4 • 5,67• 10-8 • 3003 )

0,01

2 • 0,152

= 0,437

и получаем величину Ы = 0,437. Так как последняя и предыдущая величины отличаются друг от друга менее чем на 10 %, в дальнейших расчетах используется величина Ы =0,437.

6. Вычисляем безразмерный температурный перепад:

^0 =

Е

ят;

2

Е 88054 в0 =--(Тг -Т)=-г• (500-300)= 8,4769193742

ЯТ,

8,31 • 5002

где Я — универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/моль К; Рассчитываем параметры:

а = 1 + 2,28 • е

-0,65в

а = 1 + 2,28 • е-

в0 = 1 + 2,28 • е -°6584769193742 = 1,009225147

и

5 =

2 • а

Б!

1 + 2Б!

\2

: I во + 2 Ц2(а + 4а(а -1))])2

5 =

2 • а

Б!

1 + 2Б

+ 21п

2(а + у1 а(а -1) )|

1

2 • 1,009225147

г 0,437

ч 1 + 2 • 0,437у

•¡8,4769193742+ 21п 2(1,009225147+^1,009225147^ (1,009225147-1) )}2 = 2,7287513405 7. Для температуры тг определяем параметры Р, у и вычисляем критическую величину 5 :

и

у = -

сЯТ2

Е ' QE

где с — теплоемкость материала, Дж/кг К, а Q — теплота реакции окисления, Дж/кг, Я — универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/моль К;

ЯТг_ = 831.500 = 0,0471869535

Е

88054

У =

СВЯЛ = 1°50-8.31-5002 = 0,0014834222

QE 1,67 •Ю7 • 88054

и вычисляем критическую величину Франк-Каменецкого 5 :

5р =5

5Кр =5(1 + Р\

(

Л

1 + 2,4у3

= 2,7287513405(1 + 0,0471869535)-

С

Л

1 + 2,4 • 0,0014834222'

V

= 2,9467150806.

8. Подставляем величину 5 в уравнение и находим новое значение температуры тг :

5 = 0р2 е - й 5 = Я ЯТГ 2 ге ,

-5

р — плотность вещества кг/м ; к0 - константа скорости реакции, 1/с.

88054

6,55•Ю11 • 655---°.°°52е *'ЗЬТг = 2,9467150806

8,31 • Тг

Получаем тг = 569,9 К.

9. Используя это значение тг повторяем расчет параметров по пп. 1-8.

9 1 Т = Тг -Т0 + Т = 569,9-300 + 300 = 372* ср 2

1

2

1

0

1770

1770

8 .«"2 = 1,39824^ 1010

9.2. 8 = 1,2•Ю8 • еТср = 1,2•108 • е ау

9.3. Л = 6,98 • 10-3 + 6,41 • 10-5 Тср = 6,98 • 10-3 + 6,41 • 10-5 • 372 = 3,08252^ 10-

9.4. Бг =

С • 4

% к3(Тг -Т,) Л,

Л

у • а

Т (2Бг +1) к

+ 4оТп

_к_

2Л

0,27 • 4,

l1,39824•1010 • 0,013 •

3,08252^ 100,01

+

4• 5,67•Ю-8 • 3 003 )

0,01

= 0,449

Е

ЯТ2 ' 8,31 • 569,92

9.5. в0 =-Е-(Тг -Т) =

00

' Бг Л2

2 • 0,152 88054

(569,9 - 300) = 8,8054921882

9.6. а = 1 + 2,28 • е-аб500 = 1 + 2,28 • е-0'65'8,8054921882 = 1,0074510935

9.7. 8 = -

1

2 • а

,8054921882+ 21п

V1 + 2Бг

+ 21п

2(а + ^а(а -1))|

0,449

V1 + 2 • 0,449у

2 • 1,0074510935

2(1,007451093 5+^1,007451093 5 (1,007451093 5-1)) }2 = 2,9877263128

9.8. р = ЯТ^ = 8,3'-569,9 = 0,0537836896

Е

9.9. ,= сЯТГ

88054 1050^ 8,31 • 569,92

ОЕ 1,67• 10' • 88054

= 0,0019271791

9.10. =3(1 + р\ =3,2654349627

(

2 Л

1 + 2,4/3

= 2,98772631281 (1 + 0,053783689^

(

2

1 + 2,4 • 0,00192717913

V у

9.11. з = 2 е ~ятг

кр Л ЯТГ2

88054

6,5540" • 655---0.0052е *'ЗЬТг = 3,2654349627

8,31 • Тг

Находим новое значение температуры тг = 573,5 К.

10. Используя это значение тг повторяем расчет параметров по пп. 1 -8.

10.1. ТрГ = + Т0 = 573-5-300 ^ + 300 = 372К

ср 2

1770

1770

10.2. 8 = 1,2 • 108 • еТр = 1,2 • 108 • е 372 = 1,39824! 1010 ау

10.3. Л = 6,9840 + 6,41 • 10 Тср = 6,98• 103 + 6,41 • 105 • 372 = 3,08252• 10

-2

10.4. Б,

С• (Тг -Т)Ь± + 4аТ3

V • а

Т (2Бг +1) к

А

2Л

= ( 0,27 • = 0,449

1,39824• 1010 • 0,013 • (573,5 - 300) 3,08252-10-

300 •

0,01

+

4• 5,67• 10-8 • 3 003 )•

0,01 . 2 • 0,152

Е

10.5. 00 = ~ЕТ(Тг -Т0) =

88054

ЯТ

8,31 • 573,52

(573,5 - 300) = 8,8112708596

10.6. а = 1 + 2,28. е -°'б5е0 = 1 + 2,28. е = 1,0074231587

2

1

10.7. 5 = —

2 • а

8112708596+21п

Б! Л

1 + 2Б!

+ 21п

2(а + д/а(а -1))|

0,449

V1 + 2 • 0,449J

2 • 1,0074231587

2(1,0074231587+ д/1,0074231587 (1,0074231587-1)= 2,990937445

8,31 • 573,5

10.8. р = ЯТг-Е

88054

= 0,0541234356

10.9.

У =

сЯТ 2 _ 1050^ 8,31 • 573,52 QE ~ 1,67 • 107 • 88054

= 0,0019516036

5р =5

(

2\

1 + 2,4у3

10.10.

(

= 2,990937445' (1 + 0,054123435(6 •

1 + 2,4 • 0,001951

= 3,2709864966

10.11. 5^ =

^ 0 Е Я ЯТг

г2 е

Е ЯТГ

6,55 •Ю11 • 655 •-

88054 8,31 • Тг 2

0.0052е

88054 2 8,31ТГ _

= 3,2709864966

Рис. 1. Зависимость температуры самовозгорания

отложений ржаной муки от толщины слоя отложений Находим новое значение температуры тг =

573,526 К.

10. Так как предыдущее и последнее значения температуры отличаются друг от друга менее чем на 10С, за критическую температуру принимается результат последнего расчета.

На рис. 1 представлены результаты расчетов. Кривая 1 показывает зависимость температуры самовозгорания отложений ржаной муки от толщины слоя отложений ржаной муки на поверхности оборудования (например, электромотора), а на кривой 2 представлена та же зависимость, но для воздуховодов систем приточно-вытяжной вентиляции. Незначительное снижение температуры самовозгорания отложений в воздуховодах, скорее всего объясняется изменением тепломассобмена в условиях потока аэрозоля.

Как следует из данных, представленных на рис.1, по мере повышения температуры и увеличения толщины слоя пыли ржаной муки снижается значение температуры самовозгорания и при слое 0,08 м она близка к 200 оС.

Полученные расчетные характеристики сопоставлены с результатами наблюдений в течение полугода по скорости роста отложений растительного сырья в воздуховодах и на оборудовании на Воронежском мукомольном комбинате ОАО МК «Воронежский» в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации (высокая запыленность, повышенная температура, малодоступные места криволинейных участков).

Как показало обследование предприятия, уборка легко доступных мест (пол, стены, поверхности оборудования) осуществляется один раз в смену (один раз за 8 часов) и при нормальном режиме технологического процесса толщина слоя отложений не превышает 0,0005 м. Такая толщина отложений

2

2

1

2

не вызывает опасений в отношении возникновения условий для их самовозгорания.

Наблюдения за ростом отложений в воздуховодах, а также в труднодоступных местах (поверхности воздуховодов, обращенных к потолку, площадки под оборудованием и др.) в течение полугода свидетельствуют о том, что их максимальная толщина достигает не более 0,001 м и, судя по результатам расчетов, также за такой период не представляет опасности.

Результаты представленных исследований могут быть использованы в качестве номограмм для прогнозирования условий самовозгорания отложений и установления кратности очистки оборудования, воздуховодов и местных отсосов высокодисперсных материалов органического происхождения.

Библиографический список

1. СП 7.13130.2009. «Отопление, вентиляция, кондиционирование».

2. Методика определения условий теплового самовозгорания веществ и материалов. М., ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2004. 65 с.