Установка для исследования термической деструкции материалов

УДК 541.8:622.8

В.А. Уварова, Т.М. Грачева

НЦ ВостНИИ

Установка для исследования термической деструкции

материалов

Установка для исследования термической деструкции материалов, разработанная в НЦ ВостНИИ, предназначена для оценки пожарной опасности веществ и материалов, применяемых в угольной промышленности, с целью получения исходных данных для классификации их по степени пожарной опасности и разработки противопожарных мероприятий. С помощью установки можно одновременно и за короткое время определять ряд показателей пожароопасности и других параметров термической деструкции твердых, жидких и порошкообразных материалов, причем определение показателя токсичности исключает эмпирическую токсикометрию

Последние годы характеризуются внедрением в технологию угольного производства новых материалов и технологий. Из синтетических полимерных материалов изготавливают крепежный материал, ленты шахтных конвейеров, вентиляционные трубы, оболочки электрокабелей, защитные каски, приводные ремни, детали комбайнов и светильников и т.д. Кроме того, эти материалы используют в целях предупреждения эндогенных пожаров, внезапных выбросов угля и газа, укрепления горных пород и т.п. Однако это направление имеет оборотную сторону, т.к. ведет к расширению круга потенциально вредных и опасных веществ, с которыми вынуждены контактировать рабочие в процессе трудовой деятельности. С учетом современных требований безопасности, заложенных в новых ПБ, актуальность оценки пожароопасности веществ и материалов, применяемых в шахтах, не вызывает сомнений.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 [1], для оценки пожароопасности веществ и материалов определяют комплекс показателей (группа горючести, температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения, тления, кислородный индекс, коэффициент дымообразования, показатель токсичности, скорость выгорания и др.), номенклатура которых зависит от агрегатного состояния вещества (материалов). Для определения этих показателей применяют экспериментальные методы с использованием большого количества приборов и устройств. Причем определение некоторых показателей, например токсичности, занимает много времени и требует больших материальных затрат. К недостаткам метода определения токсичности по этому государственному стандарту следует отнести то, что методические вопросы определения показателя токсичности разрабатывались для целей испытания только твердых материалов. При этом метод не распространяется на порошкообразные и жидкие вещества, оценка токсичности которых также во многих случаях необ-

ходима. Кроме того, требует изменений сам подход к определению показателя токсичности, основанный на эмпирической токсикометрии (испытания с экспозицией животных).

В НЦ ВостНИИ на основании многолетних исследований разработана установка для исследования термической деструкции материалов. Установка, представленная на рисунке 1, предназначена для экспериментально-расчетного определения следующих показателей пожароопасности материала: коэффициента дымообразования, скорости выгорания и показателя токсичности. Кроме этого, на установке определяют начальную и конечную температуру термической деструкции материала и количество выделившегося при этом твердого аэрозоля. Определение аэрозольной фазы необходимо, например, при исследовании термодеструкции конвейерных лент [2]. Установлено, что при горении всех типов лент выделяются как газообразные продукты, так и твердые в виде дыма и хлопьев, которые являются источником дополнительной опасности для работников шахт, попадающих в аварийные ситуации, так как оказывают токсическое, раздражающее и прижигающее действие.

2 4 5 б 7 9 10 14

Рисунок 1 - Установка для исследования термической деструкции материалов

Установка включает печь 1 с регулируемой температурой от 1QQ до 1QQQ °С, в которой установлена камера сгорания 2, выполненная в виде цилиндра. С одной стороны камера сгорания соединена с побудителем тяги 3, а с другой стороны с трубой 4. Последовательно за камерой сгорания на трубе установлены охладитель б, приборы контроля температуры б, измеритель задымленности 7, фильтры В для улавливания аэрозольной фазы и аппаратура для измерения содержания газовой фазы в составе фотоколориметра 9 и хроматографа 1Q. Установка размещена на раме 11 с помощью опор 12.

Испытания проводят через каждые 100-2000С, фиксируя при этом начальную и конечную температуру термодеструкции. Исследуемый образец 1З помещают в камеру сгорания 2 печи 1. Подачу воздуха осуществляют и регулируют с помощью побудителя тяги З. После установки необходимого расхода воздуха фиксируют время начала эксперимента. Оптическую плотность дыма определяют с помощью измерителя задымленности 7, фотоэлементы которого размещают с двух

сторон трубы 4. Газовоздушная смесь проходит через охладитель 5, который выполнен в виде водяной рубашки. Аэрозольная фаза задерживается фильтрами 8. При достижении максимальной задымленности включают отбор проб газа и анализируют их на хроматографе и фотоэлектроколориметре. Оставшийся газовоздушный поток через вытяжной конец трубы 14 выводят в атмосферу. Эксперимент прекращают в начале падения задымленности потока.

На каждой температурной стадии испытаний материала с помощью установки можно получить следующие показатели: оптическую плотность дыма, качественный и количественный состав газов в продуктах термодеструкции материала, массу выделившихся аэрозолей.

На основании этих данных можно получить ряд других показателей: коэффициент дымо-образования, скорость выгорания, показатель токсичности. Расчет показателя токсичности основан на оценке совместного действия токсичных газов однонаправленного действия. При этом значения удельных масс всех вредных веществ продуктов термодеструкции исследуемого материала, обладающих суммацией вредного действия, приводят к значению удельной массы СО, обладающему наиболее выраженным токсическим действием. Данное значение принимают за показатель токсичности С, мг/г, [2-4] и сравнивают с уровнем выделения СО при сгорании условно эталонных материалов дСО, мг/г, по которому материал классифицируют как малоопасный, умеренно опасный, высоко опасный или чрезвычайно опасный. Кроме этого, определяют массу и кислотность полученного аэрозоля, интервал минимальной - максимальной температуры термодеструкции.

С помощью установки за период 1998-2006 гг. проведено исследование более 100 образцов твердых, жидких и порошкообразных материалов. В таблице 1 приведены результаты определения токсичности в сравнении с данными других исследователей [5, 6]. Сравнение показало совпадение экспериментально-расчетного определения класса опасности веществ с определением по методу эмпирической токсикометрии, где показателем токсичности является отношение количества вещества к единице объема замкнутого пространства, в котором газообразные продукты горения СН С|_50, г/м3, вызывают гибель 50% подопытных животных.

Таблица 1 - Сравнительные результаты определения класса опасности веществ

по показателям токсичности СН С|_50 и С

Вещество (физическое состояние) Метод эмпирической токсикометрии Экспериментально-расчетный метод

Показатель токсичности СН С|_50, г/м3, при экспозиции 30 мин Класс опасности вещества Показатель токсичности С, мг/г Класс опасности вещества

Дизельное топливо (жидкость) 38,1 Высоко опасное 137,7 Высоко опасное

Дициандиамид (порошок) 169,9 Малоопасное 30,8 Малоопасное

Пенополиуретан (твердое вещество) 41,0 Умеренно опасное 62,0 Умеренно опасное

Установка имеет следующие преимущества перед аналогами:

- предназначена для исследования твердых, жидких и порошкообразных материалов;

- одновременно за короткое время можно определять ряд показателей пожароопасности и других параметров термической деструкции материалов, на что по ГОСТ 12.1.044-89 требуется продолжительное время и использование нескольких отдельных установок;

- определение показателя токсичности исключает эмпирическую токсикометрию (испытания с экспозицией животных).

В настоящее время проводится работа по усовершенствованию установки с целью определения на ней еще нескольких показателей пожароопасности.

Таким образом, установка для исследования термической деструкции материалов может быть использована при оценке пожарной опасности веществ и материалов, применяемых в угольной промышленности, с целью получения исходных данных для классификации их по степени пожарной опасности и разработки противопожарных мероприятий. С помощью установки можно одновременно и за короткое время определять ряд показателей пожароопасности и других параметров термической деструкции твердых, жидких и порошкообразных материалов, причем определение показателя токсичности исключает эмпирическую токсикометрию (испытания с экспозицией животных).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определений.

2 Разработать методику оценки выделения хлопьевидных аэрозолей при термическом разложении негорючей резинотканевой конвейерной ленты шириной 800-1200 мм: отчет о НИР 1691114000/ НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 1993.

3 ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей

зоны.

4 Методика экологической оценки материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах/ ВостНИИ. -Кемерово, 1996.

5 Иличкин, В.С.Экспериментальное обоснование метода определения токсичности продуктов горения жидких и порошкообразных веществ / В.С. Иличкин, В.Г. Васильев, В.Л. Смирнов // Пожаровзрывобезопасность. - № 4. -1997. -С. 11-15.

6. Иличкин, В.С.Определение показателя токсичности продуктов горения материалов экспериментально-расчетным методом / В.С. Иличкин, Н.В.Смирнов, Ю.Н. Елисеев, Ю.Ю. Белоусов, А.А Зайцев, М.А. Комова // Пожаровзрывобезопасность. - № 3. - 2005. -С. 29-34.