Предупреждение возникновения и развития пожара в вентиляционных системах местных отсосов производственных зданий и сооружений

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы
цель и направления исследований, изложены научная новизна, теоретическая и
практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, а
также сведения об апробации, объёме и структуре работы.
Первая глава «Пожаровзрывоопасность систем вентиляции, аспирации и
местных отсосов, исследование условий образования отложений в воздуховодах
местных отсосов производственных зданий и сооружений» посвящена анализу
современного состояния исследований самовозгорания отложений в системах
вентиляции, аспирации производственных зданий и сооружений, изучению процесса
образования горючих отложений в воздуховодах местных отсосов, а также
профилактике возгораний и распространения пожара в них.
Рядвеществиматериалов,удаляемыхизпомещенияпоодной
вентиляционной магистрали, по химическим свойствам являются несовместимыми
и при смешивании могут образовывать взрывоопасную среду. Определенная
категория веществ приобретает способность откладываться или конденсироваться
на внутренних стенках вентиляционных каналов и вентоборудования. В результате
образуются горючие отложения, которые могут самовозгораться.
Процесс самовозгорания веществ и материалов не требует внешнего
воздействия для возникновения горения – в этом и заключается его главная
особенность. Причиной самовозгорания является реакция гетерогенного окисления,
протекающая в условиях сравнительно пониженной температуры окружающей
среды.Окисление,котороепротекаетврезультатетермическойи
термоокислительной деструкции, провоцирует разогрев. В определенной ситуации
могут формироваться условия, когда тепловая энергия окислительной реакции
горючих веществ, выделяется быстрее, чем обеспечивается отвод тепла. Происходит
непрерывное нагревание материала при определенном значении его возгорание и
пламенное горение без внешнего воздействия.
За период 1995 – 2013 гг. по причине самовозгорания произошло более 18
тысяч пожаров, погибло 115 человек, травмировано 554 человека. Прямой
материальный ущерб составил более 580 миллионов рублей.
Анализ статистических данных и пожарной опасности систем местных
отсосов свидетельствует о том, что горючие отложения являются одной из главных
причин пожаров и взрывов в их оборудовании и коммуникациях.
Приоритетным способом предотвращения возгораний и взрывов в каналах
местных отсосов и в технологическом оборудовании сегодня считается удаление
механическим способом образовавшихся отложений. Вместе с тем, необходимо
решить вопрос с определением сроков очистки и разработкой мер пожарной
безопасности при выполнении данной операции.
Из анализа характеристики систем местных отсосов и их пожарной опасности
следует, что, наряду с исследованиями динамики роста отложений (как для
жидкостей, так и для пылей), необходимо выявить механизм их самовозгорания.
Выполнение этих исследований позволит определить основные пути, направленные
напрофилактикусамовозгоранияотложений.Сформулированнаязадача
применительно к системам местных отсосов реализуется впервые.
В соответствии с описанным механизмом образования горючих отложений
паров жидкостей в воздуховодах, в том числе и в местных отсосах, перенос к стенке
воздуховода веществ, способных переходить в твёрдое состояние, осуществляется
двумя способами: конденсацией из парогазовых смесей благодаря имеющейся
разности парциальных давлений пара в ядре потока и у стенки и осаждением
молекулярных ассоциаций и тумана при турбулентном течении смеси и действии
массовых инерционных сил, в том числе процесса адгезии (когезии) для
грубодисперсных аэрозолей.
Определяющими стадиями процесса образования отложений паров горючих
жидкостей являются доставка горючего компонента паровоздушной смеси к стенке
и отверждение образовавшегося жидкого слоя. Движущей силой обеих стадий
является градиент концентраций. Процесс образования отложений может быть
представлен уравнениями:
dG
 K д F (C f  C w ) ,
(1)
dt
dG
 K p F (C w  Cф ) ,(2)
dt
где dG – количество вещества, достигшего поверхности за время dt; Кд –
константа скорости доставки паровоздушной смеси к стенке; Сf, Сw, Сф –
концентрация горючего компонента в парогазовой смеси (в потоке), в расплаве,
примыкающем к стенке и на поверхности стенки; Кр – константа скорости
поверхностных реакций; F – поверхность, на которой происходит образование
отложений.
Движущей силой процесса образования самовозгорающихся отложений
является разность концентраций (Сf – Сф). Тогда уравнение процесса образования
отложений принимает вид:

dG(3)
 (K д  K p ) F (Cf  Cф ) ,
dt

Одним из наиболее важных параметров, определяющих склонность горючих
отложений к самовозгоранию, является толщина слоя отложений  от.
Процесс образования отложений лимитируется стадией доставки вещества
отложений к стенке. Поэтому в рассматриваемом процессе определяющим является
значение толщины образующегося слоя отложений:

 t *пл  t *с1 w (4)
от   от ,
  р (t *р  t *пл )  2  w 

где  от – теплопроводность слоя; t*c – температура окружающей среды; t*пл –
температура плавления; αр – коэффициент теплоотдачи от расплава к границе
раздела фаз; t*p – температура расплава; α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки
воздуховода в окружающую среду;  w – толщина стенки;  w – коэффициент
теплопроводности стенки.
Условие, при котором возможно образование критического слоя отложений
( кр ), выражается неравенством:

от  кр .(5)
Критическая по условиям самовозгорания толщина слоя отложений равна:

1092, 4(6)
кр  То exp ( 12,5) ,
To

где То – температура окружающей среды.

Тогда условие обеспечения пожарной безопасности воздуховода определяется
следующим образом:

 t *пл  t *с1 w 1092, 4(7)
от   от   Tf exp ( 12,5) ,
  р (t *р  t *пл )  2  w Tf

где Tf – температура ядра потока.
Выполнение условия (7) является необходимым, но недостаточным для
предотвращения образования критического слоя отложений. Например, если
образование твёрдого слоя на боковых и верхней поверхностях горизонтальных
воздуховодов прекратится, стекающая жидкость будет скапливаться на нижней
поверхности. Поэтому необходимо предусматривать конструктивные меры по
предупреждению накапливания отложений путём своевременного отвода жидкой
фазы.
Анализ тепломассообменных процессов в воздуховодах и технологическом
оборудовании показал, что в результате исследования процесса осаждения
отложений в коммуникациях местных отсосов и применения теоретических
предпосылок массообменных процессов можно оценить размеры критического слоя
самовозгорающихся отложений горючих жидкостей и пылей. Определение научно
обоснованной периодичности очистки воздуховодов местных отсосов является
одной из задач настоящей работы.
Во второй главе «Экспериментальные и натурные исследования, расчет
условий теплового самовозгорания отложений паров горючих жидкостей и
пылей в системах вентиляции и местных отсосов» представлены натурные
исследования динамики роста отложений паров горючих жидкостей и пылей,
анализируются основные экспериментально-аналитические методы, используемые
для изучения условий теплового самовозгорания материалов, осуществлен выбор
методики,котораяусовершенствованаприменительнокотложениям
вентиляционных систем, установлена последовательность расчета, определены
расчетные параметры.
Кинетические характеристики процесса термоокисления определялись в
результате обработки экспериментальных значений температур самовозгорания
образцов различного размера и формы, полученных в лаборатории. Для этого
совместно использовались метод по ГОСТ 12.1.044-89 и новая методика,
разработанная ФГБУ ВНИИПО МЧС России, учитывающая кинетику окисления
отложений различной природы горючих пылей или паров жидкостей.
Натурные исследования проводились на производственных объектах ОАО МК
«Воронежский», ПАО «ВАСО» и АО «Концерн «Созвездие». В течение полугода
(ежемесячно) определялась скорость роста отложений в воздуховодах и на
малодоступных местах криволинейных участков воздуховодов, а также в
оборудовании при наиболее интенсивных условиях эксплуатации (повышенная
температура и производительность).
Механизмопределениядинамикиростаотложенийзаключалсяв
первоначальной очистке от отложений выбранного для проведения эксперимента
участка оборудования и затем в ежемесячном в течение полугода контроле роста
количества отложений весовым методом и с помощью толщиномера (рисунок 1).

Рисунок 1 – Очистка изгиба вентиляционного канала местного вытяжного устройства на
оборудовании АО «Концерн «Созвездие», обрабатывающем полимеры (диаметр изгиба 190 мм)
Для экспериментального исследования отложений паров жидкостей были
взяты образцы в воздуховодах сушильных установок на участках с использованием
эмалей ЭП-140. Термостатирование образцов исследуемого материала происходило
при температурах 110-340 С. Полученные значения температуры самовозгорания
исследованных образцов находятся в диапазоне 137-326 С. Согласно ГОСТ
12.1.044-89данныеэкспериментовформируютзависимоститемпературы
самовозгорания от поверхности образца и периода индукции следующего вида:
lg tc = 1,338 + 0,451 lg S ,(8)
lg tc = 2,428 – 0,354 lg  ,(9)
где tc – температура самовозгорания, оС; τ – время, на протяжении которого
происходит задержка возникновения возгорания, ч; S – отношение поверхности
исследуемого образца к его объему, 1/м.
Значения температур самовозгорания образцов исследуемого материала
различного размера и формы принимаются за величину критической температуры
процесса и используются для расчета параметров кинетики термоокисления.
В расчетах использовалась вновь разработанная методика ВНИИПО МЧС
России, адаптированная для определения критических параметров отложений на
внутренней поверхности трубы воздуховода при самовозгорании горючего тела в
виде бесконечной пластины при несимметричном теплообмене.
Врезультатеэксперементальныхисследованийполученазависимость
максимальной толщины образованного на внутренней плоскости трубопровода слоя
отложения, при достижении которой возникает самовозгорание, от температуры
парогазовоздушной смеси ТГ внутри вентиляционного канала (диаметр воздуховода
0,4 м, скорость транспортировки парогазовоздушной смеси 1,5 м/с).
В интервале от 80 до 110 °С при нормальной работе вентиляционного
оборудования, а также в аварийной ситуации возгорание отложения может
произойти при увеличении толщины слоя до 0,17 м и больше. Самовозгорание
отложений с толщиной слоя приблизительно 0,053 м (оценка по ГОСТ 12.1.044-89)
может возникнуть, если транспортируемая среда в вентиляционном трубопроводе
нагреется до 200 °С и выше. Температура воздуха Т0 внутри производственного
объекта оказывает влияние при значении температуры газовой среды внутри
вентиляционного канала ТГ в диапазоне 80 ‒ 200 °С. При увеличении величины ТГ
выше 200 °С критический слой отложений h отличается всего на 1,5-2 мм.
Экспериментально установлено, что рост ТГ в интервале 70 ‒ 80 °С не является
причиной самовозгорания отложений из-за существенного увеличения значения их
максимальнодопустимойтолщины.Отложениянавнутреннихстенках
вентиляционного трубопровода слоем менее 0,05 м, могут воспламениться при
всасывании в вентиляционный канал тлеющих частиц, а также в результате
неконтролируемого увеличения температуры транспортирующегося газового потока
ТГ выше 200 °С.
На рисунке 2 показаны данные логарифмической экстраполяции показателей,
полученныхвходеисследований,которыепроводилисьприусловии
симметричного теплообмена образца
материалапометодике,
представленной в ГОСТ 12.1.044-89.
Проведенныевычисления
подтверждают факт, что полученные
по стандартной методике значения
критическойтолщиныотложений
оказываются уменьшенными и не
показывают истинного представления
Рисунок 2. Зависимость температуры внешней поверхности
отложения от критической толщины (толщины слояпроцесса самовозгорания материала в
отложения, при которой возникает самовозгорание) в
условиях симметричного теплообмена.реальных условиях.
Расчетами было установлено влияние на условия самовозгорания размера
поперечного сечения воздуховода и скорости транспортировки парогазовой среды в
трубопроводе, выполнена оценка периода индукции. Приведенные расчетные
значения периода индукции, а также расчеты величины критической толщины слоя
отложений являются более достоверными, если сопоставлять с данными,
полученными по методике ГОСТ 12.1.044-89. Причина в том, что в данной методике
результаты, полученные в ходе лабораторных экспериментов, непосредственно
распространяются на реальные объекты, что является некорректным в оценке их
пожарной опасности.
Аналогичный методический подход, учитывающий кинетику термоокисления,
былпринятврасчетахпоопределениюкритическихпараметровпри
самовозгорании отложений горючих пылей на примере ржаной муки слоем 5; 10;
20; 50 и 80 мм на внутренней поверхности трубопроводов вентиляционных систем и
на производственном оборудовании (рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние критической температуры среды в воздуховоде T,С на толщину отложения h, м
(ржаная мука, диаметр воздуховода D=0,16 м, скорость движения среды в воздуховоде V=8 м/с).

Зависимости, построенные по результатам расчетов условий самовозгорания
горючихпылей,могутбытьиспользованывкачественомограммдля
прогнозированияусловийсамовозгоранияотложенийвзависимостиот
температуры, скорости движения потока в воздуховодах и их диаметра и в конечном
счете для установления кратности очистки оборудования, вентиляционных систем и
аспирационных установок зданий и сооружений.
Третья глава диссертации «Разработка методики оценки пожарной
опасности воздуховодов систем вентиляции и систем местных отсосов с
самовозгорающимися отложениями производственных зданий и сооружений и
мероприятийпообеспечениюихпожарнойбезопасности»посвящена
исследованию совместимости веществ в системах местных отсосов по критерию
пожарной безопасности, разработке методики оценки пожарной опасности местных
отсосов и обоснованию мероприятий по обеспечению пожарной безопасности
воздуховодов с самовозгорающимися отложениями.
Методикаопределениясовместимостизаключаласьвопределении
способности взрываться и гореть при взаимном контакте в заданной пропорции и
оценкерезультатоввзаимодействиявеществ.Предварительныеиспытания
проводили путём контакта капель реагирующих веществ. Если при этом
происходилоэнергичноевзаимодействие(воспламенениеиливзрыв),то
дальнейшиеиспытанияпрекращали,авеществаклассифицироваликак
несовместимые.
Для широкого круга пар веществ (приблизительно 100 пар веществ)
экспериментально установлены условия их взаимодействия или не взаимодействия
и определена их совместимость (или несовместимость). В системах местных отсосов
могут встречаться различные сочетания веществ, экспериментальная оценка
совместимости которых требует значительных затрат времени. Поэтому была
сформулирована задача определения условий совместимости веществ по критерию
пожарной безопасности расчётным методом. Для её решения использовано
известное наблюдение: реакции, сопровождающиеся значительным снижением
энергии Гиббса (∆Gº), могут протекать самопроизвольно и приобретать характер
активного взаимодействия.
Критериемсамопроизвольногопротеканияпроцессавнестандартных
условиях может быть принято условие ∆Gº<<0, тогда при расчётах можно использовать величины стандартной энергии Гиббса. Критерием невозможности реализации процесса (т.е. совместимости веществ) принимается неравенство ∆Gº>>0.
Для обоснования мероприятий по обеспечению пожарной безопасности
местных отсосов разработана методика оценки уровня их пожарной опасности,
которая заключается в следующем.
На первом этапе устанавливается возможность конденсации и накопления
удаляемых веществ в воздуховодах или вентиляционном оборудовании. Эта
возможность определяется температурой точки росы, которая сопоставляется с
минимальной температурой перемещаемой паровоздушной смеси. Если удаляемые
горючие вещества способны конденсироваться в воздуховодах, то для них системы
местных отсосов должны быть изолированными для каждого помещения или для
каждой единицы оборудования.
Далее образующиеся отложения должны быть проверены на склонность к
самовозгоранию,принеобходимостиопределеныусловиятеплового
самовозгоранияипономограммамустановленапериодичностьочистки
воздуховодов от отложений.
Затем с использованием известных методов рассчитывается расход воздуха в
вентиляционнойсистеме.Принеобходимостиоцениваетсявозможность
взаимодействиягорючихсмесейдругсдругом,осуществляетсявыбор
электрооборудования и на последнем этапе устанавливается, должна ли система
местных отсосов быть автономной от общеобменной вентиляции и имеется ли
необходимость в установке аварийного вентилятора.
Впервые на основе экспериментальных данных эта методика использована для
оценки пожаровзрывоопасности местных отсосов на объектах по хранению и
переработкезернаизернопродуктов(мукомольныйкомбинатОАОМК
«Воронежский»).
В работе рассмотрены наиболее эффективные способы пожаробезопасной
очистки воздуховодов от горючих отложений. Одним из наиболее перспективных
способов очистки систем вентиляции и вентиляционного оборудования является
очистка поверхностей, выполняемая гранулами сухого льда. Основа данной
технологии заключается в воздействии потока сжатого воздуха с гранулами сухого
льда на загрязненную поверхность. Слой загрязнения подвергается быстрому
охлаждению(−79°C),становитсяхрупкимиотделяетсяотповерхности.
Последующее распыление гранул полностью удаляет его остатки. Основная масса
очищаемого объекта не охлаждается, а механические свойства конструкции не
меняются.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненанализпожарнойопасностивентиляционныхсистем
промышленных зданий и сооружений, предназначенных для удаления горючих
газов, паров и пылей из технологического оборудования. На основе анализа и
обобщения статистики пожаров в этих системах обоснована актуальность
исследований закономерностей образования горючих отложений пылей и паров
жидкостей в вентиляционных каналах местных вытяжных устройств, условий их
самовозгорания и предупреждения возникновения пожароопасных ситуаций.
2. Определены критические условия самовозгорания, устанавливающие
пожарную опасность воздуховодов зданий и сооружений с жидкими отложениями в
зависимости от температуры среды, периода индукции, а для пылей еще и в
зависимости от толщины отложений, диаметра воздуховода, скорости потока.
3. Основным лимитирующим фактором самовозгорания отложений паров
горючей жидкости следует считать процесс его накопления до критической
толщины. Экспериментально установлено, что при нагреве внутренней среды
вентиляционного канала в интервале 70-80 °С самовозгорание отложений
конденсата паров горючих жидкостей невозможно. При штатном и аварийном
режиме функционирования системы вентиляции критическая толщина жидких
отложений, при которой возможно возникновение процесса самовозгорания
составляет более 0,18 м. Отложения порядка 0,05 м с большой вероятностью могут
самовозгораться при нагреве воздушного потока в трубопроводе выше 200 °С.
Отложения на внутренних стенках вентиляционного трубопровода слоем
менее 0,05 м, могут воспламениться при всасывании в вентиляционный канал
тлеющихвеществ,атакжеврезультатенеконтролируемогоувеличения
температуры транспортируемого газо-, паровоздушного потока ТГ больше чем
200 °С. Можно добиться снижения толщины отложений в два раза в
теплоизолированных трубопроводах. Применение теплоизоляции обеспечивает
предотвращение образования конденсации паров транспортируемой по воздуховоду
паровоздушной смеси.
4. Определены закономерности и установлено незначительное влияние
диаметра воздуховода и скорости движения горючего потока в канале на условия
самовозгорания отложений горючей пыли.
5. Экспериментально и расчетным путем исследован характер взаимодействия
представителей различных классов веществ, контакт которых в системах
вентиляции может приводить к самовоспламенению.
6. Представлена методика обеспечения пожарной безопасности систем
вентиляции и систем местных отсосов промышленных зданий и сооружений на
этапе их проектирования и эксплуатации. Впервые методика применена для систем
местных отсосов, по которым эвакуируется горючая пыль.
7. Разработаны мероприятия по предотвращению пожаров в системах
вентиляции промышленных зданий и сооружений в результате самовозгорания
горючих отложение паров жидкостей и пылей.

РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ
РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Установленные закономерности образования горючих отложений в системах
вентиляции,разработанныеметодикиэкспериментальногоирасчётного
определения условий самовозгорания отложений в воздуховодах, методика
определения совместимости (по критерию пожарной безопасности) веществ в
воздуховодах местных отсосов, методика определения уровня пожарной опасности
воздуховодов и способы обеспечения их пожарной безопасности рекомендуются для
практического использования в проектных и строительных организациях при
проектировании, строительстве и эксплуатации систем вентиляции, а также для
уточнения и разработки новых норм и рекомендаций, регламентирующих
требованияпожарнойбезопасностиприпроектированиииэксплуатации
оборудования местных отсосов промышленных зданий и сооружений различного
назначения.