Для быстрого протекания реакции горения должны быть обеспечены следующие условия:

1) необходимое для теплообмена сближение диспергированных частиц;

2) выделение за индукционный период достаточного количества горючих газов, окутывающих газовой пленкой каждую частицу;

3) ускорение тепловыделения от начала развития реакции окисления до критического ее значения, при котором начинается самовозгорание вследствие превышения тепловыделения над теплоотдачей в окружающую среду. Горение аэровзвеси возникает в результате воспламенения от высокотемпературного источника зажигания. Воспламенение и распространение пламени по всему объему аэровзвеси происходит только в том случае, если ее концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения.

Наименьшая концентрация пыли в воздухе (в г/м³ или кг/м³), при которой смесь способна воспламеняться от постоянного источника зажигания с последующим распространением пламени на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом воспламенения аэровзвеси (НКПВ). Процесс горения аэровзвеси при такой концентрации характеризуется низкими температурой и давлением, а также малой скоростью распространения пламени. Несмотря на это, нижнему концентрационному пределу воспламенения придают большое значение, так как он характеризует степень пожаро- и взрывоопасности аэровзвесей в производстве, где эти пыли образуются. Нижний концентрационный предел воспламенения аэровзвеси учитывают при классификации производств по степени пожарной опасности в соответствии со строительными нормами и правилами. Нижний концентрационный предел воспламенения аэровзвеси твердых веществ учитывают при расчете безопасных режимов работы установок пневмотранспорта, пылеосаждения и т.п.

В табл. 6.2 приведены нижние концентрационные пределы воспламенения некоторых пылей.

Каждая аэрозвесь имеет различную дисперсность, зольность и другие особенности, резко влияющие на значение нижнего концентрационного предела воспламенения. При разрешении практических вопросов по профилактике пыльных производств необходимо в каждом отдельном случае определять нижний предел воспламенения аэровзвеси и ее концентрацию в производственных условиях.

Таблица 6.2

нижние концентрационные пределы воспламенения некоторых пылей

Пыль, ее характер	Выход фракции 70 мкм, %	Технический анализ для фракции 850 мкм		Нижний предел воспламенения, г/м3
		Влажность, %	Зольность, %
Мучная пыль всасывающих фильтров Сенная пыль Торфяная пыль из газоходов осадительной камеры Угольная пыль (подмосковный бассейн) Эбонитовая пыль с вальцового станка	32,0 17,0 65,0 57,1 80,0	9,3 8,19 16,5 7,8 -	2,58 33,0 7,0 32,4 -	30,2 55,4 17,6 114,0 7,6

Обычно концентрации, соответствующие нижним пределам воспламенения, возможны только в аппаратуре, установках и вблизи них. В производственном помещении концентрации аэровзвесей значительно меньше нижних пределов воспламенения. Если в помещении создается концентрация пыли, равная нижнему пределу воспламенения, то на расстоянии 3 – 4 м предметы различить невозможно.

Что касается верхних пределов воспламенения аэровзвеси, то они настолько велики, что в большинстве случаев практически непостижимы. Так, концентрация верхнего предела воспламенения для аэровзвеси сахарной пудры равна 13 500 г/м³. Поэтому в справочной литературе даны только нижние концентрационные пределы воспламе-нения.

нижние концентрационные пределы воспламенения, а также способность аэровзвесей воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, непостоянны, они зависят от ряда факторов. Основными факторами, влияющими на взрывчатость аэровзвесей, являются мощность источника зажигания, влажность пыли и воздуха, зольность пыли, дисперсность пыли, состав воздуха, начальная температура пылевоздушной смеси и др.

Мощность источника зажигания. Мощность источника зажигания определяется числом активных центров, образуемых при его воздействии в единицу времени на единице поверхности пыли. Чем больше образуется активных центров в единицу времени, тем интенсивнее начнется развитие цепной реакции. С увеличением мощности источника зажигания НКВП пыли снижается и взрывчатость пыли увеличивается.

Способность аэровзвеси воспламеняться с распространением пламени во всей массе зависит во многом от температуры источника зажигания и размера его нагретой поверхности, соприкасающейся с частицами аэровзвеси. Наименьший нижний концентрационный предел воспламенения пыли будет достигнут при воздействии того источника зажигания, который имеет наиболее высокую температуру и большую поверхность.

В табл. 6.3 приведены величины нижнего концентрационного предела воспламенения аэровзвесей алюминия, крахмала и сахара при воздействии различных источников зажигания.

Таблица 6.3

Изменение нижнего концентрационного предела воспламенения пыли в зависимости

от мощности источника зажигания, кг/м³

Вещество	Накаленное тело (1200 0С)	Электрическая дуга (33 В, 5 А)	Искра индуктора (6,5 В, 3 А)
Крахмал Сахар Алюминий	7,0 10,3 7,0	10,3 17,2 7,0	13,7 34,4 13,7

Согласно данным табл. 6.3, наиболее низкие значения НКПВ получаются при воспламенении пыли более мощным источником зажигания – накаленным телом (спираль из платиновой проволоки).

При разработке методики определения минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей и определения ее значения для различных сортов муки были обнаружены некоторые закономерности. Энергию, выделенную конденсатором при разрядке, рассчитывали по формуле

,

где W – минимальная энергия воспламенения, мДж; С – емкость конденсатора, дающего искру при разряде, мкФ; V – напряжение на конденсаторе до пробоя, кВ.

В результате проведенных исследований получены значения (табл. 6.4) минимальной энергии искровых разрядов, достаточной для воспламенения муки.

Таблица 6.4

минимальная энергия искры, достаточная для воспламенения муки

при  разных условиях

Сорт муки	Дисперсность муки	Влажность муки	Минимальная энергия воспламенения, мДж
Высший Высший Первый Второй Второй	Несеянная Несеянная 110 мк Несеянная Несеянная	Сухая 13% Сухая Сухая 13%	13 – 14 280 – 300 11,5 – 12,5 25 800 – 1000

Данные табл. 6.4 получены при оптимальной концентрации пыли в воздухе (для муки 1-го сорта 158 г/м³). Сухую муку получали осушкой ее в сушильном шкафу в течение 20 – 24 ч при 100 ⁰С. Из табл. 6.4 видно, что наиболее пожаро- и взрывоопасна сухая мука высшего и первого сортов. Мука, даже при ее естественной влажности (13 %), особенно высшего и первого сорта, является в значительной степени пожаро- и взрывоопасной, так как минимальная энергия искры для ее воспламенения значительно меньше энергии фактических искровых разрядов, возникающих при пневмотранспорте муки.

При оценке опасности искровых разрядов статического электричества в пылевоздушной мучной среде взрывоопасной концентрации рекомендуется считать безопасными разряды с энергией не более 5 мДж.

Влажность пыли и воздуха. Вода, содержащаяся в пыли, затрудняет ее воспламенение и распространение пламени.

Объясняется это тем, что в процессе нагревания частиц аэровзвеси часть тепла расходуется на испарение воды. Исследования показали, что по мере увеличения влагосодержания воздуха уменьшается интенсивность взрыва торфяной пыли. Влияние влажности по-разному сказывается на взрывчатых свойствах угольных пылей.

Из приведенного на рис. 6.4 графика видно, что пыль донецкого газового угля не взрывоопасна при содержании влаги 6,5 %, в то время как пыль украинского и кизиловского углей при этой влажности еще взрывоопасна.

Зольность пыли. Под зольностью пыли понимается остаток негорючих частиц твердого вещества. Увеличение зольности пыли приводит к увеличению расстояния между горючими пылинками, поэтому при разложении их не образуется необходимой газопаровоздушной смеси, способной воспламеняться под действием источника зажигания данной мощности. Вместе с тем, увеличение зольности приводит к увеличению теплопотерь из зоны реакции, что также затрудняет распространение фронта пламени на весь объем пылевоздушной смеси. Пыль каменного угля с выходом летучих продуктов до 40 % при зольности от 15 до 30 % не взрывается. Следовательно, чем выше зольность частиц твердого тела, составляющих аэровзвесь, тем меньше ее взрывчатость. Если содержание минеральных веществ в пыли до 50 % и выше, то пыли имеют слабую способность взрываться или вообще не способны взрываться.

Дисперсность пыли. С увеличением дисперсности аэровзвеси увеличиваются поверхность окисления и скорость химической реакции. С увеличением дисперсности возрастает линейная скорость горения пылевоздушной смеси, что приводит к уменьшению периода термического распада пылинок и увеличению полноты их сгорания. Поэтому нижний концентрационный предел воспламенения пыли понижается.  

При взрыве алюминиевой пыли (концентрация 70 г/м³) различной дисперсности в резервуаре объемом 43 л были получены следующие значения взрывных давлений:

Диаметр пылинок, мк …………………	0,3	0,6	1,3
Давление, МПа ……………………….	1,06	0,86	0,77

Высокие взрывные давления алюминиевой пыли можно объяснить ее большой теплотой сгорания.

Состав воздуха. Примесь горючих паров и газов в пылевой смеси снижает ее взрывчатость. Объясняется это тем, что введение негорючих паров и газов снижает концентрацию кислорода в смеси, а согласно закону действия масс для гетерогенных систем, скорость химической реакции пропорциональна только концентрации кислорода. На рис. 6.5 показана зависимость нижнего концентрационного предела воспламенения торфяной аэровзвеси от содержания кислорода в смеси. содержание кислорода измеряли введением диоксида углерода (СО₂) или водяного пара. При содержа

нии кислорода в воздухе ниже 16 % торфяная аэровзвесь не воспламеняется.

Начальная температура пылевоздушной смеси. С повышением начальной температуры смеси уменьшается количество кислорода в единице ее объема. Скорость химической реакции при этом уменьшается, а следовательно, нижний концентрационный предел воспламенения аэровзвеси повышается. Ниже приведены результаты исследований взрываемости торфяной аэровзвеси при различных температурах:

Температура, 0С ……………………………………	10	25	200	300
Содержание кислорода, кг/м3 …………………….	0,29	0,27	0,17	0,14
Максимальное взрывное давление, МПа …………	0,25	0,22	0,16	0,12

Концентрация пыли в этих опытах составляла 1,16 кг/м³, что соответствовало условиям наибольшего взрывного давления.

Вопросы для самоконтроля

1. какую пыль называют аэрогелем, а какую аэрозолем?

2. Что называют дисперсностью пыли?

3. Что понимают под химической активностью пыли?

4. Способны ли пылинки при движении по пылепроводам электризоваться?

5. Какими параметрами характеризуется пожарная опасность аэрогелей?

6. Какими параметрами характеризуется пожарная опасность аэровзвесей?

7. ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ