CC BY
81
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
В
© А.В. Шалаев, 2001
УДК
А.В. Шалаев
К ВЫБОРУ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ВЗРЫВОВ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ДЕГАЗАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
метановоздушных смесей шахт, а также и для других сред при общности влияющих факторов.
Как известно, действие огне-преградителей основано на гашении пламени в каналах малого диаметра за счет тепловых потерь из зоны горения в материал огне-преградителя (насадки). Выполненные исследования, большинство из которых базируется на экспериментальном материале [2], показывают, что этого условия недостаточно; должно также соблюдаться условие стабилизации зоны горения, а большинство ог-непреградителей локализуют горение в течение непродолжительного времени (4-30 мин). За указанное время трудно обеспечить ликвидацию опасных ситуаций. Применительно к транспортированию шахтной метановоздушной смеси с помощью вакуум-насосов и вентиляторов требуется выполнение дополнительных исследований для выявления конструктивных особенностей шахтных огне-преградителей.
Одним из основных параметров для выбора огнепреградителей является нормальная скорость распространения пламени, зависящая от состава смеси, давления и температуры.
В работе [3] приведены результаты по измерению скорости горения в различных смесях при дав-
о многих отраслях промышленности, где используются горючие материалы и среды, необходимо обеспечивать защиту производств от возникновения и распространения пламени и взрывов.
Для угольной промышленности характерным является наличие горючих и взрывчатых метановоз-душных смесей преимущественно при принудительном их извлечении из шахт, а также при использовании получаемого метана для промышленных и бытовых нужд. Согласно «Правилам безопасности в угольных шахтах» [1], недопустимая концентрация
метана в трубопроводах для изолированного отвода метана с помощью вентиляторов составляет более 3,5 % по объему, для дегазационных трубопроводов - от 3,5 до 25 % (§ 237). В указанных недопустимых значениях такая ме-тановоздушная смесь, как правило, не представляет опасности. Однако, учитывая нестабильность и динамичность изменения параметров вентиляционных и дегазационных сетей шахт, на практике имеют место отклонения от нормативных параметров.
Ниже приводятся сведения о существующих средствах защиты и принципах их построения для
лении от 1,0 до 100 атм. Скорость горения при атмосферном давлении не превышает 50 см/с, а с увеличением давления скорость горения увеличивается. До настоящего времени отсутствуют данные по скорости горения при давлении ниже атмосферного (раз-режение), которое имеет место при работе вакуум-насосов (примерно 0,2-105 Па-0,3-105 Па) и вентиляторов (примерно 103 дПа). Поэтому установление этого фактора возможно лишь при моделировании шахтных условий при испытаниях макетного образца.
Процесс гашения пламени при проходе его через узкие отверстия рассмотрен в работе [4], при этом установлено, в том числе и для метановоздушных смесей, что существуют предельные диаметры распространения пламени.
Развивая теорию распространения пламени, Зельдович Я.Б. [5], рассмотрел пределы распространения пламени в узких каналах и выявил, что потеря тепла определяется передачей тепла от нагретых продуктов реакции стенкам трубок (каналов), а от стенок - в окружающее пространство. Теплопередача от пламени к стенкам определяется только свойствами смесей и не зависит от материалов стенки. От материала стенки не зависит скорость распространения пламени, а также пределы его распространения. Этот вывод дает возможность принимать для огнепреградителей такие материалы, которые соответствовали бы технологическому процессу извлечения метана из шахт, когда смесь имеет множество различных примесей, что определяет допустимое или недопустимое во времени аэродинамическое сопротивление устройства.
Значительное влияние на гашение пламени оказывает форма каналов, как это отмечено при экспериментах на пластинах толщиной 0,8 мм. Было установлено,
что критический диаметр при одиночных прорезях шириной 1,2 и 3,0 мм и длиной 2,5 и 6,0 мм составил для щели 2,5 мм , а для трубок - 5 мм [6].
Критические условия гашения пламени слабо зависят от высоты слоя (элемента) насадки вследствие того, что условия гашения определяются охлаждением слоя продуктов сгорания, соизмеримого с шириной фронта пламени, не превосходящей при атмосферном давлении 1 мм. По-видимому, это происходит потому, что охлаждение далеко отстоящих от фронта пламени слоев продуктов сгорания не может сказываться на протекании реакции в пламени.
Если это положение отнести к ленточным или к насадочным ог-непреградителям, которым, видимо, будет отдано предпочтение на дегазационных вакуум-насосных установках, то следует иметь в виду, что в насадочных огнепрегра-дителях вследствие хаотичного размещения шаров (гранул) возможно образование каналов больше принятых средних размеров.
Защита вакуум-насосных станций может осуществляться пластинчатыми и кассетными (ленточными) огнепреградителями. Испытания пластинчатых огне-преградителей показали [7], что их надежность снижается с увеличением длины присоединенного газопровода и с повышением давления при взрывном горении.
В кассетных (ленточных) огне-преградителях насадка представляет собой кассету, состоящую из плоской и гофрированной металлической лент и за величину пла-мегасящего канала принимается значение высоты, опущенной из вершины треугольника гофра на плоскую ленту. В работе [7] указано, что эта высота составляет 0,7 мм, ширина - 2 мм и длина 10 мм. Экспериментальный корпус вмещал три кассеты, отстоящие друг от друга на несколько мил-
лиметров.
Отечественные ленточные ог-непреградители при испытаниях имели размеры пламегасящего канала 1,25-1,5 мм, длину каналов -80 мм [8]. Результаты испытаний оказались положительными. В табл. 1 приведены характеристики ленточных огнепреградителей, которые могут быть рекомендованы для создания образца.
Выбор эффективного огнепре-градителя зависит не только от его способности гасить пламя, но и от гидравлического сопротивления газовому потоку, которое определяется при прохождении через него газа в отсутствии распространения пламени. С уменьшением пламегасящего канала и увеличением высоты насадки сопротивление при определенной скорости движения смеси возрастает.
Для иллюстрации значений гидравлического сопротивления в табл. 1 приведены данные, полученные при испытаниях кассетных огнепреградителей [9]. Из данных табл. 1 следует, что величина сопротивления невелика и не может повлиять на режим работы установок. Однако, при функционировании огнепреградителей любого типа в шахтных дегазационных сетях это обстоятельство может измениться вследствие закрытия каналов из-за их загрязнения. Поэтому для этих условий следует выполнить специальные эксперименты с учетом времени работы и состава смесей.
Для гашения медленногорящих смесей, к которым относятся и ме-тановоздушные смеси, с нормальной скоростью распространения
пламени менее 45 см/с, применяют пластинчатые, кассетные, на-садочные и сетчатые огнепрегра-дители, реже - металлокерамиче-ские.
Пластинчатые огнепреградите-ли [9], в которых огнепреграж-дающий элемент представляет собой набор плоскопараллельных металлических пластин со строго определенным расстоянием между
ними. Он состоит из следующих основных частей: камера ввода, служащая для соединения огне-преградителя с газопроводом, подающим газ из шахты; пламега-сящего элемента; камера вывода газа, предназначенная для соединения газопровода с вакуум-насосной станцией. Основным узлом огнепреградителя является пламегаситель, представляющий собой набор металлических пластин толщиной 0,5-1,0 мм. Набор пластин заключен в обойму. В камере вывода предусмотрены предохранительные окна, закрытые оргстеклом, которое должно разрушаться при давлении в камере более 0,25 МПа.
Таблица 1
Диаметр огнепре-градителя, мм Количество пропускаемого воздуха, м3/час Сопротивление, мм.в.с.
100 100 11-17
150 215 9-11
200 280 7,5-14
350 - 10-13
Таблица 2
Тип огнепреградителя
П0-50 П0-100 П0-150 П0-200 П0-250 П0-350 П0-500
Диаметр, мм 50 100 150 200 250 350 500
Производительность, м3/ч 25 100 215 380 600 900 2200
Габаритные размеры, мм
ширина 140 205 320 375 435 630 890
высота 80 180 265 275 255 315 490
Масса, кг 2,0 4,5 48 23 27 55 90
Насадочные огнепреградители применяются для локализации пламени медленногорящих смесей, где нормальная скорость распространения пламени составляет менее 45 см/с. В последнее время имеется много предложений по применению насадочных огнепре-градителей фарфорового типа для дегазационных сетей шахт.
Насадочные огнепреградители состоят из корпуса, в котором находится насадочный элемент (гравий, стекло, шары фарфора и т.д.). Эти элементы расположены между стальными сетками или решетками с отверстиями диаметром 10 мм.
Сетчатые огнепреградители отличаются простотой конструкции и доступностью в изготовлении. Огнепреграждающий элемент состоит из пакетов плотно сжатых металлических сеток. При одинаковой ширине сеток, собранных в единый пакет, огнепреградитель является весьма эффективным для гашения пламени различных смесей.
В кассетных (ленточных) огне-преградителях огнепреграждаю-щий элемент состоит из гофрированных или плоских алюминиевых или стальных лент толщиной 0,5 мм. Гофрированная лента накладывается на плоскую и спирально навивается вокруг стального стержня с образованием структуры с треугольными каналами. Ширина канала - 3-4 мм, высота - 0,5-1,0 мм. Ленточные огнепре-градители отличаются малым со-
противлением, что выгодно характеризует их для применения в дегазационных газопроводах и газо-отсасывающих скважинах. Кроме того, ленточные огнепреградители имеют высокую механическую прочность, что способствует их использованию в случае взрывного воздействия и локализации детонации.
В связи с тем, что, вероятно, целесообразно будет остановиться на выборе ленточных огнепрегра-дителей, как наиболее предпочтительных из всех остальных, то ниже для детальной их характеристики приводятся табличные сведения по огнепреградителям типа П0-50, П0-100...п0-500 (табл. 2).
Как видно из данных табл.2, эти огнепреградители обладают характеристикой, которая удовлетворительно отвечает, прежде всего, условиям стационарных вакуум-насосных станций и, после макетного моделирования при внесении возможных корректировок -условиям газоотсасывающих вентиляторов.
Существующие методики испытаний промышленных огнепре-градителей не отражают реальных условий их эксплуатации при извлечении метановоздушных смесей из угольных шахт. Необходимо обратить внимание на методику испытаний для случая непрерывного потока горючей смеси [10].
Известно, что наряду с другими факторами важное значение
для выбора огнепреградителя и его параметров имеет величина нормальной скорости распространения пламени при горении мета-новоздушной смеси. В связи с этим представляют интерес некоторые экспериментальные данные, полученные при испытаниях огне-преградителей, которые были определены для температур 20 и 100 °С и содержании метана в смеси 6-14 об. %. Опытные данные свидетельствуют о том, что метановоз-душная смесь с содержанием метана 6-14 об. % горит устойчиво со скоростью, не превышающей 40 см/с при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа. С ростом температуры нормальная скорость горения смеси увеличивается и максимум нормальной скорости горения метановоздушной смеси (что характерно для дегазационных сетей с вакуум-насосами и газоотса-сывающими вентиляторами при непредвиденных режимах нарушения работы сети и установок) сдвинут в сторону более богатой смеси, что соответствует содержанию метана 10,5 об.% при сте-хиометрической смеси 9,55 об.%. Характерно, что эти данные, полученные при испытаниях, удовлетворительно согласуются с результатами, полученными в работе [11] при скорости пламени до 36 см/с. Приведенное сравнение результатов испытаний даже по различным методикам указывает на необходимость их использования в после-
дующем при испытаниях моди-
фицированных огнепреградите-
лей для шахтных сетей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности в угольных шахтах. М, 1995
г.
2. Битюцкий В.К. и др. Испытания сетчатых огнепреградителей. В сб. «Исследования в области техники безопасности в химической промышленности», М., 1976.
3. Страус В.А. Едзе Р. Технический доклад на 7— симпозиуме. Лондон, 1959.
4. Хольн Л. Инициирование взрывов газов небольшим пламенем. Phib. Mag. №14, 18. 1952.
5. Зельдович Я.Б. Теория предела тихого распространения.
6. Рубан А.Ф. Исследование надежности элементов огневых предохранителей хранилищ авиатоплива. Ленинградская военно-воздушная инженерная академия, 1951.
7. Барткнехт В. Разработка и испытание огнепрегра-
дителей для установок по отсасыванию рудничного газа. «Шлегель и Айзен», №3, 4, 1964г., №5, 1961.
8. Ченцов В.М. Испытание огневых предохранителей для резервуаров на огнепроницаемость. Труды ВНИИТ-нефть, Вып.3, 1952.
9. Стрижевский И.И., Заказнов В.Ф. Промышленные огнепреградители. Изд. «Химия», М., 1966.
10. Водяник В.И., Новикова Л.В., Валуйская Л.С. Испытание кассетных огнепреградителей в динамических условиях. НИИТЭХИМ, №4, М., 1968.
11. Гильберт М. Влияние давления на скорость пламени. VI Симпозиум. Нью-Йорк. 1957.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
