Обеспечение взрыво пожаробезопасности при работе на комприморованном природном газе и водороде Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 66.011

В. В. Азатян, В. В. Козляков, В. Б. Сажин*, В. Н. Саранцев

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗРЫВ» Л О Ж А РО БЕЗО Г1А С НО CT И ПРИ РАБОТЕ НА КОМПРИМОРОВАНИОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ И ВОДОРОДЕ

Рассмотрена проблема обеспечения взрыво-пожаробезопасности при работе на природном газе и водороде.

При эксплуатации автобуса на природном газе и водороде возникает проблема его утечки, что требует разработки защиты от взрыва газовоздушной смеси. Газ (фр. gaz, от греч. chaos - хаос), агрегатное состояние вещества, в котором оно равномерно заполняет весь предоставленный ему объем. Возникновение взрыва связано с быстропротекающим процессом с выделением значительной энергии в небольшом объёме, который приводит к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям. Высокоскоростные процессы могут протекать в виде детонации или дефлаграции. Детонация отличается от горения тем, что процесс идет с выделением энергии, которая образует ударную волну с вовлечением новых порций взрывчатого вещества в химическую реакцию.

Сравнительный анализ показывает, что утечки газа менее пожароопасные, чем утечки бензина. Нижний предел самовоспламенения метана -650 С0, в то время как у бензина он составляет 550 С0. Сжатый природный газ легче воздуха в 1,6 раза и при утечках создает взрывоопасную смесь. Диапазон пожароопасных концентраций пропан-бутановой смеси находится в пределах 1,8 - 8,6%, а у метана - в пределах 4,0 - 15,0% по объему. Современные газовые системы оснащены комплексной системой защиты, подача газа автоматически прекращается в случае обрыва трубопровода. Баллон имеет большой запас прочности, на случай аварии или взрыва. Американской газовой ассоциацией показано, что в течение 10 лет эксплуатации 2400 автомобилей работающих на газовом топливе, с ними произошло 1360 столкновений. В 180 случаях удар приходился в зону расположения газовых баллонов, но ни один баллон не был поврежден. В пяти случаях было зарегистрировано воспламенение бензина. На газобаллонных автомобилях возникновение пожаров и взрывов крайне редкие случаи и связаны с грубыми нарушениями правил эксплуатации.

Одной из основных проблем, ограничивающих использование водорода в качестве топлива, является его повышенная воспламеняемость, взры-воопасность. Проявляется это в широких концентрационных пределах воспламенения и детонации, намного превосходящих соответствующие пределы углеводородов, в повышенной чувствительности к слабым импульсам, инициирующим воспламенение, в больших скоростях распространения пламени, легко переходящего в детонацию. При эксплуатации на метане или водороде есть вероятность утечки газа. При попадании газа в воздух созда-

ется взрывоопасная смесь, что может привести к взрыву. Нужно подать определенный ингибитор, который подавит возможность образования взрывоопасной смеси. В результате появится время для безопасной высадки пассажиров.

В качестве эффективных ингибиторов применительно к горению смесей метана в воздухе в пределах 6-14% метана, были предложены и испытаны олефиновые соединения, в частности бутилен. Измерения показали, что для предотвращения воспламенения метано-воздушных смесей, достаточная концентрация предлагаемого ингибитора — 2%. Были произведены опыты при содержании метана в воздухе 6%, 7%, 8%, !0%, 14% с добавлением ингибитора и углекислоты. Не в одном из случаев возгорание не произошло. Установка для проведения опытов показана на рис. 1.

замедления процессов горения и взрывов

Реакции проводили в герметичном цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали диаметром и 12,6 см и высотой 25,2 см. Рабочие смеси составляли в самом реакторе по парциальным давлениям компонентов с погрешностью 0,5% относительно концентраций СН4 и воздуха и 2 % относительно концентрации ингибиторов. Компоненты напускались в реактор в следующей последовательности: бутилен, двуокись углерода (углекислый газ), метан, воздух. Начальные давление и температура смесей были равны 1,0 бар 293К соответственно. Зажигание смесей производили у нижнего конца реактора с помощью искры спустя время после набора в реактор, необходимое для полного перемешивания компонентов (20 минут). Использовалось искровое инициирование с варьируемой энергией, в большинстве экспериментов равной 3,6 Дж.

С реактора снимаются показатели давления и хемилюминесценции. Сигнал пьезоэлектрического датчика давления проходил через усилитель и регистрировался на запоминающем двух лучевом осциллографе С9-8 со временем дискретизации 2 мкс. Хемилюминесценция пламени в диапазоне длин волн 300-600 нм также регистрировалась на осциллографе с использованием ФЭУ-39. После каждого опыта реактор откачивали до £ 2 Па. В качестве эффективных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе, содержащих более 10% водорода, были предложены и испытаны олефиновые соединения. Опыт был произведен на той же установке рис.1.

Полученные данные показывают, что примеси олефинов в количествах даже долей процента предотвращают воспламенение водородо-воздушных смесей, приводят к увеличению необходимой энергии зажигания. Под воздействием олефинов снижается верхний концентрационный предел распространения пламени, т.е. затрудняется воспламенение. Уменьшается также темп развития горения: в течение всего процесса кинетические кривые давления и хемилюминесценции более пологие, чем в отсутствии добавок. При ншшчии олефинов сокращаются конечные степени расходования СЬ и Нг, т.е. горение прекращается раньше, чем в отсутствии ингибитора. Достаточная концентрация ингибитора — 2%. Для сравнения — инертного газа аргона требуется 80%. Наличие 1% ингибитора предотвращает переход горения во взрыв любых смесей водорода в воздухе.

Экспериментально подтверждено, что с использованием ингибиторов удается снизить интенсивность горения, скорости дефлаграционного распространения пламени и стационарной детонационной волны водородо-воздушных смесей вплоть до прекращения этих уже развившихся процессов. С помощью ингибиторов удается эффективно управлять распространением пламени, переходом горения в детонацию, характеристиками детонации и даже разрушать стационарную детонационную волну. Если концентрация ингибитора достаточна для подавления цепной лавины полностью, то воспламенение и горение вовсе предотвращаются. Если же ингибитор лишь уменьшает интенсивность цепной лавины, то горение не предотвращается, но его протекает менее интенсивно.

Было установлено также, что ингибиторы сильно повышают мини-

мально необходимую мощность поджигающего импульса и тем самым сокращают число возможных источников неконтролируемого воспламенения. Минимальная энергия, необходимая для зажигания смеси, тем сильнее, чем больше концентрация примеси ингибитора. Ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания.

Для заметного торможения процесса требуются такие малые количества этих веществ, при которых другие свойства реакционных смесей фактически не изменяются, и не заслоняют эффект ингибирования как в режимах воспламенения и распространения пламени, так и в режиме детонации.

Библиографические ссылки

1. Саранцев В.Н., Козляков В.В. Проблемы и решения обеспечения безо-пасностипри работе на компримированном природном газе и водороде. // Ориентированные фундаментальные исследования - новые модели сотрудничества в инновационных процессах: Сб. науч. тр. и инженерных разработок науч. конф. [Под ред. чя.-корр. РАН, академика РИА Б.В. Гусева]. М.: Эксподизайн-Холдинг, 2008. С. 451-453.

2. Саранцев В.Н., Азатян В.В., Козляков В.В. Проблемы безопасности при работе на компримированном природном газе. // Секция 5. Энергетика, транспорт и энергосбережение: Материалы юбилейной XX межд. интернет-ориентированной конф. молод, ученых и студ-в по соврем, проблемам машиноведения. М.: ИМАШ РАН, 2008. С. 81.

УДК 66.047 (088.8)

Б. С. Сажин, О. С. Кочетов, М. Б. Сажина", JI. Б. Дмитриева, М. А. Апарушкина, А. В. Костылева, Е. О. Боброва, Е. С. Бородина, А. С. Буток, М. А. Кипнис, В. Б. Сажин

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия "Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ С ПОСТРОЕНИЕМ I-d ДИАГРАММЫ

In work the design procedure of parameters of process of drying of materials of dispersion with construction of process of drying on I-d is submitted to the diagram. The technique of construction of process of drying on I-d to the diagram is considered on an example of a mode of the dryer working by a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier, and as the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality disper-gator the vortical centrifugal atomizer is applied. As the first step of clearing of air from a dust of a product cyclones are used, and final clearing is made in a wet scrubber where there is a prelimi-