ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЦИАНОВОДОРОДА ПРИ ПОЖАРАХ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2020.3.5-10

ПУЗАЧ Сергей Викторович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: puzachsv@mail.ru

БОЛДРУШКИЕВ Очир Баатрович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: avadanonstop@mail.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЦИАНОВОДОРОДА ПРИ ПОЖАРАХ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ

Выполнен анализ токсичного воздействия циановодорода на людей во время эвакуации при пожарах в помещениях объектов энергетики. Предложен экспериментально-теоретический подход по расчёту плотности циановодорода при пожаре, основывающийся на аналитической зависимости среднеобъёмной парциальной плотности ИСЫ от изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода в помещении. Представлены результаты экспериментов по измерению парциальной плотности ИСЫ в маломасштабной экспериментальной установке в случае горения современной кабельной продукции, используемой на объектах энергетики. Результаты экспериментально-теоретических исследований позволяют определить изменение по времени среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении с использованием результатов экспериментов в маломасштабной опытной установке.

Ключевые слова: объект энергетики, циановодород, парциальная плотность, удельный коэффициент образования, экспериментальная установка, кабельная продукция.

В соответствии со статистическими данными о причинах гибели людей при пожарах, на первом месте стоит отравление токсичными продуктами горения - более чем в 70 % случаев [1]. Исследования [1-2] показали, что при горении различных материалов может выделяться от 50 до 100 химических соединений, оказывающих токсическое воздействие на организм человека. С точки зрения пожарной опасности, основным токсикантом, активно образующимся в условиях пожара, является монооксид углерода. Однако результаты судебно-медицинских экспертиз [3] и исследований токсикологической картины пожара [4-5] указывают на присутствие разных токсикантов в крови погибших в токсикологически значимых концентрациях. В работах [4, 5] отмечалось, что циановодород во многих случаях является основным токсикантом, гибель от которого происходит не реже, чем от моноксида углерода.

Для обоснования противопожарных мероприятий по предотвращению негативного воздействия токсичных продуктов горения используется математическое моделирование распространения токсичных газов в объёме рассматриваемых помещений и их воздействия на организм человека. Однако в используемых в России математических моделях рассматривается процесс распространения лишь двух токсичных газов (монооксид углерода и хлороводород), и не принимается во внимание чрезвычайно опасный токсикант - циановодород. Отсутствие циановодоро-да в расчётных методиках объясняется отсутствием

экспериментальной базы по образованию HCN при горении различных материалов.

Расчёт времени блокирования путей эвакуации циановодородом особенно важен при проверке выполнения условия безопасной эвакуации людей на объектах энергетики, так как изоляция современной кабельной продукции, используемой на вышеуказанных объектах, выделяет достаточно большое количество указанного токсиканта [11]. Поэтому определение экспериментальных значений удельных коэффициентов образования циановодорода при горении различных современных материалов и разработка методики расчёта концентраций этого газа при пожаре в помещении является актуальной научно-практической задачей.

В работе [11] представлены экспериментальные данные по парциальным плотностям и удельным величинам HCN в маломасштабной экспериментальной установке при горении кабелей коммуникационных Low smoke с оболочкой LSZH (малодымный безгалогенный компаунд), однако нет теоретического обоснования возможности использования результатов маломасштабных испытаний при расчёте парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении.

Целью работы является разработка нового экспериментально-теоретического подхода к расчёту парциальной плотности циановодорода при пожарах на объектах энергетики, учитывающего результаты испытаний в маломасштабной установке.

© Пузач С. В., Болдрушкиев О. Б., 2020

5

ОСОБЕННОСТИ ОТРАВЛЕНИЯ ЦИАНОВОДОРОДОМ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА

О

травление циановодородом в условиях пожара - достаточно сложный процесс. В соответствии с исследованиями [4, 6] и европейским стандартом (ISO 13344: 2015 Estimation of the lethal toxic potency of fire effluents) отравление газообразным циановодородом может осуществляться ингаляционным путём и вследствие резорбции через кожу. В условиях пожара основным путём отравления является ингаляционный способ вследствие определённых факторов психофизиологического состояния эвакуирующихся (учащённое дыхание, усиленное сердцебиение, повышенная скорость вентиляции легких). Рассматриваемый токсикант имеет высокую диффузионную способность в альвеолах лёгких и достаточно быстро попадает в кровь.

В соответствии с нормативным документом (СП 11.13130.2009 «Места дислокации подразделений пожарной охраны. Порядок и методика определения») критическая парциальная плотность циановодоро-да в воздухе принята равной pHCNKp = 2x10~4 кг/м3. Однако в соответствии с исследованиями [7] раздражение слизистой глаз человека наблюдается уже при концентрации 1,11х105 кг/м3, а летальный исход происходит при концентрации 1,11x10 4 кг/м3 при 30-минутной экспозиции. Представленная в нормативном документе концентрация почти в 2 раза превышает указанную выше смертельную концентрацию, и почти в 20 - концентрацию, при которой наблюдается раздражение слизистой оболочки глаз, что в значительной степени влияет на процесс безопасной эвакуации людей.

Поэтому при расчёте концентрации цианово-дорода более обосновано будет принимать значение критической парциальной плотности, равной pHCNK = = 1,11x10 s кг/м3.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЁТА ПАРЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЦИАНОВОДОРОДА ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ

Расчёт парциальной плотности циановодо-рода при пожаре в помещении основан на решении дифференциального уравнения закона сохранения массы токсичного газа для определённых термогазодинамических условий [8-10]. Получим аналитическое решение по определению парциальной плотности циановодорода от изменений парциальной зависимости плотности кислорода для условно герметичного объёма. Схема тепломассообмена в герметичном объёме представлена на рисунке 7 [9].

Дифференциальное уравнение закона сохранения массы циановодорода имеет вид [9-10]:

Рисунок 1. Схема пожара в герметичном объёме: 1 - стенки помещения; 2 - газовая смесь (продукты газификации горючего материала, горения и воздух); 3 - горючий материал

где V - объём герметичного помещения, м3; р -среднеобъёмная парциальная плотность циановодорода, кг/м3; х - время, с; г| - коэффициент полноты сгорания; - скорость газификации горючего материла, кг/с; - удельный коэффициент образования циановодорода.

Дифференциальное уравнение закона сохранения массы кислорода для герметичного объёма имеет вид [9-10]:

(2)

где р02 - среднеобъёмная парциальная плотность кислорода, кг/м3; - удельный коэффициент потребления кислорода.

Зависимость среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода от изменения плотности кислорода получена после совместного интегрирования уравнений (1) и (2) от времени начала пожара х = 0 до рассматриваемого момента времени:

Phcn —

(р02о Ро2 HCN

(3)

(1)

где р02а - среднеобъёмная парциальная плотность кислорода в помещении перед пожаром, кг/м3.

Из выражения (3) видно, что при расчёте концентрации циановодорода необходимо использовать значения парциальной плотности кислорода, изменяемой во времени, а также значения удельных коэффициентов образования циановодорода и потребления кислорода.

Кроме того, соотношение (3) не учитывает размеры помещения. Поэтому это выражение справедливо для маломасштабных (экспериментальная установка) и полноразмерных помещений объектов энергетики.

Покажем, что выражение (3) позволяет производить расчёт концентрации циановодорода при

пожарах в полноразмерном помещении без решения дифференциального уравнения закона сохранения массы НСЫ с использованием экспериментальной зависимости плотности циановодорода от изменения плотности кислорода, полученной в маломасштабной экспериментальной установке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2 [10-11].

Теплоизолированная камера сгорания 7 соединена с экспозиционной камерой 2 теплоизолированным переходным рукавом 3, оснащённым устройством теплового блокирования. В камере сгорания объёмом 3x10-3 м3 установлен электронагревательный излучатель 4 с датчиком непрерывного контроля температуры и держатель образца 5 на подвижной основе. Боковая стенка камеры сгорания оснащена окном из кварцевого стекла, позволяющим наблюдать за образцом при проведении испытаний, а также шиберными отверстиями 6, используемыми для изменения режимов испытаний [10-11].

Экспозиционная камера представляет собой кубический объём (0,5887 м3) с конусообразной верхней частью. На двух боковых стенках установлены шиберные отверстия. По всему экспозиционному объёму расположены 32 низкоинерционных бронированных термопары для непрерывного контроля температуры в рассматриваемом объёме. Данные термопары имеют диапазон измерений от -40 до + 1 100 °С с погрешностью не более ± 1,5t(°C).

Держатель образцов размещается на электронных весах 7, которые расположены на подвижном столе и имеют погрешность не более ± 1 мг.

Контроль над плотностью теплового потока, падающего на испытуемый образец, осуществляется с помощью водоохлаждаемого датчика типа Гордона и регистрирующего прибора с диапазоном измерений от 0 до 100 мВ. Погрешность измерения плотности теплового потока не превышает ±8 %.

Постоянный контроль состава газовоздушной среды в экспозиционной камере осуществляется с помощью многоканального газоанализатора, измеряющего концентрацию оксида углерода, с диапазоном измерений от 0 до 1% об. и допустимой погрешностью ±10%; концентрацию диоксида углерода с диапазоном измерений от 0 до 5 % об. и допустимой погрешностью ±10 %; концентрацию циановодорода с диапазоном измерении от 0 до 0,01 % об. и допустимой погрешностью ±1 %; концентрацию кислорода с диапазоном измерений от 0 до 21 % об. и допустимой погрешностью ±10 % об.

Эксперимент начинается с запуска контура нагревательного элемента и регистрирующих программ с последующей проверкой отклика датчиков. После этого ступенчато задаётся рабочая температура 766 °С и плотность падающего теплового потока 60 кВт/м2. При выходе температуры и плотности на установленные значения открывают заслонку переходного рукава и дверцу камеры сгорания, после чего предварительно взвешенный образец материала помещают в камеру сгорания и закрывают дверцу.

В ходе проведения эксперимента фиксировались масса исследуемого образца, температура

Рисунок 2. Схема модифицированной экспериментальной установки: 1 - камера сгорания; 2 - переходной рукав; 3 - экспозиционная камера; 4 - лазерный модуль; 5 - термопары; 6 - зонд отбора газа; 7 - вентилятор; 8 - фоточувствительный элемент; 9 - электронные весы; 10 - держатель образца; 11 - электронагревательный излучатель

в объёме экспозиционной камеры и концентрация газов, образующихся при горении исследуемого образца (СО, С02, НС1М, 02).

Удельный коэффициент образования циано-водорода определялся исходя из значений массовой скорости выгорания исследуемого материала и расчётных значений концентрации циановодорода в соответствии с формулой:

V dp,

HCN

HCN

\|/ с/т

где V- внутренний объём установки, м3.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ И НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

(4)

600 "С, с

Рисунок 4. Зависимости среднеобъемной парциальной плотности

циановодорода от времени горения изоляции кабелей: 1, 2, 3 - экспериментальные значения при горении кабеля ВВГнг; 4, 5,6 - экспериментальные значения при горении кабеля Low smoke: 7 - критическое значение плотности циановодорода

В

качестве исследуемых образцов были приняты образцы современной кабельной продукции, используемой на объектах энергетики: кабель силовой ВВГнг и кабель коммуникационный Low smoke.

Начальная масса исследуемых образцов составляла 0,103 кг и 0,073 кг соответственно. Размеры экспериментальных образцов в плане составляли 100x100 мм. Температура в помещении на момент проведения экспериментов составляла 22°С, давление 735 мм. рт. ст., влажность воздуха 34%.

Зависимости массовой скорости выгорания от времени при горении изоляции кабелей ВВГнг и Low smoke представлены на рисунке 3.

Зависимости среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода от времени при горении исследуемых материалов приведены на рисунке 4.

Полученные экспериментальные значения среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода, представленные на рисунке 4, указывают на достижение критической парциальной плотности циановодорода на начальных стадиях эксперимента при горении всех рассматриваемых

Рисунок 3. Зависимости массовой скорости выгорания от времени горения изоляции кабелей:

1, 2, 3 -экспериментальные значения при горении кабеля ВВГнг; 4, 5,6 - экспериментальные значения при горении кабеля Low smoke

Зависимости среднеобъёмной парциальной плотности от изменения среднеобъёмной плотности кислорода (Др0г =Ро2а_Ро2) ПРИ горении исследуемых образцов представлены на рисунках 5 и 6.

Полученные значения плотности циановодорода в соответствии с аналитическим решением (3) интегральной модели пожара совпадает с экспериментальными значениями для всех рассматриваемых материалов с погрешностью не более 1 %.

Таким образом, представленное выражение (3) позволяет определить изменение по времени среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении без решения дифференциального уравнения закона сохранения массы циановодорода только с учётом экспериментальных значений LHCN и ¿0г, полученных в маломасштабной экспериментальной установке, и изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода. При этом зависимость парциальной плотности кислорода определяется из решения дифференциального уравнения (2) для полномасштабного помещения.

Основным недостатком измерения осреднён-ных по времени величин LHCN и Ь0г является существенное влияние на них времени проведения эксперимента [10].

По этой причине, а также при отсутствии данных по величинам удельных коэффициентов образования НСЫ и поглощения 02 можно использовать только экспериментальные зависимости рНС1У| =/(Др0г). Погрешность такого подхода не превышает 1 % {рис. 5 и 6) для рассмотренных в статье образцов кабелей.

5 соответствии с результатами проведённых экспериментов, авторы пришли к заключению, что при горении современной кабельной продукции средне-объёмная парциальная плотность циановодорода достигает критического значения на начальных стадиях эксперимента для всех исследуемых образцов.

Аналитическое решение (3) интегральной модели пожара с использованием экспериментальных значений удельных коэффициентов образования НСЫ

Рнс»' кг/"3

ДрС1_. КГ/М3

Рисунок 5. Зависимость среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъемной плотности кислорода при горении изоляции кабеля Low smoke'.

1, 2. 3 - расчёт по формуле (3); О, О - экспериментальные значения

и поглощения кислорода с погрешностью не более 1 % совпадает с экспериментальными значениями парциальной плотности циановодорода для всех рассматриваемых материалов (рис. 5 и 6).

Предложенный экспериментально-теоретический подход к расчёту парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении позволяет использовать экспериментальные

ЛИТЕРАТУРА

1. Иличкин В. С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения. СПб: Химия,1993. 136 с.

2. Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. Екатеринбург: Калан, 2001. 222 с.

3. Белешников И. Л. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара : автореф. дис. ... канд. мед. наук. СПб: Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова, 1996. 24 с.

4. Pauluhn ]. Acute inhalation toxicity of carbon monoxide and hydrogen cyanide revisited: Comparison of models to disentangle the concentration x time conundrum of lethality and incapacitation // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2016. Vol. 80. Pp. 173-182. DOI: 10.1016/j.yrtph.2016.06.017

5. Anseeuw K., Delvau N., BuriHo-Putze G., De Iaco F., Geldner G., Holmstrom P., Lambert Y., Sabbe M. Cyanide poisoning by fire smoke inhalation: a European expert consensus 11 European Journal of Emergency Medicine. 2013. Vol. 20. Iss. 1. Pp. 2-9 DOI:10.1097/MEJ.0b013e328357170b

6. Orloff K. G., Kaplan В., Kowalski P. Hydrogen cyanide in ambient air near a gold heap leach field: Measured vs. modeled

P„„ КГ/М3

АрГ1. кг/м3

Рисунок 6. Зависимость среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъёмной плотности кислорода при горении изоляции кабеля ВВГнг:

1, 2. 3 - расчёт по формуле (3); О, □ О - экспериментальные значения

зависимости среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода, полученные в маломасштабной экспериментальной установке. При этом отпадает необходимость решения дифференциального уравнения закона сохранения массы циановодорода, в которое входит величина ¿НС№ существенно зависящая от времени осреднения.

concentrations //Atmospheric Environment. 2006. Vol. 40. Iss. 17. Pp. 3022-3029. D01:10.1016/j.atmosenv.2005.09.089

7. Kaplan H., Hartzell G. Modeling of toxicological effects of fire gases: I. Incapacitation effects of narcotic fire gases 11 Journal of Fire Sciences. 1984. Vol. 2. Iss. 4. Pp. 286-305. D01:10.1177/073490418400200404

8. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

9. Пузач С. В., Пузач В. Г., Доан В. М. К определению показателя токсичности продуктов горения веществ и материалов в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 4. С. 4-12.

10. Пузач С. В., Сулейкин Е. В. Новый теоретико-экспериментальный подход к расчёту распространения токсичных газов при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25. № 2. С. 13-20. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.02.13-20

11. Пузач С. В., Болдрушкиев О. Б. Определение удельного коэффициента образования и критической парциальной плотности циановодорода и моноксида углерода при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2019. Т. 28. № 5. С. 19-26. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.05.19-26

Материал поступил в редакцию 10 июля 2020 года.

Sergey PUZACH

Grand Doctor in Engineering, Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

E-mail: puzachsv@mail.ru

Ochir BOLDRUSHKIEV

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: avadanonstop@mail.ru

DETERMINATION OF HYDROGEN CYANIDE PARTIAL DENSITY AT POWER FACILITIES FIRES

ABSTRACT

Purpose. Development of a new experimental -theoretical approach for calculating hydrogen cyanide at power facilities fires.

Methods. The differential equations of hydrogen cyanide and oxygen mass conservation laws in hermetic volume are solved simultaneously. An experimental method to study modern cable products is used.

Findings. Analytical dependence of hydrogen cyanide partial density on alteration of oxygen density in hermetic volume has been obtained.

Experimental dependences on the combustion process duration of hydrogen cyanide partial density for current cable products have been obtained.

Theoretical dependence of hydrogen cyanide partial density on alteration of oxygen partial density has been compared with experimental data. It has been shown that the proposed formula has sufficient accuracy.

Research application field. The results of the studies are aimed at enhancing timing accuracy for blocking evacuation routes using hydrogen cyanide at power facilities.

Conclusions. The proposed experimental-theoretical approach to hydrogen cyanide partial density calculation in case of fire in full-scale premises allows using experimental dependences of hydrogen cyanide average volume density on alteration of oxygen average volume density obtained in a small-scale experimental installation.

Key words: power facility, hydrogen cyanide, partial density, specific coefficient of formation, experimental installation, cable products.

REFERENCES

1. Ilichkin V. S. Toksichnost produktov goreniya polimernykh materialov. Printsipy i metody opredeleniya [Toxicity of combustion products of polymeric materials. Principles and methods of determination]. St. Petersburg, Khimia Publ., 1993. 136 p.

2. Isaeva L.K. Pozhary i okruzhayushchaya sreda [Fires and the environment]. Yekaterinburg, Kalan, 2001. 222 p.

3. Beleshnikov I.L. Sudebno-meditsinskaya otsenka soderzhaniya tsianidov v organakh i tkanyakh lyudey, pogibshikh v usloviyakh pozhara: avtoref. dis.... kand. med. nauk [Forensic medical assessment of the content of cyanide in the organs and tissues of people who died in a fire. Abstr. dr. med. sci. diss.]. St. Petersburg, Saint Petersburg State Medical University n.a. academician I.P. Pavlov, 1996. 24 p. (in Russ.)

4. Pauluhn J. Acute inhalation toxicity of carbon monoxide and hydrogen cyanide revisited: Comparison of models to disentangle the concentration x time conundrum of lethality and incapacitation. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2016. Vol. 80. Pp. 173-182. D0I:10.1016/j.yrtph.2016.06.017

5. Anseeuw K., Delvau N., Burillo-Putze G., De Iaco F., Geldner G., Holmstrom P., Lambert Y., Sabbe M. Cyanide poisoning by fire smoke inhalation: a European expert consensus. European Journal of Emergency Medicine. 2013. Vol. 20. Iss. 1. Pp. 2-9 D0I:10.1097/MEJ.0b013e328357170b

6. Orloff K. G., Kaplan B., Kowalski P. Hydrogen cyanide in ambient air near a gold heap leach field: Measured vs. modeled

concentrations. Atmospheric Environment. 2006. Vol. 40. Iss. 17. Pp. 3022-3029. D0I:10.1016/j.atmosenv.2005.09.089

7. Kaplan H., Hartzell G. Modeling of toxicological effects of fire gases: I. Incapacitation effects of narcotic fire gases. Journal of Fire Sciences. 1984. Vol. 2. Iss. 4. Pp. 286-305. D0I:10.1177/073490418400200404

8. Koshmarov YuA. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Forecasting of fire hazards in the case of indoor fire]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2000. 118 p.

9. Puzach S.V., Puzach V.G., Doan V.M. To the determination of the toxicity index of the combustion products of substances and materials in the room. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2011, vol. 20, iss. 4, pp. 4-12 (in Russ.).

10. Puzach S.V., Suleykin E.V. A new theoretical and experimental approach to calculating the spread of toxic gases in a fire in a room. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2016, vol. 25, iss. 2, pp. 13-20 (in Russ.). D0I:10.18322/PVB.2016.25.02.13-20.

11. Puzach S.V., Boldrushkiev O.B. Defining the specific formation coefficient and the critical partial density of hydrogen cyanide and carbon monoxide at the fire indoors. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2019, vol. 28, iss. 5, pp. 19-26 (in Russ.). D0I:10.18322/PVB.2019.28.05.19-26

10

© Puzach S., Boldrushkiev O., 2020