Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

цапко юрій володимирович

удк 614.842.615

дослідження Умов флегматизування горючих

газових середовищ озононеруйнівними газовими

вогнегасними речовинами

21.06.02- пожежна безпека

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Жартовський Володимир Михайлович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України,

головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Пашковський Петро Семенович, Науково - дослідний інститут гірничорятувальної справи Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк), перший заступник директора з наукової роботи.

кандидат технічних наук Тищенко Олександр Михайлович, Черкаський інститут пожежної безпеки МНС України ім. Героїв Чорнобиля, проректор з наукової роботи.

Провідна установа: Севастопольський військово-морський інститут ім. П.С.Нахімова МО України, кафедра живучості кораблів, водолазних та суднопідіймальних робіт (м. Севастополь).

Захист відбудеться “ 12 “ червня 2003 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул.Рибальська,18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України. 01011, м. Київ, вул.Рибальська,18.

Автореферат розісланий “7 “ травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Антонов А.В.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із способів забезпечення пожежної безпеки є запобігання поже-жам і вибухам шляхом флегматизування газовими вогнегасними речовинами горючих газових середовищ, які можуть утворюватися у приміщеннях та апаратах під час проведення технологічних процесів. Такі процеси характерні для хімічної, нафтохімічної промисловості, транс-портування горючих газів і рідин, підприємств зберігання рослинної сировини. При цьому необхідно враховувати екологічні аспекти, зокрема вимоги до газових вогнегасних речовин Мо-нреальского протоколу щодо речовин, які руйнують озоновий шар. Відсутність в Україні нормативної бази щодо застосування озононеруйнів-них газових вогнегасних речовин для пожежогасіння та флегматизування горючих середовищ, а також випробувальної бази для визначення їх показ-ників якості, обмежують можливості застосування у сфері по-жежної безпеки інертних розріджувачів та озонобезпечних інгібіторів горіння.

Цим зумовлена актуальність науково-дослідної роботи, спрямованої на визначення умов застосування озононеруйнівних газових вогнегасних речовин для флегматизування горючих газових сере-довищ, на розроблення норматив-них документів, якими регламентуються технічні вимоги до цих речовин, методи випробувань і технології їх застосування, що сприятиме підвищенню ефективності систем протипожежного захисту об’єктів з урахуванням сучасних вимог щодо охорони довкілля.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках виконання Державної програми забезпечення пожежної безпеки в 1995-2000 роках, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 03.04.1995 р. №238 та Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.2002 р. №870 під час виконання науково-дослідних робіт в УкрНДІПБ МВС України за такими темами:

-

-

-

-

Мета роботи – науково-технічне обгрунтування шляхів підвищення ефективності застосування газових вогнегасних речовин та обмеження використання озоноруйнівних хладонів для флегматизування газових горючих середовищ і припинення горіння в замкнених просторах.

Задачі досліджень. Для виконання поставленої мети необхідно було виконати такі задачі:

- провести аналіз сучасного стану щодо розроблення і застосування газових вогнегасних речовин для протипожежного захисту об’єктів і технологічних процесів з урахуванням вимог екологічної безпеки;

- провести теоретичні дослідження та розробити розрахунково-аналітичний метод визначення конце-нтраційних меж поширення полум’я для газових сумішей складу ”горюча речовина-окисник-флегматизатор”;

- виявити залежність мінімальної вогнегасної та мі-німальної флегматизувальної концентрації для азотно-кисневих сумі-шей від співвідношення їх компонентів;

- розробити методичну та випробувальну базу для визначення показників якості газових вогнегасних речовин;

- провести експериментальні дослідження з визначення умов флегматизування горючих газових середовищ та припинення горіння в замкнених просторах речовин класу С, парів речовин класу В, горючих газових сумішей продуктів піролізу речовин класу А;

- провести техніко-економічні дослідження щодо заміни озоноруйнівних газових вогнегасних речовин на озононеруйнівні газові вогнегасні речовини.

Ідея роботи полягає в теоретичному та експериментальному обгрунтуванні умов застосування озононеруйнівних газових вогнегасних речовин для флегматизування горючих газових середовищ та припинення горіння у замкнених просторах.

Об’єкт досліджень – горючі газові середовища, газові вогнегасні речовини.

Предмет досліджень – процеси флегматизування горючих газових середовищ та припинення горіння в замкнених просторах інертними розріджувачами, інгібіторами горіння та їх сумішами.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включає аналітичний метод розрахунку та експериментальний метод визначення концентраційних меж поширення полум’я для горючих газових сумішей з негорючими та розрахунково-аналітичний метод визначення області флегматизувальної кривої для газової системи “горюча речовина-окисник-газова вогнегасна речовина”, числові методи математичного аналізу з застосуванням розроблених комп’ютерних програм. Дослідження з визначення показників якості газових вогнегасних речовин за стандартизованими методиками, розробленими за участю дисертанта. Фізико-хімічні методи досліджень (хроматографія, спектральний та гравіметричний аналіз).

Основні наукові положення, що виносяться на захист, їхня новизна:

1.

2.

3.

4. Експериментально встановлено залежність між концентрацією газової вогнегасної речовини для припинення дифузійного (СМВ) та дефлаграційного (СМФ) горіння газових горючих середовищ. Так для інертних розріджувачів (азот, діоксид вуглецю) СМФ перевищує СМВ в 1,5 рази, а для інгібіторів горіння (хладонів) – в 2,5 рази. Експериментально встановлено залежність мінімальної флегматизувальні концентрацій азоту і діоксиду вуглецю для сумішей повітря з продуктами піролізу зерна пшениці, яка в 1,5 рази нижча, ніж для сумішей повітря з продуктами піролізу соснової деревини. Це пов’язано з тим, що суміші продуктів термодеструкції зерна пшениці містять в 1,4 рази менше горючих газів ніж для деревини. Експериментально визначено умови припинення горіння парів н-гептану та флегматизування метаноповітряних сумішей складом “хладон - інертний розріджувач”. Показано, якщо знизити концентрацію кисню в повітрі інертним розріджувачем на 7 % відносних то концентрація хладону 114В2 для гасіння н-гептану зменшується у 2,5 рази, а 13В1 – у 1,7 рази.

5. Обгрунтовано спосіб забезпечення протипожежного захисту приміщень та технологічних процесів, що базується на перетворені газового горючого середовища на негорюче шляхом флегматизування озононеруйнівними газовими вогнегасними речовинами, а також вибору оптимальної газової вогнегасної речовини з точки зору екологічної та економічної ефективності.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розкритті механізму утворення концентраційних меж поширення полум’я в системі “горюча речовина-окисник-газова вогнегасна речовина”, розробленні математичної моделі розрахунку області флегматизування газових сумішей горючих речовин з окисником і флегматизатором та мінімального безпечного співвідношення флегматизатора і горючого газу (пари) в технологічних апаратах, встановленні залежності вогнегасної ефективності азотно-кисневих сумішей від вмісту в них домішок кисню, та створенні комплексного методу визначення умов застосування інертних розріджувачів для флегматизування горючих газових середовищ.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи впроваджені шляхом:

- розроблення методичної та випробувальної бази для визначення мінімальної вогнегасної концентрації газової вогнегасної речовини при гасінні горючих речовин і мінімальної флегматизувальної концентрації газової вогнегасної речовини для газо- або пароповітряних сумішей горючих речовин, що увійшли складовою частиною до Державного стандарту України ДСТУ 3958-2000;

- створення бази даних з вогнегасної та флегматизувальної ефективності газових вогнегасних речовин;

- розроблення комп’ютерної моделі розрахунку умов флегматизування для газових сумішей системи “горюча речовина - окисник - флегматизатор” та вибору економічно-ефективного складу азотно-кисневої суміші для флегматизування газових горючих середовищ, що дозволяють з меншими матеріальними витратами оперативно та інформативно проводити дослідження.

Реалізація висновків і результатів роботи здійснена шляхом їхнього використання при розроблені пропозицій щодо флегматизування азотом приміщень та відповідних технологічних процесів, зокрема технології створення пінополіуретанової теплоізоляції у виробництві холодильників АТ “Норд”, технологічного процесу виробництва товарів побутової хімії в аерозольних упаковках ЗАТ “Донецький хімічний завод”, при проектуванні систем пожежогасіння ІТЦ “Сигнал”; надання чинності розробленому ДСТУ 3958-2000.

Особистий внесок здобувача:

- проведено дослідження концентраційних меж поширення полум’я, розроблено розрахунково-аналітичний метод визначення концентраційних меж області флегматизування для газових сумішей системи “горюча речовина - окисник - флегматизатор” та створено математичну модель з визначення мінімально безпечного співвідношення флегматизатора і горючого газу (пари) в закритому об’ємі, розроблено комп’ютерні програми для розрахунку концентраційних меж області флегматизування та найменшого безпечного співвідношення флегматизатора і горючого газу;

- досліджено залежності мінімальних вогнегасних та мінімальних флегматизувальних концентрацій азотно-кисневих сумішей від вмісту в них кисню (2-10 % об.) та розроблено розрахунково-експериментальний метод їх визначення, розроблена комп’ютерна програма розрахунку економічно-ефективного складу азотно-кисневої композиції для флегматизування ними горючих газових середовищ;

- проведено дослідження умов флегматизування азотом газового горючого середовища в фіксованому об’ємі із заданими параметрами надходження окисника, горючої речовини і повітря;

- розроблено методичну та випробувальну бази для визначення показників якості газових вогнегасних речовин: мінімальна вогнегасна концентрація при гасінні н-гептану та мінімальна флегматизувальна концентрація для метаноповітряних сумішей;

- проведено експериментальні дослідження з визначення умов флегматизування горючих газових середовищ та припинення горіння в замкнених просторах горючих газів, парів горючих рідин, горючих газових сумішей продуктів піролізу речовин органічного походження, результати яких увійшли в створену базу даних;

- розрахунково-аналітичним методом встановлено концентраційні межі області флегматизування газових сумішей “горюча речовина - окисник - флегматизатор” та розроблено пропозиції щодо умов флегматизування азотом технологічних процесів створення пінополіуретанової теплоізоляції у виробництві холодильників та у виробництві товарів побутової хімії в аерозольних упаковках;

- проведено техніко-економічне обгрунтування щодо вибору озононеруйнівної газової вогнегасної речовини для застосування в сфері пожежної безпеки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на ІV науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 99” (ЧІІПБ МВС України ім. Героїв Чорнобиля, 1999 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Авиа-2000” (КМУЦА, м. Київ, 2000 р.), науково-практичній конференції “Живучість корабля і безпека на морі” (СВМІ, м. Севастополь, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Крупные пожары: Предупреждение и тушение” (ВНДІПО МВС Росії, м. Москва, 2001 р.), V Міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2001” (ЛІПБ МВС України, м. Львів, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” (НИИГД, м. Донецьк, 2002 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 19 робіт, із них 6 наукових статей у виданнях, включених до переліку ВАК України, 8 тез доповідей на науково-практичних конференціях та семінарах.

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, списку використаних літературних джерел з посилань, містить сторінок друкованого тексту, таблиць, ілюстрацій і додатків.

основний зміст роботи

у вступі обгрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, відзначено наукову новизну, особистий внесок здобувача та практичну значимість роботи.

у першому розділі приведено аналіз літературних даних з питань розроблення та застосування газових вогнегасних речовин (ГВР) у сфері пожежної безпеки, класифікацію їх за механізмом дії на полум’я (інертні розріджувачі та інгібітори горіння), а також вимоги щодо їх екологічної безпечності.

Найбільш поширеними і доступними інертними розріджувачами є діоксид вуглецю, азот, аргон. Інгібітори горіння - це здебільшого галогеновані вуглеводні, а саме хладон 13В1, хладон 114В2 та хладон 12В1, які широко використовуються для протипожежного захисту різних об’єктів, у тому числі і в автоматичних установках пожежогасіння.

У вересні 1987 року урядами зацікавлених країн було підписано Монреальський протокол щодо обмеження використання озоноруйнівних речовин та поступове припинення їх виробництва. Зараз учасниками Монрельського протоколу є 187 країни, в тому числі Україна.

На цей час у світі розроблено і впроваджується багато замінників озоноруйнівних хладонів. Такі речовини знайдено як серед галогенвуглеводнів, так і серед інертних розріджувачів, але рівноцінних замінників, позбавлених недоліків, не запропоновано. Найбільш перспективними ГВР серед галогенвуглеводнів є FE (HFC), FM-200 (HFC-227еа), FE 13 (HFC-23), FE 36 (HFC-236 fa), CEA 308 (FC-2-1-8). Спільним недоліком запропонованих галогенвуглеводнів є їх висока вартість, вони поступаються озоноруйнівним хладонам за вогнегасною ефективністю. Серед інертних розріджувачів - це діоксид вуглецю, азот та склади “Inergen” (52% N2, 40% Ar, 8% CO2), “Argonite” (50% N2, 50% Ar).

Аналіз також показав, що в даний час відсутні методики розрахунку концентраційних меж області флегматизування для газових сумішей складу “горюча речовина-окисник-газова вогнегасна речовина”, які необхідні для проектування систем протипожежного захисту. Відсутня нормативна документація щодо застосування безпечних ГВР. Відсутня випробувальна та методична база з експериментального визначення мінімальної вогнегасної концентрації та мінімальної флегматизувальної концентрації газових вогнегасних речовин, які могли б застосовуватись як під час проведення науково-дослідних робіт, так і для проведення випробувань (в тому числі сертифікаційних) газових вогнегасних речовин на відповідність вимогам нормативних документів.

На підставі проведеного літературного аналізу сформульовано задачі досліджень та основні напрямки їх розв’язання.

у другому розділі приведено результати з теоретичних та аналітичних досліджень умов флегматизування газовими вогнегасними речовинами горючих газових середовищ.

Концентраційні межі області флегматизування газових сумішей системи “горюча речовина - окисник - флегматизатор” графічно зображено на рис. 1: по осі абсцис відкладається концентрація флегматизатора (Сф), по осі ординат – концентрації горючої речовини (Сг), точки А і В відповідають нижній і верхній концентраційним межам поширення полум’я в сумішах горючої речовини з окисником, а точка С – найменшому достатньому вмісту флегматизатора за найбільш несприятливого співвідношення горючої речовини та окисника.

Для визначення концентраційних меж області флегматизування системи “горюча речовина - окисник - флегматизатор” застосовано аналітичний метод. В його основу покладено припущення, що кожна з двох гілок кривої АСВ складається з лінійної ділянки, яка прилягає до осі ОСГ, та нелінійної, яка описується степеневою залежністю. Лінійні та нелінійні ділянки сходяться в гіпотетичних точках M і N. Щоб одержати аналітичні вирази для всіх чотирьох ділянок, необхідно експериментально визначити координати принаймні 5-ти точок: А, В, С, D і Е.

Рис. 1. Схема побудови концентраційних меж області флегматизування газових сумішей системи “горюча речовина - окисник - флегматизатор”

В загальному вигляді ці залежності мають такий вигляд.

Для нижньої гілки кривої АСВ:

(1)

Для верхньої гілки :

(2)

Коефіцієнти a, b, n, m (n, m 2) - параметри, що залежать від фізико-хімічних властивостей горючої речовини та флегматизатора, які необхідно знайти у процесі розв’язання задачі.

З початку координат (рис. 1) виходить пряма, дотична до флегматизувальної кривої в точці L, L - найменша об’ємна концентрація флегматизатора в суміші з горючою речовиною, за якої неможливе стійке (факельне) горіння цієї суміші в повітрі. Для знаходження координати точки L розв’язуємо систему рівнянь:

(3)

В результаті розв’язання цієї системи визначено координати точки дотику: L, а також чисельне значення коефіцієнта k (k - найменше співвідношення об’ємних концентрацій флегматизатора і горючої речовини в газовій суміші, за якого її неможливо запалити в середовищі даного окисника). Це співвідношення важливо знати для запобігання займанню горючого газу або пари в разі їх витікання з технологічного апарата у повітряну атмосферу.

З метою оцінки ефективності та доцільності застосування азотно-кисневих сумішей в системах протипожежного захисту технологічних процесів і апаратів проведені теоретичні та аналітичні дослідження з вивчення залежності ефективності азоту, як вогнегасної речовини, від концентрації в ньому домішок кисню у межах 2-10 % об.

Для розрахунку мінімальної вогнегасної та мінімальної флегматизувальної концентрації азотно-кисневих сумішей виведено рівняння, в залежності від їх кількісного складу:

(4)

. (5)

де СN2 - вміст азоту; верхній індекс: 1-чистий азот; n – повітря нормального складу; і - суміш системи N2-O2 і-го складу; Кі1 - коефіцієнт, постійний для і-го складу азотно-кисневої суміші за умови незмінності складу повітря.

Визначивши експериментально величину СМВ та СМФ і задаючи значення СіN2, за рівнянням (4), (5) можна розрахувати значення СіМВ та СіМФ для азотно-кисневої суміші будь-якого складу.

Для проектування систем флегматизування горючих середовищ у технологічних апаратах і приміщеннях виведено залежність кількості флегматизатора в розрахунку на одиницю обєму, що підлягає захисту, від величини його мінімальної флегматизувальної концентрації для сумішей горючої речовини з окисником:

, (6)

Маючи за вихідні дані експериментальне значення мінімальної флегматизувальної концентрації азоту СМФ для сумішей будь-якого газу або пари з повітрям і задаючи значення складу флегматизотора та відповідну його вартість Р (грн./м3) отримуємо оптимальний склад азотно-кисневої суміші для флегматизування горючих газових середовищ з точки зору економічної ефективності за умови:

Pі · Qі = min. (7)

На прикладі конкретного технологічного процесу розроблено алгоритм розрахунку умов флегматизування горючого газового середовища змінного складу. Технологічний процес включає надходження окисника і горючої речовини із заданими витратами в умовно герметичний робочий простір. Існуючою системою протипожежного захисту об’єкта передбачено поетапне здійснення таких операцій: І - інтенсивна вентиляція робочого простору; ІІ - інтенсивна вентиляція робочого простору та подавання азоту; ІІІ - подавання азоту; ІV - перерва в подаванні повітря і азоту; V - подавання хладону 13В1.

Для надійного протипожежного захисту таких об’єктів не менш важливо забезпечити зниження концентрації окисника в газовому середовищі до прийнятного рівня, незалежно від можливого вмісту парів горючої речовини. За критерій ефективності флегматизування взято величину ступеня флегматизування S, який визначається як відношення мінімального вибухонебезпечного вмісту кисню (МВВК) для даної системи “горюча речовина - кисень - флегматизатор” до фактичного вмісту кисню в газовому середовищі:

>1. (8)

Для І етапу вміст кисню СОІ становить:

(б1 = бп + бО), (9)

де ?n - витрата повітря, ?О - витрата кисню.

На етапі ІІ у робочий простір надходять компоненти, у якому вміст кисню СОІІ становить:

(б2 = бn + бО + бN), (10)

де ?N - витрата азоту.

У процесі надходження до робочого простору композиція 2 поступово заміщує наявне в ньому газове середовище, при цьому залежність її умовного вмісту в утворюваній суміші С2(ф) ?ід часу описується рівнянням:

, (11)

де ? - проміжок часу від початку ІІ етапу, V0 - об’єм робочого простору.

Фактична концентрація кисню в момент часу ? становить:

СО(ф)ІІ = СОІІ ? С2(ф) + ?ОІ · (1 - С2(ф)) (12)

За тією ж схемою виведено подібні залежності для розрахунку поточних значень концентрації кисню в газовому середовищі робочого простору на наступних етапах.

Проведений розрахунок показує, що за існуючої системи протипожежного захисту надійне флегматизування горючого газового середовища в робочому просторі досліджуваного об’єкта досягається лише в останні секунди технологічного процесу, але якщо відмовитись від застосування хладону 13В1, то по закінченні технологічного циклу ступінь флегматизування газового середовища знизиться. В результаті проведених досліджень розроблена схема флегматизування газового середовища що виключає застосування озоноруйнівного хладону 13В1 в системі пожежогасіння та значно підвищує рівень протипожежного захисту об’єкта, а саме вже на момент припинення інтенсивної вентиляції робочого простору, на початку ІІІ етапу, необхідно створити в ньому зафлегматизоване газове середовище та підтримувати задану концентрацію флегматизатора.

у третьому розділі наведено результати з експериментального визначення вогнегасної і флегматизувальної ефективності газових вогнегасних речовин стосовно горючих газів, парів горючих рідин, летких продуктів піролізу органічних матеріалів, а також їх сумішей з повітрям.

З урахуванням теоретичних та аналітичних досліджень, викладених у розділі 2, розроблено випробувальну та методичну базу з експериментального визначення мінімальної вогнегасної та мінімальної флегматизувальної концентрації газових вогнегасних речовин (рис. 2, 3).

Показник мінімальної вогнегасної концентрації визначається як мінімальне об’ємне співвідношення вогнегасної речовини і повітря в газоповітряній суміші навколо осередка дифузійного горіння (чашкового пальника), за якого відбувається гасіння полум’я.

Рис. 2. Схема установки визначення мінімальної вогнегасної концентрації газової вогнегасної речовини: 1-випробувальна камера; 2-модельний осередок; 3-нагрівач; 4-термопара; 5-трансформатор; 6-терморегулювальний пристрій; 7-рухливий столик; 8-резервуар для пального; 9-пристрій для приготування газоповітряної суміші

В основу визначення мінімальної флегматизувальної концентрації покладено метод, який полягає в послідовному приготуванні у випробувальній камері сумішей заданого складу із горючої речовини, повітря і газової вогнегасної речовини з подальшим вимірюванням надлишкового тиску, що створюється внаслідок дії джерела запалювання.

Рис. 3. Схема установки визначення мінімальної флегматизувальної концентрації газової вогнегасної речовини для сумішей горючої речовини з повітрям: 1-випробувальна камера; 2-оглядове вікно; 3-розрядний пристрій; 4-вакууметр; 5-вакууметр ртутний; 6-вихідний вентиль; 7,8,9,11,12,13-триходові крани; 10-вхідний вентиль; 14-блок запалювання; 15-перетворювач тиску; 16-осцилограф; 17-запобіжний клапан

Із застосуванням цих методик вдалося розв’язати ряд задач. Зокрема, проведено експериментальні дослідження процесу припинення горіння горючих газів та рідин газовими вогнегасними речовинами та флегматизування газовими вогнегасними речовинами сумішей горючих газів та легкозаймистих рідин з повітрям, результати яких приведено в табл.1.

Таблиця 1 –

Результати визначення концентраційних меж поширення полум’я, мінімальної вогнегасної СМВ та мінімальної флегматизувальної концентрації СМФ газових вогнегасних речовин

Горюча рідина | Концентраційні межі поширення полум’я, % об. | СМВ, СМФ газових вогнегасних речовин, % об.

Азот | іоксид вуглецю | ладон 114В2 | ладон 13В1

нижня | верхня | СМВ | СМФ | СМВ | СМФ | СМВ | СМФ | СМВ | СМФ

Петролейний ефір

Ацетон

Гексан

Діетиловий ефір

Циклогексан

Циклопентан

Метан | 1,41

2,65

1,22

1,70

1,20

1,35

5,15 | 5,92

12,3

7,41

50,1

7,81

8,65

14,2 | 32,5

33,1

34,4

34,8

33,8

34,6

30,1 | 44,2

45,8

51,2

52,1

49,4

48,8

44,3 | 25,0

24,4

26,5

28,5

24,2

22,7

20,3 | 30,2

30,8

35,8

37,5

34,2

34,6

29,5 | 2,61

2,3

2,44

2,74

2,31

2,36

2,31 | 6,3

5,6

6,1

6,8

5,8

5,9

5,8 | 4,0

3,95

4,36

4,96

3,83

3,85

3,14 | 9,12

9,88

10,2

11,5

9,2

9,3

7,8

З наведеної таблиці видно, що значення СМФ перевищують значення СМВ:

СМФ = К ? СМВ, (13)

де К - для інертних розріджувачів (азот, діоксид вуглецю) становить 1,5, а для інгібіторів горіння (хладонів 114В2, 13В1) - 2,5. Для припинення дефлаграційного горіння необхідно створити концентрацію ГВР в об’ємі набагато більшу, ніж для припинення дифузійного горіння.

Створено обладнання і розроблено методику одержання горючих сумішей продуктів термічної деструкції матеріалів органічного походження. Проведено термогравіметричні дослідження процесів деструкції зерна пшениці та соснової деревини, за результатами яких визначено оптимальні умови проведення процесу піролізу. Методом газової хроматографії здійснено якісний і кількісний аналіз продуктів піролізу, результати яких наведено в таблиці 2.

Таблиця 2 –

Якісний і кількісний склад газоподібних продуктів термічної деструкції рослинної сировини

Компонент | Вміст компонентів у продуктах деструкції, % об.

зерна пшениці | соснової деревини

CO

CO2

CH4

C2H6 + C2H4

C3H8

C3H6

Н2

О2

N2 | 23,68

63,49

7,37

1,23

0,55

0,77

0,67

0,23

2,01 | 39,08

51,93

6,05

0,45

0,19

0,32

0,73

0,26

0,99

Як видно з таблиці, суміші продуктів термодеструкції зерна пшениці та деревини суттєво відрізняються за вмістом оксиду і діоксиду вуглецю (при цьому їх сумарна концентрація сягає 87,17 % у першому випадку і 91,01 % у другому) і значно менше - за вмістом інших горючих компонентів (водню і вуглеводнів). Зокрема, співвідношення концентрацій діоксиду та оксиду вуглецю у цих сумішах становлять 2,7 і 1,3 відповідно, а сумарні концентрації горючих компонентів - 34,27% і 46,82% відповідно, тобто перша суміш містить в 1,4 рази менше горючих газів.

Визначено мінімальні флегматизувальні концентрації азоту і діоксиду вуглецю для сумішей повітря з продуктами піролізу досліджуваних матеріалів (табл. 3). У випадку застосування азоту мінімальна флегматизувальна концентрація для сумішей повітря з продуктами піролізу зерна пшениці майже в 1,5 рази нижча, ніж для сумішей повітря з продуктами піролізу соснової деревини, а у випадку застосування діоксиду вуглецю - в 1,7 рази нижча.

Для надійного запобігання пожежам і вибухам, які пов’язані з термічною деструкцією органічних матеріалів внаслідок їх самонагрівання, необхідно створювати досить високі концентрації вогнегасних речовин у прилеглому газовому середовищі, дарма що продукти піролізу містять понад 50 % інертного розріджувача - діоксиду вуглецю.

Таблиця 3-

Результати експериментального визначення концентраційних меж поширення полум’я та мінімальної флегматизувальної концентрації СМФ (% об.)

Горюче середовище | Концентраційні межі поширення полум’я, % об. | Значення мінімальної флегматизувальної концентрації, % об.

нижня | Верхня | азот | діоксид вуглецю

Суміші повітря з продуктами піролізу зерна пшениці

Суміші повітря з продуктами піролізу соснової деревини |

10,2

12,8 |

33,5

35,1 |

29,1

42,5 |

18,2

31,2

Проведено дослідження з визначення вогнегасної та флегматизувальної ефективності сумішей інгібіторів горіння та інертних розріджувачів, та встановлено, що порівняно незначне розведення повітря азотом або діоксидом вуглецю призводить до суттєвого зменшення мінімальної вогнегасної концентрації інгібітора горіння. Наприклад, мінімальна вогнегасна концентрація хладону 114В2 для гасіння н-гептану може бути зменшена у 2,5 рази, якщо шляхом додавання азоту знизити концентрацію кисню в повітрі з 20,5 до 19 % об., тобто всього на 7 % відносних (рис. 4-а, крива 2). Проведено експериментальні дослідження процесу взаємодії активних радикалів полум’я з сумішами “інертний розріджувач – хладон”. В результаті досліджень (рис. 4-б) встановлено, що суміш діоксиду вуглецю (азоту) з хладоном 114В2 (13В1) зменшує інтенсивність випромінювання гідроксильного радикалу, який відповідає за розповсюдження ланцюгової реакції горіння, але не перевищує значення самого хладону.

а) б)

Рис. 4: а) Умови припинення горіння н-гептану в сумішах повітря з двокомпонентними вогнега-сними речовинами: 1 - СО2 + хладон 114В2; 2, 5 - N2 + хладон 114В2; 3 - СО2 + хладон 13В1; 4 - N2 + хладон 13В

б) Залежність відносної інтенсивності випромінювання гідроксильних радикалів Івідн від співвідношення інертного розріджувача та хладону, що подаються в полум’я н-гептану: 1 - хладон 114В2 - діоксид вуглецю; 2 - хладон 114В2 - азот; 3 - хладон 13В1 - діоксид вуглецю; 4 - хладон 13В1 - азот

у четвертому розділі наведено впровадження отриманих результатів у практику.

Проведено дослідження горючих газових середовищ в озонобезпечній технології створення пінополіуретанової теплоізоляції у виробництві холодильників на АТ “Норд”.

1. Так, експериментально визначено координати п’яти точок, які належать до нижньої і верхньої гілок кривої, якою обмежена область флегматизування азотом горючих пароповітряних сумішей циклопентану та з використанням рівнянь (1) і (2) за розробленою комп’ютерною програмою виведено систему рівнянь, якою описано концентраційні межі області флегматизування в системі “пари циклопентану - повітря - азот”:

(14)

(15)

2. Для розрахунку мінімально безпечного співвідношення флегматизатора і горючого газу (пари) в технологічних апаратах розв’язуємо систему рівнянь:

(16)

В результаті одержуємо координати точки дотику: L (45,8; 1,75), а також чисельне значення коефіцієнта k (k = 26,2). Звідки можна обчислити найменшу безпечну концентрація азоту в суміші з парами циклопентану СМ :

об. (17)

Однак у практичних розрахунках для герметичного простору зручніше оперувати не об’ємними концентраціями компонентів газової суміші, а величинами їх парціального тиску. Якщо відомий тиск насичених парів циклопентану pГ, то парціальний тиск азоту pоФ, необхідний для забезпечення протипожежного захисту технологічного обладнання, можна знайти з рівняння:

pоФ = k pГ. (18)

Тиск насичених парів циклопентану за температури 20 С становить 0,042 МПа. Якщо k = 26,2, то pоФ = 26,20,042 МПа =1,004 МПа

3. За розробленим алгоритмом оцінки ефективності застосування азотно-кисневих композицій для протипожежного захисту технологічних процесів з наявністю горючих газових середовищ розраховано, що для флегматизування сумішей парів циклопентану з повітрям доцільним з технічної та економічної точок зору є застосування азоту, одержаного за мембранною технологією розділення повітря, в якому вміст основної речовини становить 96 % об.

Проведено дослідження горючих газових середовищ, що утворюються в процесі виробництва товарів побутової хімії в аерозольних упаковках на Донецькому хімічному заводі.

За розробленим розрахунково-експериментальним методом виведено системи рівнянь, якими описуються концентраційні межі області флегматизування для газових сумішей системи “горючий газ - повітря - азот” та мінімальне безпечне співвідношення флегматизатора і горючого газу в технологічних апаратах, за якого неможливе стійке (факельне) горіння цієї суміші в повітрі, з яких розраховано найменшу безпечну концентрацію азоту в суміші з горючим газом, необхідну для забезпечення протипожежного захисту технологічного обладнання, в якому зберігається пропан, бутан, ізобутан та їх суміші (табл. 4).

Таблиця 4 -

Ре-зуль-тати ви-зна-чення умов фле-г-ма-ти-зу-вання га-зо-вих го-рю-чих се-ре-до-вищ азо-том у приміщеннях та тех-но-ло-гі-ч-них апа-ра-тах

Горюча речовина | Концентраційні межі поширення полум’я, % об. | Мінімальна флегматизува-льна концент-рація азоту, % об. | Найменша безпечна концентрація азоту в суміші з горючою речовиною, % об.

нижня | верхня

Пропан

Бутан

Ізобутан

Суміш: пропан 7 %, ізобутан 92 %

Суміш: пропан 26 %, бутан 73 %

Суміш: пропан 23 %, ізобутан 78 %

Суміш: пропан 39 %, бутан 60 %

Суміш: пропан 34 %, ізобутан 65 %

Суміш: пропан 50 %, бутан 49 % | 2,23

1,73

1,74

1,77

1,86

1,84

1,93

1,91

1,98 | 9,5

9,1

8,5

8,6

9,2

8,7

9,3

8,8

9,4 | 44,6

43,1

42,7

43,2

42,2

43,4

42,6

43,7

43,1 | 93,87

95,03

94,95

94,95

94,65

94,71

94,44

94,62

94,35

Проведено аналіз щодо застосування азоту, одержаного за допомогою повітряно-роздільних мембранних установок, для протипожежного захисту технологічних процесів, апаратів і приміщень. Його вартість в 10 30 раз нижча в порівнянні з вартістю азоту, отриманого за криогенною технологією.

Проведено дослідження пожежонебезпечних властивостей оливи турбінної ТП-22, яка використовується в технологічному обладнанні агрегатів для перекачування природного газу. Експериментально встановлено, що при розведенні газового середовища діоксидом вуглецю, температура самозаймання її парів збільшується до таких значень:

-

-

-

-

За наведеними даними визначена максимальна концентрацію діоксиду вуглецю в суміші з повітрям, за якої можливе займання даної горючої речовини у контакті з нагрітою поверхнею. Більш високі температури не характерні для елементів технологічного обладнання ГПА. Досліджено вплив температури горючої речовини на величину мінімальної вогнегасної концентрації діоксиду вуглецю та встановлено, що вона в разі гасіння оливи турбінної ТП-22, нагрітої до температури нижче її температури самозаймання, не перевищує значення 31 % об. З урахуванням коефіцієнта безпеки 1,7, нормативна вогнегасна концентрація СНВ має становити 52,7 % об.

Проведено техніко-економічний аналіз щодо вибору озононеруйнівної газової вогнегасної речовини для систем пожежогасіння та встановлено, що заміна озоноруйнівних речовин в діючому устаткуванні газового пожежогасіння безросередньо неможлива і потребує значних фінансових затрат, які включають вартість самої газової вогнегасної речовини та витрати на обладнання для її зберігання та транспортування, які розраховуються за локальним кошторисом для кожного випадку. Розрахована відносна вартість захисту 1м3 приміщення азотом, одержаного за допомогою повітряно-роздільних мембранних установок, складає 11 грн., а хладоном FM-200 – 214 грн.

висновки

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню задачі підвищення рівня протипожежного захисту об’єктів з наявністю горючих газових середовищ шляхом проведення досліджень з визначення умов припинення їх горіння та флегматизування інертними розріджувачами, інгібіторами горіння, впровадженню результатів у практику пожежогасіння та обгрунтування шляхів обмеження застосування озоноруйнівних хладонів у сфері пожежної безпеки. Основні наукові і практичні результати за дисертацією такі:

1. Проведено теоретичні дослідження концентраційних меж поширення полум’я. Отримано математичну модель розрахунку концентраційних меж області флегматизування для горючих газових сумішей складу “горюча речовина-окисник-флегматизатор” і мінімального безпечного співвідношення флегматизатора і горючого газу (пари) в технологічних апаратах (закритому об’ємі), розроблено розрахунково-аналітичний метод досліджень. Показано, що параметри області флегматизування залежать від фізико-хімічних властивостей горючої речовини та флегматизатора.

Отримано математичну модель процесу припинення горіння та флегматизування горючих газових середовищ азотно-кисневими сумішами. Встановлено, що вогнегасна ефективність азотно-кисневих сумішей залежить від кількості домішок в ній кисню.

Розроблено алгоритм вибору оптимального складу азотно-кисневої суміші для флегматизування горючих газових середовищ з економічної точки зору.

Проведено дослідження динаміки флегматизування азотом горючого газового середовища в умовно герметичному просторі об’ємом 18,5 м3 в умовах надходження кисню, горючої речовини і повітря із заданими витратами. Запропоновано схему флегматизування, що виключає застосування озоноруйнівного хладону 13В1 та значно підвищує рівень протипожежного захисту за рахунок вентилювання робочого простору азотом.

Розроблено комп’ютерні моделі розрахунку математичних залежностей.

2. Розроблено методичну та випробувальну бази для проведення досліджень і визначення показників якості газових вогнегасних речовин: мінімальної вогнегасної концентрації ГВР для гасіння н-гептану та мінімальної флегматизувальної концентрації ГВР для метаноповітряних сумішей.

3. Експериментально підтверджено залежність між мінімальною вогнегасною концентрацією (СМВ) та мінімальною флегматизувальною концентрацією (СМФ) інертних розріджувачів та інгібіторів горіння для газових горючих середовищ з наявністю метану, диетилового та петролейного ефіру, гексану, ацетону, циклогексану. Так для інертних розріджувачів (азот, діоксид вуглецю) СМФ перевищує СМВ в 1,5 рази, а для хладонів (114В2, 13В1) – в 2,5 рази. Визначено термогравіметричним методом оптимальні умови термодеструкції рослинної сировини та експериментально встановлено залежність концентрації флегматизатора від кількості горючих газів в продуктах піролізу рослинної сировини. Газохроматографічний аналіз одержаних горючих газових сумішей показав, що продукти піролізу зерна пшениці та деревини суттєво відрізняються за вмістом горючих компонентів - 34,27% і 46,82% відповідно, тобто перша суміш містить в 1,4 рази менше горючих газів. Визначена мінімальна флегматизувальна концентрацій азоту і діоксиду вуглецю для сумішей повітря з продуктами піролізу зерна пшениці майже в 1,5 рази нижча, ніж для сумішей повітря з продуктами піролізу соснової деревини.

Експериментально досліджено умови припинення горіння та флегматизування складом “хладон-інертний розріджувач” горючих газових сумішей. Визначено, що при зниженні концентрації кисню в повітрі інертним розріджувачем з 20,5 до 19 % об., концентрація хладону 114В2 для гасіння н-гептану зменшується у 2,5 рази, а хладону 13В1, при знижені концентрації кисню на такий же відсоток, в 1,7 рази.

4. Проведено техніко-економічні дослідження щодо вибору озононеруйнівних газових вогнегасних речовин для систем пожежогасіння. Встановлено, що витрати по переобладнанню системи пожежогасіння потребують значних фінансових затрат, що включають вартість самої вогнегасної речовини та затрати на переобладнання системи пожежегасіння, які розраховуються за локальним кошторисом. Запропоновано застосування азотно-кисневих композицій, одержуваних за мембранною технологією розділення повітря, для протипожежного захисту технологічних процесів з наявністю горючих газів і парів. Вартість такого азоту в 10-30 разів нижча в порівнянні з вартістю азоту, одержуваного за кріогенною технологією.

5. Проведено дослідження горючих газових середовищ з наявністю циклопентану та розроблено пропозиції щодо застосування азотно-кисневої композиції для флегматизування сумішей циклопентану і повітря з метою забезпечення протипожежного захисту технологічного процесу створення пінополіуретанової теплоізоляції у виробництві холодильників АТ “Норд”.

6. Проведено дослідження горючих газових середовищ з наявністю пропану, бутану, ізобутану, та їх сумішей та розроблено пропозиції щодо флегматизування азотом газових середовищ, які утворюють суміші горючих газів з повітрям, для забезпечення протипожежного захисту технологічного процесу виробництва товарів побутової хімії в аерозольних упаковках ЗАТ “Донецький хімічний завод”.

7. Створено нормативну базу з визначення показників якості газових вогнегасних речовин - ДСТУ 3958-2000 “Газові вогнегасні речовини. Номенклатура показників якості, зага-льні технічні вимоги та методи випробувань”.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у таких роботах:

1. Орел В.П., Цапко Ю.В., Гудзь В.М., Кот А.П. Методи експериментального визначення функціональних характеристик газових вогнегасних речовин // Науковий вісник УкрНДІПБ. – 2000. №1-2.– С. 17-22.

2. Орел В.П., Антонов А.В., Откідач М.Я., Цапко Ю.В., Кот А.П. Розрахунковий метод визначення мінімальних вогнегасних та мінімальних флегматизувальних концентрацій (СМВ та СМФ) азотно-кисневих сумішей, збагачених на азот // Науковий вісник УкрНДІПБ. – 2001. №3. – С. 75-84.

3. Цапко Ю.В., Орел В.П., Слєпченко В.Ф. Визначення мінімальних флегматизувальних концентрацій газових вогнегасних речовин для сумішей повітря з парами легкозаймистих рідин // Науковий вісник УкрНДІПБ. – 2001. №3. – С. 84-88.

4. Цапко Ю.В., Орел В.П., Антонов А.В. Отримання газових сумішей продуктів піролізу органічних матеріалів та дослідження умов їх флегматизування газовими вогнегасними речовинами // Науковий вісник УкрНДІПБ. – 2001. №4.