II. Метод анализа пожарной опасности и защиты технологических процессов производств

Метод анализа пожарной опасности и защиты технологических процессов производств основан на выявлении в производственных условиях:

• причин возникновения горючей среды,

• источников зажигания,

• путей распространения огня.

При отсутствии одного из факторов взрывопожарная и пожарная опасность исключается.

Следовательно, при разработке противопожарных мероприятий необходимо идти по линии устранения одного из трех факторов.

Рассмотрим более подробно каждый из этих факторов.

А. Анализ образования горючей среды

Горючая среда – совокупность веществ, материалов, оборудования и конструкций, способных гореть.

1. Взрывоопасные и пожароопасные свойства веществ, обращающихся в технологических процессах

Знание физико-химических и взрывопожароопасных свойств веществ, обращающихся в производстве, позволит нам правильно охарактеризовать горючую среду.

В промышленности применяются и перерабатываются разнообразнее по своим свойствам газообразные, жидкие и твердые вещества.

При оценке опасности горючих газов необходимо учитывать следующие свойства:

1. пределы воспламенения;

2. плотность газа;

3. состав газа;

4. температуру воспламенения;

5. склонность к электризации;

6. коррозирующую способность;

7. токсичность;

8. растворимость в воде.

При оценке опасности легковоспламеняющихся и горючих жидкостей необходимо учитывать следующие свойства:

1. температурные пределы воспламенения (Т_нпв и Т_впв);

2. концентрационные пределы воспламенения (φ_н и φ_в);

3. температуру вспышки паров (Т_всп);

4. температуру самовоспламенения (Т_свп);

5. склонность к электризации;

6. склонность к самовозгоранию;

7. однородность состава и др.

При оценке опасности твердых веществ необходимо учитывать следующие свойства:

1. горючесть;

2. состояние;

3. нижний концентрационный предел воспламенения (φ_н);

4. температуру воспламенения;

5. температуру самовоспламенения;

6. влажность;

7. склонность к электризации;

8. склонность к самовозгоранию.

Все вышеизложенные свойства газов, жидкостей и твердых веществ определяются по технологическому регламенту, по справочной литературе или могут быть определены экспериментально в лабораторных условиях. При этом необходимо помнить, что свойства веществ могут изменяться в зависимости от температуры и давления, поэтому для определения точных свойств веществ необходимо выяснить параметры ведения технологического процесса.

2. Горючая среда внутри технологических аппаратов при нормальной работе.

Аппараты с жидкостями.

Аппараты, резервуары и ёмкости с ГЖ и ЛВЖ различны по конструкции и обычно имеют определенный свободный объем. Жидкости могут находиться в аппаратах в холодном и нагретом состоянии и при различном давлении. Так как жидкости обладают свойством испаряться при любой температуре, то свободное пространство закрытых аппаратов постепенно насыщается парами. При наличии в этом пространстве воздуха пары жидкости, смешиваясь с ним, могут образовать горючую среду.

Концентрация насыщенных паров жидкости зависит от рабочей температуры (Т_раб). Следовательно, в паро-воздушном объеме закрытых аппаратов взрывоопасная концентрация паров образуется только в определенных температурных интервалах нагрева жидкости, которые называются температурными пределами воспламенения. Таким образом, внутри аппаратов с ЛВЖ и ГЖ взрывоопасная концентрация может образоваться при следующих двух условиях:

1. наличии паро-воздушного пространства;

2. рабочая температура лежит я интервале между нижним и верхним температурными пределами воспламенения, т.е.

T_нпвTT_впв, (1)

где Т — рабочая температура жидкости;

Т_нпв и Т_впв — соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения (распространения пламени).

С учетом коэффициента безопасности эта запись будет выглядеть следующим образом:

T_нпв-10TT_впв+15, (2)

где 10⁰С и 15⁰С – коэффициенты безопасности при Т_нпв и Т_впв.

Рабочая температура жидкости определяется по технологическому регламенту, по показаниям приборов или из пояснительной записки проекта (при рассмотрении проекта).

Если одно или оба из условий отсутствуют, то образование горючей среды внутри аппарата не возможно.

Условие опасности (1) или (2) может быть применимо для оценки возможности образования горючей концентрации в аппаратах с неподвижным уровнем жидкости (чаще непрерывного действия), когда в них образуется насыщенная концентрация паров жидкости. Это условие остается справедливым и для периодически действующих аппаратов (с подвижным уровнем жидкости) при наполнении, так как подъем уровня жидкости в аппаратах с дыхательными устройствами не изменит насыщенную концентрацию паро-воздушной смеси над зеркалом жидкости. Однако при опорожнении таких аппаратов состояние насыщения газового пространства парами жидкости нарушается за счет поступления дополнительного количества воздуха через дыхательную арматуру. Концентрация при этом уменьшается и для богатых (выше T_впв), насыщенных смесей, она может стать опасной. В таком случае оценку горючести среды по температурным пределам воспламенения, т. е. по условию (1) или (2), проводить нельзя. Поэтому ее осуществляют по соотношению

φ_н  φ  φ_в (3)

где φ — рабочая, действительная для данного момента времени, концентрация паров жидкости;

φ_н и φ_в — соответственно нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения жидкости (распространения пламени).

Концентрационные пределы воспламенения для жидкостей приводятся в справочной литературе, а при необходимости могут быть определены экспериментально или расчетным путем.

Таким образом, соотношение (3) также представляет собой условие опасности для образования горючей среды в закрытом аппарате. Однако оно справедливо не только при опорожнении аппарата, но и при наполнении и неподвижном уровне жидкости в аппарате. Поэтому это соотношение является более общим по сравнению с условием (1)или(2), но из-за больших трудностей при определении рабочей концентрации оно менее удобно для практического использования.

Если хотя бы одно из условий (а и б) в аппарате не соблюдается, то горючая среда в нем образоваться не может.

Предупреждение образования горючей паро-воздушной среды внутри аппаратов с жидкостью при их нормальной работе могут обеспечивать следующие технологические решения:

1. Ликвидация свободного паро-воздушного пространства (объема) достигается:

• полным заполнением аппарата жидкостью;

• хранением ЛВЖ и ГЖ под защитным слоем воды (например, сероуглерод) или над слоем воды (например, нефтепродукты);

• применением емкостей с мягкими (эластичными) стенками.

2. Обеспечение безопасного температурного режима работы аппарата Поддержание такой рабочей температуры в аппарате, которая лежит за температурными пределами воспламенения, т. е.

TT_нпв-10 или TT_впв+15 (4)

3. Снижение концентрации горючих паров жидкости в паро-воздушном пространстве обеспечивается:

• применением высоко-стойких пен, эмульсий, полых микро шариков из полимерных материалов и т.п., способных, не разрушаясь, длительное время, препятствовать процессу испарения;

• введением в горючую жидкость добавок, снижающих в газовом пространстве парциальное давление ее паров, например, вода — для спиртов (метилового, этилового и др.), ацетона и уксусной кислоты; четыреххлористый углерод—для нефтепродуктов и сероуглерода.

4. Флегматизация паро-воздушного пространства аппаратов путем введения в него негорючих (инертных) газов.

5. Применение системы газовой обвязки емкостных аппаратов (резервуаров) с изменяющимся уровнем жидкости.

Аппараты с газами.

В аппаратах с горючими газами обычно окислитель отсутствует. Горючая концентрация внутри таких аппаратов образоваться не может из-за отсутствия окислителя (φ =100 %).

Реже по технологическому регламенту в аппарат подается смесь горючего газа с воздухом или кислородом (например, при производстве водорода конверсией метана, ацетилена — термоокислительным пиролизом природного газа). Возможность образования горючей смеси в этом случае может быть оценена по соотношению:

φ_н  φ  φ_в (5)

где φ —рабочая концентрация горючего газа в аппарате;

φ_н, φ_в — нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения газа.

Рабочую концентрацию определяют по технологическому регламенту исходя из соотношения компонентов, подаваемых в аппарат, или путем взятия проб смеси газов из аппарата и проведения газового анализа на соответствующих приборах.

Для предупреждения образования горючей концентрации в аппаратах с газами используются следующие технические решения:

1. поддержание рабочей концентрации горючего газа в смеси с окислителем за концентрационными пределами воспламенения с помощью систем автоматики; при этом условие опасности (5) преобразуется в условие безопасности:

φ < φ_н (6)

или

φ > φ_в (7)

2. флегматизация негорючими (инертными) газами. Такое решение используется при наличии смеси горючего газа с окислителем, находящейся в пределах воспламенения или близкой к ним.

Аппараты с пылями.

В зависимости от размеров частиц и скорости движения воздуха пыль может находиться во взвешенном (аэрозоль) или осевшем (аэрогель) состояниях.

Взвешенная в воздухе пыль может образовывать взрывоопасную концентрацию. Концентрационные пределы воспламенения пылевоздушных смесей зависят от химического состава вещества, его измельченности (дисперсности), влажности и зольности. Для оценки возможности образования горючей концентрации пыли в смеси с воздухом внутри технологического оборудования на практике используют чаще только нижний концентрационный предел воспламенения φ_н, так как верхний предел очень высок и практически труднодостижим. Кроме того, пылевоздушные смеси в большей степени, чем паро-воздушные, склонны к расслоению. Поэтому в оборудовании даже при очень высоких концентрациях всегда могут образоваться локальные объемы (зоны) с концентрацией ниже верхнего предела воспламенения φ_в. В связи с этим условие, при котором внутри аппарата или трубопровода может образоваться горючая концентрация, имеет следующий вид:

φ  φ_н (8)

Рабочая концентрация в аппарате φ определяется по максимуму с учетом взвешенной и осевшей пыли.

Повышенную опасность для технологического оборудования представляет также осевшая пыль, образующаяся в виде отложений на внутренних стенках аппаратов и воздуховодов систем пневмотранспорта. Обладая развитой поверхностью контакта с окислителем (чаще с воздухом), она в отложившемся состоянии может самовозгораться, а при взвихрении - образовывать горючую концентрацию.

Это обстоятельство обуславливает характерную особенность циклического протекания пылевых взрывов. Сначала, как правило, происходит первичный взрыв (вспышка) небольшой мощности в локальной зоне технологического оборудования. Образующаяся при этом ударная волна приводит к взвихрению отложившейся пыли и образованию горючей пылевоздушной смеси в значительно большем объеме. Происходит повторный взрыв, который часто приводит к разрушению оборудования и к образованию горючей концентрации уже в объеме производственного цеха. Мощность последнего взрыва оказывается достаточной для разрушения всего здания, в котором размещается производство.

Для предупреждения образования горючей концентрации в аппаратах с пылями могут быть применены следующие технологические решения:

1. применение менее «пылящих» технологических процессов (например, вибрационного помола, измельчение с увлажнением);

2. устройство систем местных отсосов (систем аспирации) от технологического оборудования;

3. флегматизация негорючими (инертными) газами и минеральными пылями. Например, введение инертных газов внутрь аппаратов в опасные периоды работы, использование их для пневматической транспортировки опасных пылевидных материалов, добавление к огнеопасной пыли минеральных веществ (мела, цемента и т.п.);

4. предупреждение оседания пылей на внутренних поверхностях аппаратов и трубопроводов. Это достигается:

• выбором оптимальной (выше скорости витания) скорости пневмотранспортирования пылевидных материалов,

• повышением класса чистоты при их обработке,

• использованием плавных поворотов, переходов диаметров и сопряжений поверхностей,

• принятием соответствующих уклонов (конусной части аппаратов не менее 60°, самотечных трубопроводных линий — не менее 45° к горизонту),

• использованием вибрационных устройств,

• предохранением образования конденсата (теплоизоляцией оборудования, размещением его в отапливаемых помещениях и т. п.).