§ 1.4. Аппараты с пылями, порошками и волокнами

В производственных условиях пыли и порошки (тонко измельченные твердые вещества и материалы) могут являться сырьем (порошки в порошковой металлургии, сажа в производстве резины), вспомогательным технологическим материалом (пылевидное Топливо), промежуточным или конечным продуктом (мука, сахарная пудра и т\п.), побочными продуктами или отходами производства (мучная, табачная, древесная пыль). В зависимости от скорости движения газовой среды в технологическом оборудовании пыль может находиться вo взвешенном (аэрозоль) или осевшем (аэрогель) состоянии. Пожарная опасность оборудования в этом случае зависит от состояния пыли: осевшая пыль может тлеть и гореть; взвешенная пыль может образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Для пожарной профилактики важно знать условия перехода пыли из одного состояния в другое. Этот переход определяется скоростью осаждения твердой частицы, то есть минимальной скоростью газовой среды, при которой твердая частичка с определенными свойствами начинает оседать.

Рассмотрим этот процесс на примере осаждения частицы шарообразной формы. На эту частицу, находящуюся в восходящем по­токе газа, действует сила тяжести, равная весу частицы:

(1.5)

и подъемная сила, которая, согласно закону- Архимеда, равна весу газа, вытесненного частицей:

, (1.6)

На частицу, находящуюся в газовом потоке, действуют также силы трения (сопротивления среды), равнодействующая которых определяется по формуле

, (1.7)

В этих формулах р_т и р_г — соответственно плотность частицы и таза; g —ускорение силы тяжести; d — диаметр частицы; R —коэффициент сопротивления среды; F — площадь поперечного сече­ния частицы (для частиц шарообразной формы F=nd²/4).

На основании закона Ньютона получаем

, (1.8)

где т — масса частицы.

При постоянных значениях G_T и G_n (при определенной скорости газа) наступает состояние, когда правая часть уравнения (1.7) обращется в нуль:

G_T—G_n - R = 0. (1.9)

Это состояние называется динамическим равновесием частицы (достигается равенство силы сопротивления среды силе осаждения: G_T—G_n=R) и определяется скоростью осаждения V_oc. Подставляя (1.4) — (1.6) в (1.8), получим

, (1.10)

откуда определяем скорость осаждения:

. (1.11)

Взвешенная пыль не будет оседать, а осевшая пыль будет взвихряться, если скорость движения газового потока будет больше скорости осаждения.

Для оценки взрывоопасности смеси взвешенной пыли с воздухом наиболее важное значение имеет нижний предел воспламенения пыли, так как величина верхнего предела воспламенения очень высока и практически редко достижима. Следовательно, условием наличия взрывоопасной концентрации пыли будет соотношение

φ_д≥φ_н, (1.12)

где ф_д — действительная концентрация пыли в аппарате.

Для некоторых пылей нижний предел воспламенения оказывается труднодостижимым в производственных условиях, а горение их в смеси с воздухом происходит относительно медленно. Поэтому в настоящее время принято подразделять пыли (исходя из величины нижнего концентрационного предела воспламенения) на взрывоопасные и пожароопасные: пыли с пределом воспламенения менее 65 г/м³ считаются взрывоопасными, с пределом воспламенения 65 г/м³ и более — пожароопасными (см. СНиП П-90-81).

Действительная концентрация пыли в аппарате не может быть определена только путем измерения концентрации взвешенной пыли. Ее следует определять по суммарному количеству не только взвешенной, но и осевшей пыли, которая может при определенных условиях перейти во взвешенное состояние.

Большое количество взвешенной пыли образуется при работе машин и агрегатов с механизмами ударного действия (дробилки, мельницы, разрыхлители и т. п.), а также машин и установок, действие которых сопряжено с использованием воздушных потоков (пневматические системы транспортировки, сепараторы и т. п.) или с падением измельченной продукции с высоты (самотечные трубы, места пересыпания с одного транспортера на другой узлы загрузки и выгрузки измельченной продукции и т. п.).

Осевшая пыль, скапливается в машинах и аппаратах в застойных участках, тупиках, при дефектах поверхности, в местах резкого изменения диаметров и острых сопряжений. Скоплению осев­шей пыли способствуют увеличенная влажность воздуха и конденсация влаги на стенках аппаратов и трубопроводов. Осевшая пыльпри взвихрении может создать взрывоопасные смеси, самовозгорающаяся пыль — вызвать очаги самовозгорания. Искры, образующиеся от ударов металлических частиц, попавших в машину, могут вызвать очаги тления, от которых воспламенится и взвешенная пыль. Местная вспышка может вызвать взвихрение пыли в большом объеме и явиться причиной повторного взрыва большой разрушительной силы.

Известны следующие мероприятия, направленные на снижение взрывопожарной опасности аппаратов и трубопроводов с наличием пыли.

1. Применение менее «пылящих» процессов измельчения (вибрационный помол; измельчение с увлажнением; мокрые процессы обработки твердых и волокнистых веществ).

2. Введение негорючих газов внутрь аппаратов в течение всего периода работы либо в наиболее опасные моменты (например в периоды пуска и остановки мельниц). Добавление к горючей пыли минеральных веществ (например мела).

3. Устройство систем отсосов пыли из машин.

4. Использование негорючих газов для пневматической транспортировки наиболее опасных пылей.

5. Установление оптимальной скорости воздуха или негорючего газа и систематического контроля ее величины при пневматической транспортировке измельченных материалов с целью избежать осаждения пыли.

6. Конструктивное решение аппаратов и трубопроводов, обеспечивающее минимальное скопление осевшей пыли: гладко обработанные внутренние поверхности, плавные повороты трубопроводов, плавное сопряжение поверхностей аппаратов, плавные переходы диаметров, уклон конусной части аппаратов не менее 60°, а самотечных трубопроводов не менее 45° к горизонту.

7. Использование вибраторов для предотвращения образования пробок пыли в бункерах и трубопроводах.

8. Предохранение стенок аппаратов и трубопроводов от увлажнения. Это достигается размещением аппаратов в отапливаемых помещениях, подогревом среды или аппаратов и устройством теплоизоляции при расположении аппаратов на открытых площадках или в неотапливаемых помещениях.