Способ предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей

Изобретение относится к области пожарной и взрывобезопасности, а именно для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей. Способ включает введение в атмосферу защищаемого объема при достижении содержания в воздухе 3-4 об.% метана двухкомпонентного газового состава, состоящего из диоксида углерода и четыреххлористого углерода при долевом соотношении компонентов CCl₄:CO₂=1:(6-9). При этом обеспечивается количество четыреххлористого углерода в защищаемом объеме 2-3 об.%. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность способа предотвращения воспламенения и взрыва при минимальном потреблении ингибирующего состава. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области пожарной и взрывобезопасности, а более конкретно для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей.

Предложенное техническое решение предназначено для использования преимущественно в угольной промышленности при автоматическом контроле содержания метана в воздухе выработанного пространства для автоматического выброса ингибирующего состава по достижении заданного уровня его уровня.

Ингибирующий состав по изобретению относится к противопожарным средствам, предупреждающим воспламенение на особых объектах, в частности взрывоопасных газовых смесей в шахтах химическими средствами, представляющими собой смесь инертного газа с диспергированной в нем ингибирующей жидкостью.

Уровень данной области техники характеризуют различные способы предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, преимущественно метановоздушных.

Способ тушения пожара в горной выработке, описанный в SU 863881, A62D 1/02; А62С 1/12, 1981 г., включает приготовление огнегасительной смеси в виде устойчивого аэрозоля тетрафтордибромэтана путем ввода его в виде мелкодисперсного потока в предварительно нагретую до 50-80°С воздушную среду нагревательной камеры, в которой происходит испарение тетрафтордибромэтана, и подачу ее в вентиляционный поток горной выработки к месту очага пожара.

Эффективность способа тушения пожара повышается за счет использования в качестве огнегасительного компонента тетрафтордибромэтана. Однако из-за большого расхода относительно дорогого и экологически вредного компонента способ не нашел практического применения.

Способ тушения пожара инертным газом (диоксидом углерода), который подают непосредственно в очаг пожара в виде устойчивого аэрозоля, вытесняющего из защищаемого объема кислород, описанный в изобретении SU 494164, А62D 1/00, 1973 г., экологически безопасен, но требует по определению большого расхода газа. Так как инертные газы оказывают на очаг пожара пассивное воздействие, не влияя на кинетику горения, то этот способ характеризуется низкой эффективностью.

Более эффективен способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих газовых смесей, в котором используется ингибитор горения в виде углеводородов нормальной, циклической или изоструктуры, содержащей в молекуле от одного до восьми атомов углерода (см. патент RU 2081892, С09К 15/04, 1997 г.).

Этот способ обеспечивает снижение верхнего концентрационного предела воспламеняемости в зависимости от содержания ингибитора в горючей смеси с 75% до 29,5%, таким образом сужает область воспламенения более чем в два раза. Ингибитор не агрессивен, характеризуется низкими расходом и стоимостью, продукты его сгорания не токсичны.

Недостатком описанного способа является то, что используемый ингибитор сам по себе горючий газ и может перевести негорючую смесь (с пониженным нижним концентрационным пределом распространения пламени горючих смесей) в разряд горючих. Кроме того, способ неудовлетворительно ингибирует метановоздушные смеси.

Отмеченные недостатки устранены в способе предотвращения воспламенения и взрыва горючих газовых смесей по патенту RU 2187351, A62D 1/08, 2002 г., который по большинству совпадающих признаков и технической сути выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному способу.

Известный способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих газовых смесей включает введение непосредственно в горючую смесь ингибитора, в качестве которого используют, по крайней мере, один углеводород, содержащий в молекуле от двух до восьми атомов углерода (пропан, бутан и пропилен), предварительно разбавленный инертным газом (азотом, диоксидом углерода, аргоном или их смесями), при количественном соотношении, об.%: 5-10 ингибитор и 90-95 инертный газ (преимущественно диоксид углерода как наиболее активный флегматизатор).

Приготовленный газовый состав вводят в горючую смесь защищаемого объема в количестве 5-43 об.% для гарантированного предотвращения воспламенения и взрыва разных горючих газовых смесей различной концентрации.

Известный состав является негорючим как при хранении, так и при использовании, эффективен во всем диапазоне содержания в воздухе водорода и для богатых горючим метановоздушных смесей.

Недостаток заключается в том, что этот состав плохо ингибирует горение бедных горючим газовых смесей, что чревато взрывом, причем при высоких концентрациях сам ингибирующий состав горюч.

Кроме того, известная ингибирующая газовая смесь трудно сжижается (при давлении 5-6 атм), что ухудшает ее технологические характеристики.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности способа предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей во всем диапазоне концентраций за счет расширения его технологических возможностей при активном контроле содержания метана в воздухе защищаемого объема, посредством предложенного газового состава ингибирующего действия.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, включающем введение непосредственно в горючую смесь двухкомпонентного газового состава, состоящего из флегматизатора в виде диоксида углерода и ингибитора, согласно изобретению в атмосферу защищаемого объема при достижении содержания в воздухе 3-4 об.% метана вводят газовый состав, в котором в качестве ингибитора содержится четыреххлористый углерод при следующем долевом соотношении компонентов CCl₄:СО₂=1:(6-9), обеспечивая при этом количество четыреххлористого углерода в защищаемом объеме в количестве 2-3 об.%.

Отличительные признаки способа обеспечили надежную защиту от воспламенения и взрыва метановоздушных смесей во всем диапазоне содержания метана в воздухе, особенно в области их нижнего взрывоопасного концентрационного предела.

Катарометрия основывается на известном из кинетической теории газовой хроматографии положении, что все газы обнаруживают сильный рост теплопроводности при увеличении температуры, при этом теплопроводность зависит от состава газовой смеси, следовательно, катарометр служит детектором по теплопроводности, которую косвенно измеряют по переменному сопротивлению нити накаливания в плече электрического моста.

Таким образом, появление в атмосфере контролируемого объема метана детектируется как соответствующее изменение газового состава.

Активное регистрирование изменений теплопроводности (λ) газов осуществляется в приборе по электромостовой схеме, в качестве одного из плеч которого используется наполненная контролируемой метановоздушной смесью измерительная камера с проволочной нитью, нагреваемой от источника тока.

Превышение температуры (Т) нити при стационарно подводимой тепловой мощности (N) является мерой теплопроводности:

N=сλТ, где с - постоянная камеры.

При появлении в воздухе метана с малой концентрацией, ниже порога воспламенения (3-4 об.%), теплопроводность измеряется: N=с(λ+Δλ)(T+ΔТ).

Так как Δλ/λ<<1, то ΔT/Т=-λ/Δλ и, главное, процентное изменение температуры не зависит от конструкции измерительной камеры и от материала нагреваемой нити.

Из вышесказанного следует, что изменение температуры нити определяют путем измерения электрического сопротивления, которое пропорционально содержанию метана в воздухе.

Ингибирующее действие предложенного газового состава более эффективно, чем у известных аналогов, так как для надежного предотвращения взрыва метановоздушной смеси потребность ингибитора в несколько раз меньше.

Экспериментально установлено, что для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушной смеси достаточно содержания в ней 1-3 об.% четыреххлористого углерода, тогда как по патенту 2169597 - 10 об.%, а по патенту 2187351 - в диапазоне 6-17 об.%.

Четыреххлористый углерод является сильным ингибитором, который эффективно прерывает реакционные цепи, динамично перехватывая активные частицы, предотвращая тем самым лавинообразное их размножение:

Н+CCl₄=HCl+CCl₃.

Замена химически активного атома Н на радикал CCl₃ равносильна обрыву реакционной цепи, поскольку этот радикал не способен своими реакциями регенерировать активную частицу.

Таким образом осуществляется химическое управление процессом горения посредством малых добавок специальных веществ.

Механизм воспламенения и горения представляет собой процесс образования и размножения активных промежуточных частиц: атомов и осколков молекул, которые многократно стремительно взаимодействуют с исходными реагентами. Расходование исходных реагентов приобретает лавинный характер, то есть происходит цепное воспламенение.

Цепной механизм газофазного горения происходит при любом эндогенном горении, самоускоряющегося химического процесса за счет положительной обратной связи скорости реакции и выделяющегося тепла, разогревающего смесь, в результате чего скорость реакции превосходит скорость теплоотвода и ускорение тепла приобретает лавинный характер - происходит тепловой взрыв.

Разветвленный цепной механизм приводит к воспламенению независимо от саморазогрева системы, но в ходе развития цепного механизма выделившееся тепло усиливает его, дополнительно ускоряя процесс. Поэтому предотвратив цепную лавину, ингибитор устраняет саморазогрев.

Цепная лавина гибели активных промежуточных частиц, которая обеспечивается более химически активным реакционным ингибитором, конкурирует с их размножением за счет разветвления и обрыва реакционных цепей, в результате чего подавляется горение и предотвращается детонация.

Диоксид углерода в предложенном ингибирующем составе является флегматизатором, который усиливает действие ингибитора за счет уменьшения концентрации окислителя, а также действует в качестве третьей частицы тримолекулярной реакции, которая стабилизирует продукт рекомбинации:

Н+O₂+М=Н₂O+М.

Таким образом, предложенный способ позволяет активно управлять процессом горения за счет незначительной добавки непосредственно в атмосферу защищаемого объема нового газового состава, включающего четыреххлористый углерод и диоксид углерода в оптимизированном соотношении, чем предотвратить взрыв метановоздушных смесей.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная задача решается не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который служит чисто иллюстративным целям и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы. На чертежах схематично изображено:

на фиг.1 - предложенная установка;

на фиг.2 - вид А на фиг.1;

на фиг.3 - вид Б на фиг.1, средство контроля.

Установка для реализации предложенного способа защиты от взрывов шахтных выработок содержит распределенные в защищаемом объеме средства 1 контроля концентрации метана в воздухе, представляющие собой катарометры, каждый из которых сообщается с хроматографом 2.

Выходы средств 1 контроля через коммутатор 3 электрически связаны с узлами 4 запуска (в частности, электроклапанами, выполненными в виде электромагнита, якорь которого кинематически связан с шиберной заслонкой) устройства подачи аэрозольного ингибитора, представляющего собой баллон 5 высокого давления для хранения сжиженного диоксида углерода (CO₂).

Баллон 5 сообщается (фиг.2) посредством перекрытого клапаном 4 трубопровода 6 с емкостью 7, наполненной жидким четыреххлористым углеродом (CCl₄), причем конец трубопровода 6 помещен у дна емкости 7, гарантированно ниже уровня четыреххлористого углерода.

Сопловой выход 8 сосуда 7 закрыт предохранительной заглушкой 9.

При выпуске из баллона 5 газообразного диоксида углерода происходит барботирование четыреххлористого углерода их перемешивание с образованием устойчивой газовой смеси, которая выбрасывается в защищаемый объем.

Оптимальный двухкомпонентный газовый состав для ингибирования метановоздушных смесей содержит 2 об.% CCl₄ относительно защищаемого объема, а соотношение в нем компонентов ограничено в диапазоне значений CCl₄:CO₂=1:(6-9), количественное содержание которых составляет, мас.%:

четыреххлористый углерод	2-3
диоксид углерода	12-18.

Средства 1 контроля выполнены по схеме электрического моста 10 (фиг.3), где в измерительной камере 11 активного контроля теплопроводности газовой смеси, подаваемой из защищаемого объема, помещена нить 12 накаливания, а также установлена камера 13 сравнения, наполненная чистым газом-носителем (воздухом).

В диагональ электрического моста 10 включен усилитель 14, связанный с измерительным прибором 15 и коммутатором 3 (реле KV), структурно содержащим катушку KV.1 и контакт KV.2.

Коммутатор 3 замкнут на узел запуска 4 устройства 5 подачи ингибирующего газового состава. При этом запускающий сигнал может параллельно подаваться на различные системы оповещения (звуковые, световые, радиомаяк и др.), а также через линию задержки на систему заградительной блокировки и перекрытия проемов.

Клапаны 4 устройств 5 подачи ингибирующего газового состава дополнительно связаны с коммутатором 16 дистанционного запуска оператором.

Функционирует установка следующим образом.

В каждом из распределенных по защищаемому объему средстве 1 контроля активно регистрируется текущая теплопроводность контролируемой газовой смеси, по которой судят о концентрации метана в воздухе.

При этом в измерительную камеру 11 подается контролируемая газовая смесь из защищаемого объема после разделения структурных составляющих в колонке хроматографа 1, где выделен метан, а в сравнительную камеру 13 подается чистый атмосферный воздух.

Связанные с источником питания нити 12 накаливания, размещенные в камерах 11 и 13, в качестве плеч включены в электрический мост 10, что позволяет автоматически по разнице сопротивлений фиксировать на тарированном приборе 15 концентрацию метана в воздухе.

Контакт KV.1 коммутатора 3 настроен на напряжение 2 мВ, которое соответствует содержанию метана 3-4 об.% в воздухе, что является пороговым значением для запуска установки.

При срабатывании коммутатора 3 управляющий сигнал поступает на электроклапан 4, от чего втягивается якорь электромагнита, открывающий шиберную заслонку устройства 5 хранения ингибитора, который под давлением динамично выбрасывается в емкость 7, где барботирует жидкий ингибитор, образуя при перемешивании устойчивую газовую смесь.

Приготовленный газовый состав, вышибая заглушку 9, динамично подается в защищаемый объем, диспергируя в его метановоздушной атмосфере.

В случае необходимости электрический сигнал с коммутатора 3 передается на условно не показанные на чертеже средства оповещения и тревоги, а через время задержки, необходимое для эвакуации людей, срабатывают устройства блокирования проемов, изолирующие участок выброса метана.

При этом четыреххлористый углерод вступает в реакционную связь с активными частицами и обрывает реакционные цепи горения метановоздушной смеси, а двуокись углерода увеличивает удельную скорость реакции тримолекулярного обрыва цепей, чем значительно снижает потребную концентрацию ингибитора.

В результате действия двухкомпонентного газового состава по изобретению в защищаемом объеме при любом количестве метана в воздухе полностью исключается воспламенение и взрыв.

Описанная установка обеспечивает активный контроль текущего содержания метана в атмосфере защищаемого объема, по результатам которого при достижении установленного порога (3-4 об.%) предложенный ингибирующий газовый состав автоматически диспергируется в метановоздушную смесь, предотвращая ее воспламенение и взрыв.

Установка по результатам показания прибора 15 может быть запущена также вручную оператором от дистанционного коммутатора 16, управляющий импульс с которого поступает на коммутатор 3. Далее функционирование соответствует вышеописанному по запуску всех распределенных в защищаемом объеме устройств 5, обеспечивающих подачу заданного объема газового состава, содержащего четыреххлористый углерод и диоксид углерода.

Влияние предложенного газового состава на воспламенение и взрыв метановоздушных смесей подробно изучено на составах, рассчитанных по математической модели планирования эксперимента, которые содержат оптимальное соотношение компонентов, об.%: 14,3 CCl₄ и 85,7 CO₂.

Для практического использования предложенного газового состава соотношение структурных компонентов, обеспеченное промышленной технологией, выбрано в диапазоне содержания, мас.%: четыреххлористый углерод - 12-18, диоксид углерода 82-88, при содержании четыреххлористого углерода в защищаемом объеме в количестве (2-3) мас.%.

Способ ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси отрабатывался в сферическом реакторе, выдерживающем давление до 100 атм, который снабжен фотодиодом для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления, а также в испытательном стендовом реакторе объемом 4 м³.

Рабочие смеси газов, содержащие воздух, метан и предложенный двухкомпонентный газовый состав, приготавливали непосредственно в реакторе. Реактор предварительно вакуумировали до давления 0,4 Па, а затем последовательно напускали в заданных объемах предложенный двухкомпонентный газовый состав, метан и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям.

Поджиг приготовленной смеси газов проводили при помощи искрового источника, размещенного в центре реактора, раскаленной проволокой, а также открытого пламени горелки.

Воспламенение приготовленной смеси газов регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) визуально и с использованием фотодиода, а также по скачку давления и расходованию реагентов.

Таким образом, экспериментально были определены оптимальное соотношение компонентов предложенного газового состава и количественное содержание в нем четыреххлористого углерода и диоксида углерода в различных метановоздушных смесях для гарантированного предотвращения воспламенения и взрыва.

Взрывоопасный диапазон содержания метана в воздухе, при котором происходит воспламенение, составляет от 5,25 об.% до 13,75 об.%.

При введении в метановоздушную смесь указанного взрывоопасного диапазона содержания метана (особенно важно по нижнему пределу) количественно оптимизированного газового состава по изобретению (15-20 об.% от защищаемого объема) воспламенение отсутствует, следовательно, нет и взрыва.

Этот газовый состав эффективно ингибирует взрывоопасные метановоздушные смеси как при медленном поступлении в атмосферу метана, так и при его лавинных выбросах, что характерно для шахтного производства.

Предложенный газовый состав возможно использовать для целевого тушения очагов возгорания метановоздушных смесей.

Ингибирующее действие на метановоздушную смесь посредством предложенного газового состава оптимального соотношения его структурных компонентов представлено в нижеприведенной таблице.

Таблица
Содержание, об.%	Воспламенение	Взрыв с ударной волной
Ингибирующий газовый состав			метановоздушная смесь
метан	воздух
20	5	95	-	-
20	6	94	-	-
17	8	92	-	-
15	10	90	-	-
18	12	88	-	-
20	14	86	+	-
15	15	85	+	-

Данные таблицы свидетельствуют о том, что предложенный газовый состав гарантированно предотвращает воспламенение и взрыв метановоздушных смесей при низких концентрациях взрывоопасного диапазона содержания метана в воздухе, что характерно для горных выработок, при утечках метана на станциях перекачки, в технологическом процессе его производства, при хранении и транспортировке.

Газовый состав по изобретению не токсичен и не горюч, может длительно храниться в обычных условиях.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по чрезвычайным ситуациям, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного использования способа предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей в шахтах, при их производстве, хранении и перевозках можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих метановоздушных смесей, включающий введение непосредственно в горючую смесь двухкомпонентного газового состава, состоящего из флегматизатора в виде диоксида углерода и ингибитора, отличающийся тем, что в атмосферу защищаемого объема при достижении содержания в воздухе 3-4 об.% метана вводят газовый состав, в котором в качестве ингибитора используют четыреххлористый углерод, при следующем долевом соотношении компонентов CCl₄:CO₂=1:(6-9), обеспечивая при этом количество четыреххлористого углерода в защищаемом объеме 2-3 об.%.