Характеристика отложений и механизм их образования

Отложения, образующиеся в технологическом оборудовании, классифицируются по составу, агрегатному состоянию, структуре, механической прочности, смачиваемости, горючести, взрывоопасности и склонности к самовозгоранию [8]. Количественные и качественные характеристики этой классификации позволяют на практике разрабатывать эффективные меры борьбы с негативным проявлением образующихся отложений для обеспечения противопожарной защиты производственных коммуникаций.

В основу классификации положена идея о решающем влиянии в процессе образования отложений температуры среды на механизм переноса массы вещества из потока к стенке, на состав, агрегатное состояние и структуру отложений.

По составу отложения, образующиеся в нагретой среде, могут значительно отличаться от исходных веществ и материалов. Это отличие определяется в основном температурным режимом работы аппаратов, где образуются пароаэрозолегазовые смеси. При повышенных температурах образующаяся смесь до поступления в транспортную систему может содержать не только пары исходных веществ, но и продукты их термического пиролиза. Основной движущей силой массопередачи при образовании отложений в этом случае будет молекулярная диффузия паров, которая сопровождается фазовыми превращениями. В связи с этим отложения по молекулярной массе могут значительно отличаться от исходных компонентов смеси, так как состоят из более тяжелых продуктов термического пиролиза.

Таким образом, образование отложений в нагретой среде происходит в результате сложного тепломассообмена, когда парогазовая смесь при своем охлаждении по пути транспортирования в трубопроводах системы местных отсосов (СМО) от места ее образования до выброса в атмосферу участвует в многократно повторяющихся процессах конденсации тяжелых паров и испарения легких фракций конденсата по аналогии с процессом ректификации.

По агрегатному состоянию отложения в нагретой среде на холодной стенке, с учетом сказанного, чаще образуются в виде жидкого конденсата, обладающего различной вязкостью: от подвижной (легкостекающей по стенке) жидкости до дегтеобразной быстротвердеющей при охлаждении массы.

По составу отложения, образующиеся в ненагретой среде, близки к исходным материалам, так как в этом случае движущей силой массопередачи при образовании отложений является турбулентная диффузия при отсутствии фазовых превращений. Такие отложения образуются, например, в окрасочном оборудовании. По составу они близки к исходным лакокрасочным материалам (ЛКМ) и отличаются от них меньшим содержанием растворителя.

В ненагретой газовой среде отложения первоначально могут быть жидкими (чаще высоковязкими) или твердыми, что в конечном счете будет зависеть от свойств и содержания в них жидкой фазы (например, остаточного растворителя).

Причины такого явления кроются в условиях образования и свойствах аэрозоля (красочного тумана), который в диспергированном состоянии в движущемся потоке воздуха обладает огромной удельной поверхностью испарения, что в турбулизированной среде обеспечивает быструю потерю летучих растворителей, слипание и затвердевание осевших частиц пигмента.

По структуре отложения в ненагретой среде первоначально могут быть монолитными (губчатыми), а затем под воздействием тех же процессов, что и в нагретой среде, приобретать пористую структуру. Дисперсные материалы (волокнистые, порошкообразные) при своем осаждении сразу образуют слой с пористой структурой. По механической прочности отложения, образующиеся в ненагретой среде, за исключением дисперсных, относятся к прочным отложениям.

 

8.1.2. Пожаровзрывоопасность горючих отложений, образующихся
в производственных коммуникациях и меры профилактики

 

Разработка и внедрение безотходных технологий и установок по обезвреживанию промышленных выбросов потребовали объединения большого количества ранее разрозненных технологических аппаратов с помощью коммуникаций в единое целое. Однако при наличии развитой системы коммуникаций (трубопроводов, воздуховодов) даже при нормальной эксплуатации технологического оборудования создаются условия для образования в них горючих отложений, распределенных по всей их длине, которые при определенных условиях склонны к самовозгоранию и способствуют быстрому скрытому развитию пожара по системе коммуникаций на смежное технологическое оборудование и строительные конструкции производственных зданий.

Такая опасность характерна для производств, где широко применяются технологические процессы пропитки, окраски, вулканизации, рекуперации, закалки, пайки, лужения и др.

В связи с этим возникает проблема обеспечения пожарной безопасности таких коммуникаций и, в частности, воздуховодов систем местных отсосов.

По мере роста толщины слоя отложений в транспортных воздуховодах в хронологическом порядке одно за другим создаются условия для:

воспламенения горючего слоя при появлении источника зажигания;

образования горючей концентрации при наличии летучих компонентов в массе отложения;

распространения пламени по поверхности отложений в случае их воспламенения;

самовозгорания отложений.

Установлено [8], что каждая из этих опасностей характеризуется своей по величине критической толщиной слоя отложений.

Критическая толщина слоя по воспламеняющей способностимало зависит от свойств горючих отложений и в основном определяется тепловой мощностью источника зажигания. Например, жидкий слой нефти на металлической подложке при локальном действии на него пламени газовой горелки способен воспламеняться при толщине не более 0,2 мм [9]. Слой отложений ЛКМ, при котором происходит его воспламенение, составляет от 0,08 до 0,1 мм [8].

В практическом плане эта толщина не является определяющей для оценки пожарной опасности технологического оборудования с горючими отложениями, так как по величине она может составлять десятые и даже сотые доли миллиметра, поэтому после кратковременной локальной вспышки (мгновенного выгорания образующейся в пограничном слое горючей парогазовоздушной смеси) в дальнейшем распространение пламени по слою не происходит. При длительном воздействии точечного источника зажигания наблюдается дальнейший беспламенный пиролиз нелетучей части слоя отложений в месте контакта с источником зажигания.

Образование горючей концентрации при наличии летучих компонентов в массе отложения. Содержание остаточного растворителя в отложениях ЛКМ по пути движения загрязненного воздушного потока в процессах окраски колеблется в широких пределах: от 100 (на экране и в гидрофильтре) до 20 % (в удаленных участках воздуховодов) от исходного содержания растворителя в ЛКМ. Поэтому горючие отложения, образующиеся в транспортных воздуховодах СМО, даже при незначительной толщине слоя (0,5–0,8 мм) представляют реальную опасность образования горючей концентрации в замкнутом объеме при полном отсутствии воздухообмена с окружающей средой. Ясно, что для предупреждения этой опасности на практике вне рабочее время нецелесообразно предусматривать полную герметизацию воздуховодов СМО с помощью различных регулировочных шиберов и заслонок.

Критическая толщина слоя, исходя из опасности распространения пламени по поверхности отложений при возникновении горения от внешнего источника зажигания, также характеризуется малой величиной. Так, для отложений различных лакокрасочных материалов (ЛКМ) она составляет: МЛ 12 - 1,7 мм; МЧ 123 - 1,1 мм;
ПЭ 246 - 1,2 мм; МС 17 - 0,9 мм; НЦ 216 - 1,5 мм; КО 935 - 1,3 мм; АС 182 - 1,3 мм. Поэтому профилактика опасности распространения пожара при таких значениях толщины слоя отложений сводится к предупреждению появления внешнего источника зажигания.

Критическая толщина отложений по опасности самовозгорания зависит от многих факторов и для различных веществ и материалов колеблется от 15 до 25 мм.

Таким образом, пожарная опасность отложений связана с их горючестью. Они легко могут воспламеняться от внешнего источника зажигания, способствуют образованию взрывоопасных концентраций, являются характерными путями для распространения пламени, обладают склонностью к самовозгоранию. Кроме того, они часто выводят из строя или снижают эффективность работы защитных устройств (огнепреградители, огнепреграждающие задвижки, взрывные мембраны, предохранительные клапаны и др.) и, наконец, приводят к нарушению нормального режима работы технологических аппаратов. Так, постепенное накапливание отложений в воздуховодах СМО окрасочного или сушильного оборудования приводит к снижению количества отсасываемых из аппаратов паров огнеопасных растворителей за счет уменьшения «живого» сечения воздуховодов. Вследствие этого происходит рост их концентрации до опасных пределов в окрасочных и сушильных камерах, а затем и в самих воздуховодах.

Главное направление в обеспечении пожаровзрывобезопасности транспортных коммуникаций с горючими отложениями связано с предупреждением образования отложений. Однако на практике это сделать, по существу, невозможно. Поэтому идут по пути снижения интенсивности образования отложений в сочетании с периодической очисткой технологического оборудования.

Однако при этом возникают проблемы, связанные с определением допустимой по условиям пожарной безопасности продолжительности эксплуатации технологического оборудования до очередной очистки и созданием эффективных пожаробезопасных способов очистки. Перспективными в этом плане являются также мероприятия, осуществляемые между чистками, по снижению интенсивности образования отложений с помощью улавливающих устройств и предупреждению накапливания отложений путем отвода жидкой фазы, образующейся при конденсации паров.

Принимая меры по снижению интенсивности образования отложений, при определении сроков пожаробезопасной эксплуатации транспортных коммуникаций между чистками рассматривают все возможные факторы пожаровзрывоопасности, которые могут проявиться в процессе роста слоя отложений. А затем из этих факторов выбирают такой, который не может быть устранен другими мерами без проведения самой очистки.

Из приведенного выше анализа видно, что по сравнению с другими опасными факторами, критическая толщина слоя горючих отложений по условиям самовозгорания имеет большую величину. Кроме того, эту опасность можно устранить только путем организации своевременной очистки транспортных коммуникаций. Поэтому при обосновании сроков очистки в качестве основы рассматривают критические условия самовозгорания отложений.

Критические условия самовозгорания отложений для транспортных коммуникаций можно представить в виде развернутого уравнения теплового баланса, левая часть которого характеризует тепловыделения в зоне реакции, а правая – теплоотвод в окружающую среду:

 

Е С exp (1- Е / R Т ₀ ) / R Т ₀² K λ / С_р ρ h ²_кр, (8.1)

 

где K - коэффициент формы слоя; λ – теплопроводность отложений, (Вт/м·К); Т ₀ – минимальная для окружающей среды температура самовозгорания, К; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
Е – эффективная энергия активации, кДж/моль; С – предэкспоненци-альный множитель, К/с; С_р – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); ρ – плотность слоя отложений, кг/м³.

Тогда критическая толщина слоя отложений будет равна

 

h _кр= . (8.2)

 

Время образования критического слоя отложений τ_обр равно

 

τ_обр = h _кр / ω_отл, (8.3)

где ω_отл – скорость образования отложений, м/с,

 

ω_отл = Ј _mах / ρ, (8.4)

 

где Ј _mах – интенсивность образования отложений, кг / м² с.

Максимальную интенсивность образования отложений в воздуховодах СМО от окрасочных камер можно определить по уравнению

 

Ј _mах = С _н Rе^1,13 ν / Z L, (8.5)

 

где С _н – максимальная концентрация аэрозоля в начальном участке воздуховода, кг/м³; ν – кинематический коэффициент вязкости воздуха, м²/с; Z – эмпирический коэффициент, равный 0,012; L – протяженность воздуховода, м.

Важной характеристикой процесса самовозгорания является адиабатический период индукции τ_инд , который представляет собой время саморазогрева реагирующей среды до критической температуры. Вычисление адиабатического периода индукции производится по формуле

τ_инд = (R Т ₀² / Е С) exp(Е / R Т ₀ ). (8.6)

Тогда пожаробезопасный период эксплуатации транспортных воздуховодов СМО (на примере окрасочных камер) можно определить по соотношению

τ_пб = τ_обр + τ_инд. (8.7)

Для реализации модели, приведенной выше, разрабатываются программы, с помощью которых получаются необходимые расчетные параметры для построения номограмм, позволяющих определять пожаробезопасные условия эксплуатации транспортных коммуникаций с горючими отложениями и обосновывать сроки их очистки. Пример такой номограммы приведен на рис. 8.1.

 

t, оС

2

3

1

, сут

 

Рис. 8.1. Номограмма для определения периодичности очистки окрасочного оборудования при использовании эмали МС-17:

1 – воздуховод; 2 – жалюзийные сепараторы-каплеуловители; 3 – гидрофильтр;

ключ к использованию номограммы; t – температура окружающей среды, ºС;

τ – продолжительность периода пожаробезопасной эксплуатации между чистками

Чтобы снизить интенсивность загрязнения поверхности воздуховодов горючими отложениями, применяют различные способы улавливания увлекаемых воздухом твердых и жидких частиц, предупреждают возможность конденсации и кристаллизации транспортируемых паров на поверхности труб, осуществляют очистку поверхности от горючих отложений.

Очистку воздуха от увлекаемой горючей пыли, пуха и других твердых отходов производства и побочных продуктов осуществляют обычно инерционными улавливателями, циклонами и фильтрами. Для улучшения эффективности улавливания твердых частичек из воздуха к инерционным улавливателям и циклонам в некоторых случаях подводят воду.

 

 

 

Рис. 8.2. Рукавный всасывающий фильтр: 1 – корпус; 2 – трубопровод для выхода очищенного воздуха; 3 – встряхивающий механизм; 4 – рукава; 5 – трубопровод для входа запыленного воздуха; 6 – приемная коробка; 7 – шнек для выгрузки пыли

Рис. 8.3. Пенный промыватель: 1 – решетки; 2 – штуцер для подачи воды в аппарат; 3 – корпус; 4 – трубопровод для выхода очищенного воздуха; 5 – трубопровод для входа запыленного воздуха; 6 – слив избытка воды; 7 – труба для удаления шлама

В масляных фильтрах пыль улавливается при проходе воздуха через движущуюся металлическую сетку, смоченную в масле. Эффективность масляных фильтров составляет 70–85 %. Загрязненная металлическая сетка проходит через бак с маслом, очищается от пыли и смачивается им. Рукавные фильтры (рис. 8.2) высокоэффективны. Они улавливают до 95–99 % пыли. Непрерывность их действия обеспечивается встряхиванием рукавов с одновременной обратной продувкой ткани воздухом.

Рукавная ткань может быть обработана огнезащитными составами. Для отвода зарядов статического электричества в ткань вплетают эластичные металлическиенити, которые соединяют с заземляющим устройством.

В пенных промывателях (рис. 8.3) запыленный газ проходит через слой воды, вызывая образование пены и тонких водяных пленок, способствующих улавливанию твердых частичек. Эффективность их действия доходит до 85–92 %.

Чтобы уменьшить возможность отложения твердых горючих частичек на участках труб до места установки циклонов или фильтров, трубопроводы делают круглого сечения с гладкой поверхностью, плавными поворотами без резких изменений диаметров. Скорость движения воздуха принимают такой, чтобы твердые частицы все время находились во взвешенном состоянии. Газо- и воздухопроводы, где наблюдаются отложения масляного конденсата, периодически промывают 5%-ным раствором каустической соды. После выпуска раствора трубопровод тщательно промывают водой под давлением и просушивают. Так как промывка каустической содой не исключает возможности коррозии металла и небезопасна для обслуживающего персонала, целесообразно использовать для этой цели 3%-ный раствор сульфанола.

Отложение конденсата и кристаллов происходит в том случае, когда улавливают нагретые пары, которые в воздуховодах охлаждаются, или когда паровоздушная смесь из производственных помещений транспортируется в зимнее время по наружным воздуховодам. Во избежание этого наружные воздуховоды и воздуховоды, проходящие по неотапливаемым помещениям, защищают негорючей теплоизоляцией. В некоторых случаях паровоздушную смесь подогревают с таким расчетом, чтобы в процессе транспортировки температура ее не снижалась до точки росы.

Очистку воздуха окрасочных камер от частичек краски производят гидрофильтрами, представляющими собой одну или несколько последовательно расположенных водяных завес, сквозь которые просасывается загрязненный воздух. Схема традиционной окрасочной камеры, оборудованной гидрофильтром с S-образным промывным каналом, показана на
рис. 8.4.

В некоторых случаях для очистки воздуха от частичек краски применяют устройства в виде жалюзийных решеток, отбойных стенок и т. п. Проходя через подобного рода препятствия, воздух неоднократно изменяет направление движения и частички краски, ударяясь о стенки или решетки, прилипают к их поверхности. Однако такие механические устройства менее эффективны по сравнению с гидрофильтрами.

Процесс очистки технологического оборудования является весьма трудоемким, а иногда и пожароопасным, если для этого применяются ручные способы с использованием инструментов ударного действия или огнеопасные растворители.

 

10

9

8

7

6

5

4

3

1

2

Рис. 8.4. Схема окрасочной камеры, оборудованной гидрофильтром
с S-образным промывным каналом:

1 – водоотстойная ванна; 2 – люк для очистки канала фильтра; 3 – водоподающие трубы; 4 – фильтрующие кассеты; 5 – люк для замены сепараторов; 6 – воздуховод СМО; 7 – вентилятор; 8 – камера; 9 - S-образный промывной канал; 10 - водяной экран

 

Практика показывает, что наибольшие сложности возникают при очистке труднодоступного технологического оборудования и, в частности, воздуховодов СМО, по которым удаляются пароаэрозолевоздушные смеси от мест их образования в технологическом процессе производства.

Для удобства очистки воздуховоды делают легкоразборными (отдельные звенья соединяют между собой на фланцах с обычными или откидными болтами) или устраивают люки на расстоянии 4-5 м друг от друга.

В последние годы внедряются механизированные методы очистки воздуховодов с использованием переносных пароэмульсионных эжекторов, обеспечивающих струйную подачу моющего средства непосредственно в очищаемый воздуховод без его демонтажа. Пожаробезопасность этого метода обеспечивается применением негорючих водных растворов технических моющих составов (ТМС), флегматизацией объема воздуховода водяным паром, увлажнением отложений и применением водяных струй для механического удаления отслаивающихся отложений.

Для удаления особо прочных отложений применяется пожаробезопасный метод защиты воздуховодов систем местных отсосов окрасочного и сушильного оборудования от налипания аэрозольных частиц с помощью эластичного рукава.

Перед началом эксплуатации окрасочного оборудования во внутреннюю полость воздуховодов 1 и 7 (рис. 8.5) вводится защитное покрытие в виде мягкого (эластичного) рукава 2 из термостойкой комбинированной синтетической ткани. Рукав удерживается во внутренней полости воздуховода путем крепления по торцам с помощью хомутов 4.

 

 

	7

2

I

II

6

5

4

3

2

1

 

Рис. 8.5. Пожаробезопасный способ очистки воздуховодов от отложений ЛКМ
с использованием эластичных рукавов:

1, 7 – воздуховоды; 2 – рукав переменного сечения из термостойкой эластичной ткани; 3 – ребра жесткости; 4 – хомуты; 5 – мягкая вставка; 6 – вентилятор; узел I и узел II – ребра жесткости для рукавов во всасывающей и нагнетательной части воздуховодов, соответственно

 

При использовании рукава обеспечивается защита рабочего колеса вентилятора от налипания аэрозольных частиц и сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу на 30–35 %.

По окончании эксплуатации загрязненные рукава удаляют путем извлечения из полости воздуховодов, очищают от загрязнений в растворе ТМС, отмытые загрязнения утилизируют, а рукав используют повторно.