Warunki i mechanizmy powstawania oraz zapłonu atmosfer pyłowo-powietrznych

Mimo że stworzenie atmosfery wybuchowej przez pyły (spełnienie tzw. pięciokąta wybuchowości - rys. 1.b) wymaga zaistnienia większej niż w przypadku gazów i par cieczy (tzw. trójkąt palności - rys. 1.a) liczby niełatwych warunków, to w ostatnich latach zaobserwować można wzrost liczby zdarzeń niepożądanych, spowodowanych obecnością pyłów palnych w kolejnych gałęziach gospodarki [4].

 

 

Rys. 1. Graficzna metoda prezentacji warunków, które muszą zostać spełnione jednocześnie, aby powstała swobodnie propagująca i samopodtrzymująca się reakcja spalania w: a) gazach i parach („trójkąt palności") oraz b) pyłach („pięciokąt wybuchowości"), [4]

 

Rosnąca liczba zdarzeń związanych z zapłonem mieszanin pyłowo-powietrznych zwiększyła zainteresowanie jednostek badawczych tematyką palności i wybuchowości pyłów. Standardowe parametry wybuchowe oznaczane zgodnie z europejskimi normami to dolna granica wybuchowości (LFL - lower explosive limit lub MEC - minimum explosible concentration), minimalna energia zapłonu (MIE - minimal ignition energy), maksymalne ciśnienie wybuchu (P_max - maximum explosion pressure) i maksymalna szybkość narostu ciśnienia ((dp/ dt) max - maximum rate of pressure rise) [5]. Dwa pierwsze parametry opisują warunki niezbędne do zapoczątkowania niekontrolowanego spalania mieszaniny pyłowo-powietrznej. Kolejne dwa dotyczą przebiegu procesu, który został już zainicjowany. Niestety, takie parametry, tjak minimalna temperatura zapłonu warstwy czy obłoku pyłu zdają się być poza obszarem zainteresowań badaczy, pomimo że mogą służyć ocenie prawdopodobieństwa wystąpienia wybuchu wtórnego.

 

Do zagrożenia wybuchem ze strony pyłów dochodzi w wyniku spełnienia warunków wspomnianego pięciokąta wybuchowości [6]. Pierwsze dwa warunki to obecność pyłu i powietrza; są one tożsame z warunkami trójkąta palności, tj. paliwo (gaz) i utleniacz (powietrze). Taka mieszanina wytworzyć się może w wyniku uwolnienia pyłu w ograniczonej przestrzeni, będącej trzecim wierzchołkiem pięciokąta wybuchowości. Inną możliwością jest powstanie osiadłej warstwy pyłu, która w obrębie ograniczonej przestrzeni uniesie się pod wpływem dodatkowego czynnika zewnętrznego (np. innego wybuchu, podmuchu powietrza, zrzucenia pyłu z wysokości czy też nieostrożnego gaszenia tlących się ziaren silnym strumieniem wody).

 

Czwartym wierzchołkiem pięciokąta jest źródło zapłonu, które może być dostarczone do mieszaniny pyłowo-powietrznej na wiele sposobów. Szczególnie niebezpiecznym i mocno lekceważonym wariantem jest zapłon osiadłej warstwy pyłu w wyniku nagrzewania się w kontakcie ze źródłem ciepła, np. od urządzenia elektrycznego w przestrzeni zagrożonej wybuchem. Obecność dodatkowego czynnika zewnętrznego, o którym wspomniano wcześniej, może skutkować spełnieniem warunków pięciokąta wybuchowości. Inną możliwością, bez obecności dodatkowego czynnika zewnętrznego, jest powstanie ciągu od konwekcyjnych ruchów spalin. Ciąg ten może podnieść pył z zalegającej warstwy, także ten już tlący się. Jest to mało prawdopodobne, jednak fizycznie możliwe. Ostatni, tj. piąty wierzchołek to homogeniczność mieszaniny, czyli równomierny rozkład stężenia pyłu w objętości zagrożonej wybuchem. Zapłon może także nastąpić w przypadku wystąpienia lokalnych stężeń pyłu mieszczących się w zakresie wybuchowości, tj. powyżej dolnej granicy wybuchowości.

 

Samopodtrzymująca się reakcja gwałtownego spalania zajdzie, gdy spełnione zostaną wszystkie warunki z opisanego pięciokąta wybuchowości. Istotnym aspektem spalania mieszanin pyłowo -powietrznych jest szybkość propagacji procesu, która jest dużo niższa niż w przypadku mieszanin gazowo-powietrznych czy mieszanin par cieczy palnych z powietrzem. Uzasadnienia takiego stanu rzeczy należy upatrywać w ograniczonym dostępie tlenu do materiału palnego (pyłu), a także w możliwości rozpraszania się ciepła po całym materiale oraz w tym, że ciało stałe w czasie reakcji spalania zmienia stan skupienia na fazę gazową, co pochłania duże ilości energii. Wolniejsza propagacja procesu spalania jest więc wynikiem niższej temperatury w strefie reakcji [5].

Uniesienie tlącego się pyłu z warstwy wraz ze spełnieniem warunków przestrzennego ograniczenia oraz równomiernego rozkładu ziaren pyłu spowoduje (z wysokim stopniem prawdopodobieństwa) zainicjowanie wybuchu. Niestety, opisane mechanizmy powstawania atmosfer pyłowo-powietrznych są często lekceważone. Z punktu widzenia biernej ochrony przeciwwybuchowej parametr minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu (w skrócie MTZ) jest niezwykle ważny. Zgodnie z definicją, minimalną temperaturą zapłonu warstwy pyłu określa się najniższą temperaturę gorącej powierzchni, w której dochodzi do zapłonu znajdującej się na niej warstwy pyłu o określonej grubości. Parametr ten jest głównym przedmiotem dyskusji w niniejszej publikacji.

 

 

 

_____________________

 

[4]   Kordylewski W. Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, wyd. V, 2008
[5]   Teodorczyk A. Podstawy modelowania matematycznego wybuchu mieszaniny pyiowo-gazowej. III Międzynarodowa Szkoła Wybuchowości Pyłów Przemysłowych 1987