22 | БЕЗОПАСНОСТЬ В ОТРАСЛИ
0 е
со
ю
1 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЗРЫВООПАСНОСТИ В ХИМИЧЕСКИХ | ЦЕХАХ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
© Н.И.Акинин, проректор Российского государственного химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева
А.И.Федонов, начальник отдела промышленной безопасности ОАО "НЛМК"
Коксохимическое производство является одним из наиболее взрывоопасных в металлургии. Практически в этом производстве обращаются все взрывопожароопасные материалы, перечисленные в законе о промышленной безопасности. Многие помещения и установки цехов отнесены, согласно НПБ 105-03, к взрывопожароопасным категориям А и Б, что предопределяет разработку и выполнение определенных требований по обеспечению взрывостойкости и огнестойкости зданий, взрывопредупреждению, взрывозащи-те оборудования, безопасному проведению ремонтных работ.
Требования взрывобезопасности отчасти изложены в Правилах безопасности в коксохимическом производстве (ПБ 11 -219-98), кроме того, на коксохимическое производство распространяется действие Общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, утвержденных Постановлением ГГТН РФ от 5 мая 2003 г. № 29. Однако действующая редакция Правил безопасности в коксохимическом производстве не отвечает в полной мере требованиям ГОСТ 12.1.010-76* ССБТ "Взрывобезопасность. Общие требования", ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ "Пожарная безопасность. Общие требования", ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ "Пожарная опасность веществ и материалов". Проектная и технологическая документация на предприятиях также не отвечает полностью требованиям перечисленных стандартов.
Для разработки эффективных мероприятий взры-вопредупреждения, сокращения разрушительных последствий взрывов и уменьшения вероятности воздействия их опасных и вредных факторов на персонал и совершенствования правил безопасности необходим анализ причин и последствий взрывов на коксохимических заводах, произошедших в последнее время. Такой анализ позволяет выработать рекомендации по прогнозированию и предупреждению взрывов в цехах улавливания и ректификации бензола.
Прогнозирование потенциальной пожаровзрыво-опасности коксохимического производства в значительной мере затруднено тем, что в нем обращаются в основном многокомпонентные горючие парогазовые смеси, данные о характеристиках горения и взрыва которых не содержатся в справочной литературе. Так, в состав коксового газа входит до 60% водорода, до 25% метана, до 5% оксида углерода, 2% различных более сложных углеводородов, а также инертные газы. В цехах улавливания углеводородов бензольной фракции в состав получаемых легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) входят бензол, толуол, изомеры ксилола.
Действующие нормативы в принципе регламентируют методику расчета характеристик пожаровзрыво-опасности многокомпонентных смесей, но она является чрезвычайно трудоемкой и поэтому на практике используется очень редко. Температуры вспышки, воспламенения смесей ЛВЖ и горючих жидкостей, их температурные пределы распространения пламени рассчитываются методом последовательного приближения, и расчет поэтому состоит из значительного числа итераций. Кроме того, в нормативах вообще отсутствуют методы расчета температуры горения и взрыва, а
также давления взрыва многокомпонентных газовоздушных смесей.
Установлено, что максимальные значения параметров горения и взрыва не соответствуют стехиометри-ческим концентрациям, но объяснение этого явления отсутствует. Поэтому не разработаны методы прогнозирования наиболее опасных концентраций и соответствующих им параметров взрыва.
Отсутствие сведений о наиболее опасных условиях взрыва сказывается на точности расчета прироста давления при взрыве в помещении, необходимого для категорирования помещений и зданий по взрывопо-жарной и пожарной опасности, на основе которого принимаются важнейшие проектные решения по обеспечению взрывобезопасности. Все это требует совершенствования существующих и разработки новых методик расчета характеристик воспламеняемости, горения и взрыва многокомпонентных газопаровоздушных смесей.
Нами разработаны методики и программы расчета нормативных характеристик пожаровзрывоопасности (температуры вспышки в закрытом и открытом тигле, температуры воспламенения, нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени, нижнего и верхнего температурных пределов распространения пламени) для многокомпонентных жидкостей, обращающихся в коксохимическом производстве. Расширение банка исходных данных для этих расчетов, включающего, в частности, параметры уравнения Антуана, которое используется для определения давления пара, было обеспечено разработкой специальных программ расчета этих параметров по экспериментальным значениям характеристик пожаровзрыво-
БЕЗОПАСНОСТЬ В ОТРАСЛИ
23
опасности отдельных компонентов смесей. Проведенные расчеты позволили в значительной мере скорректировать параметры пожаровзрывобезопасности многокомпонентных смесей, прежде всего, растворов летучих легковоспламеняющихся жидкостей в труднолетучем поглотителе, которые обращаются на участках улавливания соединений бензольной фракции из коксового газа. Это помогло объяснить возникновение взрывов в емкостях, которые ранее категорировались только как пожароопасные.
Важнейшей характеристикой потенциальной пожа-ровзрывоопасности газовоздушных и парогазовоз-душных смесей является максимальное давление взрыва, определяемое экспериментальным путем в камерах ограниченного размера, что приводило к занижению его значений из-за теплоотвода в окружающую среду. В больших же объемах и при ускоренном (турбулентном) горении роль теплоотвода становится незначительной, максимальное значение давления взрыва при этом увеличивается, а разница давлений взрыва паров ЛВЖ с одинаковой теплотой горения нивелируется. Поэтому необходима разработка надежных расчетных методов определения максимального давления взрыва паров ЛВЖ и их смесей в адиабатических условиях. На основе методики и программы таких расчетов, предложеных авторами, было установлено, что максимальные давления взрыва веществ и смесей, обращающихся в коксохимическом производстве, составляют около 900 кПа или даже несколько превышают это значение, тогда как в справочниках, составленных на основе экспериментальных данных, приведены значения максимального давления взрыва 600-700 кПа. Использование обоснованных значений максимального давления взрыва может существенно повлиять на результаты категорирования помещений по взрывопожароопасности.
Из методики расчета прироста давления в помещении при взрыве ЛВЖ, регламентированной НПБ 105-03, следует, что в процессе взрыва участвует только испаренное вещество. Такой поход не соответствует реальным последствиям взрывов в мастерских химических цехов коксохимического производства. Масштабы разрушений таковы, что могут быть объяснены только тем, что масса взрывающегося вещества в 10 и более раз превышает рассчитанное по методике НПБ 105-03. Это противоречие может быть связано с тем, что при взрыве парогазовой фазы внутри оборудова-
ния часть находящейся в нем жидкости переходит в дисперсное состояние.
С целью корректировки методики оценки последствий такого взрыва была предложена модель для оценки количества вещества, принимающего участие во взрыве. Исходили из предположения, что полностью выделяется энергия горения паров ЛВЖ, находящихся в объеме оборудования. Кроме того, в помещение поступает определенное количество диспергированного вещества. Коэффициент его участия во взрыве принимался таким же, как и для ЛВЖ по нормативной методике.
Максимальная энергия взрыва паров вещества, находящихся в объеме оборудования, определялась из условия полного использования кислорода, имеющегося в его свободном объеме, а также участия во взрыве вещества, диспергированного при разрушении оборудования. Теплота, выделяющаяся при взаимодействии различных органических жидкостей с кислородом, содержащимся в 1 м3 воздуха, приблизительно одинакова и составляет около 4000 кДж. Таким образом, энергия взрыва паровой фазы равняется произведению этой величины на величину свободного объема емкости.
Количество диспергированного вещества зависит от массы жидкости, находящейся в емкости, характера разрушения емкости и энергии первоначального взрыва парогазовой фазы. Предполагалось, что при прочих равных условиях, оно пропорционально энергии первоначального взрыва, т.е. величине свободного объема емкости. Коэффициент диспергирования (Кд), связывающий массу диспергированного вещества со свободным объемом емкости, был определен на основе анализа результатов аварий на КХП, а также имеющихся литературных данных об авариях емкостей с перегретыми жидкостями.
Значение Кд = 4 кг/м3, если возможно полное разрушение оборудования или разгерметизации его ниже уровня жидкости, Кд = 1,6 кг/м3, если оборудование имеет ослабленный элемент или взрыворазрядитель-ный проем в верхней части его над уровнем слоя жидкости, и Кд = 0, если оборудование при взрыве не разрушается и имеет взрыворазрядительный проем и канал для отвода продуктов взрыва вне помещения.
Результаты расчета по приведенному методу дают значение давления, соответствующее реальным последствиям взрыва.
е.
>.
к к X
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.