firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2024.33.03.5-10firesmi-1376Research ArticleПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ, ДЕТОНАЦИИ И ВЗРЫВАCOMBUSTION, DETONATION AND EXPLOSION PROCESSESМаксимальный размер взрывоопасных частиц аэровзвеси железаMaximum explosive particles size of iron air suspensionhttps://orcid.org/0000-0003-2586-8597ПолетаевН. Л.PoletaevN. L.

ПОЛЕТАЕВ Николай Львович, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

РИНЦ AuthorID: 1093620

Nikolay L. POLETAEV, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

RISC AuthorID: 1093620

nlpvniipo@mail.ruВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation202428062024333510Copyright © Полетаев Н.Л., 20242024Полетаев Н.Л.Poletaev N.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1376Введение

Введение. Рассматриваются известные результаты экспериментального исследования нижнего концент­рационного предела распространения пламени (НКПР) по аэровзвесям полидисперсных образцов пыли железа в 1-м3 камере (Clouthier, Taveau, Dastidar et al., 2019) и 20-л камере (Cashdollar, 1994). Анализ этих результатов на качественном уровне, выполненный авторами данных исследований, показал, что максимальный размер dcr частиц железа, определяющих взрывоопасность аэровзвеси железной пыли, принадлежит интервалу от 30 до 75 мкм. Поставлена задача уточнить оценку dcr на основе количественного анализа результатов исследования в 1-м3 камере известным методом (Полетаев, 2014).

Выбор и обработка исходных данных. Для двух полидисперсных образцов железа с различными пределами горения в 1-м3 камере (НКПР1 = 250 г/м3 для тонкодисперсного образца и НКПР2 = 1250 … 1500 г/м3 для грубодисперсного образца) построены непрерывные функции распределения частиц по размерам: F1(d) и F2(d) соответственно. Здесь F(d) — массовая доля фракции частиц полидисперсного образца, имеющих размер менее d.

Оценка dcr и обсуждение результата. Следуя процедуре количественного метода оценки dcr, решали уравнение F1(dcr)/F2(dcr) = НКПР2/НКПР1 в наглядной графической форме. Результат решения: dcr = 36 ± 3 мкм. Полученный коли­чественный результат существенно уточнил известную качественную оценку dcr.

Выводы

Выводы. Способность полидисперсной аэровзвеси железной пыли распространять пламя (т.е. ее взрывоопасность) определяется содержанием мелкодисперсной фракции «менее dcr», минимальное количество которой должно превышать величину порядка 150 г/м3.

Introduction

Introduction. The well-known results of experimental study of the minimum explosive concentration (MEC) polydisperse iron dust air suspension in a 1-m3 chamber (Clouthier, Taveau, Dastidar et al., 2019) and a 20-L chamber (Cashdollar, 1994) are considered. An analysis of these results at a qualitative level, carried out by the authors of these studies, showed that the maximum size of iron particles dcr responsible for the explosion hazard belongs to the range from 30 microns to 75 microns. The task is to clarify the dcr based on a quantitative analysis of the results of the study in a 1-m3 chamber by the known method (Poletaev, 2014).

Selection and processing of initial data. For two polydisperse iron specimens with different MEC in a 1-m3 chamber (MEC1 = 250 g/m3 for a fine specimen and MEC2 = 1,250 … 1,500 g/m3 for a coarse specimen), continuous particle size distribution functions are constructed: F1(d) and F2(d), respectively. Here, F(d) is the mass fraction specimen particles having size less than d.

Estimation of dcr and discussion of the result. Following the procedure of the quantitative dcr estimation method, the equation F1(dcr)/F2(dcr) = MEC2/MEC1 was solved in a visual graphical form. The result of the solution: dcr = 36 ± 3 microns. The obtained quantitative result significantly clarified the known qualitative assessment of the dcr.

Conclusions

Conclusions. The ability of polydisperse air suspension of iron dust to spread the flame (i.e. its explosiveness) is determined by the content of fine fraction “less than dcr”. The minimum amount of this fraction should exceed the value of about 150 g/m3.

порошок железамелкая фракциявзрыв пыли1-м3 камеранижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР)iron powderfine fractiondust explosion1-m3 chamberminimum explosive concentration (MEC)ReferencesBergthorson J.M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power // Progress in Energy and Combustion Science. 2018. No. 68. Рр. 169–196. DOI: 10.1016/j.pecs.2018.05.001Bergthorson J.M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power. Progress in Energy and Combustion Science. 2018; 68:169-196. DOI: 10.1016/j.pecs.2018.05.001Bergthorson J.M., Goroshin S., Soo M.J., Julien P., Palecka J., Frost D.L. et al. Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power // Applied Energy. 2015. No. 160. Рр. 368–382. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037Bergthorson J.M., Goroshin S., Soo M.J., Julien P., Palecka J., Frost D.L. et al. Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power. Applied Energy. 2015; 160:368-382. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037Wiinikka H., Vikström T., Wennebro J., Toth P., Sepman A. Pulverized sponge iron, a zero carbon and clean substitute for fossil coal in energy applications // Energy & Fuels. 2018. No. 32 (9). DOI: 10.1021/acs.energyfuels.8b02270Wiinikka H., Vikström T., Wennebro J., Toth P., Sepman A. Pulverized Sponge Iron, a Zero Carbon and Clean Substitute for Fossil Coal in Energy Applications. Energy & Fuels. 2018; 32(9). DOI: 10.1021/acs.energyfuels.8b02270Tóth P., Ögren Y., Sepman A., Gren P., Wiinikka H. Combustion behavior of pulverized sponge iron as a recyclable electrofuel // Powder Technology. 2020. No. 373. Рр. 210–219. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.05.078Tóth P., Ögren Y., Sepman A., Gren P., Wiinikka H. Combustion behavior of pulverized sponge iron as a recyclable electrofuel. Powder Technology. 2020; 373:210-219. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.05.078Sun J.-H., Dobashi R., Hirano T. Combustion behavior of iron particles suspended in air // Combustion Science and Technology. 2000. No. 150 (1). Рр. 99–114. DOI: 10.1080/00102200008952119Sun J.-H., Dobashi R., Hirano T. Combustion behavior of iron particles suspended in air. Combustion Science and Technology. 2000; 150(1):99-114. DOI: 10.1080/00102200008952119Ning D., Shoshin Y., van Oijen J.A., Finotello G., de Goey L.P.H. Burn time and combustion regime of laser-­ignited single iron particle // Combust Flame. 2021. No. 230. Р. 111424. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111424Ning D., Shoshin Y., van Oijen J.A., Finotello G., de Goey L.P. H. Burn time and combustion regime of laser-ignited single iron particle. Combust Flame. 2021; 230:111424. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111424Ning D., Shoshin Y., van Stiphout M., van Oijen J., Finotello G., de Goey P. Temperature and phase transitions of laser-ignited single iron particle // Combust Flame. 2022. No. 236. Р. 111801. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111801Ning D., Shoshin Y., van Stiphout M., van Oijen J., Finotello G., de Goey P. Temperature and phase transitions of laser-ignited single iron particle. Combust Flame. 2022; 236:111801. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111801Tang F.-D., Goroshin S., Higgins A.J. Modes of particle combustion in iron dust flames // Proceedings of the Combustion Institute. 2011. No. 33 (2). Рр. 1975–1982. DOI: 10.1016/j.proci.2010.06.088Tang F.-D., Goroshin S., Higgins A.J. Modes of particle combustion in iron dust flames. Proceedings of the Combustion Institute. 2011; 33(2):1975-1982. DOI: 10.1016/j.proci.2010.06.088Cashdollar K.L. Flammability of metals and other elemental dust clouds // Process Safety Progress. 1994. No. 13 (3). Рр. 139–145. DOI: 10.1002/prs.680130306Cashdollar K.L. Flammability of metals and other elemental dust clouds. Process Safety Progress. 1994; 13(3):139-145. DOI: 10.1002/prs.680130306Cashdollar K.L. Overview of dust explosibility characteristics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2000. No. 13 (3–5). Рр. 183–199. DOI: 10.1016/s0950-4230(99)00039-xCashdollar K.L. Overview of dust explosibility characteristics. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2000; 13(3-5):183-199. DOI: 10.1016/s0950-4230(99)00039-xGoing J.E., Chatrathi K., Cashdollar K.L. Flammability limit measurements for dusts in 20-l and 1-m3 vessels // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2000. No. 13. Рр. 209–219. DOI: 10.1016/S0950-4230(99)00043-1Going J.E., Chatrathi K., Cashdollar K.L. Flammability limit measurements for dusts in 20-l and 1-m3 vessels. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2000; 13:209-219. DOI: 10.1016/S0950-4230(99)00043-1Taveau J.R., Going J.E., Hochgreb S., Lemkowitz S.M., Roekaerts D.J.E.M. Igniter-induced hybrids in the 20-l sphere // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. No. 49. Рр. 348–356. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.07.014Taveau J.R., Going J.E., Hochgreb S., Lemkowitz S.M., Roekaerts D.J.E.M. Igniter-induced hybrids in the 20-l sphere. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017; 49:348-356. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.07.014Danzi E., Pio G., Marmo L., Salzano E. The explosion of non-nano iron dust suspension in the 20-l spherical bomb // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. No. 71. Р. 104447. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104447Danzi E., Pio G., Marmo L., Salzano E. The explosion of non-nano iron dust suspension in the 20-l spherical bomb. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021; 71:104447. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104447Guo Y., Ren K., Wei A., Tao C., Huang W., Zhao P. et al. Iron dust explosion characteristics with small amount of nano-sized Fe2O3 and Fe3O4 particles // Manuscript FUEL. 2022. Р. 124786. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124786Guo Y., Ren K., Wei A., Tao C., Huang W., Zhao P. et al. Iron dust explosion characteristics with small amount of nano-sized Fe2O3 and Fe3O4 particles. Manuscript FUEL. 2022; 124786. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124786Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn- und Explosions — Kenngrößen von Stäuben // SFT-Report. 1979. No. 2.2. 100 р. URL: http://staubex.ifa.dguv.de/explosuche.aspxScholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn-und Explosions — Kenngrossen von Stauben. SFT-Report. 1979; 2.2:100. URL: http://staubex.ifa.dguv.de/explosuche.aspxClouthier M.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C. et al. Iron and aluminum powder explosibility in 20-L and 1-m3 chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. No. 62. Р. 103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927Clouthier M.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C. et al. Iron and aluminum powder explosibility in 20-L and 1-m3 chambers. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 62:103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927Mi X., Fujinawa A., Bergthorson J.M. A quantitative analysis of the ignition characteristics of fine iron particles // Combust Flame. 2022. No. 240. Р. 112011. DOI: 10.1016/j.combustflame.2022.112011Mi X., Fujinawa A., Bergthorson J.M. A quantitative analysis of the ignition characteristics of fine iron particles. Combust Flame. 2022; 240:112011. DOI: 10.1016/j.combustflame.2022.112011Полетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность/Fire and explosion safety. 2014. Т. 23. № 9. С. 15–26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26Poletaev N.L. Experiment-calculated estimating of the maximum particle size of explosive monodisperse dust-air mixture. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2014; 23(9):15-26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26 (rus).Kalejaiye O., Amyotte P.R., Pegg M.J., Cashdollar K.L. Effectiveness of dust dispersion in the 20-L Siwek chamber // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2010. No. 23 (1). Рр. 46–59. DOI: 10.1016/j.jlp.2009.05.008Kalejaiye O., Amyotte P.R., Pegg M.J., Cashdollar K.L. Effectiveness of dust dispersion in the 20-L Siwek chamber. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2010; 23(1):46-59. DOI: 10.1016/j.jlp.2009.05.008Altwal J.M., Véchot L.N. Experimental study of the influence of particle size on Minimum Explosible Concentration of sulfur dust // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. No. 71. Р. 104507. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104507Altwal J.M., Véchot L.N. Experimental study of the influence of particle size on Minimum Explosible Concentration of sulfur dust. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021; 71:104507. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104507Proust Ch., Accorsi A., Dupont L. Measuring the violence of dust explosions with the “20-l sphere” and with the standard “ISO 1 m3 vessel”. Systematic comparison and analysis of the discrepancies // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. No. 20. Рр. 599–606. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.032Proust Ch., Accorsi A., Dupont L. Measuring the violence of dust explosions with the “209-l sphere” and with the standard “ISO 1 m3 vessel”. Systematic comparison and analysis of the discrepancies. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007; 20:599-606. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.032Полетаев Н.Л. О проблеме экспериментального обоснования низкой взрывоопасности горючей пыли в 20-л камере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and explosion safety. 2017. Т. 26. № 6. С. 5–20. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.06.5-20Poletaev N.L. On the problem of experimental justification of low explosibility for dust/air mixture in the 20-l chamber. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2017; 26(6):5-20. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.06.5-20 (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.