Особенности взрыва антрацита в 20-л камере

Введение. Хорошо известен эффект «overdrive», когда аэровзвесь, проявившая взрывоопасность при тестировании в 20-л камере, оказывается безопасной по результатам более надежного тестирования в 1 м3 камере. Завышение взрывоопасности пыли в 20-л камере объясняют предварительным нагревом свежей аэровзвеси пламенем энергоемкого (Eig) источника зажигания. О возможности «overdrive» судят по такому признаку: при Eig = 10 кДж индекс взрыва Kst < 4,5 МПа∙м/с (Proust et al., 2007). Данная статья посвящена выявлению дополнительных признаков «overdrive» в 20-л камере на примере взрывобезопасного антрацита для снижения вероятности упомянутой выше качественной ошибки.

Анализ публикаций. Замечен случайный характер проявления взрывоопасности антрацита в широком диапазоне концентраций пыли при Eig = 5 кДж (Cashdollar, Chatrathi, 1993). Наблюдаются две точки перегиба на восходящей ветви зависимости давления взрыва антрацита P от времени t, отвечающие сначала минимуму, а затем максимуму dP/dt соответственно. Все эти особенности могут являться признаками «overdrive» после экспериментальной проверки.

Антрацит и метод его исследования. Антрацит с содержанием летучих 2,7 % масс. исследован в 20-л камере Сивека, Eig = 10 кДж, с видеосъемкой излучения через смотровое окно.

Результаты. Получены зависимости интенсивности излучения среды и давления в камере от времени в диапазоне концентраций пыли от 125 до 750 г/м3.

Обсуждение и выводы. Подтверждены экспериментально и предложены три дополнительных признака эффекта «overdrive» для антрацита: вероятностный характер проявления взрывоопасности; две точки перегиба на восходящей ветви графика P(t); заметное ослабление излучения среды после выгорания источника зажигания и до момента достижения нижней точки перегиба. Давление взрыва превышало 400 кПа и обусловлено, в основном, выгоранием связанного углерода.

1. Eckhoff R.K. Dust explosions in the process industries : 3rd ed. Boston : Gulf Professional Publishing/Elsevier, 2003. 720 p.

2. Addo A., Dastidar A.G., Taveau J.R., Morrison L.S., Khan F.I., Amyotte P.R. Niacin, lycopodium and polyethylene powder explosibility in 20-l and 1-m3 test chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. Р. 103937. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103937

3. Huéscar Medina C., MacCoitir B., Sattar H., Slatter D.J.F., Phylaktou H.N., Andrews G.E. et al. Comparison of the explosion characteristics and flame speeds of pulverised coals and biomass in the ISO standard 1 m3 dust explosion equipment // Fuel. 2015. Vol. 151. Рр. 91–101. DOI: 10.1016/j.fuel.2015.01.009

4. Cesana C., Siwek R. Operating instructions 20-l-apparatus. Ver. 7.0, Kühner AG, Birsfelden. 2009.

5. Zlochower I.A., Sapko M.J., Perera I.E., Brown C.B., Harris M.L., Rayyan N.S. Influence of specific surface area on coal dust explosibility using the 20-L chamber // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 54. Pр. 103–109. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.03.004

6. Liu S.-H., Cheng Y.-F., Meng X.-R., Ma H.-H., Song S.-X., Liu W.-J. et al. Influence of particle size polydispersity on coal dust explosibility // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 56. Pр. 444–450. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.10.005

7. Zhang J., Sun L., Nie F., Zhou H. Effects of particle size distribution on the explosion severity of coal dust. Energy sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2019. Рр. 1–11. DOI: 10.1080/15567036.­2019.1654562

8. Cashdollar K.L., Chatrathi K. Minimum Explosible dust concentrations measured in 20-l and 1-m3 chambers // Combustion Science and Technology. 1993. Vol. 87. Pp. 157–171. DOI: 10.1080/00102209208947213

9. Proust 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. Vol. 20. Рр. 599–606. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.032

10. Cloney C.T., Amyotte P.R., Khan F.I., Ripley R.C. Development of an organizational framework for studying dust explosion phenomena // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2014. Vol. 30. Рр. 228–235. DOI: 10.1016/j.jlp.2013.09.002

11. Ren K., Guo Y., Huang W., Wei A., Wu D. Explosion characteristics of coal dusts in O2/N2 ambience: A novel method to determine limiting oxygen concentration // Fuel. 2022. Vol. 324. Р. 124673. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124673

12. Zhao P., Schmidt M., Krause U., Duan Q., Krietsch A., Wu D. Experimental study on the minimum explosion concentration of anthracite dust: The roles of O2 mole fraction, inert gas and CH4 addition // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 71. Р. 104490. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104490

13. Tan X., Schmidt M., Zhao P., Wei A., Huang W., Qian X. et al. Minimum ignition temperature of carbonaceous dust clouds in air with CH4/H2/CO below the gas lower explosion limit // Fuel. 2020. Vol. 264. Р. 116811. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116811

14. Wang J., Meng X., Zhang Y., Chen H., Liu B. Experimental study on the ignition sensitivity and explosion severity of different ranks of coal dust // Shock and Vibration. 2019. Рр. 1–11. DOI: 10.1155/2019/2763907

15. Thakur P. Gas and dust explosions // Advanced mine ventilation. 2019. Рр. 377–398. DOI: 10.1016/b978-0-08-­100457-9.00023-7

16. Zhao P., Tan X., Schmidt M., Wei A., Huanga W., Qian X. et al. Minimum explosion concentration of coal dusts in air with small amount of CH4/H2/CO under 10-kJ ignition energy conditions // Fuel. 2020. Vol. 260. Р. 116401. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116401

17. Полетаев 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.2017.26.06.5-20

18. Krietsch A., Scheid M. Test on suitability of a new pyrotechnical igniter for determination of explosion characteristics of dust clouds in 20-l-sphere and 1-m3-vessel // Sci. Tech of Energetic Materials. 2011. Vol. 72. Nо. 6. Pp. 174–178.

19. Portarapillo M., Sanchirico R., Di Benedetto A. On the pyrotechnic ignitors role in dust explosion testing: Comparison between 20 L and 1 m3 explosion vessels // Proc. Safety Prog. 2021. Р. e12249. DOI: 10.1002/prs.12249

20. Guo Y., Ren K., Huang W., Wu D. An alternative explosion criterion of combustible dusts based on combustion duration time: Applications for minimum explosion concentration and limiting oxygen concentration // Powder Technology. 2022. Vol. 409 (1). Р. 117851. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117851