Максимальный размер взрывоопасных частиц аэровзвеси железа

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. 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.

1. Bergthorson 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.2018.05.001

2. Bergthorson 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.2015.09.037

3. Wiinikka 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.8b02270

4. Tóth 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.2020.05.078

5. Sun 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: 10.1080/00102200008952119

6. Ning 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.2021.111424

7. Ning 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.2021.111801

8. Tang 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.2010.06.088

9. Cashdollar K.L. Flammability of metals and other elemental dust clouds // Process Safety Progress. 1994. No. 13 (3). Рр. 139–145. DOI: 10.1002/prs.680130306

10. Cashdollar 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-x

11. Going 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)00043-1

12. Taveau 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.2017.07.014

13. Danzi 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.2021.104447

14. Guo 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.2022.124786

15. Scholl 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.aspx

16. Clouthier 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.2019.103927

17. Mi 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.2022.112011

18. Полетаев 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.2014.23.09.15-26

19. 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.2009.05.008

20. Altwal 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.2021.104507

21. 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. No. 20. Рр. 599–606. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.032

22. 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