Исследование взрывоопасности аэровзвеси свинца

Введение. Пыль свинца в состоянии аэровзвеси имеет температуру самовоспламенения 710 °С и расчетное максимальное избыточное давление взрыва 400 кПа. В то же время аэровзвесь свинцовой пыли не взрывается при тестировании в 20-л камере с источником зажигания, имеющим энергию 2,5 кДж. Данные обстоятельства затрудняют ответ на вопрос о взрывоопасности свинцовой пыли в нормальных условиях обращения. В настоящей работе получены аргументы в пользу взрывобезопасности этой пыли при температуре 25 °С.

Свинцовая пыль и метод ее исследования. Пыль свинцового концентрата (d50 = 8,5 мкм, d90 = 36,6 мкм) с содержанием свинца не менее 99 % (масс.) исследована в 20-л взрывной камере Сивека с источником зажигания повышенной энергии (10 кДж).

Результаты. Взрывоопасность свинцовой пыли проявилась в диапазоне концентраций пыли от нижнего предела (500 г/м3) до верхнего предела (1500 г/м3). Во всем указанном диапазоне появление взрыва свинцовой пыли от опыта к опыту носило случайный характер. Максимальное избыточное давление взрыва составило ≈ 150 кПа, индекс взрыва Kst ≈ 2 бар ∙ м/с. В опытах со взрывом пыли восходящая ветвь зависимости давления в камере P от времени t имела две точки перегиба, в первой из которых достигался минимум, а во второй — максимум производной dP/dt.

Обсуждение и выводы. Результаты исследования свинцовой пыли имеют особенности, характерные для дисперсного материала, взрывобезопасного при нормальных условиях обращения: Kst < 45 бар ∙ м/с (Proust, Accorsi, Dupont, 2007); случайный характер проявления взрывоопасности в широком диапазоне концент­раций пыли и двухэтапный характер развития взрыва (Полетаев, Сазонов, Коптев, 2024). Таким образом, вероятнее всего, исследованная пыль свинца взрывобезопасна. Наблюдение случаев ее взрыва обусловлено эффектом «overdrive» — предварительным нагревом аэровзвеси в опытах с использованием энерго­емкого источника зажигания.

1. Jacobson M., Cooper A.R., Nagy J. Explosibility of metal powders. US Bureau of Mines. Report of investigations 6516. 1962. 25 p.

2. Dorsett H.G., Jacobson M., Nagy J., Williams R.P. Laboratory equipment and test procedures for evaluating explosibility of dusts. US Bureau of Mines. Report of investigations 5624. 1960. 21 p.

3. Cashdollar K.L., Zlochower I.A. Explosion temperatures and pressures of metals and other elemental dust clouds // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. Vol. 20 (4–6). Рр. 337–348. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.018

4. 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

5. 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. P. 103937. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103937

6. Taveau J.R., Lemkowitz S.M., Hochgreb S., Roekaerts D.J. E.M. Metal dusts explosion hazards and protection // Chemical Engineering Transactions. 2019. Vol. 77. Pp. 7–12. DOI: 10.3303/CET1977002

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

8. 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. 65. Р. 103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927

9. Perera I.E., Harris M.L., Sapko M.L. Examination of classified rock dust (treated and untreated) performance in a 20-L explosion chamber // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. No. 62 (5). P. 103943. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103943

10. Portarapillo M., Trofa M., Sanchirico R., Di Benedetto A. CFD simulations of dust dispersion in the 1 m3 explosion vessel // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. No. 68. P. 104274. DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104274

11. Mintz K.J. Problems in experimental measurements of dust explosions // Journal of Hazardous Materials. 1995. No. 42 (2). Pр. 177–186. DOI: 10.1016/0304-3894(95)00011-i

12. Hertzberg M., Cashdollar K.L., Zlochower I.A. Flammability limit measurements for dusts and gases : Ignition energy requirements and pressure dependences // Symposium (International) on Combustion. 1988. No. 21 (1). Рр. 303–313. DOI: 10.1016/s0082-0784(88)80258-3

13. 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

14. 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

15. Полетаев Н.Л., Сазонов М.С., Коптев М.Ю. Особенности взрыва антрацита в 20-л камере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2024. Т. 33. № 2. С. 23–31. DOI: 10.22227/0869-7493.2024.33.02.23-31

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

17. 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/Energetic Materials. 2011. Vol. 72. Nо. 6. Pp.174–178.

18. Полетаев Н.Л. О взрывоопасности аэровзвеси меламина // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 9. С. 15–28. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.09.15-28

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 // Process Safety Progress. 2021. Vol. 40. Issue 4. Pр. 289–295. DOI: 10.1002/prs.12249