Badania parametrów wybuchowości pyłu drewna egzotycznego merbau 3

Transkrypt

1 Marzena Półka 1, Bożena Kukfisz Szkoła Główna Służby Pożarniczej Badania parametrów wybuchowości pyłu drewna egzotycznego merbau 3 Pod pojęciem drewna egzotycznego rozumie się dzisiaj drewno z roślin wiecznie zielonych pochodzące z krajów nieeuropejskich, głównie Afryki, Azji i Ameryki Południowej. Drewno egzotyczne cechuje się twardością oraz dużą wytrzymałością, a także szeroką gamą kolorów niespotykaną w gatunkach rodzimych, od barwy niemal białej, poprzez różne odcienie czerwieni, brązów, aż po odcienie szarości i czerni. Drewno egzotyczne, kojarzone jest z długowiecznością i starzeje się w szlachetny sposób. Większość gatunków nie zmienia koloru i swoich właściwości wraz z upływem czasu, a patynując wydobywa swoje naturalne walory, pogłębiając kolor i podkreślając naturalne usłojenie. Różnorodne, bogate usłojenie towarzyszące niektórym gatunkom, tworzy niespotykane wzory, a połyskujące smugi wybranych gatunków powodują efekt niespotykany w gatunkach europejskich. Dzięki temu kolorystyka drewna egzotycznego wnosi do wnętrz oryginalność i wyjątkowość. Drewno to nie wymaga częstych konserwacji i dlatego znalazło ono zastosowanie w budownictwie, meblarstwie czy szkutnictwie. Warto zauważyć jednak, że zarówno pyły drewna egzotycznego jak i drewna krajowego w zależności od formy występowania powodują zagrożenie pożarowe np. w przypadku warstwy pyłu osiadłego na urządzenia, a także stwarzają zagrożenie wybuchowe w przypadku mieszaniny pyłu z powietrzem (chmury pyłowe, mieszaniny hybrydowe). Charakterystykę pożarową pyłów palnych określa się poprzez zapłon warstwy pyłu, zapłon obłoku pyłu oraz samozapalenie [1,]. Określeniem predyspozycji palności pyłów osiadłych jest minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu. Wyróżnia się najczęściej minimalną temperaturę zapłonu warstwy pyłu o grubości 5 mm (MTZW5mm) i 1,5 mm (MTZW1,5mm). Minimalne temperatury zapłonu warstwy pyłów drzew krajowych jak i egzotycznych zostały opisane w publikacjach i mieszczą się one przykładowo w zakresie 3-3 C dla warstwy 5 mm pyłu drewna krajowego np. sosnowego, bukowego i dębowego oraz w zakresie 31-3 C dla warstwy 5 mm pyłu drewna egzotycznego np. jatoba, lapacho, teak, eukaliptus [3,,5]. Podatność na zapłon palnych chmur pyłowych charakteryzuje minimalna temperatura zapłonu obłoku pyłu (MTZO). Wartość minimalnej temperatury zapłonu obłoku pyłu drewna sosnowego wynosi około C [,7,8]. Pyły zawieszone w powietrzu mają wyższą temperaturę zapłonu w stosunku do tego samego pyłu w postaci warstwy. W związku z powyższym maksymalne dopuszczalne temperatury urządzeń elektrycznych, na których gromadzić się może pył palny drewna nie powinien dla warstwy 5 mm przekraczać 5 C (gdyż jest to temperatura zgodnie z normą niższa o 75 C od MTZW 5mm) i analogicznie nie powinna przekraczać /3 wartości oznaczonej MTZO w przypadku występowania pyłu w postaci obłoku [9]. Pyły organiczne pochodzenia naturalnego w dużych nagromadzeniach mogą ulegać zjawisku samozapalenia. Predyspozycje pyłu palnego do samozapalenia wyraża się doświadczalnie poprzez temperaturę samozapalenia TSI. Temperatura samozapalenia pyłu sosnowego wynosi 1 C dla próbki o objętości 7,39 cm 3 []. Badania takie nie były prowadzone dla pyłów drewna egzotycznego. Jednak biorąc powyższe pod uwagę porównywalne zagrożenie pożarowe stwarzają zarówno pyły drzew krajowych jak i egzotycznych. Cel i metody badawcze W pracy poddano analizie parametry wybuchowe pyłu drewna egzotycznego merbau i porównano je do charakterystyk wybuchowych drewna krajowego, gdyż wybuchy mieszanin pyłowych stwarzają 1 dr hab. M. Półka, prof. SGSP, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego. dr inż. B. Kukfisz, adiunkt, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, Katedra Podstaw Procesów Spalania, Wybuchu i Gaszenia. 3 Artykuł recenzowany. 173

2 istotne zagrożenia w procesach technologicznych, w których operuje się rozdrobnionym materiałem palnym jako surowcem (a także uzyskuje się sproszkowany produkt lub produkt uboczny). Wyniki badań W opisywanym etapie prac badaniom poddano próbki pyłów drzewa egzotycznego merbau o rozmiarze ziarna poniżej µm. Gęstość nasypowa wynosiła 5,9 g/dm 3, a wilgotność,55%. Badania własności wybuchowych mieszanin pyłowych prowadzono z wykorzystaniem sferycznej komory badawczej o objętości dm 3, której konstrukcja jest rezultatem wprowadzenia ogólnoświatowego standardu badawczego na oznaczanie parametrów opisujących własności wybuchowe mieszanin pyłowych i jest zgodna z zapisami norm europejskich i amerykańskich (EN 13 i ASTM E1). Zgodnie z warunkami opisanymi w kolejnych arkuszach normy PN-EN 13:11 oznaczono dla badanych pyłów: - maksymalne ciśnienie wybuchu pmax mieszaniny pyłowo-powietrznej [1], -maksymalną szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max mieszaniny pyłowo-powietrznej [1], - dolną granicę wybuchowości DGW mieszaniny pyłowo-powietrznej [1], Badanie rozpoczyna się od umieszczenia próbki pyłu w zasobniku na pył i napełnieniu zasobnika powietrzem do nadciśnienia równego bar. W kolejnym kroku zamontowano źródła zapłonu do elektrod, czyli dwie główki zapalcze. Energia każdej główki zapalczej jest równa 5 kj w przypadku oznaczeń maksymalnego ciśnienia wybuchu oraz maksymalnej szybkości przyrostu ciśnienia wybuchu oraz równa łącznie kj w przypadku oznaczeń dolnej granicy wybuchowości. Następnie we wnętrzu kuli wytworzono podciśnienie równe, bar w celu wyrównania ciśnienia wewnątrz kuli do ciśnienia atmosferycznego po wtrysku próbki pyłu. Po rozpoczęciu pomiaru następuje otwarcie zaworu szybko działającego i próbka pyłu zostaje rozproszona we wnętrzu kuli poprzez dyszę rozpraszającą. Po ms od otwarcia zaworu następuje inicjacja zapłonu poprzez dwie główki zapalcze. Pomiar zmiany ciśnienia dokonywany jest co, ms i zapisywany w pamięci komputera. W celu wyznaczenia maksymalnego ciśnienia wybuchu należy przeprowadzić serię badań, zaczynając od stężenia pyłu równego g/m 3. Kolejne pomiary należy wykonać zwiększając koncentrację pyłu o g/m 3 lub zmniejszając o % początkową koncentrację. Za maksymalne ciśnienie wybuchu badanego pyłu uznaję się najwyższe ciśnienie wybuchu otrzymane z serii przeprowadzonych badań. Serie przeprowadzonych badań powinny zawierać również wyniki pomiaru ciśnienia wybuchu dla koncentracji pyłu o dwóch wartościach po obu stronach koncentracji, dla której stwierdzono maksymalne ciśnienie wybuchu badanego pyłu. Wyznaczenie maksymalnego ciśnienia wybuchu pyłów drzew egzotycznych przeprowadzono zgodnie z procedurą badawczą. Pierwszy pomiar wykonano dla koncentracji pyłu wynoszącej g/m 3 kolejne dla g/m 3, 15 g/m 3,,5 g/m 3 oraz dla 7 g/m 3. W związku z wpływem chłodzenia wartości ciśnień wybuchu skorygowano. Przy zarejestrowanym ciśnieniu wybuchu Pmax l 5,5 bar wartość maksymalnego ciśnienia wybuchu jest korygowana według wzoru (1), Natomiast dla wartości zarejestrowanego ciśnienia wybuchu Pex 5,5 bar według wzoru (). (1) ( ) ( ) () gdzie: pci ciśnienie wywołane przez główki zapalcze [bar] (3) gdzie: Ei energia zapłonu [J] 17

3 Logistyka nauka Według wyżej opisanej procedury pomiarowej przeprowadza się również oznaczenie maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu. Wyniki tych oznaczeń przedstawiono na rysunku 1 oraz w tabeli 1.,1 a) b) - c) 7,8 - d), , ,19 e) - Rys. 1. Wykres zależności ciśnienia w funkcji czasu dla pyłu merbau. Źródło: Opracowanie własne. Przy pomocy wzoru (1) oraz określonej maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max możliwe jest wyznaczenie wskaźnika wybuchowości Kst. Analizowany pył został zaklasyfikowane do klasy wybuchowości St1 co znaczy, że jest to pył słabo wybuchowy. 175

4 Tab. 1. Wartości oznaczeń p max i (dp/dt)max dla badanego pyłu merbau. Źródło: Opracowanie własne. Rodzaj pyłu pył merbau Naważka, przy której oznaczono p max [g] Maksymalne ciśnienie wybuchu (p max ) [bar] Naważka, przy której oznaczono (dp/dt) max [g] Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt) max [bar/s] 15 7,8 5 3,19 W przypadku oznaczeń DGW wybuch pyłu ma miejsce, gdy zmierzone nadciśnienie z uwzględnieniem wpływu inicjatora zapłonu jest co najmniej o,5 bar większe od ciśnienia początkowego. Wyniki oznaczeń DGW badanego pyłu umieszczono w tabeli. Tab.. Wartości oznaczeń dolnej granicy wybuchowości pyłu merbau. Źródło: Opracowanie własne. Rodzaj pyłu Naważka przy której oznaczono DGW [g] Wartość ciśnienia wybuchu [bar] Wartość DGW [g/m 3 ] Pył merbau 1,,17 Podsumowanie Przy pyle merbau zanotowano p max o wartości 7,8bar przy koncentracji 15g. Analizując maksymalną szybkość narastania ciśnienia wybuchu obserwuje się duże rozbieżności względem wyników oraz naważek pyłów. Wartości otrzymane różnią się miedzy sobą nawet o około bar/s, zaś naważki, przy których one wystąpiły zawierają się w zakresie 1g 5g. Przy pyle merbau zanotowano (dp/dt)max przy naważce 5g o wartości 3,19 bar/s. Po przeanalizowaniu wszystkich wyników najwyższą maksymalną szybkością narastania ciśnienia wybuchu posiada pył iroko, a najniższą pył merbau. Porównując wyniki wskaźnika wybuchowości wszystkich badanych pyłów, najmniejszą wartość posiada pył merbau, ale właściwości wybuchowe pyłów drzew egzotycznych ń są zbliżone do parametrów wybuchowych innych pyłów drzewnych gatunków krajowych i należy je zaliczyć do klasy wybuchowości St1. Artykuł został opracowany w ramach projektu na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa DOB- BIO///1 pt.: Opracowanie metod neutralizacji zagrożenia wybuchu wytypowanych zbiorników z gazami technicznymi, w tym alternatywnymi źródłami zasilania w środowisku pożarowym na potrzeby ratowników biorących udział w akcjach ratowniczo-gaśniczych" finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Streszczenie W artkule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych dotyczących wybranych parametrów wybuchowości mieszanin pyłów drewna egzotycznego z powietrzem. Badania w skali laboratoryjnej prowadzono wykorzystując stanowisko do oznaczania charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu wg pierwszych trzech części normy PN-EN 13:11. Badano próbki pyłów drzewnych egzotycznych merbau o rozmiarze ziaren < µm. Zbadano parametry wybuchowości poszczególnych pyłów tj. maksymalne ciśnienie wybuchu, maksymalna szybkość przyrostu ciśnienia wybuchu i dolną granicę wybuchowości. Ponadto oszacowano klasy wybuchowości pyłów - Kst i klasy wybuchowości St. 17

5 Abstract Investigations of explosion characteristics of exotic merbau wood dust Paper presents results of experimantal investigations on explosion characteristics of mixtures exotic dust with air. In the laboratory scale tests the following apparatuses were used: test stand for determination of explosion characteristics for dusts clouds according to 1, and 3 parts of PN-EN 13:11 standard. Kinds of wood exotic dusts were tested merbau dust, each of particles <µm. Maximum explosion pressure, maximum rate of explosion pressure rise and lower explosion limit were tested. Also, values of Kst and class for particular dust were determined. Praca wykonana w ramach projektu nr DOBR-BIO//139/13 "Opracowanie systemowych rozwiązań wspomagających prowadzenie dochodzeń popożarowych wykorzystujących nowoczesne technologie w tym narzędzia techniczne i informatyczne " finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. PN-EN 81--1:P Urządzenia elektryczne do stosowania w obecności pyłów palnych Część -1: Metody badania Metody oznaczania minimalnej temperatury zapłonu pyłu. []. PN-EN 15188:9 Oznaczanie skłonności nagromadzeń pyłu do samozapalenia. [3]. Półka. M., Piechocka E., Kukfisz B,. Susceptibility of inflammable industrial dust to ignition from heated surface, Przemysł Chemiczny, 1, nr, s. -3. []. M. Półka, Z. Salamonowicz, M. Woliński, B. Kukfisz, Experimental analysis of minimal ignition temperatures of a dust layer and cloud on a heated surface of selected flammable dust, Elsevier Procedia Engineering 5 (1) 1-3. [5]. Jaskółowsk W., Kozakiewicz P., Popławski M., Study on the influence of thickness of dust layer to ignition temperature in selected types of exotic woods, Annals of Warsaw Univesity of Life Science SGGW, Forestry and Wood Technology No 71, 1, []. B. Kukfisz, M. Półka, Z. Salamonowicz, M. Woliński, The use of selected extinguishing powder for reducing industrial dust explosion impact, Przemysł Chemiczny, 9/1, (13), -3. [7]. M. Półka, Comparative analysis of minimal ignition temperatures clouds of wooden dusts, Annals of Warsaw University of Life Sciences SGGW, Forestry and Wood Technology 8, nr 3, p. 1. [8]. Półka M., Kukfisz B., Woliński M., Salamonowicz Z., Experimental Investigation of Inertization Parameters, Annals of 8th World Conference on Experimental Heat Transfer Fluid Mechanics, and Thermodynamics, Lisbona [9]. PN-EN 81-1-:P Urządzenia elektryczne do stosowania w obecności pyłów palnych Część 1-: Urządzenia elektryczne chronione przez obudowę Dobór, instalacja i konserwacja. [1]. PN-EN 13-1+A1:11 - Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłów - Część 1: Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax obłoku pyłu. 11. [11]. PN-EN 13-+A1:11 - Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłów - Część : Oznaczanie maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max obłoku pyłu. 11. [1]. PN-EN 13-3+A1:11 - Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłów - Część 3: Oznaczanie dolnej granicy wybuchowości DGW obłoków pyłu

6 178