способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей

Формула изобретения

1. Способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, включающий введение непосредственно в горючую смесь ингибитора, в качестве которого используют, по крайней мере, один углеводород, содержащий в молекуле от двух до восьми атомов углерода, отличающийся тем, что ингибитор предварительно разбавляют инертным газом: азотом, диоксидом углерода, аргоном или их смесями, при количественном соотношении: ингибитор 5-10 об.% и инертный газ остальное, и вводят приготовленный состав в горючую смесь в количестве 5-43 об.% относительно горючей смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что его используют для водородо- и метано-воздушных горючих смесей и в качестве углеводорода берут смесь предельных и непредельных углеводородов, преимущественно пропана, бутана и пропилена.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности, а именно к способам предотвращения воспламенения и взрыва метано- и водородовоздушных смесей, и может быть использовано в горной промышленности, преимущественно в угольной, для предотвращения катастроф за счет взрыва метановоздушной смеси в выработанном пространстве, для предотвращения взрыва водородо-воздушных смесей, а также в области производства водорода, метана и других областях, связанными либо с производством водорода и метана, либо с их использованием.

Известен способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси путем поджигания метаноугольвоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в шахту, используя инициатор зажигания, который располагают вдоль продольной оси участка шахты и включают его до поступления в шахту метаноугольвоздушной смеси, а после включения инициатора зажигания, в качестве которого используют керосиновую или масляную лампу, электроспираль или нить накаливания, он функционирует постоянно во времени (патент России 2129211 Е 21 F 5/00, БИ 11, 20.04.99).

Изобретение эффективно как при достаточно медленном поступлении метана в шахту, так при выбросах метана, однако ограничением способа является низкая его эффективность при тушении уже возникших пожаров в местах выброса метана.

Известен способ тушения пожара в горной выработке, включающий приготовление огнегасительной смеси в виде устойчивого аэрозоля тетрафтордибромэтана путем ввода его в виде мелкодисперсного потока в предварительно нагретую до 50-80^oС воздушную среду нагревательной камеры, в которой происходит испарение тетрафтордибромэтана, и подачу ее в вентиляционный поток горной выработки к месту очага пожара (авторское свидетельство СССР 863881, Е 21 F 5/00, А 62 D 1/02, А 62 С 1/12, 1981). Эффективность способа тушения пожара повышается за счет использования в качестве огнегасительного компонента тетрафтордибромэтана, однако, за счет большого расхода его, высокой стоимости и экологической вредности компонента способ не находит широкого использования.

Известен способ тушения пожара, включающий подачу в очаг пожара инертного газа-диоксида углерода в виде устойчивого аэрозоля (авторское свидетельство СССР 494164, А 62 D 1/00, 1973). Недостатком способа является большой расход газа, малая эффективность, т.к. инертные газы оказывают на очаг пожара пассивное воздействие, не влияя на кинетику горения. Для достижения положительного эффекта требуется полное вытеснение кислорода из очага горения и замена его инертной атмосферой, что приводит к большому расходу газа.

Известны способы для объемного тушения пожаров при использовании газовых инертных разбавителей (диоксид углерода и азот) (Справочник "Пожарная безопасность. Взрывобезопасность". - М.: Химия, 1987, с. 134-137), которые являются эффективными способами пожарной защиты помещений за счет создания в защищаемом объекте среды, не поддерживающей горения. Однако газовые инертные разбавители крайне не эффективны для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, например водородо- и метано-воздушных, так как не обладают ингибирующими свойствами.

Наиболее близким к заявляемому является способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, в частности водородо-воздушных смесей, включающий введение непосредственно в водородо-воздушные смеси, или в водород, или воздух 0,1-15,5 об.% ингибитора, в качестве которого используют, по крайней мере, один углеводород нормальной, циклической или изоструктуры, содержащий в молекуле от одного до восьми атомов углерода (патент РФ 2081892, С 09 К 15/04, 1997). Использование известного ингибитора позволяет снизить верхний концентрационный предел воспламеняемости в зависимости от содержания ингибитора в горючей смеси с 75% до 29,5%, т.е. сузить область воспламенения более чем в два раза. Ингибитор не агрессивен, отличается низким расходом и низкой стоимостью, а продукты сгорания ингибитора не агрессивны, не токсичны и не оказывают разрушающего действия на озонный слой атмосферы.

Недостатком известного ингибитора является то, что ингибитор сам по себе горючий газ и, сильно понижая нижний концентрационный предел распространения пламени водородо-воздушных смесей, может перевести негорючую смесь в разряд горючих, а также недостаточно высокая ингибирующая способность относительно метано-воздушных смесей.

Задачей изобретения является усовершенствование способа предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, преимущественно водородо- и метано-воздушных смесей, повышение эффективности способа при предотвращении воспламенения и взрыва метано-воздушных смесей.

Задача достигается тем, что способ предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей включает введение непосредственно в горючую смесь ингибитора, в качестве которого используют, по крайней мере, один углеводород, содержащий в молекуле от двух до восьми атомов углерода, при этом ингибитор предварительно разбавляют инертным газом: азотом, диоксидом углерода, аргоном или их смесями, при количественном соотношении: ингибитор 5-10 об.% и инертный газ остальное и вводят приготовленный состав в горючую смесь в количестве 5-43 об.%.

При этом в качестве углеводорода состав содержит преимущественно смесь предельных и непредельных углеводородов, преимущественно пропана, бутана и пропилена.

Влияние заявленного состава: ингибитор + инертный газ на воспламенение и взрыв горючих смесей подробно изучено на составе, содержащем 6,0 об.% АКАМ + 94,0 об.% азота, в широком интервале концентраций (5-43 об.%) в горючих смесях (табл. 1) и на составе, содержащем 6,5 об.% АКАМ + 93,5 об.% диоксида углерода, при содержании состава от 5 до 35 об.% (табл.2) относительно водородо-воздушных смесей. АКАМ - это фирменная марка ингибитора, содержащего в об.%: 17 пропилена, 41 бутана и 42 пропана.

Процесс изучали в сферическом реакторе объемом 4,4 дм³, способном выдерживать давление до 100 атм и изготовленном из нержавеющей стали. Реактор снабжен специальным окошечком для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления с термостатированной коррозионно-стойкой мембраной для регистрации изменения давления, происходящего в результате реакции.

Воспламенение регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) визуально и с использованием фотодиода, а также по скачку давления и расходованию реагентов. Установка позволяет также отбирать пробы из реактора для анализа с целью определения степени расходования реагентов в результате горения. Анализ газа проводили с использованием хроматографа. Рабочие газовые смеси, содержащие водород или метан, воздух и ингибитор, составляли непосредственно в реакторе. Перед выпуском газов реактор вакуумировали до давления 0,4 Па, затем в реактор последовательно напускали состав: ингибитор + инертный газ, водород или метан и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям. В зависимости от интервала давления измерения проводили с помощью образцового манометра, вакуумметра, механотрона.

Поджиг газа проводили при помощи искрового источника зажигания, расположенного в центре реактора.

Для лучшего понимания изобретения приводятся конкретные примеры, сведенные в табл. 1, 2 и 3.

В табл.1 и 2 указано содержание компонентов: водород или метан, воздух и состав: ингибитор + инертный газ, азот и диоксид углерода, способность к воспламенению, концентрационные пределы - верхний и нижний. Знаком "+" показано воспламенение по всему объему камеры и знаком "-" отсутствие воспламенения и в скобках верхний предел воспламенения горючей смеси.

В табл.1 представлены результаты влияния состава:

ингибитор 6 об.% АКАМ и 94,0 об.% азота на воспламеняемость водородо-воздушных смесей.

Из приведенных в табл.1 данных видно, что с использованием указанного состава эффективно подавляется воспламенение и взрыв водородо-воздушной смеси. Так, использование указанного состава в количестве 5,0 об.% относительно водородо-воздушной смеси снижает верхний концентрационный предел воспламеняемости с 75 % по водороду до 62,5 об. %; при содержании состава в количестве 10 об.% верхний концентрационный снижается до 49 об. %; при содержании состава в количестве 20 об.% верхний концентрационный снижается до 31 об. %; при содержании состава в количестве 30 об.% верхний концентрационный снижается до 16 об. %; при содержании состава в количестве 40 об.% верхний концентрационный снижается до 11 об.%; при содержании от 42 до 45 об.% заявляемый состав предотвращает воспламенение и взрыв водородо-воздушной смеси во всем концентрационном интервале.

В табл.2 представлены результаты влияния состава:

ингибитор 6,5 об. % АКАМ и 93,5 об.% диоксида углерода на воспламеняемость водородо-воздушных смесей.

Как следует из данных табл. 2, использование заявленного состава для предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушной смеси при содержании его 6-35 об.% позволяет снизить верхний концентрационный предел воспламеняемости до 11-52,5 об. % содержания водорода в водородо-воздушной смеси и сделать безопасным нижний концентрационный предел водорода.

В табл.3 представлены результаты влияния состава:

ингибитор 6,5 об.% АКАМ и 93,5 об.% диоксида углерода на воспламенение и взрыв метано-воздушной смеси.

Как следует из данных табл. 3, использование заявленного состава для предотвращения взрыва метано-воздушной смеси при содержании его не более 15 об. % позволяет снизить верхний концентрационный предел воспламеняемости до 7,25 об. % содержания метана в метано-воздушной смеси (взрывоопасный предел лежит в области 5,25-14,8% содержания метана в воздухе). При содержании состава более 17 об.% в метано-воздушной смеси наблюдается полное предотвращение воспламенения и взрыв метано-воздушных смесей любого состава.

Использование ингибитора, например бензола, в составе 5 об. % также эффективно, но требует его довольно высокого расхода - до 43 об. % относительно метановоздушной смеси. Увеличение содержания ингибитора в составе до 10 об. %, например октана (C₈H₁₈) + 90 об. % диоксида углерода, позволяет снизить верхний концентрационный предел распространения пламени метана до 5 об. % уже при содержании состава 15 об. % относительно метановоздушной смеси. Использование смеси инертных газов, например, аргона и азота в соотношении 1:1 по объему, оказывает такое же действие на воспламенение и взрыв горючих смесей, как и индивидуальные газы.

Таким образом, заявляемый состав является эффективным для предотвращения взрыва и воспламенения горючих смесей и является безопасным при использовании его в области нижнего концентрационного предела водорода и метана.

Заявляемый состав является негорючим как при хранении, так и при транспортировке и может храниться при обычных условиях долгое время.

Высокая безопасность заявляемого состава и его высокая эффективность особенно в области нижнего концентрационного предела распространения пламени водорода и метана позволяют использовать его для предотвращения взрыва в шахтах как при медленном, так быстром поступлении метана, а также в области производства и использования водорода и метана.