Optimalizace procesu rozviřování průmyslových prachů

1 Aleš BEBČÁK1, Jiří SERAFÍN2, Jan ADAMEC3 OPTIMALIZACE PROCESU ROZVIŘOVÁNÍ PRŮMYSLOVÝCH PRACHŮ OPTIMALIZATION OF THE SWIRL PROCESS OF INDUSTRIAL DUSTS Abstrakt Článek se zabývá studiem procesu rozviřování, stanovením vhodných podmínek rozviřování a stanovením optimální hodnoty zpoždění iniciace po ukončení rozviřování. V práci jsou uvedeny vlastnosti prachů, jejich vliv na výbuchové parametry a popis zkušebního zařízení, kterým je výbuchový autokláv o objemu 0,25 m3. Dále je popsán rozviřovací systém a proveden rozbor rozviřovacích kuželů. Klíčová slova: rozprašovací systém, prach, zpoždění iniciace Abstract The article deals with the research of the swirl process, setting suitable conditions for swhirling and the optimum value of the initiation delay after the swirl process is completed. In the tarticle properties of the dust are introduced, their infl uence over explosion indices and also a description of the test device which is the explosion autoclave with the capacity of 0,25 m3. Next the swirling system is described and the study of the swirling cones. Key words: air spray system, dust, initiation delay Úvod Vzhledem k tomu, že nežádoucí výbuchy nejsou tak časté jako například požáry, jsou proto často podceňovány a vnímány jako podružný problém. Nejvíce podceňované jsou pak v praxi výbuchy prachových směsí, přičemž již velmi malé množství rozvířeného prachu může při iniciaci vyvolat silný výbuch. Problematika výbuchu, zkoušení materiálu a jejich parametrů, se provádí v různých zkušebních zařízeních. Jedno takové zařízení vlastní i VŠB - TU Ostrava. Jedná se o výbuchový autokláv VA-250, polyfunkční zařízení pro měření maximálních výbuchových parametrů (maximální výbuchový tlak a rychlost narůstání výbuchového tlaku - brizance směsi) a teplot výbuchů plynovzduchových, parovzduchových, prachovzduchových a hybridních směsí. Cílem měření bylo nastavení rozviřovacího systému tak, aby se dosáhlo optimálního procesu rozviřování prachů. 1 Ing., VŠB - TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava - Výškovice, e-mail: [email protected] 2 Ing., VŠB - TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava - Výškovice, e-mail: jiri.serafi [email protected] 3 Ing., VŠB - TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava - Výškovice, e-mail: [email protected] 2 Teoretický rozbor rozviřovacích systémů Jak již bylo naznačeno, měření výbuchových vlastností prachu je velmi závislé na rozvíření prachových částic v měřícím prostoru. K vytváření těchto směsi slouží právě rozviřovací systém. Pro přípravu směsi není vhodný způsob rozviřování volným pádem (dochází k separaci částic různého rozměru) ani cirkulační způsob, u kterého nastává separace vlivem odstředivých sil. V současné době se pro účely měření připravují disperzní směsi jednorázovým rozvířením tlakovým vzduchem. Rozviřovací systémy používané Bureau of Mines v USA Jeden z rozviřovacích systémů byl vyvinut pro komoru požívanou k měření teploty vzplanutí prachu. Jedná se o keramickou spalovací komoru z hořčíko-hliníkového křemičitanu o vnitřním objemu 6,8 l. Rozprašovací systém se skládá ze samostatného dílu, který se vkládá do pece až po zahřátí na danou teplotu. Vzduchový puls automaticky katapultuje prach z rozptylovací nádoby do pece. Detail rozšiřovacího systému uvádí obrázek 1. Prach je rozvířen vzduchovým pulsem 30 ms vzduchem z tlakové nádoby 175 cm2 tlakem 4,8 barů. Rozptylovací puls připustí okolo 340 cm2 tlakového vzduchu. Trysková hubice rozprašovací nádoby obsahuje 34 malých (1,6 mm v průměru) děr skrz které je prach rozvířen. K přívodu vzduchu do komory 2 a současně k zabránění propadnutí prachu z komory slouží pohyblivý disperzní ventil, který je ovládán tlakovým pulsem. Rovnoměrnost rozvíření zde byla měřena pomocí optické sondy (LED dioda a křemíkový detektor zaznamenávající prostupující světlo). Další rozviřovací systém byl vyvinut pro 20 litrovou testovací komoru, je používaná pro měření hranice výbušnosti, výbuchových tlaků a rychlosti nárůstu tlaku, minimální iniciační energie, minimálního množství kyslíku pro vznícení. Systém se skládá z jednoduchého defl ektoru umístěného nad prachem toto ukazuje obrázek 2. Při tomto způsobu je prach umístěný kolem defl ektoru na spodní části komory a vzduchový impuls, který projde kolem defl ektoru pak způsobí rozptýlení prachu. Æ1,6 A A Trysková hubice Komora 1 Umístìní prachu Disperzní ventil Komora 2 Pøívod vzduchu Øez A-A Obrázek 1: Rozptylovací tryska [9] 3 Obrázek 2: Principiální schéma konstrukce rozviřovače [9] Rozviřovací systém používaný ve Švýcarsku Jako zástupce je uveden jeden z nejpoužívanějších přístrojů pro měření nejnižší iniciační energie vznícení u nás je znám pod pojmem MINER 002. Rozviřovací systém je tvořen kruhovou miskou, v jejímž obvodu je kanálek pro umístění prachu obrázek 3. Ve středu misky se nachází na vyvýšeném místě rozviřovací kruhová tryska hřibovitého tvaru. Vzduch se přivádí přívodním potrubím, prochází vnitřním průměrem (stopkou) a naráží na klobouček trysky. Z kloboučku ústí sedm otvorů, kterými pak vychází tlakový vzduch ze spodní části kloboučku. Proud tlakového vzduchu je tímto způsobem vstřikován z horní části do umístěného prachu v kanálku a způsobí jeho rozvíření. Obrázek 3: Rozviřovací systém použitý u MINER 002 společně s detailem trysky [9] Další typy rozviřovacích systémů Na obrázku 4 jsou znázorněny hubice rozviřovacích systémů používaných např. mimo jiné i v autoklávu 250 Ostravě Radvanicích, na jehož základě byl pro VŠB - TUO zhotoven autokláv nový (viz. kapitola popis zkušebního zařízení). Tlakový vzduch Deflektor Mìøítko cm 024 Rozviøovací tryska 50 ml, 7 bar Tlakový vzduch 13 24 7x2 18 5,5 16r Æ Æ Æ 17r 17 4 Obrázek 4: Rozviřovací hubice [9] Vlastnosti prachů Vlastnosti prachu se od vlastností kompaktní látky liší především proto, že prachové částice mají mnohem větší měrný povrch, a tím i reaktivnost. Obecně lze říci, že za prach považujeme částice o velikosti menší než 0,5 mm. Tvar i velikost částic ve směsi je rozmanitá. Při pohybu rozvířeného prachu se tvoří časové změny koncentrace, protože pevné částice různě rychle sedimentují v závislosti na velikosti. V důsledku třecího odporu volně padající částice prachu dosáhne relativně rychle konstantní konečné rychlosti. Tato rychlost sedimentace je funkcí velikosti částice, hustoty a viskozity disperzního prostředí a lze ji vypočítat podle Stokesova vztahu (pro částice kulového tvaru) [1]. g je gravitační zrychlení [m.s-2], ρč hustota částice [kg.m-3], ρp hustota disperzního prostředí [kg.m-3], r poloměr částice [m], η dynamická viskozita disperzního prostředí [N. s.m-1]. Disperze prachu Stupeň rozmělnění pevné látky má podstatný vliv na požární nebezpečí látky. Disperze prachu, tj. velikost jeho částic se stanoví sítovou analýzou, která stanoví procenta nebo hmotnostní zlomky částic určitého rozměru. Při sítové analýze se posuzuje velikost částic prachu podle zbytku na síti s určitými rozměry otvorů. Udává se hmotnostní procento částic, které neprošly sítem, z celkového hmotnostního množství použitého k analýze. Laboratorně bylo ověřeno, že částice hrubší než 0,425 mm nepřispívají ke zvýšení tlaku, který vzniká při výbuchu v uzavřené nádobě. Naopak částice o velikosti 0,075 mm jsou obecně považovány za plně se účastnící procesu hoření. Pùlkulová hlavice S1 = 346 mm S2 = 1269 Bartknecht hlavice S1 = 229 mm S2 = 617 mm Spirálová hlavice S1 = 229 mm S2 = 532 mm S1 S2 S2 S1 S2 S1 32 dìrÆ6,7 mm 4 lopatky 1 3 max . st dp V K konst dt     5 Obrázek 5: Vliv velikosti částic na maximální výbuchové parametry.[3] Obrázek 6: Blokové schéma VA 250 1. Horní polokoule, 2. Dolní polokoule, 3. Spodní rámová konstrukce, 4. Pohyblivá rámová konstrukce, 5. Hydraulický píst na otvírání komory, 6. Uzavírací kameny - 12 Ks. (zámky), 7. Hydraulický píst pro uzavírací kameny, 8. Hydraulická jednotka, 9. Motor hydraulické jednotky, 10. Tlakové čidlo, 11. Kontakty pro iniciaci palníku, 12. Elektrody vysokého napětí, 13. Vyjímatelná topná plotýnka, 14. Pneumatický ventil vývěvy, 15. Krycí síto, 16. Míchadlo, 17. Nastavitelný rozviřovací kužel, 18. Pneumatický ventil rozviřovaní, 19. Zásobník rozviřovaného vzorku, 20. Manometr, 21. Elektromagnetický ventil, 22. Elektromagnetický ventil PLYN 1, 23. Elektromagnetický ventil PLYN 2, 24. Elektromagnetický ventil odtlakování, 25. Elektronika autoklávu, 26. Motor vývěvy, 27. Převodník elektrického signálu 0200 400 600 M [μm] 0 4 8 12 P [bar] max Methylcelulóza PE prach M [μm] 0 0 100 200 300 100 200 300 400 500 K [m bar/s] max Pekařská mouka PVC prach 5 9 25 8 6 26 14 215 17 13 11 27 4 10 1 18 12 16 3 23 22 24 19 21 7 20 6 Popis zkušebního zařízení Měření bylo prováděno na zařízení VA250. Základem pro konstrukci VA-250 je ČSN ISO 6184, Systém ochrany proti výbuchu. Výbuchová komora je nádoba z nerezové oceli kulového tvaru o objemu 0,25 m3. Skládá se ze dvou symetrických polokoulí. Celé zařízení je rámové konstrukce, vlastní komora je ve střední části rámu, kdy spodní polokoule je připevněna napevno k nosné konstrukci. Horní polokoule je připevněna k pohyblivému rámu, který umožňuje zavírání a otevírání výbuchové komory. Otevírání komory je zajištěno jednočinným hydraulickým válcem, v uzavřené poloze jsou obě poloviny komory proti oddálení při výbuchu blokovány hydraulicky ovládanými samosvornými kameny. Ve spodní části rámu je umístěna vývěva, pneumatické ventily, rozviřovací zařízení, hydraulická jednotka a pomocné prvky elektroinstalace. Uvnitř komory je instalována vyjímatelná topná plotýnka sloužící k odparu zkoušené kapaliny. Do vnitřního prostoru komory jsou též zavedeny přívody malého napětí pro iniciaci palníkem a tři elektrody vysokého napětí pro iniciaci výbojem. Dále jsou do komory přivedeny dva nezávislé vstupy plynů, pneumatický ventil vývěvy, mechanické rozvíření a elektroventil odtlakování před otevřením komory. Výbuchový tlak v kouli je snímán snímačem dynamických tlaků Kistler, který je propojený s počítačem. Rozviřovací mechanismus Cílem práce bylo najít správný kužel pro rozviřování a nastavit ho do správné polohy, aby došlo k optimálnímu rozvíření ve výbuchové komoře. Rozviřovací mechanismus se skládá ze zásobníku na prach, manometru, připojovacích měděných trubek, elektromagnetických a pneumatických ventilů a rozviřovacího kužele. Samotný rozviřovací systém je vyroben z kovové obdélníkové kostry, která v ose kratší strany má na jedné straně navařenou matku a na druhé šroubení. Šroubení je ve své podélné ose provrtáno na otvor průměru 15 mm. Celá konstrukce se našroubuje do spodní polokoule. Rozviřovací kužel má ve své ose navařen asi 20 cm dlouhý šroub se mění vzdálenost kužele od otvoru a tím i vlastnosti rozviřování. Měřením se měl také zjistit optimální tvar kužele pro rozviřování. Výsledek zkoušky jsme posuzovali vizuálně pomocí videozáznamu. K dispozici byly tři typy kuželů, jako optimální se projevila varianta c se dvojím zkosením. Obrázek 7: Rozviřovací systém s kuželem s dvojím zkosením 7 Obrázek 8: Typy kuželů a) ostrý úhel, b) tupý úhel, c) dvojí zkosení Postup měření Zkušební vzorek Jako vzorek byla použita pšeničná hladká světlá mouka, s granulací: (propad - 257 μm - 96,0; 162 μm - 75,0), vlhkost do 15%, spodní mez výbušnosti 38 g.m-3, Pmax= 0,39 MPa, (dp/dt)max = 2,34 MPa.s-1, Coptim = 500 g.m-3. Stanovení doby rozviřování a zpoždění iniciace Doba rozviřování a zpoždění iniciace byla stanovena pomocí videozáznamu při zkouškách s otevřeným autoklávem viz. obrázek 8. Optimální doba rozviřování byla stanovena na 0,42 s, optimální doba zpoždění pak 0,45 s. Obrázek 9: Ukázka rozviřování při otevřeném autoklávu (čas je měřen na setiny sekundy) nastavovaná vzdálenost [mm] a) ostrý úhel b) tupý úhel c) dvojí zkosení 8 Stanovení počátečního tlaku v autoklávu Podle normy ČSN EN 14034se nastavuje rozviřovací tlak na 0,5 MPa, což znamená, že se tlak v komoře po rozvíření zvýší a tím by se i změnily výbuchové parametry. Abychom v komoře v okamžiku iniciace měli atmosférický tlak (101,325 kPa) musel být vývěvou tlak v komoře před rozviřováním o určitou hodnotu snížen. Experimentálně bylo zjištěno, že při rozviřovacím tlaku 0,5 MPa je třeba tlak v komoře snížit na hodnotu 940 mbar (94 kPa). Nastavení rozviřovacího kužele Pomocí regulačního šroubu nastavíme vzdálenost rozšiřovacího kužele. Do rozviřovacího zásobníku se nasype navážka vzorku s přesností 2 g. Při našem měření byla použita hladká mouka. Dolní mez výbušnosti hladké mouky je 190 g.m-3, měření jsme prováděli pro koncentraci 500 g.m-3(navážka 125 g pro náš autokláv o objemu 0,25 m3). Nastavíme tlak rozviřovacího vzduchu. Mezi NN elektrody, umístěné ve středu komory, se upevní iniciace (odporový drát s nitrocelulózovou kuličkou o Ei = 4,5 kJ). Autokláv se zavře a na ovládacím pultu se vývěvou vyčerpá vzduch na požadovaný tlak. Nastaví se doba rozviřování a doba zpoždění iniciace. Tlačítkem start se provede automatický proces rozvíření a iniciace. Tlak v kouli je snímán snímačem dynamických tlaků a výsledky jsou vyhodnocovány počítačem. Bohužel byl tento snímač při zkouškách nenávratně poškozen a druhý snímač parciálních tlaků nebyl v některých případech schopný tak vysoké tlaky zaznamenat. Z předchozích měření ale vyplynula určitá závislost mezi maximálním výbuchovým tlakem a teplotou výbuchu (předpoklad dokonalého spalování). Proto jsme se rozhodli seřídit rozšiřovací kužel na základě kombinace snímače parciálních tlaků a maximální teploty výbuchu. Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce 1. Tabulka 1: Výsledky měření Pozn. Zvýrazněný pokus č. 6 vyjadřuje optimální nastavení kužele, kdy se dosáhlo nejvyšší teploty a tlaku výbuchu. Vzdálenost nastavení kužele je měřena od jeho vrchní hrany k rozviřovacímu šroubení. Pokus Koncentrace [g.m-3] Navážka [g] Doba zpoždění [s] Tlak [KPa] Teplota [°C] Výbuch Nastavení kužele [cm] Rozvíření Zpoždění iniciace 1 500 125 0,42 0,45 1530 123 P 4 2 500 125 0,42 0,45 1379 41 P 3,05 3 500 125 0,42 0,45 1525 68 P 3,3 4 500 125 0,42 0,45 1530 104 P 3,4 5 500 125 0,42 0,45 1530 143 P 3,5 6500 125 0,42 0,45 1530 184 P 3,6 7 500 125 0,42 0,45 1530 161 P 3,7 8 500 125 0,42 0,45 1503 147 P 3,8 9 500 125 0,42 0,45 1454 135 P 3,9 14 500 125 0,42 0,45 1530 121 P 4 9 Graf 1: Vliv nastavení kužele na maximální teplotu výbuchu Závěr V rámci studentské grantové soutěže VŠB-TU OSTRAVA projektu číslo 030/2101/ SV0300011- „Zjišťování parametrů tlakových vln a odezva jejich účinků na stavební konstrukce“ bylo provedeno měření, které se zabývalo studiem procesu rozviřování a stanovením vhodných podmínek rozviřování výbušných prachů. Aby byly výsledky co nejvěrohodnější, musí být rozviřovací systém schopen ideálně rozvířit požadované množství prachu ve výbuchové komoře. Rozviřovací proces byl posuzován jak vizuálně pomocí videozáznamu, tak měřením tlaků a teplot. Jako nejlepší z navržených rozviřovacích kuželů se projevil kužel s dvojím zkosením. Pomocí videozáznamu se rovněž podařilo optimalizovat dobu rozvíření na 0,42 s a zpoždění na 0,45 s. Optimální vzdálenost rozviřovacího kužele byla změřena na 36 mm od vrchní hrany kužele k rozviřovacímu šroubení. V důsledku poruchy dynamického tlakového čidla byly výsledky vyhodnocovány pouze podle maximální výbuchové teploty v kombinaci s maximálními tlaky naměřených statickým čidlem pro měření parciálních tlaků. V rámci studentské grantové soutěže se bude v měření dále pokračovat zejména k stanovení maximálních výbuchových parametrů (pmax, (dp/dt)max). Použitá literatura [1] Damec, J.: Protivýbuchová prevence. 1. vydání, Ostrava: Edice SPBI Spektrum 8, 2005. 188s. ISBN: 80-86111-21-0. [2] Adamec, J.: Optimalizace procesu rozviřování průmyslových prachů VA 250, Diplomová práce. Ostrava: VŠB – TU, 2010. 56 s. [3] CESANA, Ch., SIVEK, R. Operating Instructions 20l-Apparatus 6.0. 2001. Dostupný z WWW: <http://www.kuhner.com/114139574298-en-index.html>. [cit. 27.04.2010]. [4] Burian, S.: Výbušnost hořlavých prachů. 150 Hoří. [online]. 1998, č. 10. Dostupné <http:// www.mvcr.cz/casopisy/150hori/10_98/vybusnos.html>. [cit. 27.04.2010]. [5] ORLÍKOVÁ, K., ŠTROCH, P.: Chemie procesů hoření. 1. vydání, Ostrava: Edice SPBI Spektrum 18, 1999. 87s. ISBN: 80-86111-39-3. 40 60 80 100 120 140 160 180 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 Teplota výbuchu Vliv vzdálenosti rozviĜovacího kuåele na maximální teplotu výbuchu Vzdálenost rozviĜovacího kuåele [ cm ] Teplolta v komoĜe [°C]]