Газовые огнетушащие вещества (составы) (ГОТВ)

При наличии баллонов, заполненных сухим газом, процесс окисления железа в непосредственной близости от их поверхности происходит исключительно медленно. Формируемые окислы образуют сплошную пленку, которая препятствует дальнейшему окислению.

Количество воздуха для сжигания природного газа: формулы и примеры расчетов

Эффективность работы газового оборудования в значительной мере зависит от качества процесса горения. На это напрямую влияет определенное количество воздуха, необходимого для сжигания природного газа, которое рассчитывается довольно просто. Почему бы не заняться улучшением расхода топлива и повысить коэффициент полезного действия (КПД) оборудования, выполнив необходимые вычисления своими силами?

Однако как выполнить данные расчеты и где найти необходимые данные? Для того чтобы разобраться в этом вопросе, в данной статье мы обсудим теоретические аспекты расхода воздуха на сжигание газа, рассмотрим простые формулы для определения необходимого объема воздуха и оценим практическую пользу этих вычислений.

Теория расхода воздуха на сжигание газа

Процесс получения тепловой энергии непосредственно влияет на долговечность эксплуатации и частоту технического обслуживания газоиспользующего оборудования. Важно осознавать, что оптимальное соотношение газов и воздуха — это залог безопасности в процессе горения. Давайте подробнее рассмотрим, как рассчитать расход воздуха на сжигание газа.

Каждая молекула метана, являющегося основной составляющей природного газа, требует потребления двух молекул кислорода для своего полного сгорания. Если выразить это в системе объемов, то для окисления одного кубического метра метана понадобится два кубических метра кислорода.

Однако в реальных условиях ситуация несколько сложнее. В качестве окислителя в процессе горения используется воздух, который содержит кислород, обеспечивающий процесс горения, в объеме всего около 20,93%, что составляет одну пятую часть от всего состава воздуха. Это означает, что для сжигания одного кубического метра природного газа необходимо около 9,52 кубических метров воздуха.

Во всех технических расчетах количество газа принимается за 100% этого топлива, хотя его основной состав, метан (СН₄), может составлять не более 75% от общего объема.

Чтобы узнать необходимое количество воздуха, достаточно выполнить два простых вычисления:

1. Разделение 100 на 21. Это позволяет понять, что на каждую единицу кислорода потребуется 4,76 единиц воздуха.
2. Умножение 4,76 на 2, что в итоге равно 9,52. Это и есть коэффициент, показывающий, во сколько раз воздуха будет нужно больше для сжигания объема природного газа.

Тем не менее, стоит заметить, что рассчитанное количество воздуха, необходимое для эффективного сгорания газа, является лишь теоретическим значением. На практике может потребоваться больше воздуха. Это связано с тем, что расчет проводился, исходя из идеальных условий, тогда как в реальности почти всегда существуют различные факторы, которые могут оказать значительное влияние на данный процесс.

К таким факторам можно отнести:

• состав и качество используемых реагентов (воздуха и газа);
• тип оборудования, используемого для подачи энергоносителя;
• состояние оборудования;
• методы подачи газа и воздуха, а также ряд других обстоятельств.

Если требуется высокая степень точности, то перечисленные моменты можно попытаться учесть. Например, точный состав газа можно узнать в ближайшем офисе службы газа. Но если высокая точность не критична, то полученное значение 9,52 умножают на так называемый коэффициент избытка воздуха, который обычно колеблется в пределах от 1,1 до 1,4.

Кислород действует как окислитель для газа; он сам по себе не горит, но активно способствует горению с включением указанного топлива. Поскольку кислорода в составе воздуха всего 20,93%, то можно считать, что для сжигания газа необходимо почти в 5 раз больше воздуха.

Когда точность расчетов имеет критическое значение, то следует разделить фактическое количество используемого воздуха на его теоретически рассчитанное значение. Однако в большинстве случаев проще применить среднее значение коэффициента избытка воздуха. Умножив его на 9,52, можно получить точное количество воздуха, необходимого для обеспечения процесса сгорания газа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАМКНУТОГО ПРОСТРАНСТВА

Работа в замкнутых пространствах — это обычная составляющая рабочих процессов на производственных объектах.

Замкнутым пространством считается:

• пространство достаточных размеров, позволяющих работнику зайти и выполнять необходимые действия;
• с ограниченными или закрытыми входами и выходами;
• не предназначенное для длительного пребывания человека в данной среде.

Замкнутое пространство, для доступа в которое требуется разрешение, можно охарактеризовать следующим образом:
это обычное замкнутое пространство, которое удовлетворяет хотя бы одна из нижеперечисленных характеристик:

• содержит или может содержать опасную атмосферу;
• включает материалы, подверженные поглощению;
• устроено так, что вошедший может оказаться в ловушке и задохнуться;
• включает любую известную угрозу безопасности или здоровью.

Ниже представлены примеры замкнутых пространств:

• Резервуары для хранения и цистерны;
• Канализационные системы и колодцы;
• Подземные хозяйственные помещения;
• Склады сельскохозяйственной продукции;
• Железнодорожные цистерны;
• Бункеры на морских судах;
• Тоннели;
• Зерновые элеваторы.

АТМОСФЕРНЫЕ ОПАСНОСТИ В ЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ

Под атмосферными опасностями в замкнутых пространствах подразумеваются угрозы, которые могут оказать негативное воздействие на тех, кто входит в помещение, в результате чего возможно возникновение случаев потери сознания, ловушек, травм или острых заболеваний. Это может происходить по одной или нескольким причинам из перечисленных ниже.

Концентрация кислорода в воздухе ниже 19,5% (что указывает на дефицит кислорода) или выше 23,5% (что указывает на переизбыток кислорода).

Возможные последствия пребывания в атмосферах с недостаточным или избыточным содержанием кислорода:

Указанные значения являются ориентировочными и могут варьироваться в зависимости от здоровья и физического состояния конкретного человека.

Горючие газы:

Сравнение нижнего (LEL) и верхнего (UEL) пределов взрывоопасной концентрации:

• Минимальная концентрация (воздушно-топливной смеси), необходимая для воспламенения газа, называется нижним пределом взрывоопасной концентрации (LEL). Если концентрация ниже этого значения, то недостаточно топлива для воспламенения.
• Максимальная концентрация газа, при которой он может воспламениться — это верхний предел взрывоопасной концентрации (UEL). Если концентрация превышает это значение, смесь слишком насыщена для воспламенения.

Рекомендации по выбору средств защиты объекта

Выбор газового огнетушащего вещества (далее – ГОТВ) должен основываться исключительно на технико-экономическом обосновании. Остальные параметры, такие как эффективность и токсичность ГОТВ, не должны восприниматься как ключевые по ряду причин.

Любое из разрешенных к применению ГОТВ достаточно эффективно и позволит ликвидировать пожар, если в защищаемом объеме будет достигнута необходимая огнетушащая концентрация.

Одной из ключевых задач использования огнетушащих газов является обеспечение безопасности для работников защищаемых сооружений.

В соответствии с требованиями нормативных документов, таких как СП 5.13130.2009, ГОСТ Р 50969 и ГОСТ 12.3.046, безопасность работников обеспечивается предварительной эвакуацией людей до начала подачи огнетушащего газа. Эта эвакуация должна быть осуществлена по сигналам оповестителей за предусмотренный временной период. Минимальная продолжительность временной задержки на эвакуацию определена документом СП 5.13130.2009 и составляет 10 секунд. Проектировщики могут увеличить это время с учетом конкретных условий эвакуации на объекте.

Безопасность работников в случае неконтролируемой подачи огнетушащего газа подвергается риску, и это зависит от концентрации угащённого газа и времени воздействия на людей (экспозиции). В других странах проведены всесторонние исследования относительно свойств современных огнетушащих газов, таких как хладон 125 и 227еа, а также других. Эти исследования подтверждают, что эти газы являются наиболее безопасными для людей даже при концентрациях, равных или немного превышающих огнетушащую. Данные о продолжительности (времени) безопасного воздействия хладонов 125 и 227еа на человека в зависимости от их концентрации представлены в стандартах ISO 14520, NFPA 2001 и в руководстве ВНИИПО, которое описывает средства пожарной автоматики, их область применения и критерии выбора. Из документа видно, что хладоны 125 и 227еа могут обеспечить безопасную эвакуацию персонала за не менее 30 секунд, даже ориентируясь на нормативные огнетушащие концентрации (которые составляют 9,8% от общего объема для хладона 125 и 7,2% для хладона 227еа). Более того, безопасные уровни превышения составляют 38% для хладона 125 и 67% для хладона 227еа. Таким образом, хладоны 125 и 227еа представляют собой более предпочтительные и эффективные средства для защиты помещений, в которых персонал может находиться на постоянной основе, обеспечивая пожаротушение при значительно низких концентрациях, равных лишь 10% для хладона 125 и 7% для хладона 227еа. Хладоны относятся к сжиженным газам, что позволяет разместить большое количество вещества в компактных баллонах. К тому же, термостойкость хладона 125 является важным свойством для тушения пожаров с тлеющими материалами.

В технологическом оборудовании автоматических установок газового пожаротушения (АУГП) хладоны находятся в модулях системы газового пожаротушения под давлением вытесняющего газа. Согласно отечественным нормам, представленным в СП 5.13130.2009, в качестве вытесняющего газа рекомендуется использовать азот, характеристики которого соответствуют ГОСТ 9293. Допускается использование воздуха, у которого точка росы не должна превышать минус 40°С (это осушенный воздух).

Хладон 125 (HFC-125) является безопасным для людей при соблюдении определенных условий:

• остаточная концентрация кислорода после выпуска огнетушащего газа составляет 18-19%, что обеспечивает возможность свободного дыхания;
• обеспечивает эффективное пожаротушение;
• выпуск хладона 125 осуществляется в течение 10 секунд;
• для транспортировки по трубкам требуется вытесняющий газ;
• мониторинг давления в модуле осуществляется с использованием манометра;
• высокий показатель соотношения качества и цены.

Обеспечение безопасности людей

Степень воздействия огнетушащего газа на людей можно оценить по различным параметрам. Ключевым значением для оценки безопасности здоровья и жизни людей является наличие достаточного количества кислорода в вдыхаемом воздухе. При подаче газового огнетушащего вещества в защищаемое помещение происходит разбавление воздуха и снижение концентрации кислорода.

Для поддержания процесса горения необходимо, чтобы в воздухе содержалось не менее 12,5% кислорода. Используя сжатые газы (азот, аргон, инерген) и диоксид углерода, пожаротушение осуществляется путем разбавления атмосферы. Когда сжатый газ (азот, аргон, инерген) или диоксид углерода высвобождаются в пространство, содержание кислорода падает до концентрации, менее 12,5%, что приводит к прекращению горения. В этом случае огнетушащая концентрация сжатого газа должна составлять не менее 36% и выше. В таком режиме пожаротушения снижение концентрации кислорода ниже 12,5% может приводить к асфиксии, что представляет собой опасность для людей. Согласно данным NASA, содержание кислорода ниже 12,3% приводит к 100% вероятности летального исхода, что подтверждает возникновение асфиксии. Инертные газы оказывают свою эффективность при концентрациях, которые снижают уровень кислорода в замкнутом пространстве до 10-14% от общего объема. Если прогнозируется такой уровень кислорода в воздухе, должны быть предусмотрены быстрые меры эвакуации людей, не владеющих дыхательными аппаратами. Неконтролируемая задержка эвакуации может вызвать острые гипоксические эффекты на организм с потерей способности покинуть неблагоприятную зону.

Также существует мнение, что длительное существование газовой среды с низким содержанием кислорода может привести к образованию большого количества оксида углерода (CO) — высокотоксичного продукта неполного сгорания различных веществ и материалов.

Итоги о безопасности газов для людей:

• применение сжатых инертных газов и диоксида углерода может стать причиной гибели людей от удушья из-за снижения концентрации кислорода в защищаемом помещении;
• люди, оказавшиеся в помещениях во время работы систем газового пожаротушения, использующих диоксид углерода, могут подвергнуться отравлению;
• использование всех типов хладонов обеспечивает достаточную концентрацию кислорода в защищаемом пространстве для нормального дыхания людей;
• люди, находящиеся в помещении во время работы систем газового пожаротушения на основе хладонов, должны покинуть его в течение 30-60 секунд;
• применение хладонов в качестве огнетушащих газов обеспечивает безопасность дыхания и не оказывает негативного воздействия на здоровье человека в течение продолжительного времени.

Источники: ГОСТ Р 53280.3-2009. Установки автоматического пожаротушения. Огнетушащие вещества. Часть 3. Газовые огнетушащие вещества. Методы испытаний; Установки пожаротушения на базе регенерируемых озоноразрушающих газов: руководство для проектирования. –М.: 2004; Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х частях — 2-е издание, переработанное и дополненное. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. –М.: Асе. Пожнаука, 2004. –4.1. –713 с. ISBN 5-901283-02-3.

Правила безопасности при использовании, хранении и транспортировке кислорода

• Следует внимательно следить за тем, чтобы кислород не контактировал с горючими и легковоспламеняющимися веществами.
• Необходимо контролировать, чтобы не произошло утечки, поскольку любое незначительное увеличение концентрации кислорода в воздухе может вызвать самовозгорание легковоспламеняющихся материалов или даже волос на теле, одежде и т.д.
• Все работники, включая сварщиков, работающие с кислородом, не должны носить рабочую одежду, на которой присутствуют следы масла или смазки.
• Запрещается использовать O₂ вместо воздуха для запуска дизельных двигателей.
• Запрещено использовать кислород для удаления пыли с рабочей одежды. При случайном попадании большого объема кислорода на одежду потребуется много времени для его испарения, вплоть до нескольких часов.
• Запрещено применять кислород для освежения воздуха в помещениях.
• Всё кислородное оборудование, кислородопроводы и баллоны должны быть тщательно обезжирены. В процессе эксплуатации необходимо исключить возможность накопления масел и жиров на поверхностях деталей, которые контактируют с O₂.
• Оборудование, которое находится в непосредственном контакте с кислородом, не должно содержать пыли и металлических частиц, чтобы избежать риска самовозгорания.
• Перед проведением ремонтных работ или обследования трубопроводов и баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования для хранения и транспортировки газа, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Начинать работы разрешается лишь после снижения содержания O₂ внутри оборудования до 23%.
• Запрещается использовать баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования кислорода, для хранения и перевозки других газов, а также проводить работы, которые могут привести к загрязнению их внутренней поверхности.
• При погрузке, разгрузке, транспортировке и хранении баллонов должны приниматься меры, предотвращающие их падение, столкновения, повреждения и загрязнения баллонов маслами. Баллоны должны быть защищены от атмосферных осадков и нагрева от солнечных лучей или других источников тепла.
• На всех кислородных вентилях должно находиться обозначение «кислород маслоопасно».

Все вышеперечисленные свойства и особенности кислорода должны быть обязательно учтены при его использовании, хранении и транспортировке.

Тление, копчение и пиролиз

Тление — это процесс, который происходит при недостатке кислорода. Он является наименее эффективным с точки зрения горения и выделения побочных продуктов. В результате этого процесса выделяются угарный газ, а также бензпирен, относящийся к веществам первого класса опасности. Кроме этого, образуются сажа, скипидар, кислоты, канцерогенные смолы и другие токсичные соединения. Все это безусловно весьма вредно. В крупных городах именно такими веществами и насыщен воздух, в отличие от более чистой атмосферы провинциальных мест.

При копчении пищи процесс горения применяется лишь частично, происходит распад методом пиролиза. Это означает, что энергия выделяется путем нагревания без использования кислорода. При этом методе значительное количество вредных компонентов переходит в пищу.

Сажа (копоть, деготь) состоит преимущественно из углерода. При наличии достаточной температуры и кислорода эти частицы способны сгорать. В противном случае они объединяются в большие куски и осаждаются на стенках печи и дымохода, а также могут улетать по трубам.
Более того, это не только требует очистки печи, но также может привести к её возгоранию, что в свою очередь снижает её КПД, поскольку образуется слой, препятствующий поглощению тепла стенками устройства.
Говоря о недостаточной изученности процесса сгорания, можно отметить, что в 1996 году Роберту Кёрлу была вручена Нобелевская премия за открытие фуллеренов в составе сажи.

Образование конденсата

Как уже упоминалось, при реакции сгорания водорода (Н) с кислородом (О) наряду с выделением энергии образуется вода (Н₂О). Кроме того, вода в большинстве случаев содержится в самом топливе, так как твердое топливо с влажностью 0% практически невозможно найти. В котлах или печах полученная в ходе сгорания вода находится в газообразной форме. Когда этот пар поднимается по дымоходу, а сам дымоход холодный, пар конденсируется, и образуется вода, которая скапливается на стенках трубы и стекает вниз.
Аналогичные процессы происходят и в жилых помещениях: если в воздухе много влаги, а температура снаружи низкая, это приводит к запотеванию окон; то же самое наблюдается в ванных комнатах.

Чтобы избежать накопления конденсата в дымоходе, следует его подогревать, а также обеспечить сниженную вентиляцию.
Образование сажи на стенках дымохода частично происходит по аналогичному принципу. Невостребованный углерод охлаждается на стенках дымохода и накапливается на них.

Каково же содержание золы? Когда дерево растет, оно формируется посредством фотосинтеза, который состоит в преобразовании солнечной энергии и углекислого газа (CO) в углерод (С), из которого оно состоит на 50%. Как и всякое растение, дерево также усваивает влагу из почвы и элементы питательных веществ, такие как азот (N), фосфор (P), калий (K) и другие микроэлементы. В итоге всё это, вместе с золой, образует золу. Наибольшее содержание золы наблюдается в коре (до 7%) и листьях (до 3%), тогда как в древесной части зола составляет только 2%. Удивительно, но чем старше дерево, тем меньше в нем содержания золы. Это объясняет, почему в высококачественных пеллетах и брикетах остается менее 1% золы после сгорания. Кроме того, часть этих микроэлементов разрушается в процессе сгорания и накапливается в трубе.
Сама процесс образования золы также использует энергию сжигания, и соответственно, чем больше золы, тем меньше полезной энергии ушло у нас в последствии.
Зола может также служить хорошим удобрением, так как микроэлементы, которые растение забирало из почвы, возвращаются обратно. Зола может образовывать шлак, что типично для каменного угля, однако не относится к дровам, премиальным пеллетам и брикетам, что указывает на использование добавок при их производстве. Наличие золы в пеллетах, изготовленных из шелухи, соломы и других отходов является нормальным признаком.