автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение водородной пожаровзрывобезопасности помещений и технологического оборудования методом нейтрализации

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИЙ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Специализированный Совет К 063,41.01 На правах рукописи

УДК 614.841.12

ГРУ НЙГ Александр Васильевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОДОРОДНОЙ ЮЯАРОВЗРЫВОБЕЗСШСНОСТИ ПОМЕЩЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда и пожарная

бевопасностъ

Автореферат диссертации на соискание учёяой степени кандидата технических наук .

Москва'"- 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД.РФ.

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Еебеко Ю.Н.

Научный консультант:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Цариченко С.Р.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Улыбин В.Б.

1 кандидат физико-математических наук Попов O.E.

«

Ведущая организация: Высшая инженерная пожарно-техническая " школа МВД РФ

Защита диссертации состоится

-Ü-Л

1995 г. в IЪ часов

на заседании диссертационного Совета К 063.41.01 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова по адресу 117671, Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно овнакомиться в библиотеке МГАТХТ им М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан

"JA".

<■ ' <L 1995 Г.

Учёный секретарь специалиеированиого Совета, кандидат технических наук, доцент -/х- \ Е.И.Хабарова

<У

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время водород широко используется в различных областях современной промышленности (химия и нефтехимия, энергетика, транспорт и т.д.), однако, еще более широкое применение ожидает его в будущем. Среди этих применений в первуь очередь следует отметить водородную энергетику, в которой водород будет кспольвоваться в качестве экологически чистого топлива, запасы которого в морях и океанах, а также в космосе неисчерпаемы.. Водород может быть испольэован практически на всех видах транспорта (авиации, морском флоте, автомобилестроении). Водород применяется в химической и нефтехимической промышленности (например, в качестве одного иэ компонентов при синтезе аммиака).

Водород может быть не только полезным энергоносителем или сырьем, но и побочным продуктом в определенных технологических процессах, повышая их пожароопасность. Наиболее ярким примером данного явления является наработка водорода в реакторных установках атомных станций за счет радиолиза водного теплоносителя, пароциркониевой реакции и других физико-химических процессов, протекающих как при нормагьном режиме работы, так и в аварийных ситуациях. Учитывая повышенные пожаровврывоопасные свойства водорода и имевшие место в практике эксплуатации атомных станций крупные аварии с горением водорода (Три Майн Айленд, США, 1979г.; Чернобыльская АЭС, СССР, 1986.), можно сделать вывод о важности и актуальности проблемы обеспечения водородной пожаровврывобевопасности как реакторных установок АЭС, так и других технологических процессов с участием водорода.

Диссертационная работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО) МВД РФ в рамках программы на 1986-1990гг. 0.74.07, утвержденной Постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и Минфина СССР от 30.10.85, за N 555.

Дель работы. Исследование -и разработка способов обеспечения водородной пожаровзрывобевопасности помещений и технологического оборудования путем нейтрализации водорода.

Для достижения поставленной цели решаются следующие вадачи:

1. Изучение влияния повышенных давлений и температур на концентрационные пределы распространения пламени (КПР) в смесях вида

водород-кислород-инертный разбавитель и создание метода расчета КПР для смесей указанного вида для температур до 250°С и давлений до г,0 МПа.

2. Исследование процессов горения водородовоздушных смесей при принудительном сжигании в замкнутом сосуде большого объема при многоточечном инициировании горения и в потоке распыленной воды.

3. Исследование возможности термокаталитического окисления водорода для нормальных условий состояния среды и при повышенных давлениях и температурах. Разработка конструкций пассивных сжигателей водорода.

Структура поставленных задач исследования представлена на рис.1.

Научная новизна. Получены новые экспериментальные данные по концентрационным пределам распространения пламени в смесях водород-кислород-инертный разбавитель (азот, гелий, аргон, диоксид углерода, водяной пар) при температурах до 250° С й давлениях до 2,Ü МПа. Выявлено аномальное влияние гелия на величину нижнего концентрационного предела распространения пламени в смесях водород-кислород- гелий. Обнаружен эффект синергизма для составных химичёски инертных флегматизаторов гелий-диоксид углерода' и гелий-водяной пар. Создан новый расчётный метод определения КПР смесей вида водород-кислород-инертный составной разбавитель для начальных температур от 20 до 250°С и давлений от 0,1 до 2,0 МПа.

Выявлены основные закономерности влияния параметров распыла жидкости на полноту выгорания водорода и взрывные нагрузки при сгорании бедных водородововдушных смесей в замкнутом сосуде. Определены нпвые закономерности процесса горения водородововдушных смесей в большом объёме при наличии многоточечного зажигания.

Созданы и экспериментально подтверждена работоспособность od тимальных конструкций пассивного каталитического сжигателя водоро да, пламенного сжигателя водорода, пассивного воспламенителя воден родовоэдушньк смесей.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при разработке технической документации для реакторных установок ACT-500, ВПБЗР-600 и РБМК-1000, регламентирующей вопросы пожаровзрнвобевопасности в связи с образованием и накоплением водорода; яри раэработке нормативного документа "Обеспечение водородной вврывозащиты и вврывопредупреждение на атомных станциях"; в проектной документации для реакторной установки нового

поколения повышенной безопасности НП-600. На баее полученных в диссертационной работе экспериментальных данных разработана и прошла аттестационные испытания, программа расчета концентрационных пределов распространения пламени в водородосодержаших парогазовых смесях при повышенных давлениях и температурах; создан и прошел испытания каталитический сжигатедь водорода.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Ш Всесоюзной научно-практической конференции "Взрывобеаопасносгь технологических процессов, -пожаро- и варывозащита оборудования и эданий" (Северодонецк, 1990), на X, XI и XII Всесоюных (Всероссийской') научно-практических конференциях (Балашиха, 1990, 1092, 1993), на Симпозиуме "Гидродинамика взрывнух и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-Ата, 1991), на IV Международном семинаре по структуре пламени (Новосибирск, 1992), на научно-практической конференции "Взрывобезопасность технологических процессов" (Северодонецк, 1992), на IV Ежегодной Научно-Технической конференции Ядерного Общества (Нижний Новгород, 1993), на Российско-Японском семинаре по горению (Черноголовка, 1993), на II Международной азиатской конференции по горению и использованию анергии (Пекин, КНР'. 1993)', на X Симпозиуме по горению (Черноголовка, 1992), на I Международном симпозиуме по пожарной "науке и технологии (Хефей, КНР, 1992), на Российско-китайской конференции по пожарной безопасности в химической промышленности (Циндао, КНР,1993), на научно-технической конференции "Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров. Формула безопасности-94" (Москва, 1994), на заседаниях научно-технического Совета Российского Научно-Испытательного Центра Пожарной Безопасности ВНИИПО МВД РФ.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ.

Объём работы. Диссертация состоит иа введения, пяти глав, выводов, списка испольэованной литературы и приложений, в ней содержится 222 страниад, из них 137 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 17 таблиц,* список литературы из 127 наименований.

На защиту выносятся;

- результаты экспериментального определения концентрационных пределов распространения пламени в смесях водорода с кислородом с различными ИНертшш. разбавителями при повышенных начальных давлениях (до 2,0 МПа):-итемпературах (до 250°С);

- расчетные методы определения КПР смесей в&доймивзяо-. род-составной разбавитель при повышенных начальных капъш'АЩ'М температурах;

- закономерности интенсификации горения бедных водородовоздуш-ных смесей в потоке распыленной воды;

- результаты экспериментальных исследований горения бедных во-дородово8дупных смесей при многоточечном инициировании горения;

- оптимальная конструкция пассивного беспламенного пояаровзры-вобевопасного сжигателя водорода на основе гидрофобизированного ка-таливатора, функционирующего в различных условиях (нормальные и повышенные давления и температуры, присутствие водяного пара);

- оптимальная конструкция пламенного стигагеля водорода.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи работы, кратко излагаются её основные ре-вульгаты.

Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы обеспечения водородной пожаровврывобевопасности помещений и технологического оборудования.

Дека характеристика технологических процессов, в которых обращается водород, рассмотрены типичные аварии, связанные с его горением я свидетельствующие о возможности серьёвных разрушений и трагических последствий, внзездшх ими.

Обеспечение поваровврывобевопасноста проияиодств с »иичием водорода в общем случая включает для основных направления:

- во первых, недопущение образования взрывоопасных сред, сгорания которых приводит к повреждению технологического оборудования к помещений;

- во вторых, снижение разруаительт/' сласзддегвий, реализуювдч-ся при сгорании гавовоадушичх скег&й активным вогдсйстзиеи ¡¡я? раз витие взрыва.

При с^асаечвнин водор-йяоА безопасности, учитывая повьш>нну® аожярсопасностъ водород (прежде всего высокую нормальную скорость горении)* наиболее мрсп'лстивным представляется первое няпрр.рденио, к которому отелятся флогмативащм. принудительное (санкдиопирой;\н-яое) сжи'мйио водорода в момент, кагда сгорание веаюрсшоаомучннх

смесей не вызовет разрушение технологического оборудования и строительных конструкций, утилизация водорода на рекомбинаторах.

На основании литературного обзора сделан вывод о том, что, несмотря на большое количество публикаций, посвященных определению КНР в смесях вида водород-окислитель (кислород или воздух) - инертный разбавитель, имеющиеся данные относятся в основном к параметрам состояния (давление, температура), близким к нормальным. Данные для повышенных параметров состояния, которые соответствуют большинству технологических процессов, немногочисленны, не носят системного характера и зачастую противоречивы. Постановка эксперимента при названных параметрах трудоемка и дорогостояща, в то время как надежного расчетного метода определения КНР смесей вида водород-кислород-составной инертный разбавитель '(N2, Не, НгО) при любом соотношении компонентов•для начальных повышенных параметров состояния по давлению до 2,0 МПа и температуре до 250° С нет.

Обоснованное и эффективное применение принудительного сжигания водорода при концентрациях Нг вблизи НКПР как способа борьбы с накоплением водорода в производственных помещениях и оборудовании невозможно без знания закономерностей горения при одновременном инициировании пламени в нескольких точках. При этом сжигание целесообразно проводить в потоке распыленной воды с целью повышения полноты выгорания водорода и уменьшения давления взрыва за счет испарения капель воды в горячих продуктах сгорания. Описанные в литературе исследования влияния основных характеристик распыла (массовый расход воды, размер капель, скорость их падения) и одновременно действующих несколько источников инициирования горения на динамику сгорания бедных водородовоздушных смесей не дают надёжной основы для использования этого метода на практике.

Утилизация водорода на каталитических рекомбинаторах в местах возможного его выделения позволяет исключить сдувки водородсодержа-щих смесей с последующей их транспортировкой к дожигателям, что существенно упрошает технологический процесс, повышает его надежность и безопасность. Из разработанных в России'катализаторов окисления водорода наиболее надёжным представляется гидрофобизированный катализатор (ГК), разработанный в НИФХИ им. Л.Я.Карпова. Однако исследованиям возможности термокаталитического окисления водорода при повышенных давлениях и температурах, а также разработки э#ективных и пожаровврывобевопасных конструкций пассивных сжигателей водорода

на основе ГК уделялось недостаточное внимание.

Вторая глава посвящена экспериментальному определению одного И8 важнейших показателей пожаровврывопасности горючих гавов-кон-центрационным пределам распространения пламени в смесях водорода с кислородом с различными инертными разбавителями при повышенных давлениях (до 2,0 МПа) и температурах (до 250°С) и созданию расчетных методов определения КПР смесей водород-кислород-составной разбавитель при повышенных начальных давлениях и температурах.

Экспериментальные исследования проводились на установке "Пар", основой которой является термостатируемый реакционный сосуд объёмом 60 дм3. Использование дополнительных мерных ёмкостей позволило существенно повысить точность задания гавовых компонентов в реакционный сосуд. При этом относительная погрешность задания парогазовых компонентов, включая водяной пар, не превышала 2 %, что позволило определять величины КПР с точностью V 0,1 Х(об.). РеэуЬтага исследования представлены на рис. 2,3.

40 60 80 98 20 40 $0 80 99 инерт, % (о81)

Рис.2. КПР в смесях водород-кислород-инертный разбавитель при Ро=0,1 та и Го=293 (а) и 523К (б).

1-гелий; 1а-гелий (литературные данные); 2-диоксвд углерода; З-азот; 4-аргон; 5-водянои пар; 6-прямая, отвечаощая смесям сгехио-метрического состава; 7-прямая, ограничивающая область существования смесей.

Выявлено, что с ростом температуры КПР для всех изученных разбавителей в диапазоне давлений от 0,1 до 2,0 МПа расширяются. С ростом давления для всех начальных температур в диапазоне от 20 до 260° С КПР сужается для таких разбавителей, как азот и гелий. Пересечение нижних ветвей кривых флегмативации для различных давлений в случае разбавления водяным паром качественно согласуются с резуль-

татами, полученными О.М.Когарко с сотрудниками по вовдействию водяного пара на величину нижнего концентрационного предела распространения пламени СНКПР) гремучей смеси в водяном паре.

и

9 7

5

Нг,%{оЬ.)

5 6 7234

ЁЕЁЙ "

70 80 9097

О

20 НО ¿0 8037

. Н^ш.)

Рис.3. КПР в смесях водород- кислород-разбав итель (авот(и), гелий(б),водяной пар(в)) при различных начальные условиях:

1-Ро«0,1 МПа, Го-бгзк

2-Ро-О.б МПа. Г0-293К

3-Ро-0.6 МПа. Г0-423К

А-Р0»0.6 МПа. Г0-623К

5-Ро-2,0 МПа, Го-293К

6-Ро-2.0 МПа, Г0-423К

7-Р0-2,0 МПа, Г0-523К 8-прямая, отвечающая смесям стехиометрического V/ л—пг,—//л х-л ял 09 состава; Я- прямая, ограни- СУ ¿(у "и О и о и з/ чиваодая оОллсть существо- /лК)

вания смесей. ''¿^ /а

При сравнении эффективности различных разбавителей для одинаковых начальных условий получено, что более эффективным оказывается тот флегмативатор, чья мольная теплоемкость выше.

Обращает на себя внимание несколько необычный характер поведения нижней кривой флегматизации в случае разбавления водородокисло-родной смеси гелием в диапазоне его концентраций 0-30% (об.). Данный эффект характерен не только для нормальных условий, но и для

повышенных начальных давлений и температур. Качественное объяснение полученного эффекта в следующем: в случае, когда в горючей смеси присутствует гелий, 8а счет более высокой температуры во фронте пламени существует градиент концентраций Не между Фронтом и свежей смесью, за счет которого, с учетом высокого коэффициента диффузйй Не, происходит его избирательная (по отношению к кислороду) диффузия во фронт пламени. При этом реализуется относительно более высокая (по сравнению с влиянием только мольной теплоемкости);флегматй-зирующая способность гелия, что и находит отражение в нелинейной характере зависимости концентрации водорода на нижнем пределе от концентрации разбавителя. Указанный эффект имеет место до определенной концентрации водорода: при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа - 8 Z (об.), при более высоких температурах эта концентрация ниже. При достижении указанной выше критической концентраций "пу-зырысовый" режим горения сменяется режимом со сплошным фронтом пла мени. При этом флегматизиругощая эффективность гелия определяется й основном его мольной теплоемкостью, и нижняя ветвь кривой становится более пологой.

Флегмативацкя водородокислородных смесей инертными разбавителями сводится лишь к тепловому воздействию, а мольная тевШёйкость газовой смеси подчиняется закону аддитивности, на основе ШтЬрого построено правило Ле-Шателье для НКПР. Это и было подтверждено для таких составных флегмативаторов, как авот-диоксид углерода; азот-водяной пар, водяной пар-диоксид углерода. Для составных разбавителей, содержащих в своем составе гелий, имеет место эффект синергизма, заключающийся во взаимном усилении флегматизирующей способности отдельных компонентов. Это наиболее ярко проявляется в смесях гелий-диовсид углерода и гелий-водяной пар, для которых сочетаются достаточно бочьиив мольные теплоемкости диоксида^ углерод^ и водяного пара с высоким коэффициентом диффузии гелия (рис.4).

На основе экспериментальных данных настоящей работы; бЫла выполнена аналитическая апроксимация кривых флсгматиашщ» инертными разбавителями. Апробация предложенного расчетного метод* была поведена на примере сложных водородосодержащих смесей вид» воздух-водяной пар-гелиеводородная смесь. Определял* НКПР гремучего rátía. Составы смесей,а также результаты расчета представленное таблице'1.

Для случая, когда я температура, и давления отэшчйы Ьт ;,Hbp-мальнкх, была получена следующая эмперическяя завискмость дАя^НКЙР

водорода:

СН - Сно[1 + Кт(т - Т0)] (у-)",

которое применимо, в диапазоне температур от 20 до' 250°С и давлений от 0,1 до 2,0 МПа для таких равбавителей, как азот, гелий, аргон и их смесей, а в диапазоне давлений от 0,1 до 0,6 МПа к указанным разбавителям может быть добавлен водяной пар. Величина кг состав ля-

5

о

■8 5 §

Г * Ч-

§<Г к 4

0,25 0,50 О. Г5

И 7/.Х". "'/¿ММ

<h,/o(0&) X, , Рис.'

0,25 0,50 0,75 1 ^/М +С0г1

О

0,25 0.50 0,75 * Не/[Хе+СОг]

Рис.4. Зависимость НКПР водорода от соотношения компонентов составного флегматизатора:

а-смеои Нг-Ог-СНе+НгО), Ро=0,6 МПа, Го=523К, концентрация составного флегматизатора 75 7.(об.); б-смеси Нг-02-(Не+С0г), Ро=0,1 МПа, Го=293К, концентрация составного флегмативатора 80 %(об.); в-смеси Н2-О2-(N2+002), Ро=0,1 МПа, Го=343К, концентрация составного флегмативатора 50 %(об.);

Таблица 1

N/N смеси Содержание компонентов,X(об.) Отношение Н2/Не в гелиевоводо-родной смеси НКПР гремучего газа, % (об.)

водяной пар В08ДУХ гедиевоводоро-дная смесь -

расчет эксперим.

1 10 50 40 0,05 3,5 4,00+0,25

2 10 60 : 30 0,05 4,0 4,50+0,25

3 10 70 20 0,05 4,1 4,75+0,25

4 20 50 30 . 0,10 2,5 4,50+0,25

5 20 60 20 0,10 3,6 4,7510,25

ет 1,1*1СГ3 К"1 во всем укаванном вше диапазоне температур и дай лений. Параметр п с определенным вапасом надежности может быть принят равным 0,13 при 0,1<Р<1,0 МПа для указанных выше разбавителей, кроме пара, а для пара п приближённо равно 0,05 при 0,1<Р<0,6 МПа.

Из представленных результатов видно, что расчет КПР водорода для ' общего случая - повышение начальные температуры и давления, составной флегматизатор - на основе таких величин, как температурный коэффициент (кт), барический показатель (п), величины которых не зависят сколько-нибудь регулярным образом в рассматриваемом диапазоне параметров состояния, чтоснижает точность расчета,и приводит к необходимости введения достаточно больших коэффициентов безопасности для, расчетных данных. В то же время полученный обширный экспериментальный материал по флегматизации водорода однокомпонентными разбавителями, приведенный в данной работе позволил создать интерполяционный расчетный метод, реализованный в виде программы на персональной ЭВМ PC/AT.

Верификация предложенного расчетного метода проводилась на примере сложных водородосодержащих смесей вида:

х(66,бН2 + ЗЗ.ЗОг) + y(ziH2 + Z2O2 + Z3N2 + Z4He + Z5H2O) где X +' у - 1, Z1 + Z2 + Z3 + Z4' + Z5 » 100.

Определялся НКПР гремучего газа в смеси (х). Как следует ив приведенных в таблице 2 данных, расчетное значение НКПР гремучего газа во всех пяти случаях совпадают с экспериментальными в пределах погрешности их.определения.

Таблица 2

N смеси Значение коэффициента Z, % (об) Начальное давление смеси, Ро.МПа НКПР гремучего газа, % (об.)

эксперимент расчет

Zi z2 z3 z4 z5 Начальные температуры смеси to

150°С 250°С 150°С 250°С

1 0 5 30 15 50 0,9 11,5+0,5 10,5+0,75 9,75+0,25

2 0 20 55 0 25 1,8 8,5+0,5 8,5+0,5 7,75+0,25

3 30 0 50 0 20 1.8 15,5+0,75 15,75+0,2.5

4 0 5 60 35 0 0,9 8,5+0,5 6,5+0,5 8,6+0,2 6,75+0,25

- значения определены для температуры 100°С

Третья глава посвящена исследованию процессов горения водоро-довоздушных смесей при принудительном сжигании в замкнутом сосуде большого объема при одновременном многоточечном инициировании горении и влиянию основных характеристик распыла воды (массовый расход, размер капельскорость их падения) на интенсификацию процесса сго-оания с целью оптимального выбора режима сжигания водорода.

Исследования проводились на крупномасштабном стенде "Горение водорода", основой которого является реакционный сосуд цилиндрической формы объемом 20 м3 (высота Б,50 и диаметр 2,20 м).

При орошении горючей смеси распыленной водой следует ожидать интенсификации горения за счет турбуливации фронта пламени проходящими через него каплями. При атом чем больше степень турбуливации фронта пламени падающими каплями тем большую интенсификацию горения следует ожидать. Для анализа этого явления было введена понятие величины эффективного фактора турбуливации скоси w, описываемого соотношением:

w»Re*N,

где Re - число Рейнольдса для одной' капли;

N - количество капель в единице» объема установки.

При воздействии распылённой воды на околопредельную горючую смесь крупные капли, незначительно' испаряясь в гонком фронте пламени, проникают в горячие продукты сгорания, ванимаощие достаточно большой объем. Испарение капель в этом объеме приводит к снижению температуры продуктов и соответствующему уменьшению давления взрыва. Определяющим «лараметром для описания этого эффекта является величина плодади удельной поверхности воды в единице реакционной кат меры S, описываемая формулой:

S-Sk*N,

где S« - площадь поверхности капли, м2.

В качестве параметров, определяющих динамику сгорания водоро-довоадушной смеси в замкнутом сосуде, принимали максимальное избыточное давление Bspwja вР, импульс положительной фазы давления в камере I и ёремя горения trop (время достижения максимального давления взрыва с момента инициирования горения). Относительная аог-. ревность определения величин I и t,KJjP НА-'П^^шшета 5Z. Проведено четыре серии опытов дня концентраций ъцяр Р0,^ 7,5; 10,0 и 15,01 (об.).

В DenwtbTase экспериментов быаг» что полнота выгорания

водорода в герметичной камере, оцененная по остаточному разрежению, оказалась приблизительно одинаковой для всех опытов каждой серии й составила 0,60; 0,96; 1,00 и 1,00 для концентраций водорода 5,5; 7,6; 10,0 и 15,ОХ (об.) соответственно.

Из представленных результатов видно, что с возрастанием значения фактора турбулкэации значение trop снижается, т.е. процесс сгорания ускоряется (рис.б). С ростом S значение I уменьшается, причей зависимость эта Оливка к линейной. В наших опытах, где не наблюдалось образование ударных волн, величина I не столь показательна, нй она, тем не менее, является определенной характеристикой влияний водяного орошения на процесс сгорания водородовоэдушной смеси.

На основании выявленых основных закономерностей влияния параметров распыла жадности на характеристики горения, может быть выбрал-оптимальный режим дожигания бедных водородовоздушных смёсей б потоке распыленной воды.

Рис.б. Зависимость времени горения trop водородововдушной смеси от величины фактора турбулизации смеси при содержании водорода в смеси: 1-Б.БХ (ов.) Hz; 2- 7БХ(об.)Hg; 3 - 10,ОХ - (об.)Нг; 4 - 1Б,0Х(оС.)Hg.

W*t0-i""5

При изучения процесса сгорания водородововдушной смеси в замкнутом сосуде большого объема при многоточечном взлетании было проведете три серии экспериментов с концентрацией водорода 8, 10 и 16 Х(ов.). Инициирование горения происходило при пережигании нихромо-вых проволочек диаметром 0,1 и длинной 16 ш, расположенных по ос» сосуда, путем одновременной подачи на них напряжения 24 В. Проволочки перегорали с равницей во времени не более 0,2 с.

При переходе от одного источника зажигания в центре сосуда к двум инициирующим центрам горения происходит заметная интенсифика-

го ч,о 8,о ¿о.о щоШ

ция процесса (рост давления во времени ускоряется). Данный эффект наиболее ярко выражен при концентрации Нг 8% (об.), что объясняется более полным выгоранием водорода по сравнению с одноточечным важи-ганием в центре. При переходе от двух к трем и пяти источникам воспламенения процесс практически не ускоряется. Осциллограммы "давление-время" в этих сериях незначительно отличаются друг от друга. В этом случае время горения определяется временем достижения фронтом пламени боковых стенок. В то же время величина максимального давления взрыва зависит от промежутка времени от начала контакта фронта пламени со стенками до полного сгорания смеси. При расположении источников один над другим с шагом 20 см формируется расходящийся цилиндрический фронт пламери, что приводит к более медленному сгоранию смеси с неполным выгоранием водорода в реакционном сосуде.

Четвёртая глава посвящена исследованию возможности термокаталитического окисления водорода для нормальных условий состояния среды и при повышенных давлениях и температурах, а также равработке новых, более эффективных конструкций пассивных сжигателей и восгйа-менителей водорода.

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что константа производительности К стержней с ГК для концентраций1 водорода в воздухе выше НКРР /до ВХ (об.)) остаётся практически постоянной и равной 0.96±0.04 даг^час"1*^(об. )Нг)-1. Прй этом в результате экзотермической реакции беспламенного окисления водорода на поверхности катализатора наблюдается существенный разогрев стержня с ГК, что априори может привести к зажиганию смеси (рис.6)

I

Зависимость скорости сжигания водорода (0., кривая 1) и максимальной температуры на поверхности стержня с ГК (1.кривая 2) от концентрации Нг.

Рис.6.

Для оценки возможности возникновения этого явления были проведены экспериментальные исследования для одиночного стержня с ГК в водородовоздушных смесях с концентрацией Нг до 40 %(об.) при нормальном давлении и температуре. Рост температуры поверхности стержня с ГК наблюдался лишь до начальных концентраций водорода 14 %(об.), дальнейшее повышение начальной концентрации водорода практически не приводило к увеличению температуры поверхности, значение которой составляло *600К. Установлено, что с ростом давления одиночные стержни с ГК приобретают способность воспламенять водородо-вовдушную смесь. При начальных давлениях 0,3-0,5 МПа стержни инициируют пламенное горение водородовоздушных смесей при Снг'Ю-12 £(об.), в то время как при атмосферном давлении стержни с ГК не зажигали водородовоздушные смеси вплоть до стехиометрических составов. В то же время с повышением давления смеси интенсифицируется процесс поглощения молекул водорода стержнем с ГК, однако зависимость константы производительности от давления является нелинейной, и при давлениях выше 0,3 МПа величина константы производительности слабо зависит от давления. Наличие в водородовоэдушной смеси паров воды снижает интенсивность беспламенного сжигания водорода, в то же уменьшая зажигающую способность стержней с ГК.

Выполнены исследования по оптимизации расположения стержней, в результате чего было определено, что оптимальный диаметр условного канала, приходящийся на один стержень, составляет 20 мм. Использование-многоярусного расположения стержней (один над другим) снижает константу производительности К, однако при этом обеспечивается меньший разогрев стержней как в верхних, так И в нижний ярусах.

В целях предотвращения возможности зажигания водородосодержа-вдх смесей от нагретой поверхности катализатора было предложено использование огнепреграждающих устройств, обеспечивающих необходимый доступ водорода к поверхности ГК и, в то же время, исключающих проскок пламени наружу. Были рассмотрены сетчатые огнепреградители и огнегасящие корпуса для каждого стержня с ГК. Ив полученных экспериментальных данных следует, что эффективность сетчатых огнепрег-радителей существенно зависит от начальной температуры и давления парогазовой смеси, что необходимо учитывать при размещении сжигате-ля в конкретных технологических условиях. Безопасная эксплуатация огнепреградителя предусматривает два возможных режима: 1 - фронт пламени, достигая поверхности сетки гасится; 2 - фронт пламени.

- 1R -

достигая поверхности сетки, "садится" на нее, обеспечивая пламенное горение водорода, исключая проскок пламени наружу. Последний режим лежит в основе пламенного локализованного устройства сжигания водорода.

В качестве источника зажигания в этом устройстве могут быть использованы автономные электрические инициаторы горения или, что представляется более перспективна*. каталитические источники аажи-ганхя.

В ходе исследований было показано, что эффективность сжигателя с увеличением длины его корпуса в 2 рава возрастает примерно в 1,4 раоа вследствие увеличения конвективных потоков исходной смеси черев корпус сжигателя. Такой ке эффект, но в меньшей степени выраженный, наблюдается с увеличением размера ячейки сетки, что также можот быть объяснено увеличением скорости прокачки ci хи черев сжи-гатель вследствие уменьшения гидравлического сопротивления огнеп-регродителя. при этом, однако, надо учитывать, что равмер ячейки должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к огнепреградите-лям. Исходя из этого, представляется целесообразным рекомендовать размер ячейки сетки огнепреградителя для устройства пламенного сжигания водорода в рассмотренных условиях, равный 0,31-0,40 мм. В то' жо врлмя, увеличение площади поперечного сечения до 300 им не привод*, с увеличению эффективности сжигателя. Объясняется это тем, что стабилизация пламени происходит не на всей поверхности сетки, а на eé отдельных участках. Ив анализа полученных данных следует, что экспериментальные пначення проиеводительности сжигателей для различных диаметров корпуса и размеров ячейки сетки огнепреградителя окапываются сгруппированы около вкстрапояяционной зависимости, качественно описываемой выражением q - 11,Э*5и. где q - приведенная , производительность сжигателя. [дыЗ/часМХСоб. )*c*r) 3, Su-нормальная скорость горения ведородовоздуяной смюи.

Для предлагаемого плаийнного сжигателя водорода, на баве стержней с ГК была доработана конструкция пассивного воспламенителя водородъвоздушных смесей, вадэжно рвОотвадэго при концентрациях Не не ниже 10 Х(об.).

Пятая глава диссертации писведена описанию практической реализации результатов работы. Реаудьтоты теоретических л эксперте«- 1 тмьиых исследований внедрены при разработке нормативного до^уие^ - Руадюдства по абеспв^ед«^ безопасности nijM йслеяьаджидаи эгбш&й

энергии "Обеспечение водородной вврывоэадиты и вврывопредупреждения на атомной станции". В указанном документе использованы определенные в работе КПР в смесях водород-кислород-инертный разбавитель. Рекомендовано для обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности (ВПВБ) испольвовать исследованные в диссертационной работе методы, такие, как принудительное сжигание водорода в потоке распыленной воды и рекомбинация водорода на гидрофобизированных каталитических сжигателях.

Разработаны практические рекомендации по обеспечению ВПВВ для конкретных проектов атомных станций с реакторными установками различного типа, такими как: АСТ-БОО, ВПБЭР-600, РБМК-1000 (1500), ВВЭР-1000, НП-бОО, которые нашли свое применение в проектных решениях, в выборе безопасных режимов эксплуатации и предельных параметров систем. На основании положительных результатов опытов нейтрализации водорода с помощью каталитических устройств непосредственно в защищаемом объекте было предложено рассмотреть вопрос об их использовании в качестве основных систем удаления водорода на вновь создаваемых реакторах ВПВЭР-600 и НП-500 и находящемся в эксплуатации реакторе РБМК-1000 (1500) в системе быстрой аварийной защиты.

Для оперативного управления системами вврывопредупреждения и взрывоэащиты помещений и оборудования в условиях нормального функционирования и аварийных ситуациях на основании выполненных экспериментальных исследований разработана программа расчета предельных условий дефлограционного горения водородосодержащих смесей, что позволяет использовать ее не только при разработке и проектировании новых энергоустановок, но применять оперативным персоналом для поддержания вэрывобе8опасных режимов эксплуатации технологического оборудования.

ВЫВОДЫ

1.Получены новые экспериментальные данные по концентрационным пределам распространения пламени в смесях водород-кислород-инертный разбавитель (азот, гелий, аргон, диоксид углерода, водяной пао) при температурах до 250° С и давлениях до 2,0 МПа.

8.Выявлено аномальное влияние гелия на-величину нижнего концентрационного предела распространения пламени в смесях водо-

род-кислород-гелий.

3. Обнаружен аффект синергизма для составных химически инертных флегматнэаторов гелий-диоксид углерода и гелий-водяной пар.

4. Совдан новый расчётный метод определения КПР смесей ввда водород-кислород-инергный составной разбавитель для начальных температур от 20 до 250°С и давлений от 0,1 до 2,0 МПа.

Б. Показана возможность эффективного принудительного сжигания бедных водородовоздушных смесей с концентрацией Нг до 8Z (об.) в потоке распиленной воды. Выявлены основные закономерности влияния параметров распыла жидкости на полноту выгорания водорода и взрывные нагрувки при сгорании бедных водородовоздушных смесей в замкнутом сосуда.

6. Выявлены условия и основные характеристики функционирования гкдрофобивированных катализаторов окисления водорода яри различных начальных условиях по давлению (от 0,1 до 0,5 МПа) и температуре (от 20 до 1Б0°С) и в присутствии водяного пара (до 50Х (об.)). Приведена оптимизация конструкции каталитического сжигателя водорода. Изучена эффективность защитных мероприятий, таких, как установка огкепреградитслей из различных материалов на верхнем и нижнем торцах корпуса сжигагеля и установка стержней с ГК в кожухах, исключающих чоаможность выхода пламени в свободный объём помещения.

'•*. Создана принципиально новая инструкция пламенного сжигате-ля водорода, функционирование которого основано на эффекте стабилизации пламени на огнепреградителе.

8. Разработана новая конструкция пассивного воспламенителя водородовоздушных смесей, надежно работающего при концентрациях водорода не ниже 10Z (об.).

9. По результатам исследований разработаны техническая документация для реакторных установок ACT-500, ВПБЭР-600 и РБМК-1000, регламентирующая вопросы пажаровврывобеэопасности в связи с образованием и накоплением водорода, нормативный документ "Обеспечение водородной взрывоващнты и взрывопредупреждения на атомной станции", ' создана паЬсивная конструкция каталитического сжигателя водорода.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. А.В.Трунёв, О.Г.Царичекко, Ю.Н.ШеСеко. Интенсификация горения бедных водородовоздушных смесей потоком распыленной воды. - В кй: Взрывэбэзопасность технологических процессов, пожаро- и яз^ыво-еащита оборудования и зданий: Tee. докл. Ш Еовсикяшуй научно-тек-

т

- 21 -

нической конференции: Северодонецк, май 1990 г. Черкассы: о плетение НИИТЭХИМа, 1990, с. 11-12. '

2. С.Г.Цариченко, М.А.Серкин, А.В.Трунёв. Влияние давления и температуры на концентрационные пределы распространения пламени в водородсодержалд« смесях. - В кн.: ПожаровБрывоопасность веществ, материалов, изделий и технологических процессов: Сб. науч. тр.-М. :ВНИИПО МВД СССР 1990. С. 122-124.

3. С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, А.В.Трунёв, М.А.Серкин, А.Ю.К^т-лин. Определение концентрационных пределов распространения пламени в водородсодержащих смесях,- В кн.: Проблемы пожарной бевопасности вданий и сооружений. Материалы X Всесоюзной научно-практической конференции - М: ВНИИГО МВД СССР, 1990. с. 46-47.

4. С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, А.В.Трунвв, М.А.Серкин, А.Ю.Кап-лин. Определение концентрационных пределов распространения йламени в водородсодержащих смесях с флегматизаторами.- Химическая промышленность. 1991. N 10 с.14-16.

б. А.В.Трунёв, С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, Л.А.Николаев, В.В.Беляев. Влияние распыла воды на горение бедных околопредельных водородововдушшх смесей в большом объеме. - В кн.: Пожарная безопасность промышленных объектов: Сб. научн. тр.- М.: ВНИИГО ЙВД СССР, 1991.с.92-101.

6. А.В.Трунйв, С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, В.Д.Келлер. Обеспечение пожара- и взрызобезопасности путем применения сжигателя водорода на основе гидрофобизированных катализаторов. - Химическая промышленность . 1992, N 1, с. 53-56.

7. С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, А.Я.Корольченко,. А.В.Трунёв. Многоточечное важигание водородововдушных смесей в замкнутом сосуде. - В кя: "Газодинамика взрывных и ударных волн, детонационного я сверхзвукового горения". Алма-Ата: 1991 г., с. 124.

8. С.Г.Цариченко, А.В.Трунёв, Ю.Н.Шебеко, А.А.Абросмюв. М.И.Иахов. Влияние многоточечного важкгания водородовоздушных смесей на развитие взрыва в замкнутом сосуде. - Физика горения и взрыва. 1992. Н 1 с. 18-21.

9. A.Ya,Korolchenko, S.G.Tsarlchenko, tti.N.Shebeko, A.V.Trunev Experimental study of the characteristics of premixed hydrogen-containing flames at elevated pressures and temperatures. IV International seminar on flame structure. August 18-21, 1992, Novosibirsk. Book of Abstracts. Novosibirsk; 1992 p.26-27.

10. Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, A.C.Бобков, А.В.Трунёв. Характеристики горения водородсодержацих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах.- В кн: Взрывобезопасность технологических процессов. Тезисы докладов научно-технической конференции. Октябрь 1992 г. Северодонецк: 1992, с.20.

11. Ю.Н.Шебеко, А.В.Трунёв, С.Г.Цариченко, В.А.Шепелин. Нейтрализация водородсодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах.- Там же, с. 48.

12. А.В.Трунёв, С.Г.Цариченко. D.H.Шебеко, В.Д.Келлер. Оптимизация конструкции сжигателя водорода на основе гидрофобизированного катализатора. - В кн: Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства. Материалы XI научно-практической конференции. М. : ВНИИПО №Д РФ, 1992. с.76.

13. А.В.Трунёв. С.Г.Цариченко, В.Д.Келлер, E.H.Простов. Экспериментальное определение эффективности огнепреградителей.- Там же, с. 206-207.

14. А.Я.Корольченко. Ю.Н.Шебеко. С.Г.Даричеяко, А.В.Трунёв. Влияние распыленной воды на горение бедных водородововдушных смесей в замкнутом объеме. - Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 1992, N 4, с. 76-86.

1Б. А.Я.Корольченко, С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, А.В.Трунёв,

A.А.Зайцев. Флегматизация водородосодержащих парогазовых смесей при повышенных температурах и давлениях. - Пожаровзрывобезопасность, 1992, N 1, с. 12-16.

16. А.В.Трунёв, Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, A.A.Зайцев,

B.Д.Келлер. Обеспечение пожаровврывобезопасности термокаталитического сжигания водорода путем применения огнепреградителей. - Химическая промышленность, 1993, N 6, с. 45-48.

17. А.Я.Корольченко, Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, А.В.Трунёв, И.Ф.Ермилин, И.Н.Кулаков, А.Ю.Каплин. Вопросы водородной пожаровз-рывобезопаскости оборудования и помещения атомных станций. - В кн.: рефераты конференции. 4-ая Ежегодная Научно-техническая Конференция Ядерного Общества "Ядерная энергия и безопасность человека NE-93" Июнь 28 - Июль 2, 1993. Нижний Новгород: 1993 г., с. 705-707.

18. Yu.N.Shebeko, S.G.Tsarlchenko, A.Ya.Korolchenko, A.V.Tru-nev Combustion Characteristics of Hydrogen-Oxygen-Diluent Mixtures at Elevated Pressures and Temperatures.- Proceedings of the Russian-Japanese Seminar on Combustion, held at Chernogolovka, Mosco»»

Region: 2 nd to 5th October 1993, p.24-25.

19. Yu.N. Shebeko, A.Ya. Korolchenko, S.6. Tsarichenko, A.V. Trunev. 1. Pressure and Temperature Dependence of F1 amiability Limits and Burning Velocity of Qaseous Mixtures. 2. The dependence of Pressure Index of Burning Velocity of Gaseous Mixtures on Chemical Kinetics in the Flame Front. - Fire Science and Technology. Proceedings of the First Asian Conference. Hefel, China. October 9-13, 1992, p.475-479.

20. A.Ya. Korolchenko, Yu.N. Shebeko, S.G. Tsarichenko, A.V. Trunev. Intensification of Combustion of Lean Hydrogen-Air Mixtures in the Water Sprays. - Proceedings of the Second Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. Beijing, October 15-18. 1993, p.107-110.

21. С.Г.Цариченко, А.В.Трунёв, Ю.Н.Шебеко, Л.А.Николаев, В.В.Беляев. Интенсификация процессов горения водородно-воздушных смесей в потоке распыленной воды. - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерная техника и технология. Выпуск 1. 1991: с. 48-50.

22. Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, А.Я.Корольченко, А.В.Трунёв, В.Ю.Навценя, С.Н.Папков, А.А.Зайцев. Характеристики горения парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах.- Пожаравзри-вобезопасность , 1993, т.2, N 4, с. 3-13.

23. С.Г.Цариченко, А.В.Трунёв, Ю.Н.Шебеко. Горение бедных во-дородововдушных смесей при многоточечном инициировании горения в большом объеме. - Там же, с. 14-17.

24. А.В.Трунёв, Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко. Обеспечение водородной пожаровзрывобезопзсности производственных помещений путем применения пламенного сжигателя водорода.- Пожаровзрывобеаопас-ность, 1994,т.3, N 1, с. 35-41.

25. С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко, А.Я.Корольченко, А.В.Трунёв. Концентрационные пределы распространения пламени в парооогазовых смесях при давлениях и температурах, отличных от нормальных.- Тезисы X Симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение. Черноголовка: Сентябрь 1992, с. 41-42.

26. Ю.Н. Шебеко, С.Г. Цариченко, А.В. Трунёв, А.Ю. Кашшн, А.А. Зайцев. Исследование характеристик горения водородсюодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах.- Физика горения и взрыва, 1994, т.30, N 1, с. 16-19.

27. Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, А.В.Трунёв, А.Я.Корольченко,

Л.Ю.Каплин. Флегматизация водородсодержащих парогазовых смесей при повышенных температурах и давлениях. Физика горения и взрыва. 1994, т.30, N 2, с. Б1-Б7.

I

' Подписано в печать 27.01.95 г. Т. - ИХ) чк! Формат 60*84/16. Печать см^ТНМ1 Усл. печ. я. 1.63. Уч.-изд. л. 1.43

Типография ВНИИ ПО МВД Р»ОСС И И П3900. г. Балашню -3 '