CC BY
41
О. В. ДМИТРИЕВ, адъюнкт ФГБОУ ВПО Академия Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4); научный сотрудник экспертно-консалтингового отдела ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33; e-mail: [email protected])
О. С. МИСНИКОВ, д-р техн. наук, декан факультета природопользования и инженерной экологии ФГБОУ ВПО Тверской государственный технологический университет (Россия, 170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22)
В. И. ПОПОВ, канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры пожарной профилактики (в составе УНК "Государственный надзор") ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33)
УДК 614.842
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОФОБНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ОГНЕТУШАЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Проведены исследования по определению возможности использования гидрофобно-модифи-цирующих добавок на основе органического вещества торфа в качестве антислеживающего агента в огнетушащих порошках. Приведена схема экспериментальной установки для исследования процессов тушения модельных очагов пожаров различных классов. Разработана оригинальная методика проведения испытаний порошковых огнетушащих составов. Представлены количественные показатели эффективности использования контрольных и гидрофобно-моди-фицированных огнетушащих порошков.
Ключевые слова: огнетушащий порошок; торф; гидрофобно-модифицирующая добавка; тонкодисперсный помол; водоотталкивание; экспериментальная установка; методика; тушение модельного очага.
Инновационное развитие предприятий горнодобывающей промышленности России неразрывно связано с перерабатывающим комплексом, позволяющим значительно повышать эффективность использования сырьевой базы нашей страны. В первую очередь это относится к маловостребованным на сырьевых рынках видам торфяных ресурсов, годовые объемы добычи которых составляют около 2 млн. т [1]. Развиваемое в последнее десятилетие новое научное направление, связанное с получением на основе торфяного сырья гидрофобно-модифицирующих добавок (ГМД) широкого спектра действия, должно значительно повысить инвестиционную привлекательность проектов в области торфяного производства, так как позволит получать продукцию с высокой прибавочной стоимостью.
В работе [2] опубликованы результаты исследований свойств огнетушащих составов, модифицированных гидрофобными добавками на основе торфа, которые вносились методом смешивания с компонентами порошка. В результате исследований было установлено, что использование составов на основе торфа лишь незначительно улучшает гидрофобные свойства огнетушащего порошка и уменьшает его склонность к влагопоглощению.
© Дмитриев О. В., Мисников О. С., Попов В. И., 2014
Для усиления эффективности использования гид-рофобно-модифицирующих добавок в огнетушащих составах проводится их совместный помол с компонентами порошка в шаровой мельнице. В этом случае в результате физико-химического взаимодействия гидрофобно-модифицирующей добавки с компонентами порошка на поверхности частиц происходит образование водоотталкивающего слоя, который обеспечивает достаточно эффективную защиту модифицированных частиц огнетушащего порошка. Необходимо отметить, что практика использования такого типа добавок при помоле различных видов минеральных материалов показывает, что они являются хорошими интенсификаторами помола и позволяют увеличить условную удельную площадь поверхности частиц (при прочих равных условиях) как минимум на 5-10 % [3].
Гидрофобно-модифицирующие добавки представляют собой продукт низкотемпературной термохимической деструкции органического вещества измельченного торфа (с размером частиц менее 50 мкм), основанной на разложении органических соединений [4] и сорбции выделяемых жидких продуктов на поверхности высокодисперсных торфяных частиц. Усредненные количественные показа-
тели группового химического состава ГМД следующие: битумы — до 5 %; термобитумы — до 10 %; термодеструктурированные гуминовые вещества — до 20 %; лигнин — до 20 %; органоминеральные комплексы — до 45 % [2]. При необходимости можно усилить водоотталкивающий эффект и одновременно упростить внесение в обрабатываемый материал и дозирование ГМД благодаря ее физико-химическим свойствам, которые позволяют дополнительно насыщать ее гидрофобными компонентами.
В работе были исследованы добавки ГМД-10 и ГМД-20 на основе верхового и низинного торфа с дополнительным содержанием активных гидрофобных компонентов 10 и 20 % соответственно. В качестве образца для сравнения использовали выпускаемый в промышленных условиях огнетушащий порошок Волгалит-АВС. Контрольный образец получали методом совместного помола в шаровой мельнице компонентов промышленного порошка без гидрофобных добавок (белая сажа, аэросил и др.). В экспериментальных составах традиционный гидро-фобизирующий компонент [5,6] был заменен ГМД. Помол осуществляли в течение 25 мин до достижения удельной площади поверхности 380-400 м2/кг.
Оценку влияния ГМД на огнетушащую способность порошков при тушении модельных очагов пожара классов А и В проводили на специально изготовленной лабораторной установке на кафедре пожарной профилактики в составе учебно-научного комплекса "Государственный надзор" Ивановского института ГПС МЧС России.
Принцип работы установки заключается в следующем (рис. 1). Компрессор 2, привод которого осуществляется при помощи электродвигателя 1, по шлангам высокого давления 3 нагнетает давление в промежуточную емкость 5, которое контролируется манометром 4. Далее при открытии электромагнитного клапана 7 происходит резкий выброс сжатого воздуха по шлангам высокого давления в устройство для подачи порошка 8. Доза огнетуша-щего порошка, которая содержится в резервуаре устройства для подачи порошка, при гидравлическом ударе переходит во взвешенное состояние и выбрасывается на модельный очаг пожара 9. Высота устройства для подачи порошка относительно модельного очага может регулироваться с помощью штатива 6.
Разработанные для проведения исследований установка и методика значительно отличаются от аналогичных, используемых в настоящее время в России [7, 8]. Лабораторная установка имеет изменяемый угол атаки газопорошковой струи, что позволяет моделировать процесс тушения огнетушителем, а также модулями порошкового пожаротушения. В установке предусмотрена возможность
/С
3 б—" / \
1 \ 2 — / X / Л / V V
\ V 7 \ Г4! п 5 Н^г
а у
Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения огнетушащей способности порошков: 1 — электродвигатель; 2 — компрессор; 3 — шланги высокого давления; 4 — манометр; 5 — промежуточная емкость; 6 — штатив; 7 — электромагнитный клапан; 8 — устройство для подачи порошка; 9 — модельный очаг пожара
выбора модельного очага пожара, что дает возможность проводить эксперименты с жидкими и твердыми горючими нагрузками. При этом площадь модельного очага с жидким топливом может варьироваться путем изменения диаметра ограничивающего кольца. Размеры модельного очага с твердой горючей нагрузкой выбираются путем изменения массы последней. Возможность подачи в зону горения строго контролируемого количества огнетушащего порошка обеспечивает высокую точность сравнительной оценки его огнетушащей способности. Такое преимущество достигается за счет особой конструкции устройства для подачи порошка (рис. 2), причем возможность смены насадков, имеющих определенный диаметр, позволяет регулировать интенсивность его подачи.
Рис. 2. Конструкция устройства для подачи порошка: 1 — корпус; 2 — насадок; 3 — прокладка; 4 — основание; 5 — трубка; 6—выходное отверстие для порошка; 7—резервуар; 8 — газопорошковая смесь; ^ —движение сжатого воздуха
Методика проведения эксперимента состоит из подготовки лабораторной огнетушащей установки, выбора модельного очага пожара, его зажигания и тушения. В резервуар устройства для подачи насыпается предварительно взвешенная на электронных весах с точностью до 0,01 г порция порошка. Устройство для его подачи устанавливается на штатив, с помощью которого регулируется высота от зеркала горючей жидкости до нижнего среза устройства. Высота должна быть такой, чтобы при запуске установки основание конуса струи, выходящей из устройства для подачи порошка, было равно 0,08 м, что соответствует диаметру ограничивающего кольца (рис. 3). Далее компрессором в промежуточную емкость нагнетается воздух до достижения избыточного давления 70 кПа. Выбор такой величины, определенной экспериментально, обусловлен тем, что это минимальное давление, которое необходимо для выброса всей порции порошковой смеси из резервуара при запуске установки.
Для моделирования модельного очага пожара класса А1 (горение твердых веществ, сопровождаемое тлением) в качестве горючего материала использовали 40 брусков из дерева хвойных пород длиной 80 мм и с квадратным сечением с длиной стороны 5 мм. Влажность древесины составляла примерно 6 %.
В модельном очаге пожара класса В1 (горение жидких веществ, нерастворимых в воде) в качестве горючей жидкости использовали бензин марки АИ-80 объемом 3,5 мл. Количество горючей жидкости в испытаниях оставалось постоянным. Затем
в поддон наливали воду в таком количестве, чтобы ее зеркало полностью покрывало дно поддона, и устанавливали кольцо-ограничитель площадью 0,005 м2. После подготовительных операций горючую жидкость выливали на ограниченное кольцом зеркало воды.
Время свободного горения устанавливается в зависимости от класса модельного очага. Для древесины время свободного горения принято 1 мин, а для бензина — 10 с. После стабилизации процесса горения с помощью электромагнитного клапана осуществляется пуск огнетушащего порошка. При срабатывании клапана воздух по шлангам высокого давления подается в резервуар устройства для подачи порошка. В момент попадания воздуха в камеру на порцию порошка воздействует гидравлический удар, в результате которого порошок переходит в псевдоожиженное состояние и под давлением выбрасывается в зону горения модельного очага пожара (рис. 4).
)
Рис. 3. Регулировка необходимого диаметра струи порошка
Рис. 4. Тушение модельных очагов пожара: а — древесины; б — бензина
Рис. 5. Прекращение горения модельных очагов пожара в результате воздействия огнетушащего порошка: а — древесины; б — бензина
После выброса порции порошка из устройства на очаг возможны два варианта развития процесса тушения. Во-первых, это прекращение горения (рис. 5). В этом случае считается, что масса порошка достаточна для тушения. Во-вторых, после рассеивания струи порошка горение может не прекратиться либо возможно повторное воспламенение очага. В этом случае можно сделать вывод, что массы порошка не хватает для ликвидации возгорания.
В результате исследований по тушению модельных очагов пожаров (класс В1) установлено, что экспериментальные огнетушащие составы по своим качественным характеристикам соответствуют выпускаемому в промышленных условиях огнетуша-щему порошку Волгалит-АВС (см. таблицу).
Для отработки методики испытаний и сравнительного анализа свойств экспериментальных порошков в исследованиях были использованы порошки Волгалит-АВС и ИСТО-1, применяемые для тушения пожаров классов А, В, С и электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В. Их коли-
Результаты испытания огнетушащей способности порошков (класс пожара В1)
№ п/п Вид огнетушащего порошка Содержание ГМД, % Масса ГМД, необходимая
для тушения, г
1 Контрольный - 0,3
2 Волгалит-АВС (промышленный) - 0,3
3 ИСТО-1 (промышленный) - 0,3
4 ГМД 10-3Х (экспериментальный) 3 0,3
5 ГМД 10-2Х (экспериментальный) 2 0,2
6 ГМД 10^ (экспериментальный) 3 0,4
7 ГМД 10^ (экспериментальный) 2 0,3
чество также соответствовало среднему значению (0,3 г), принятому для всех исследуемых составов. Необходимо отметить, что в некоторых экспериментах в модифицированных порошках зафиксировано снижение их количества, необходимого для тушения модельного очага, на 34 % (см. таблицу, поз. 5), а также увеличение расхода на 33 % (см. таблицу, поз. 6) при прочих равных условиях. По всей вероятности, это свидетельствует о том, что 2 %-ная концентрация добавки в порошке является предельным значением и граничным условием для решения задачи по количественной оптимизации состава, что хорошо согласуется с ранее полученными данными для минеральных вяжущих материалов [3]. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что количественный (концентрация добавки в порошке) и качественный (степень гидрофобности ГМД) состав ГМД будет зависеть и от ингредиентов минеральной части огнетушащего состава. В этом случае появляется реальная возможность снизить степень насыщения торфяной матрицы дополнительными гидрофобными компонентами и, соответственно, стоимость конечного продукта.
Кроме химического состава порошка и добавок, на процесс тушения значительно влияют и физические свойства гидрофобного модификатора. Например, при снижении насыпной плотности экспериментального порошка ГМД 10-3W соответственно увеличивается его расход.
Таким образом, разработанные составы огнету-шащих порошков с гидрофобно-модифицирован-ными добавками на основе органического вещества торфа соответствуют критериям по огнетушащей способности и позволяют организовать их производство в промышленных условиях без изменения реально применяемых технологических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гогин Д. Ю. О развитии использования местных возобновляемых источников топлива в топливно-энергетическом балансе России // Торф и бизнес. — 2007. — № 7. — С. 5-8.
2. Дмитриев О. В., Мисников О. С., Попов В. И. Исследование свойств огнетушащих составов, модифицированных гидрофобными добавками на основе торфяного сырья // Пожаровзрывобез-опасность. — 2013. — Т. 22, № 5. — С. 81-86.
3. Мисников О. С. Исследование свойств портландцемента, модифицированного гидрофобными добавками на основе торфа// Все материалы. Энциклопедический справочник. — 2013. — №8. — С. 35-43.
4. Раковский В. Е., Каганович Ф. Л., Новичкова Е. А. Химия пирогенных процессов. — Минск : Изд-во АН БССР, 1959. — 208 с.
5. Баратов А. Н., Вогман Л. П. Огнетушащие порошковые составы. — М. : Стройиздат, 1982. — С. 26-27.
6. Абдурагимов И. М. О механизмах огнетушащего действия средств пожаротушения // Пожаро-взрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 4. — С. 60-82.
7. Сабинин О. Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.26.03.—М., 2008. — 14 с.
8. БухтояровД. В. Лабораторные испытания и методика определения огнетушащей концентрации порошковых составов при их подаче сверху // Пожарная безопасность. — 2010. — № 3. — С. 130-133.
Материал поступил в редакцию 26 декабря 2013 г.
— English
METHOD FOR PRODUCING HYDROPHOBICALLY MODIFIED POWDERS AND METHOD FOR DETERMINING THEIR EXTINGUISHING ABILITY
DMITRIEV O. V., Postgraduate Student, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation); Researcher of Expert and Consulting Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
MISNIKOV O. S., Doctor of Technical Sciences, Dean of Faculty of Wildlife Management and Engineering Ecology, Tver State Technical University (Afanasiya Nikitina Embankment, 22, Tver, 170026, Russian Federation)
POPOV V. I., Candidate of Technical Sciences, Docent, Professor of Fire Prevention Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation)
ABSTRACT
The joint grinding of the components of the extinguishing powder and hydrophobically modifying additives (HMA) on the basis of peat organic matter in a ball mill was held in order to determine the possibility of using these additives as an anticaking agent.
Hydrophobically modifying additives are the product of the process of low-temperature thermochemical decomposition of organic matter crushed peat (particle size less than 50 microns) based on the decomposition of organic compounds and sorption of liquid products allocated on the surface of fine peat particles.
The experimental composition with HMA instead of hydrophobizing component was resulted by co-grinding of industrial powder components without hydrophobic additives (fumed silica, aerosil) in a ball mill.
The original method of testing powder extinguishing agents was developed. The research assesses the influence of water-repellent additives HMA over extinguishing powder's effect when putting out standardized classes A and B fires sources in a specially designed laboratory facility of Ivanovo Institute of State Firefighting Service of Emercom of Russia.
The developed compositions of extinguishing powders with hydrophobically modified additives on the basis of peat organic matter meet the criteria for extinguishing capability and allow to organize their production in an industrial environment without disturbing the actual technical processes used for production of powders.
Keywords: extinguishing powder; peat; hydrophobically modifying additive; fine grinding; water repellency; experimental installation; methodology; standardized fire source extinguishment.
REFERENCES
1. Gogin D. Yu. O razvitii ispolzovaniya mestnykh vozobnovlyayemykh istochnikov topliva v toplivno-energeticheskom balanse Rossii [On the development of the use of local renewable fuel in the fuel and energy balance of Russia]. Torf i biznes — Peat and Business, 2007, no. 7, pp. 5-8.
2. Dmitriev O. V., Misnikov O. S., Popov V. I. Issledovaniye svoystv ognetushashchikh sostavov, modi-fitsirovannykh gidrofobnymi dobavkami na osnove torfyanogo syrya [Investigation of dry chemicals modified by hydrophobic additives based on peat raw]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 5, pp. 81-86.
3. Misnikov O. S. Issledovaniye svoystv portlandtsementa, modifitsirovannogo gidrofobnymi dobavkami na osnove torfa [Investigation of portland cement chemicals modified by hydrophobic additives based on peat raw]. Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnik—All the Materials. Encyclopedic Reference Book, 2013, no. 8, pp. 35-43.
4. Rakovskiy V. Ye., Kaganovich F. L., Novichkova Ye. A. Khimiyapirogennykhprotsessov [Chemistry of pyrogenic processes]. Minsk, AN BSSR Publ., 1959. 208 p.
5. Baratov A. N., Vogman L. P. Ognetushashchiyeporoshkovyye sostavy [Extinguishing powders]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1982, pp. 26-27.
6. Abduragimov I. M. O mekhanizmakh ognetushashchego deystviya sredstv pozharotusheniya [About mechanisms of fire extinguishing action of fire extinguishing means]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 4, pp. 60-82.
7. Sabinin O. Yu. Optimalnyye kharakteristiki ognetushashchikhporoshkov iparametry ikhpodachi dlya impulsnykh moduley poroshkovogo pozharotusheniya. Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk [Optimum performance of extinguishing powders and their flow parameters for pulse dry chemical fire fighting unit. Abstracts of cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2008. 14 p.
8. Bukhtoyarov D. V. Laboratornyye ispytaniya i metodika opredeleniya ognetushashchey kontsentratsii poroshkovykh sostavov pri ikh podache sverkhu [Laboratory tests and method of determining the concentration of extinguishing powder formulations when applying overhead]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2010, no 3, pp. 130-133.
