Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГАШЕНИЯ ПОЖАРА

Изобретение относится к области тушения пожаров при хранении и мультимодальной (двумя видами транспорта) перевозке самонагревающихся углей, вызывающих их возгорание.

Сохранение и безопасность транспортировки углей заключается в том, что угли от места добычи (шахт) доставляются потребителю, чаще всего, железнодорожным и водным транспортом. Причем, для безопасного накопления судовой партии груза, отличающейся большой массой, уголь после выгрузки из вагонов в порту погрузки на судно морского города складируют в его окрестностях на открытых площадках в штабелях достаточно продолжительное время. Это приводит, с одной стороны, к перегреву угля в штабеле, а с другой, ведет к развитию в нем окислительных процессов с ростом температуры угля до недопустимых значений (более +35°С), обуславливающих риск возникновения эндогенных (эндо … от гр. endon - внутри + geno - происхождение. - М.: «Советская энциклопедия, 1985. - С. 1544) пожаров как в местах его складирования близ городов, так и в грузовых помещениях судна во время перевозки.

Известен способ предупреждения самовозгорания угля в шахтах, включающий подачу в потенциальные очаги пожара (выработанные пространства) замороженной жидкости, получаемой (а.с. СССР 2472938 кл. E21F 5/02) при смешивании с жидким газом. При этом дополнительно определяют распределение по фракциям частиц угольной пыли, поступающей в выработанное пространство. Недостатком способа является низкая эффективность из-за влияния случайных факторов на образование фракций частиц угольной пыли.

Наиболее близким техническим решением по достигнутому эффекту является «Способ тушения пожара» (а.с. СССР 1718981 А1), заключающийся в подаче в зону горения огнегасителя, перед подачей в зону горения огнегаситель распыляют, смешивают с криогенным продуктом, выдерживают в зоне смешения до полного фазового превращения огнегасителя из жидкого в твердое гранулированное состояние, а криогенного продукта из жидкого в парообразное состояние и разгоняют полученную смесь до скорости, не меньшей скорости распространения звука в парах криопродукта с заданным массовым расходом.

Недостатком известного способа является использование для гашения пожара двухкомпонентной огнегасительной смеси: воды и жидкого азота (криогенпродукта). Вполне очевидно, что использование такого огнегасителя приведет к снижению надежности и увеличению стоимости его использования для гашения эндогенных пожаров, возникающих при хранении и перевозке углей на судах.

Технической задачей заявленного изобретения является устранение данных недостатков путем такого изменения технологической схемы и оборудования для тушения эндогенного пожара, которые позволят перед погрузкой угля на судно в штабеле на складе и на судне использовать более дешевый однокомпонентный огнегаситель, а после выгрузки угля осуществлять его транспортировку на судне в контролируемой и регулируемой по температуре, химическому составу воздушной среде грузового помещения.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе гашения пожара, включающем подачу в зону горения огненасителя, в отличие от него в заявленном при формировании, для морской транспортировки на складской площадке морского порта или железнодорожного узла штабеля угля большой массы, обладающего свойством самонагревания, для гашения эндогенного пожара в штабеле используют однокомпонентный огнегаситель в виде искусственного снега, который образуют из воды посредством снежной пушки, содержащей снегогенератор, систему автоматизации и компрессор; а для гашения эндогенного пожара в сформированном затем в грузовом помещении транспортного средства штабеле большой массы угля также используют данный огнегаситель, который образуют из воды посредством бытового снежного ружья, питаемого от обычного водного источника, а в качестве источника сжатого воздуха используют бытовые автомобильные автомойки; при этом для предотвращения эндогенного возгорания в образованном штабеле обеспечивают и сохраняют в нем низкую внутриштабельную температуру угля, не превышающую допустимую величину +35°С, путем складирования штабеля на образованное посредством снежной пушки снежное основание со слоем снега не более 3-5 см и последующего покрытия посредством снежной пушки всего образованного штабеля угля слоем толщиной 0,5-0,75 м; причем перед выгрузкой угля из штабеля со снежным покрытием на транспортное средство снег перемешивают с углем посредством экскаватора или другого землеройного средства для образования готовящегося груза в виде небольших смерзшихся кусков, образующих пористую структуру штабеля; затем в течение всего периода транспортировки штабеля самонагревающегося угля его транспортировку на судне осуществляют в условиях, при которых контролируют посредством контрольно-измерительных приборов атмосферу грузового помещения и регулируют в ней температуру и химический состав по углероду, азоту и кислороду в воздушной среде тепловых потоков, выделяющихся из штабеля угля помещения, при этом для оценки и создания необходимых безопасных условий данной атмосферы определяют значение безразмерного показателя «K» Грехема, характеризующего степень окисления углерода выделяющегося теплового потока, по формуле:

где СО, N₂ и О₂, содержание соответственно углерода, азота и кислорода атмосферы данной воздушной среды, %.

И, сопоставляя начальные и текущие значения данного безразмерного показателя, судят в дальнейшем о возникновении или отсутствии в штабеле угля очага эндогенного возгорания, оценивая при этом степень опасности в случае возникшего очага для принятия необходимых мер, причем, для представления соответствующего заключения о наличии либо отсутствии эндогенного возгорания определяют предварительно как значение безразмерного коэффициента опасности «η» по следующей формуле:

где T_i - текущие значения температуры;

Т₀ - предельно допустимая температура на момент погрузки груза +35°С.

Так и дают оценку самой опасности возгорания согласно указанным замерам структурного состава атмосферы в грузовом помещении, определяя безразмерный коэффициент «ζ» исходя из соотношения:

где K - текущее значение показателя Грехема, соответствующее T_i;

K₀ - начальное значение показателя Грехема, соответствующее начальному значению температуры угля, не превышающей +35°С.

И в завершение делают вывод, сопоставляя соответствующие значения «η» и «ζ» с нулем, о состоянии штабеля угля, при котором, в случае наличия значений η>0 и ζ>0, дают заключение, что в штабеле угля температура повышена, и в атмосфере грузового помещения имеется повышенная концентрация токсичного газа, а при наличии значении η<0 и ζ<0 дают заключение, что на данный момент температура в штабеле угля стабильна и не повышается, и концентрация газовой среды в атмосфере грузового помещения находится в допустимых пределах, а при наличии повышенной концентрации токсического газа в атмосфере грузового помещения и повышении температуры в штабеле угля принимают решение охладить уголь охладителем в виде данного искусственного снега в очаге возгорания посредством бытового снежного ружья, и сугубо затем, не ранее, произвести вытяжную вентиляцию грузового помещения, а само количество необходимого снега «М_с» в кг для этого определяют по формуле:

где q_y - удельная теплота сгорания угля, Дж/кг;

M_y - масса нагретого угля, кг;

С_с - удельная теплоемкость снега, Дж/кг К;

ΔT - разность температур снега и угля, К;

λ_с - удельная теплота таяния снега, Дж/кг.

Заявленные отличительные признаки в виде математического выражения обеспечивают возможность применения снега, как эффективного огнегасителя в случае гашения пожара при нормальной влажности атмосферы у очага возникновения возгорания. Для таких моделей огнегасителей, используя теорию Д. Максвелла, 3аявитель представляет возможным формализовать и оценить количественно интенсивность испарения частиц снега - I_c и льда - I_л по формуле:

где r - радиус ледяного шарика или плоской снежинки, мм;

e_н - содержание массы насыщенного пара в воздухе, г/м³;

e_∞ - фактическая влажность воздушной среды, г/м³;

а по формуле

где D - коэффициент диффузии водяного пара, м²/с;

ρ_с - массовая плотность снега, кг/м³;

ρ_л - массовая плотность льда, кг/м³,

найти время полного испарения частиц снега как твердых атмосферных осадков при t ниже 0°С и гранул льда для случая известных значений размеров поверхностей гранулы льда и частицы снега, а также заданных значений их массовых плотностей ρ_с и ρ_л, одинаковом дефиците влажности воздуха (е_н-е_∞), и коэффициенте диффузии водяного пара - D. Считается, что воздух перенасыщен паром, если е_н<е_∞.

Результаты опытных испытаний показали, что за счет меньшей массовой плотности снега (почти в 5 раз) меньшей площади поверхности испарения (в 4 раза), частицы снега испаряются быстрее льда почти в 20 раз.

Опытные данные подтверждают также результаты расчетов, касающихся влияния размеров и соответственно формы снежинок на испарение. Замечено, что чем снежинка меньше, тем быстрее она испаряется. При этом сами ледяные кристаллики снега имеют разнообразную форму снежинок: шестиугольных пластинок, шестилучевых звездочек и др. Эта закономерность позволяет сделать вывод, что снег является лучшим, более эффективным огнегасителем, чем лед. На практике всегда, при использовании снега для тушения пожара к месту возгорания в одно и то же время будет поступать большее количество охладителя, так как I_c>I_л.

В общем, температурно-влажностный режим в грузовом помещении, загруженном углем, достоверно характеризовать и контролировать по следующим критериям:

1. Если интенсивность испарения I>0, то движение охладителя направлено в нужную сторону - к очагу возгорания.

2. Если грузовое помещение перенасыщено паром, т.е (e_н-e_∞)<0, то испарение любых огнегасителей реализовать практически невозможно.

На фиг. 1 представлена иллюстрация снежной пушки.

На фиг. 2 представлена иллюстрация бытового снежного ружья.

Примером в осуществлении предлагаемого способа при перевозке на судах является использование известного оборудования - снежная пушка (фиг. 1) - буксируемое, образующее снег орудие, крупнокалиберное (свыше 155 мм), положительно зарекомендовавшее себя для подготовки и поддержания снежной трассы при осуществлении олимпиады 2014 г. в г. Сочи. Снежная пушка содержит снегогенератор 1, компрессор 2, систему автоматизации (не показано), которые смонтированы на колесном шасси 3, прочной штанге или лыжах (не показано). Воду для компрессора подают по шлангу со специальным разъемом 4. Управляющие сигналы подают от центральной компьютерной системы через отдельный «сигнальный кабель» или по радио (не показано).

При перевозке на судах используют бытовые снежные ружья - одноствольные, гладкоствольные с длинным поворотным стволом 1 (фиг. 2), которые работают от обычных водных источников со шлангом 2 подачи воды («водопровод»), а в качестве источника сжатого воздуха используют компрессор 3.

Заявленный способ осуществляют следующим образом. В порту формируют судовую партию груза (угля) в штабеле (не показано) для перевозки. Как известно, угли в штабеле хранятся длительное время в больших объемах, и в них первоначально температура повышается по всей массе равномерно. Затем в местах высокой аккумуляции тепла самонагревание угля ускоряется, и образуются локальные объемы с повышенной температурой, которые при достижении критической - самовозгораются. Поэтому, до погрузки угля на судно, уголь охлаждают, чтобы на протяжении рейса и перед погрузкой уголь имел температуру не более допустимой - +35°С.

С этой целью при формировании штабеля угля в порту соблюдают требование, в соответствии с которым на протяжении всего периода хранения обеспечивают и сохраняют низкой внутриштабельную температуру. Для этого производят складирование угля на оснеженное основание со слоем снега не более 3-5 см и далее покрытие всего образованного штабеля угля слоем снега толщиной 0,50-0,75 м. Это обеспечивают посредством снежной пушки. По данным испытаний, проведенных на ряде топливных складов, в угле после «шести-девяти месяцев хранения внутриштабельная температура во многих участках штабеля продолжала оставаться ниже нуля и в осеннее-летний период».

В процессе выполнения дальнейшей операции погрузки угля из штабеля со снежным покрытием снег перемешивают с углем экскаватором, скрепером или другими землеройными механизмами, чтобы груз получился в виде небольших смерзшихся кусков, образующих пористую структуру штабеля, обеспечивающую условия для лучшего проникновения охладителя к месту самовозгорания. После погрузки судна в рейсе в грузовых помещениях в штабеле угля могут появляться очаги самонагревания угля, опасность которых в течение всего периода транспортировки определяют по результатам контрольных замеров посредством датчиков и газоанализаторов (не показано) температуры и соответственно структурного химического состава тепловых потоков, выделяющихся из штабеля угля летучих веществ по углероду и кислороду. По данным о динамике изменений показателя «K» Грехема, характеризующего в течении всего периода транспортировки степень окисления углерода, анализируют состав окружающей уголь газовой среды для возможности оценки и создания необходимых безопасных условий данной атмосферы.

Значение этого безразмерного показателя определяют по формуле, учитывающей контрольные замеры концентрации данных газов в %:

где СО, N₂ и O₂ - содержание соответственно углерода, азота и кислорода данной воздушной среды, %.

Сопоставляя начальные и текущие значения этого безразмерного показателя судят почти мгновенно о возникновении в штабеле угля очага возгорания и оценивают уровень опасности возникшего или отсутствие очага эндогенного пожара для принятия соответствующих мер. Для оценки степени опасности возникшего очага и принятия решения о выполнении необходимых мер борьбы с потенциальным пожаром результаты контрольных замеров представляют вначале как значение в безразмерной форме коэффициента опасности «η» по температурным замерам в виде следующей формулы:

где η - коэффициент опасности «η», т.е. коэффициент температурных изменений в штабеле груза в течение известного промежутка времени;

T_i - текущие значения температуры груза, °С;

Т₀ - предельно допустимая температура на момент погрузки груза +35°С.

По указанным замерам структурного состава атмосферы в грузовом помещении судна, установив концентрацию в процентах токсичных газов, оценку самой опасности определяют по соотношению:

где K_i - текущее значение показателя Грехема, соответствующее T_i;

K₀ - начальное значение показателя Грехема, соответствующее начальному значению температуры не выше +35°С.

В завершении делают вывод, сопоставляя значения «η» и «ζ» с нулем о состоянии штабеля угля.

На практике возможны следующие варианты: первый - когда η>0 и ζ>О; второй η<0 и ζ<0.

По значениям η и ζ, соответствующих первому варианту (η и ζ>0), делают вывод, что в штабеле груза температура повышается и в атмосфере грузового помещения имеется повышенная концентрация токсичного газа. Принимают решение - охладить посредством бытового снежного ружья уголь в очаге и произвести вытяжную вентиляцию грузового помещения, причем только после гарантированного отсутствия очага возгорания. Второй вариант характерен для случая, когда η<0 и ζ<0. В этом случае температура в штабеле в данный момент не повышается и концентрация газовой среды в атмосфере грузового помещения находится в допустимых пределах.

Таким образом, профилактические меры борьбы с эндогенным пожаром на судне сводят к следующим действиям

1. Поверхность угля в очаге пожара охлаждают. Для этого в данный очаг подают посредством снежного ружья охладитель - искусственный снег. Количество снега определяют по формуле

где q_y - удельная теплота сгорания угля, Дж/кг;

M_y - масса нагретого угля, кг;

С_с - удельная теплоемкость снега, Дж/кг, К;

ΔT - разность температур снега и угля, К;

λ_c - удельная теплота таяния снега, Дж/кг.

2. Определяют, как изложено, посредством газоанализатора газовый состав атмосферы в грузовом помещении, оценивают ситуацию по критерию Грехема и при отсутствии пожарной опасности включают вытяжную вентиляцию.