Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Условия функционирования технических систем с горючими жидкостями, оказывающими антропогенное воздействие на окружающие экосистемы 11
1.1.1. Экологические последствия испарения горючих жидкостей при аварийном растекании 11
1.1.2. Экологические и социально-экономические последствия горения жидкостей при авариях технических систем 20
1.2. Механизм ликвидации горения жидкостей пеной и основные характеристики пенообразующих составов 31
1.3. Технологии получения и использования быстротвердеющей пены 41
1.4. Цель и задачи исследования 46
2. Объекты и методики исследований 48
2.1. Характеристика объектов исследований 48
2.2. Методики исследования основных характеристик пенообразующих составов и быстротвердеющих пен 53
2.2.1. Кратности пен 53
2.2.2. Продолжительности отверждения пены 56
2.2.3. Устойчивости пенообразующих составов на поверхности горючих жидкостей 58
2.2.4. Изолирующей способности пены на поверхности горючих жидкостей 60
2.2.5. Времени защитного действия пены на поверхности горючих жидкостей 62
2.2.6. Времени тушения пеной низкой кратности 63
3. Экспериментальные исследования основных характеристик пенообразующих составов и быстротвердеющих пен 67
3.1. Исследование рецептуры пенообразующих составов 68
3.1.1. Концентрации карбамидоформальдегидной смолы 69
3.1.2. Концентрации поверхностно-активных веществ 72
3.1.3. Концентрации отвердителя 75
3.2. Исследование продолжительности отверждения быстротвердеющей пены от содержания пенообразующих составов 78
3.3. Определение устойчивости пенообразующих составов и пенна поверхности горючих жидкостей 82
3.4. Исследование изолирующей способности быстротвердеющей пены 91
3.5. Оценка времени защитного действия быстротвердеющей пены на поверхности горючих жидкостей 99
3.6. Исследование огнетушащей эффективности быстротвердеющей пены 100
4. Практические мероприятия по снижению загрязнения атмосферы при ликвидации горения разлившейся горючей жидкости 109
4.1. Способ и технология ликвидации горения разлившейся горючей жидкости пенами 109
4.2. Рекомендации по разработке и совершенствованию специальной техники для получения быстротвердеющей пены 115
Выводы 118
Литература 120
Приложения 130
- Условия функционирования технических систем с горючими жидкостями, оказывающими антропогенное воздействие на окружающие экосистемы
- Характеристика объектов исследований
- Исследование рецептуры пенообразующих составов
Введение к работе
Общество на современном этапе сталкивается с проблемами обеспечения безопасности человека и окружающей среды. В последнее десятилетие наблюдается устойчивая тенденция роста числа аварий, сопровождаемых разливом горючих жидкостей (ГЖ). В зависимости от ряда факторов (характер разрушения, масса испаряющегося продукта и т.п.) аварийная ситуация может развиваться без горения или с горением ГЖ. В последнем случае многократно (иногда в сотни раз) усиливается загрязнение атмосферы продуктами горения.
Многочисленные примеры аварийных разливов нефтепродуктов с последующим горением показывают, что они представляют большую опасность для окружающей среды из-за загрязнения почвы, грунтовых и поверхностных вод, гибели от огня флоры и фауны [22, 33 - 35, 51, 116 - 118]. Практика свидетельствует, что ликвидация аварий, связанных с проливами нефтепродуктов, требует много времени и средств для их сбора и утилизации. При ликвидации аварии важно предотвратить возможность возникновения горения (взрыва) [36, 38, 63, 104, 107 - 109].
Значительный вклад в изучение экологического влияния на окружающую среду аварийных разливов ГЖ и последствий горения различных веществ и материалов внесли Андронова А.В., Бесчастнов М.В., Брушлинский Н.Н., Блинов В.Н., Вязниковцев А.В., Гришин A.M., Гостинцев Ю.А., Исаева Л.К., Измаилов А.С., Копылов Н.П. [12, 13, 22, 37, 40, 53, 54, 63, 64], а также Малыхин А.В., Павлов П.П., Петряков-Соколов И.В., Рыжов A.M., Серков Б.Б., Сутугин А.В., Таубкин И.С, Тимофеева С.С, Хасанов И.Р., Хованов A.M., Худяков Г.Н., Щеглов П.П. и другие [7, 51, 88, 89, 104 - 108], Результаты их исследований позволили дать комплексное представление о воздействии горения на состояние окружающей среды, ими разработаны общие подходы к оценке воздействия пожаров на экосистемы.
5 Одним из перспективных способов снижения интенсивности испарения
ГЖ и ликвидации горения паро-воздушной смеси является применение
воздушно-механических пен (ВМП). Исследованием применения пен для
ликвидации горения индивидуальных веществ и нефтепродуктов занимались
Аксенов В.П., Астапов А.Н., Бегишев И.Р., Безродных И.Ф., Билкун Д.Г.,
Бяков А.В., Былинкин В.А., Власов А.Г., Власенко И.Г., Волков О.М., Грачев
А.В., Гилетич А.Н., Гилетич В.А. [1, 4, 8, 9, 21, 31], а также Дубков П.Ф.,
Крылов Е.В., Кокорев Е.В., Лобода Н.В., Лоран А.Г., Меркулов В.А.,
Меркулов В.А., Молчанов В.П., Пешков В.В., Ремизов Ю.В., Сотников Н.В.,
Теплов Г.С., Троян М.Д., Шароварников А.Ф., Швырков А.Н. и другие [66 -
69, 107, 112, 118]. Ими установлено, что горение ГЖ происходит в паровой
фазе при наличии и доступе кислорода воздуха. Отмечается, что ВМП не
способна в течение длительного времени создавать механическую преграду
для выноса паров ГЖ в атмосферу и предотвращать возможность
возникновения горения.
Одним из перспективных способов, обеспечивающих длительную
изоляцию поверхности испарения пролитой горючей жидкости и
предупреждение воспламенения её паров, является применение
быстротвердеющей пены (БТП) низкой кратности. Пена способна самопроизвольно отверждаться с течением времени и значительно снижать экологическую нагрузку на атмосферу от продуктов аварийного разлива ГЖ. Продолжительность изолирующего действия таких пен может составлять несколько суток. Решающим фактором, влияющим на выбор средства, препятствующего распространению паров нефтепродукта в окружающую среду, является продолжительность существования покрытия.
Особенно эффективно применение БТП при подаче на горящую жидкость, поскольку до отверждения пена покрывает всю поверхность и прекращает горение, а в дальнейшем препятствует повторному воспламенению паро-воздушной смеси.
В то же время практическое применение БТП при аварийных разливах ГЖ сдерживается в силу отсутствия научно обоснованных биологически мягких пенообразующих составов и технологий использования пен, а также отсутствия эффективных технических решений для их получения и подачи, в связи с этим вопросы, решаемые в диссертационной работе, являются актуальными.
В связи с выше изложенным, целью работы является разработка практических мер, направленных на снижение загрязнения живой природы при аварийных разливах горючих жидкостей, путем использования быстротвердеющей пены на основе биологически мягких поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Задачи диссертационной работы следующие:
Исследовать условия функционирования технических средств с ГЖ, при авариях, оказывающих антропогенное воздействие на окружающие экосистемы в виде продуктов испарения и горения жидкостей.
Разработать пенообразующий состав на основе биологически мягких ПАВ.
Исследовать основные характеристики пенообразующих составов, определяющих целесообразность их применения для снижения загрязнения живой природы при аварийных разливах ГЖ.
Определить изолирующую способность и время защитного действия БТП на поверхности различных ГЖ, которые характеризуют целесообразность их применения для снижения загрязнения атмосферы при аварийных разливах.
Разработать способ ликвидации горения и новую технологию использования БТП для тушения паровоздушной смеси, снижающие неблагоприятные экологические последствия при аварийном разливе ГЖ.
Научная новизна работы состоит в: определении состава пенообразующей композиции для получения БТП со свойствами, необходимыми для применения её в качестве средства снижения загрязнения живой природы при аварийных разливах ГЖ;
экспериментальном обосновании зависимостей пенообразующей способности, периода отверждения и устойчивости БТП от концентрации компонентов пенообразующего состава, а также изолирующей способности БТП от толщины пенного слоя;
оценке изолирующей способности, продолжительности изолирующего действия, устойчивости и периода отверждения БТП на поверхности полярных жидкостей, предельных углеводородов и наиболее распространенных нефтепродуктов;
разработке новой технологии использования БТП для снижения экологической нагрузки на окружающую экосистему продуктами испарения и горения ГЖ при аварийном разливе.
Достоверность научных положений подтверждается использованием стандартных методов испытаний пенообразующих составов; использованием современных методов обработки и анализа данных; значительным объемом проведенных лабораторных и натурных экспериментов; удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований и их компьютерным моделированием.
Практическая значимость:
Разработан пенообразующий состав на основе биологически мягких ПАВ для получения БТП, способной обеспечивать длительную изоляцию поверхности ГЖ от окружающей среды.
Разработана установка для получения и исследования свойств БТП в лабораторных и натурных условиях.
Разработан способ ликвидации горения, и новая технология использования БТП для тушения паровоздушной смеси, снижающие неблагоприятные экологические последствия при аварийном разливе ГЖ.
Результаты диссертационного исследования внедрены: на объектах ЗАО «Иркутскнефтепродукт»; в Государственной противопожарной службе ГУ МЧС России по Иркутской области; в учебном процессе и при выполнении НИР Восточно-Сибирского института МВД России.
8 Апробация работы. Основные положения диссертации, результаты
теоретических и экспериментальных исследований представлялись и обсуждались на: всероссийских научно-практических конференциях «Перспективы деятельности ОВД и ГПС» (Иркутск, 2001), «Деятельность правоохранительных органов и ГПС» (Иркутск, 2002, 2003), «Деятельность правоохранительных органов и ГПС в современных условиях: проблемы и перспективы развития» (Иркутск, 2004, 2005); 10-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов с международным участием (Иркутск, 2005); 6-ой Международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2005); 19-ой научно - практической конференции «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (Москва, 2005).
Аннотация диссертационной работы по главам.
Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследований, даны характеристики объектов исследования, сформулированы основные положения, определившие научную новизну и практическую значимость работы.
В первой главе изложены результаты анализа экологических и социально-экономических последствий аварийных разливов различных ГЖ, оценки воздействия их горения на окружающую среду. В главе обоснована возможность и целесообразность использования БТП на основе биологически мягких ПАВ для снижения загрязнения живой природы от продуктов испарения и горения ГЖ при аварийных разливах.
Во второй главе изложена краткая характеристика объектов и методик исследований, а также представлено описание специально изготовленной экспериментальной установки. В качестве объектов исследования использовался широкий перечень веществ. Для получения БТП применяли карбамидоформальдегидную смолу марки «живучая» (КФ-Ж), пенообразователи марок ПУНШ-С, ПО-6НП, ПО-6ТС, ортофосфорную и
9 соляную кислоты. В качестве ГЖ использовали нефть, дизельное топливо, бензин; из предельных углеводородов октан и гептан; изобутиловый, изопропиловый и бутиловый спирты; сложные эфиры бутилацетат и этилацетат, как наиболее распространенные и экологически опасные вещества.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований основных характеристик пенообразующих составов и БТП. Математическая обработка данных проводилась с использованием программ EXEL и ORIGIN. Результаты лабораторных и натурных экспериментов по исследованию изолирующей способности, продолжительности изолирующего действия, устойчивости и периода отверждения пены на поверхности полярных жидкостей, сложных соединений, предельных углеводородов и наиболее распространенных нефтепродуктов показали возможность и целесообразность применения БТП на основе биологически мягких ПАВ для снижения загрязнения живой природы при аварийных разливах ГЖ.
Четвертая глава посвящена разработке практических мер, направленных на снижение неблагоприятных экологических последствий горения паро-воздушной смеси при аварийном разливе ГЖ, в частности: способа, ликвидации горения и новой технологии использования БТП для тушения паро-воздушной смеси при аварийном разливе ГЖ. Применение результатов исследований позволяет снизить удельный расход пенообразующего состава, время, количество привлекаемых сил и средств для ликвидации горения, и в конечном итоге значительно уменьшить экологическую нагрузку аварийного разлива ГЖ на окружающую среду.
В заключении диссертации сформулированы основные научные положения и результаты диссертационной работы.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 128 наименований. Содержит 133 страницы, включая 41 рисунок и 18 таблиц.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментальных исследований по определению состава пенообразующей композиции для получения БТП со свойствами, необходимыми для применения её в качестве средства снижения загрязнения живой природы при аварийных разливах ГЖ.
Результаты лабораторных и натурных экспериментов по исследованию изолирующей способности, продолжительности изолирующего действия, устойчивости и периода отверждения БТП на поверхности полярных жидкостей, предельных углеводородов и наиболее распространенных нефтепродуктов.
3. Аналитические зависимости пенообразующей способности, периода
отверждения и термической устойчивости БТП от концентрации компонентов
пенообразующего состава, а также изолирующей способности БТП от
толщины пенного слоя.
4. Комплекс практических мер, направленных на снижение
неблагоприятных экологических последствий горения паровоздушной смеси
при аварийном разливе ГЖ.
Автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Удилову В.П., научному руководителю доценту Машовичу А.Я., сотрудникам Восточно-Сибирского института МВД России и Братского государственного университета за заинтересованное и благожелательное отношение, помощь в сборе необходимых материалов, многочисленные консультации, а также критические замечания и пожелания, которые способствовали улучшению содержания и оформления настоящей работы.
Условия функционирования технических систем с горючими жидкостями, оказывающими антропогенное воздействие на окружающие экосистемы
Процесс испарения жидкостей с открытой поверхности приводит к загрязнению атмосферы и создает взрывопожароопасную ситуацию. При изучении процессов испарения жидкостей важнейшим показателем, определяющим количество паров, которые поступают в окружающее пространство, является площадь зеркала испарения. В связи с этим, проведем анализ результатов исследований, посвященным изучению закономерностей растекания горючих жидкостей по различным поверхностям в производственных помещениях и в естественной природной среде. В работе [87] приведены данные о растекании некоторых жидкостей на различных поверхностях. Анализ этих данных показывает, что удельная площадь пролива 1 л ГЖ достигает нескольких квадратных метров и определяется природой жидкости, а также видом и свойствами поверхности. Алексеев MB., Волков О.М., Шатров Н.Ф. в работе [4] указывают, что 1 л авиационного топлива марки Т-1, растекаясь по бетонной горизонтальной площадке при температуре 18 С, занимает площадь 0,8 м2, а тоже количество минерального масла (вязкость при 18 С равна 30 см /с) занимает площадь 0,2 м . В этой же работе приведен пример аварии на магистральном нефтепроводе, при которой около 3000 м3 нефти растеклось по уклону на расстоянии 2 - 2,5 км, достигая на некоторых участках ширины 100 - 150 м. При этой аварии удельная площадь пролива составила около 0,05 м2/л. Исследованию растекания жидкостей на горизонтальной поверхности посвящено ряд работ Реутта В.Ч., так в работе [95] приведены данные по растеканию горючих жидкостей автола АС-10, масла для высокоскоростных механизмов, дизельного топлива и бензина по горизонтальной поверхности стекла. При этом в первой серии опытов радиус растекания измерялся при однократном разливе определенного объема жидкости, а в опытах второй серии жидкость подавалась непрерывно с постоянным расходом. Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость радиуса растекания от времени, объема, и вязкости жидкости при разовом истечении с достаточной степенью точности может быть представлена уравнением Пчелинцев В.А. с учеными МИСИ им. В.В. Куйбышева при разработке принципов категорирования производств по взрывопожарной и пожарной опасности много внимания уделяли экспериментальному и теоретическому исследованию площади пролива различных жидкостей. В работе [92] ими изучался пролив ацетона, бензина Б-70, ксилола, толуола, растворителя Р-5 и нитроцеллюлозного лака НЦ-222 на пол из бетонных плиток на наполнителе из мраморной крошки. Установлено, что при малых количествах пролитой жидкости на величину площади пролива влияют физические свойства жидкости и материала пола. С увеличением количества жидкости на величину площади начинают оказывать влияние состояние поверхности, на которую разливалась жидкость, и, прежде всего неровности, углубление швов между плитками пола, шероховатость и тому подобное. Так, например, при проливе десяти литров ацетона 1 л разливался на площадь 0,95 м , а при больших количествах на 0,82 - 0,85 м . При подсчете площади пролива жидкости по полу в производственных условиях в формулу вводится коэффициент Кп, характеризующий состояние поверхности пола и учитывающий неровности, шероховатость, впитываемость жидкостей материалов пола и.т.д. Значения Кп рекомендуется выбирать исходя из статических данных, полученных экспериментально. Так, для полов из бетонной плитки на наполнителе из мраморной крошки Кп равен 0,485. Это значение подтверждается также данными, приведенными в работе [87]. Сравнение площадей пролива жидкостей, полученных экспериментально, с расчетами по приведенной формуле позволяет сделать вывод об удовлетворительной сопоставимости полученных результатов. При этом при малых количествах жидкости (до 10 л) отмечается некоторое уменьшение площади пролива, полученное расчетным методом. Авторы объясняют это тем, что при растекании малого количества жидкости влияние Кп сказывается в уменьшении степени. Вместе с тем в большинстве случаев пролив жидкостей в количествах от 1 до 10 л недостаточен для образования паро-воздушной смеси взрывоопасной концентрации и не характерен при оценке степени взрывоопасное ситуации. В работе так же отмечается, что площадь пролива жидкостей может определяться расчетным методом. В тоже время при этом необходимо учитывать, что для количества ГЖ более 10 л расчетная площадь разлива отличается от экспериментальных данных до 20 %. Если же количество разлившейся жидкости превышает 40 л, расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышает 4 %.
Характеристика объектов исследований
В диссертационной работе в качестве объектов исследований использовался широкий перечень веществ и материалов. При выборе и обосновании объектов исследований учитывали [6, 103, 119]:
- особенности получения БТП;
- распространенность марок карбамидоформальдегидных смол;
- возможность использования биологически «мягких» ПАВ для получения БТП;
- наиболее часто встречаемые в аварийных ситуациях нефтепродукты;
- горючие жидкости, оказывающие наиболее разрушающее действие на пены;
- возможность проведения лабораторных экспериментов;
- возможность проверки результатов исследований.
На рис. 2.1. представлены группы веществ, используемых в работе в качестве компонентов пенообразующих составов для получения БТП.
Пенообразователь «ПУНШ-С» представляет собой гранулы желтого цвета (ТУ 38-50734-88), предназначен для теплоизоляции грунта.
Поставляется в крафт-мешках, хранится неограниченно в сухих закрытых помещениях. Используется в виде 10 % водного раствора, не имеет посторонних включений, не горюч, биологически мягкий.
Ортофосфорная кислота Н3Р04 - бесцветная жидкость. Кислота не принадлежит к числу сильных кислот. Применяется для изготовления фосфорных удобрений, в пищевой промышленности, в производстве зубных и специальных цементов, удаления накипи в паровых котлах, в составе препаратов для защиты металлов от фармацевтической промышленности.
Соляная кислота НС1 - бесцветная жидкость с резким запахом, техническая кислота обычно окрашена примесями в желтый цвет. Соляная кислота одна из самых сильных кислот. Она энергично взаимодействует со многими металлами и оксидами металлов [6, 18].
Кратность пены характеризуется величиной равной отношению объема пены к объему раствора, содержащегося в ней и рассчитывается по соотношению (1.15.). Определение кратности БТП проводили по разработанной нами методике. При разработке методики учитывали требования испытания кратности ВМП [20, 74].
Описание экспериментальной установки
Для лабораторных исследований использовался размельчитель тканей РТ-1 (ТУ64-1 -1505-72), который состоит из двух основных частей - корпуса и стеклянного стакана. В корпус вмонтирован электродвигатель, имеющий на валу муфту с квадратным наконечником, установленным на дне стакана и предназначенным для соединения с приводом лопастей.
На корпусе прибора имеется переключатель для изменения числа оборотов мотора. В нулевом положении переключателя прибор обесточен, при вращении ручки по часовой стрелке число оборотов возрастает.
Исследование рецептуры пенообразующих составов
К недостаткам существующих пенообразующих составов для получения БТП следует отнести то, что в качестве ПАВ в растворе применялись биологически жесткие пенообразователи. Такие пенообразующие составы не отвечают требованиям охраны окружающей среды. К экологическим показателям пенообразователей относят их биоразлагаемость и токсичность. Согласно ГОСТ Р 50588 - 93 разрешается сброс биологически мягких пенообразователей в производственные сточные воды (биоразлагаемость более 80%) и запрещается сброс в систему канализации населенных пунктов биологически жестких пенообразователей (биоразлагаемость не более 40%). Учитывая вышеизложенные требования нормативных документов экспериментальные исследования, были направлены на возможность получения БТП из пенообразующего состава на основе биологически мягких пенообразователей. Исследования зависимости кратности пенообразующего состава от содержания в рабочем растворе карбамидоформальдегидной смолы проводились с изменением концентрации КФ-Ж при постоянной концентрации остальных компонентов. Исследованию подвергались следующие рабочие растворы: пенообразователь - 5 см ; карбамидоформальдегидная смола от 3,0 до 75 см , вода - остальное до 100 см . Во всех опытах объем рабочего раствора составлял 100 см . При исследованиях определялись: объем и кратность полученной пены. Результаты экспериментов приведены в табл. 7. При проведении экспериментов установлено, что полученная пена кратностью до 3,35 не отвечает предъявленным требованиям. После завершения вспенивания происходило разложение верхнего слоя, интенсивное разрушение структуры пены с выделением жидкой фазы. Пена кратностью от 4,4 до 4,7 отличалась от предыдущей однородностью своей структуры. Разложение верхнего слоя пены не наблюдалось. Усадка пены проводилась с сохранением ее физико-химических свойств. В процессе проведения экспериментов было установлено, что от изменения содержания карбамидоформальдегидной смолы в пенообразующем составе изменяется структура быстротвердеющей пены. Увеличение содержание смолы от 3,0 до 20 % в рабочем растворе приводит к увеличению кратности полимерной пены соответственно от 3,6 до 4,8 (рис. 3.1). Дальнейшее увеличение содержания КФ-Ж в рабочем растворе до 75 % приводит к постепенному снижению кратности пены до 2,7. При математической обработке результатов лабораторных исследований получена аналитическая зависимость вида: Таким образом, минимально допустимая концентрация карбамидоформальдегидной смолы в рабочем растворе пенообразующей композиции составляет 3,5 % от объема раствора. Рекомендуемая концентрация КФ-Ж в рабочем растворе для получения БТП со свойствами необходимыми для решения поставленных задач составляет 15 - 25 % от объема раствора. Дальнейшее увеличение концентрации КФ-Ж в рабочем растворе для получения БТП не целесообразно по причине снижения кратности пены и неоправданных экономических расходов. Исследования зависимости кратности пен от содержания в рабочем растворе ПАВ проводились с использованием биологически мягких пенообразователей: ПУНШ-С; ПО-6НП; ПО-6ТС. Все экспериментальные исследования проводились с изменением концентрации пенообразователей при постоянном объеме карбамидоформальдегидной смолы и ортофосфорной кислоты. Приготавливались следующие рабочие составы: КФ-Ж - 20 см пенообразователи от 1 до 8 см3, вода - остальное до 100 см3 рабочего раствора.
