Содержание к диссертации
Введение
I Состояние вопроса. Обзор и анализ работ по теме. Цель и задачиисследования 8
1.1 Исследование взрывчатых свойств сульфидной пыли и образования сернистого газа 9
1.2 Механизм образования сернистого газа при горении и взрыве сульфидной пыли 21
1.3 Современные методы предотвращения выбросов сернистого газа при взрывных работах на сульфидных рудниках 31
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 41
II Теоретические исследования процессов, снижающих выброс сернистого газа при производстве взрывных работ 45
11.1 Исследования механизма ингибирования 45
11.2 Исследования по изменению рецептуры ВВ 60
1.1.З Выводы по главе II 75
III Лабораторные исследования по ингибированию реакции горения сульфидной пыли с целью снижения выброса сернистого газа 77
Ш.1 Хроматографический анализ ингибирования 77
III.2 Влияние дисперсности, концентрации, физико-химических свойств различных ингибиторов на снижение выброса сернистого газа 85
IV Технологические способы и средства снижения выбросов сернистого газа при взрывных работах на колчеданных рудниках 91
IV. 1 Выбор наполнителя в составе ВВ для снижения выброса S02 92
Производственные испытания составов ВВ с различными наполнителями 97
ЗВыводы по главе IV 100
Заключение 102
Библиофафический список: 104
Приложения 112
- Механизм образования сернистого газа при горении и взрыве сульфидной пыли
- Современные методы предотвращения выбросов сернистого газа при взрывных работах на сульфидных рудниках
- Исследования по изменению рецептуры ВВ
- Влияние дисперсности, концентрации, физико-химических свойств различных ингибиторов на снижение выброса сернистого газа
Введение к работе
Актуальность работы. Дальнейший рост добычи полезных ископаемых подземным способом и проведение горных выработок требуют совершенствования и создания новых технологий взрывного разрушения горных пород, обеспечивающих экологическую и технологическую безопасность горного производства особенно в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли.
Взрывные работы на колчеданных, антимонитовых и полиметаллических рудниках сопровождаются взрывами сульфидной пыли, что приводит к существенным выбросам сернистого газа. Это в значительной мере повышает опасность производства, затрудняет проветривание выработок, ухудшает санитарно-гигиенические условия в призабойном пространстве и снижает производительность труда.
Для повышения эффективности и безопасности добычи сульфидных руд весьма важным является разработка методов и средств борьбы с взрывами сульфидной пыли, приводящими к выбросам сернистого газа, концентрация которого в сотни раз превышает уровень ПДК.
Все существующие способы и средства направлены в основном на борьбу со взрывами уже образованной сульфидной пыли при взрывной отбойке или на подавлении опасных концентраций сернистого газа, образовавшегося в результате взрыва пыли. Отсутствие научно обоснованного метода оценки параметров образования опасных концентраций сернистого газа в ближней зоне взрыва и его ингибирования на начальной стадии, затрудняет обеспечение безопасности ведения взрывных работ.
Поэтому создание эффективных способовшижения выбросов сернистого газа при производстве взрывных работ на колчеданных рудниках представляет актуальную задачу, решение которой позволит повысить уровень безопасности
этих работ и снизить отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду.
Цель диссертационной работы: Снижение выбросов сернистого газа при производстве взрывных работ на колчеданных рудниках на основе использования инертных ингибирующих добавок в зоне воспламенения сульфидной пыли.
Идея работы: Использование доломитовой муки в составе ВВ в сочетании со специальной конструкцией заряда с применением газодинамического запирающего устройства обеспечивает ингибирование сернистого газа в зоне взрыва и горения сульфидной пыли.
Задачи исследований:
Разработка модели механизма ингибирования реакции горения сульфидной пыли в бризантной зоне действия взрыва;
Исследование рецептур ВВ с различными добавками с целью снижения воспламеняющей способности взрыва;
Разработка конструкции заряда ВВ, обеспечивающего снижение выброса сернистого газа.
Защищаемые научные положения:
Выброс сернистого газа опасной концентрации обусловлен выгоранием сульфидной пыли дисперсностью до 150 мкм в ближней зоне взрыва;
Снижение выброса сернистого газа до уровня ПДК достигается введением в состав ВВ 10% (мае.) доломитовой муки CaMgC^O^;
Реализация ингибирующих свойств карбонатных добавок обеспечивается применением специальной конструкции заряда ВВ, включающей профилированную забойку.
Научная новизна работы: Предложен термодинамический метод моделирования химических и фазовых равновесий произвольных гетерогенных систем для оценки ингибирующих свойств различных добавок; установлено ингибирующее действие различных добавок на процесс горения сульфидной
6 пыли в зависимости от их содержания в заряде; доказано, что введение мочевины в состав ВВ увеличивает выброс H^S и др. ядовитых газов.
Методы исследований. Обзор и анализ исследований отечественных и зарубежных учёных и практиков в области взрывного дела, комплексное использование теоретических и экспериментальных методов в лабораторных и производственных условиях, применение физико-математического моделирования на ЭВМ процессов горения и взрыва сульфидной пыли, математической статистики, теории планирования эксперимента.
Достоверность научных положений подтверждается:
обширным объемом проанализированной и обобщенной информации
отечественных и зарубежных исследований; корректностью и адекватностью
принятой модели образования сернистого газа при взрыве; использованием
современных методов исследования высокотемпературных
быстропротекающих процессов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных данных с результатами производственных испытаний; использованием разработанных конструкций зарядов при проходке горных выработок на руднике ОАО «Гайский ГОК».
Практическая значимость работы :
обоснована экономическая целесообразность применения доломитовой муки в составе ВВ для ингибирования сернистого газа;
установлены рациональные параметры снижения выброса сернистого газа путём ингибирования реакции горения сульфидной пыли в бризантной зоне действия взрыва;
разработана конструкция заряда и состав ВВ, обеспечивающие снижение выброса сернистого газа до уровня ПДК при ведении ВР на колчеданных, антимонитовых и полиметаллических рудниках.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «Гайский ГОК» при проведении горных выработок в опасных забоях по взрыву сульфидной пыли. Научные и практические результаты диссертации
используются в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам «Технология и безопасность взрывных работ», «Теория горения и детонация», «Промышленные взрывчатые вещества».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г.Санкт-Петербург, 2000, 2002г.г.), на республиканской научно-практической конференции "Человек на Севере в XXI веке: горное дело, ТЭК, экология" (г.Воркута, 2001г.), на днях "Недели Горняка" (г.Москва, МГГУ, 2003г.), на научных семинарах кафедры РМОС и РГП в СПГГИ (ТУ).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы, подана заявка на патент РФ «Взрывчатое вещество для серных и колчеданных рудников», зарегистрированная под № 2003106037 с приоритетом от 03.03.2003 (соавторы Г.П.Парамонов, В.А.Артёмов, Ю.А.Миронов).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 111 страниц, содержит 10 таблиц, 27 рисунков и список литературы из 98 наименований, а также 7 таблиц в приложении.
Автор выражает искреннюю благодарность за неоценимую помощь и консультации в написании диссертации профессору, д.т.н. Г.П.Парамонову, развитие идей которого способствовали успешному выполнению работы; доценту Ю.А.Миронову за содействие в проведении лабораторных экспериментов, профессору, д.т.н. М.Г.Менжулину, доценту В.А.Артемову и другим сотрудникам кафедры РМОС и РГП за практические советы при выполнении и написании диссертации.
Механизм образования сернистого газа при горении и взрыве сульфидной пыли
В настоящее время механизм образования сернистого газа при взрыве ивоспламенении сульфидной пыли изучен не достаточно полно. Считается, чтосвоей основой взрыв сульфидной пыли имеет экзотермическую реакциюокисления сульфида кислородом воздуха, аналогичную реакции при обжигесульфидов в обжиговой печи. В результате чего происходит диссоциация свыделением элементарной серы, которая и является основной причиной взрываподобно летучим в угле. По данным М.Н.Осипова [47] при взрыве сульфиднойпыли выгорает 10 - 20 % серы, находящейся в породе, что является основнымисточником выброса сернистого газа. Сернистый газ — бесцветный газ с резкимудушливым запахом. При растворении его в воде (при 0С один объём водыспособен растворить 70 объёмов SO2) образуется сернистая кислота H2SO3,которая известна только в растворах. В промышленности сернистый газполучают при обжиге сульфидных руд (например пирита) или при сжиганиисеры: 4FeS2 + 1102 = 2Fe203 + 8S02.
Наиболее важные исследования в области развития теории горения газовых систем принадлежат академику Н.Н.Семенову и его школе [60]. Тепловая и цепная теории воспламенения газовых смесей, разработанные Н.Н.Семеновым, послужили отправной точкой теоретических работ в области химической кинетики горения.
Существенный вклад в понимание механизма и кинетики горения твердого топлива сделан Д.А.Франк-Каменецким, О.М.Тодесом, К.И.Щелкиным [67, 71, 88]. Значительные результаты в области горения гомогенных систем и условий перехода его во взрыв достигнуты Я.Б.Зельдовичем, А.Ф.Беляевым, Л.Н.Хитриным, и др. [7, 24, 26, 72]. В меньшей степени изучена кинетика горения пылегазовых систем. Тодес О.М. с сотрудниками [68] проанализировал основные особенности горения аэрозолей, ясно раскрыл физическую сущность явления. Авторы экспериментально и теоретически исследовали нестационарные процессы в горящем аэрозоле с позиции радиационной теории распространения пламени. В работе Бургойна и Коэна [92] отмечен интересный факт: при концентрациях, близких к нижнему концентрационному пределу, в аэрозоле капель тетралина размер микропламен вокруг отдельных частиц приблизительно совпадал с расстоянием между частицами. Это обстоятельство и явилось экспериментальным обоснованием "эстафетного" механизма горения.
Известно, что процесс воспламенения и взрыва азрозолей весьма сложен и по своей природе и механизму распространения пламени в наибольшей мере приближается к процессу сгорания газовых систем. Это дает возможность воспользоваться имеющимися исследованиями в области кинетики горения при изучении процессов воспламенения и взрыва пыли в горных выработках.
Наиболее полно изучены вопросы, связанные с воспламенением пылевоздушных систем в угольных шахтах. Этой проблеме посвящены исследования А.А.Скочинского, Б.Е.Долгова, В. Цибульского, А.Н.Быкова, Ф.М.Гельфанда, М.Г.Годжелло, П.Н.Петрухина, С.Я.Хейфица, Г.Н.Крикунова и других [16, 18, 55, 63, 65, 87, 94].Однако, исследования кинетики воспламенения сульфидов, как у нас, так и за рубежом, малочисленны и связаны, в основном, с изучением металлургических процессов.В работах В.И.Смирнова, Г.Н.Рысс, А.И.Тихонова установлен адсорбционный механизм воспламенительного окисления сульфидов [58, 64]. При этом отмечены следующие стадии:1. Адсорбция молекулярного кислорода на поверхности сульфида и его диссоциация на атомарный кислород. 2. Диффузия кислорода внутрь кристаллической решетки сульфида и обратная диффузия серы на поверхность раздела фаз. 3. Образование первичных соединений сульфида с атомарным кислородом типа сульфата. 4. Химическое взаимодействие образовавшегося промежуточного продукта (сульфата) с оставшимся сульфидом, образование окисла и выделение (десорбция) сернистого ангидрида. Реакция окисления сульфидной пыли имеет цепно-тепловой характер и протекает по следующей схеме: FeS2 + 02 - FeS + SO + О ; FeS + 02 - FeO + S02; 2FeO + О - Fe203; SO + 02 " S02 + О ; SO + SO - S02 + S ; S + 02 - SO + O; Активными центрами в этих реакциях являются SO и О. Основная реакция окисления сульфидов в общем виде:2MeS + 302 - 2МеО + 2S02 (1.2. 1)По В.И.Смирнову [64] эта реакция является экзотермической и гетерогенной. Согласно положениям макрокинетики [24, 25, 26, 30, 32, 60, 71, 72, 89] для подобных реакций существенные значения имеют как диффузия газовых реагентов в твердые частицы и газ, так и явление теплопередачи. Условия теплового возгорания сульфидов выявляются из соотношения генерации тепла и отдачи тепла в среду. Количество выделившегося тепла (генерация) в результате экзотермической реакции пропорционально скорости гетерогенного процесса окисления сульфидов, а количество отводимого тепла определяется условиями теплопередачи.
Скорость гетерогенных процессов определяется истинной скоростью химической реакции на поверхности сульфидной пыли и скоростью подвода реагирующих веществ к этой поверхности молекулярной или конвективной диффузией. При низких температурах, которые наблюдаются в первоначальный период воспламенения, скорость химической реакции значительно меньше скорости диффузии. Лишь небольшое количество молекул кислорода проникает через пограничный слой и вступает в реакцию с сульфидом. Суммарная скорость процесса, а вместе с ней и выделяющееся тепло, в этом случае определяется скоростью реакции окисления твердого тела и возрастает экспоненциально с повышением температуры согласно закону Аррениуса [67]:
Современные методы предотвращения выбросов сернистого газа при взрывных работах на сульфидных рудниках
Как уже было отмечено многими исследованиями, при отбойке колчеданных руд нередко наблюдаются взрывы и вспышки сульфидной пыли, сопровождающиеся выбросами опасного количества сернистого газа, значительно превышающего допустимое по нормам. Выделение большого количества сернистого газа при таких взрывах вызывает загазирование выработок, что приводит к длительным простоям забоев, а иногда и к тяжёлым отравлениям людей. Возникшая при взрыве сульфидной пыли ударная волна разрушает горные выработки, оборудование и вентиляционные устройства. Имелись случаи возникновения пожаров.
Взрывы сульфидной пыли, как правило, возникают при отработке крепких колчеданных руд системами подэтажных штреков и этажного обрушения. А чаще всего взрывы пыли происходят на участках сплошных сульфидных руд с высоким содержанием серы и в сухих плохо проветриваемых и тупиковых забоях.
Практически единственным источником взрыва сульфидной пыли являются разогретые газообразные продукты ВВ. Температуру газов можно в значительной степени понизить, вводя в состав ВВ инертные пламегасители. Но это неизбежно связано с потерей мощности ВВ, что особенно нежелательно при взрывных работах по крепким колчеданным рудам (12-17 по шкале проф. М.М. Протодья конова). Другое средство снижения температуры взрывных газов, выходящих в атмосферу, - внутренняя забойка, которая препятствует свободному выбросу продуктов взрыва из шпуров и предотвращает в начальный момент взрыва непосредственный контакт их с атмосферой забоя.
В настоящее время при разработке взрывоопасных колчеданных руд на большинстве рудников в той или иной степени проводятся мероприятия по предупреждению взрывов пыли и выбросе сернистого газа. В ряде случаев применение этих профилактических мероприятий осуществляется без учетастепени взрывчатости сульфидных аэрозолей, что в значительной степениснижает эффективность борьбы с пылегазовым выбросом. Выборпрофилактических мероприятий производится, как правило,экспериментальным путём без достаточного теоретического обоснования.Результативным направлением борьбы с воспламенением и взрывом сульфидной пыли, сопровождающиеся выбрбСйЖсернистого газа, является снижение температуры продуктов детонации ВВ. С целью реализации этой идеи были предприняты попытки использования предохранительных ВВ, испытания которых, в частности аммонита N8, впервые проводились на Дегтярском руднике [10,11]. В процессе исследований было установлено, что применение предохранительного аммонита N8 не дает полной гарантии предотвращения взрывов сульфидной пыли, а также ведёт к понижению эффективности отбойки руды по сравнению с непредохранительными ВВ. Попытка применения серного аммонита N1 на том же руднике показала абсолютную его непригодность вследствие крайне малой мощности.
Институтом ЦНИГРИ были проведены работы на Дегтярском руднике по созданию новых предохранительных ВВ [28, 48]. Исследования, проведённые на предмет влияния различных пламегасителей, вводимых в состав ВВ, на взрывчатость пыли дали следующий результат:1. Наиболее эффективным пламегасителем для сульфидной и серной пыли является хлористый аммоний (NH4CL).2. Использовать хлористый аммоний в качестве основы для создания предохранительного ВВ.
В дальнейшем были изготовлены опытные партии сульфидных аммонитов ВС-1 и ВС-2 [10]. Однако, по своей эффективности новые предохранительные ВВ оказались значительно слабее непредохранительных ВВ. Вследствие этого они не получили распространения на рудниках и в настоящее время фактически не применяются. Другим направлением в решении проблемы пылегазообразования является применение способов взрывозащиты, основанных на использовании специальных химических соединений, распыленной воды, инертной пыли, играющих роль отрицательных катализаторов (ингибиторов) или теплопоглотителей в реакции окисления серы, углеводородов и других химических элементов и носящих общее название флегматизаторов горения [22, 44, 66, 87].Одним из распространенных способов создания предохранительнойсреды в призабойном пространстве является распыление воды изполиэтиленовых сосудов вместимостью 20 и 30л [66, 87]. Распыление водыпроизводится взрывом зарядов ВВ, помещённых в сосуды и подключенных квзрывной сети комплекта шпуров. Время, в течение которого созданнаяпредохранительная среда сохраняет предохранительные свойства, непревышает 1 с. В связи с . тем, что на колчеданных рудниках, гдеприменяется огневой способ инициирования, этот метод применять технически трудно. Вместо воды для создания предохранительной среды предпочтительнее применение порошкообразных флегматизаторов, время действия которых много больше.
В настоящее время известен целый ряд химических флегматизаторов, оказывающих тормозящее действие на процесс горения пыли. Так, например, этим свойством обладают соли щелочных и щелочноземельных металлов, аммонофосфаты, фреоны, изоамилбромид, четыреххлористый углерод и другие. В качестве флегматизаторов горения наиболее целесообразно использовать огнетушащие порошковые составы заводского изготовления: ПСБ-А, ПСБ-Б, ПСБ-ТМ и ПВК-1. Перечисленные порошки имеют хорошую текучесть, не слёживаются при длительном хранении в неповреждённой заводской упаковке, не обладают токсичными или вредными свойствами.
Применение внутренней водяной забойки в капроновых ампулах длиной 400 - 500 мм диаметром 40 мм с объёмом 300 см3 снижает температуру взрывных газов и препятствует свободному выбросу продуктов взрыва из шпуров и исключает в начальный момент взрыва непосредственный контакт их с атмосферой забоя [57, 80]. Однако, применение забоек не дало достаточного эффекта по предотвращению взрывов сульфидной пыли и газоподавлению. При взрывании зарядов ВВ наблюдался подрыв и скалывание шпуров, в результате чего их устья вместе с забойкой оказывались срезанными или сильно деформированными, а также происходил прорыв высокотемпературных газов между забойкой и стенкой шпура. Кроме того, применение внутренней забойки ведет к увеличению длины шпура, что в значительной мере увеличивает объём буровых работ.
Применение высокократной воздушно-механической пены [16, 87] оказалось достаточно простым и надёжным средством создания предохранительной среды при производстве взрывных работ для пылегазоподавления. Этот способ был предложен для применения на колчеданных рудниках исследовательской группой Уральской горногеологической академик совместно с Уральским ВГСО. Наиболее предпочтительным оказался режим, при котором после заполнения пеной призабойного пространства подача ее не прекращается, включая время взрывания шпуровых зарядов. В этом случае пена вслед за взрывом покрывает отбитую горную массу и вновь образованный забой, сохраняя защитное действие, как на протяжении времени взрыва, так и в период возможного выгорания ВВ. Исследованиями состава шахтной атмосферы после взрывных работ было установлено, что при применении воздушно-механической пены запылённость воздуха и содержание ядовитых газов по сравнению с водораспылительными завесами уменьшается в несколько раз [70].
Исследования по изменению рецептуры ВВ
Как установлено исследованиями, основные параметры детонационного процесса - скорость детонации, температура продуктов детонации в детонационной волне, критический диаметр заряда ВВ, существенно зависят от дисперсности ВВ, от его плотности, от наличия инертных добавок или наполнителей и т.п. Зависимость указанных параметров от плотности связана не только с тем, что изменяется удельная энергия, выделяющаяся в детонационной волне, но и с тем, что сам процесс детонации в ВВ, не имеющих пористости, и порошковых ВВ имеет различный механизм химических реакций.В плотном непористом ВВ имеет место ударный механизм химических реакций, при котором ВВ сжимается ударной волной, разогревается, и далее идут химические превращения.
В порошкообразном ВВ, состоящем из отдельных частиц-зёрен, процесс детонации носит баллистический характер: химические превращения происходят путём сгорания отдельных зёрен, причём фронт детонации существенно неоднороден, образуются многочисленные очаги сжатия и разогрева их ударной волной, разогрева их горячими газообразными продуктами детонации, которые могут проникать в поры между зёрнами, высокотемпературного сжатия воздушных промежутков между зёрнами и т.п. Дальнейший процесс химических превращений существенно зависит от дисперсности ВВ. У совсем мелких зерен реакция происходит по всему объёму, зёрна больших размеров горят с поверхности, и если размер зерна превышает величину dKpum. - критический диаметр для плотного (монокристаллического) ВВ, то в этом случае горение самого зерна переходит в детонацию. Переход реакции с одного зерна на другое осуществляется через их контакт, либо с помощью ударной волны и продуктов детонации. Исходя из механизма детонационной волны, можно предположить, что введение в порошковые ВВ инертной добавки приведёт к снижению параметров детонационной волны, поскольку зёрна инертной добавки, располагаясь между зёрнами ВВ, будут затруднять переход химической реакции с одного зерна на другое, уменьшать вероятность этого перехода, уменьшать тем самым скорость детонационной волны, кроме того, инертная добавка будет, сжимаясь, снижать давление в ударной волне, и, нагреваясь, отбирать тепловую энергию из зоны химической реакции. Всё это должно приводить к снижению параметров детонационной волны (скорости детонации, давления и температуре на фронте детонационной волны). При этом существенную роль играет размер частиц инертной добавки, поскольку за время реакции равновесие между продуктами взрыва и частицами добавки может не установиться. Исходя из этого, в зоне химической реакции может реализоваться одна из трёх ситуаций: 1. Давление и температура в продуктах взрыва и частице инертной добавки за время реакции не успевает выровняться. 2. Давление в частицах добавки и продуктах взрыва выравнивается, но температурное равновесие за время реакции не достигается. 3. Давление и температура в частицах добавки и продуктах детонации за время реакции выравниваются. Возможность установления равновесия по давлению можно определить, сравнивая время реакции т1)еакц. и время прохождения ударной волны по частицедобавки ту ) = , где d — средний размер частиц добавки, Одо .- скоростьударной волны в ней. Если туа.« тгеакч,, то давление выравнивается, если ту().» Трыкц-» то выравнивания не происходит. Если принять скорость ударной волны в материале добавки D()ot;. 7000 м/с, а время протекания реакции г/Л ,М7/=0.5-10"6 с, то давление будет выравниваться, если d « 3,5-10"3 м, т.е. средний размер частиц добавки должен составлять доли миллиметра, 7«0,5-10"3 м. Установление равновесия по температуре оценивается путём сравненияd2 времени реакции треаКц и временного параметра г, =— характеризующего
И время прогрева частицы (// — коэффициент температуропроводности). Если реакц- тПр- то частица успевает прогреться и устанавливается тепловое равновесие, если треакц. т„р то температура частицы и продуктов взрыва за время реакции не выравнивается. Максимальный размер частиц добавки в прессованных ВВ, которые успевают прогреваться в зоне реакции, составляет 5-Ю"6 м для металлических добавок и « 0,1-10 6 м для неметаллических добавок. Таким образом, время установления равновесия по температуре на два порядка больше времени установления равновесия по давлению.
Влияние дисперсности, концентрации, физико-химических свойств различных ингибиторов на снижение выброса сернистого газа
Основным параметром, характеризующим воспламеняемость и взрывчатость пылевоздушной смеси (аэрозоля), является прежде всего размер частиц горючего. Взрывчатыми могут быть аэрозоли с размером частиц горючего до нескольких сотен микрон. Это на четыре-пять порядков больше размеров молкул окислителя. Поэтому такие смеси можно рассматривать как неоднородные, а процесс их горения и взрыва — гетерогенным. Особенности гетерогенной детонации пылевоздушных смесей приведены в работе [56].
Благодаря относительно большим размерам частиц горючего в аэрозолях время их полного сгорания значительно больше времени сгорания газообразного горючего. Соответственно удлиняется зона химической реакции в пламени или взрывной волне, усложняется механизм сгорания и профиль давления (конфигурация) взрывной волны: возможно образование волн с несколлькими пиками давлений, горбообразного профиля по давлению и др.
В большинстве случаев при попадании частицы в высокотемпературный поток она газифицируется или испаряется, а основная реакция окисления происходит в газовой или парогазовой фазе. Таким образом, процесс распадается на две или три стадии: газификацию или испарение твёрдой частицы, воспламенение смеси горючих газов с воздухом, догорание твёрдого остатка после газификации. Догорание может происходить непосредственно в пламени (взрывной волне) и в расширяющихся продуктах взрыва. К трёхстадийному процессу с догоранием твёрдого остатка можно отнести взрыв взвешенной угольной пыли, к двухстадийному - серной пыли.
Отмеченные особенности пылевоздушных смесей обуславливают сильную зависимость критических условий возникновения и развития взрывов пыли, а также их параметров от размеров частиц горючего и его способности к газификации или испарению. В частности, сильно меняются концентрационные пределы взрывчатости, в особенности нижний, а также величина минимального инициирующего импульса в зависимости от размеров частиц горючего. Существенное значение имеют также содержание летучих (газифицируемых) веществ в горючем материале и их химический состав.
Для некоторых видов пыли установлены следующие пределы взрывчатости (г/м3): угольная пыль - 10 - 2500; серная пыль - 5 - 1000; пыль колчеданов - 250 - 1800; пыль сланцев-нижний предел до 6.Присадка пыли инертных материалов сужает концентрационные пределы взрывчатости. Аналогичным образом действует увлажнение горючей пыли.
Изучение влияния дисперсности, концентрации, физико-химических свойств рассматриваемых добавок на снижение выброса SCb при горении сульфидной пыли необходимо для описания процесса ингибирования с целью поиска эффективных средств и разработки способа борьбы с выбросом SO2 при взрывных работах на колчеданных рудниках.
Высокие значения верхнего концентрационного предела для пыли, которые в несколько раз могут превосходить расчётное значение стехиометрической концентрации, обьясняются тем, что в зоне взрыва пыль сгорает не полностью. Чем крупнее частицы пыли, тем выше верхний концентрационный предел. По той же причине максимальные параметры взрыва или горения могут быть сдвинуты в область «богатых» по горючему смесей, т.е. имеющих концентрацию горючего выше расчётной стехиометрической (а 1), отвечающей нулевому кислородному балансу. Нижний концентрационный предел уменьшается с уменьшением размеров частиц.
Высокой взрывчатостью характеризуется серная пыль. Температура вспышки её аэрозоля составляет 260 - 290 С и зависит от происхождения серы и размеров частиц пыли. Для подавления взрывчатости, а следовательно и выброса сернистого газа, к серной пыли необходимо добавить 92 — 96 % инертного измельчённого материала.
Воспламенению взвеси серной пыли предшествует явно выраженный период индукции, в течение которого сера испаряется и окисляется в парах. Спектральный анализ пламени серы, в котором обнаружены моноокись SO, атомарная сера S и другие промежуточные продукты, свидетельствуют о цепном механизме реакции окисления, протекающей по схеме:
Многие вещества способны влиять на кинетику цепных реакций, ускоряя их или замедляя. Одни из них (положительные катализаторы) способствуют зарождению или разветвлению цепей. Другие вещества (отрицательные катализаторы, или ингибиторы) разрушают (рекомбинируют) или связывают активные центры, чем способствуют обрыву цепей.
Каталитически активная добавка интенсивнее тормозит цепную реакцию окисления по сравнению с инертным газом благодаря тому, что вероятность гибели активных центров при соударении с ингибитором более высокая.Гетерогенный катализ осуществляется на границе раздела фаз (в отличие от гомогенного, проходящего целиком в газовой фазе), в частности, на поверхности твёрдых тел. В этом случае выделившееся при реакции тепло отводится в твёрдое тело, а образованные молекулы десорбируются с поверхности.
По мнению А.П.Глазковой механизм ингибирования сводится к ускорению реакций, приводящих к образованию конечных валентно-насыщенных соединений [17]. Она считает, что катализирующим действием характеризуются атомарные металлы или окислы металлов, которые образуются в результате термического разложения солей. Соответственно активность ингибитора возрастает с увеличением массовой доли металла в соли. Действие ингибитора сильнее, если они вводятся в холодную, ещё не нагретую газовую смесь. Это свидетельствует о том, что ингибирование более эффективно на стадии зарождения цепей, а не на стадии их развития.
Полученные зависимости выделения сернистого газа от дисперсности, содержания и физико-химических свойств применяемых добавок в значительной степени характеризуют исследуемый процесс ингибирования реакции горения сульфидной пыли и служат основанием для разрабатываемого метода снижения выброса SCb при производстве взрывных работ на колчеданных рудниках.
