Cháy nổ do các hạt bụi

Phần Hai 1.    Lời mở đầu ·         Hai bài viết về “Cháy nổ do các hạt bụi” không đủ để các bạn trở thành các nhà chuyên môn mà chỉ giúp cho các bạn hiểu thêm về sự nguy hiểm khi chúng ta làm việc với nó. ·         Mặc dù tác giả đã cố gắng giải thích cho dễ hiểu, nhưng có những phần nó đòi hỏi kiến thức của người chuyên môn. ·         Vì chứng minh công thức rất dài và chiếm chỗ của trang web, nên những phần chứng minh không được nêu lên ở đây và chỉ nêu các tài liệu hướng dẫn các phần chứng minh đó. 2.    Sự cháy của than đá Để cho dễ dàng hiểu sự cháy của chất rắn, chúng ta nhìn vào mô hình đốt cháy của than đá do Tomeczek (1994)[1] “đề nghị” (hình 1) Hình 1: Mô hình cháy của một loại than đá theo Tomeczek (1994)[1]. Initial: hình dáng ban đầu của hạt than; Devolatilization: than đá đang phóng thích các khí đốt (khí đốt có thể chứa từ 1 đến 70 % trọng lượng chủ yếu hydrocarbon như CH4, C2H6, C2H4 và H2 HCN, v.v.); Final: sau khi than đã phóng thích hết khí đốt. Qua Hình 1, chúng ta thấy, nước trong than đá đã bắt đầ bay hơi khi nhiệt độ của than đá khoảng 70 oC và nước bay hơi hoàn toàn khi nhiệt độ khoảng hơn 200 oC (Desorption). Tương tự hydrocarbon bắt đầu được phóng thíc khoảng T = 150 oC (T: nhiệt độ) và chất dứt khí khi T = 300 oC. Sau đó là các phản ứng hoá xảy ra giữa các khí đốt đuợc phóng thích và không khí (KK). Phần còn lại là carbon và chất bẩn (tiếng Anh gọi là ash). Carbon (C) còn lại trong than đá tiếp xúc với KK và cháy. Quá trình cháy rất phức tạp (xem mô hình cháy của Tomeczek (1994) Hình 2) Hình 2: Mô hình cháy carbon của Tomeczek (1994)[1]. Re: Số Renold biểu thị độ chuyển động nhanh chậm (chảy tầng hay chảy rối loạn của hạt than). Re100. Đây chỉ là mô hình. Có rất nhiều loại than khác nhau tuỳ theo địa điểm của mỏ. Độ chính xác của mô hình hoàn toàn tuỳ thuộc vào loại than (tính chất hoá học và vật lý). Phần lớn các chất rắn cũng cháy tương tự như mô hình cháy than đá nêu ở trên, nghĩa là hơi nước trong chất rắn sẽ thoát ra trước, sau đó là chất khí và chất khí thoát ra sẽ bắt đầu cháy trước sau đó là chất còn lại. 3.  Cháy tầng (laminar combustion) và cháy rối loạn (turbulent combustion) Sự cháy nổ là sự đốt cháy mà chúng ta không kiểm soát được và sự cháy ở đây hầu như là cháy rối loạn. Diện tích của bề mặt ngọn lửa (flame front) do sự cháy rối loạn lớn hơn diện tích bề mặt do ngọn lửa của cháy tầng do sự “nhăn” của nó. Hình 3a và 3b là hình chụp thực sự của một loại ngọn lửa đơn giản (ngọn lửa Bunsen).  Erreur ! Argument de commutateur inconnu.Figur 3a: Cháy tầng (số Re ~  2000). Chụp theo kiểu “Direkte long-exposure" (trái) và  "Schlieren photographs" (phải). Theo Lewis and Elbe [3]. Erreur ! Argument de commutateur inconnu.Figur 3a: Cháy tầng (số Re ~  2000). Chụp theo kiểu “Direkte long-exposure" (trái) và  "Schlieren photographs" (phải). Theo Lewis and Elbe [3]. 4.    Chất cháy và chất không thể cháy Sự cháy nổ của một chất có thể biểu thị bằng công thức đơn giản như sau Chất đốt  +  oxygen (không khí)  ----->   Chất oxy hóa  +   Nhiệt Ø       Có những chất không cháy được cũng như không thể gây phản ứng nổ như Silicates Sulphates Nitrates Carbonates Phosphates Ø       Các chất có thể gây phản ứng nổ Các chất hữu cơ như bột (gạo, lúa mì), đường, cà phê, v.v. Các hợp chất hữu cơ như nhựa, thuốc tây, cao su, màu (nhuộm), v.v. Than đá, than bùn, gỗ v.v. Kim loại như nhôm, kẽm, sắt, v.v. Ø       Phản ứng cháy nổ chỉ xảy với một “khoảng nồng độ” chất đốt cháy nào đó. Ngoài khoảng nồng độ đó, phản ứng cháy nổ không thể xảy ra được. Đôi lúc chúng ta có thể trộn lẫn chất không thể cháy chung với chất có thể cháy nổ để tránh hiện tượng nổ, nhưng đôi lúc chúng ta không thể trộn được thí dụ chúng ta không thể trộn cát với gạo để xay làm bột. Ø       Các hạt bụi có thể nằm vô thưởng vô phạt ở dưới nền gạch, vách tường, v.v. nhưng khi có một đám cháy hay hiện tượng nổ xảy ra nó có thể làm tung các hạt bụi này lên và sẽ gây ra hiện tượng nổ (Hình 4) Hình 4: Đám nổ đầu tiên sẽ tung các hạt bụi nằm yên (Lying Dust) và sức nóng của đám nổ đầu sẽ bắt mồi cho hiện tượng nổ thứ hai mảnh liệt hơn. (Hình lấy từ internet). 5.    Định luật hình khối (“Cubic law”) Như đã nêu lên ở Phần một, người ta đặc trưng hiện tượng nổ bằng hằng số gọi là Kst (st là chữ viết tắt của tiếng Đức “staub” có nghĩa là hạt bụi). Kst và tốc độ (vận tốc) tăng áp suất (dP/dt)max tối đa dùng để tính lỗ thoát của bình chứa. Công thức liên kết giữa Kst, (dP/dt)max và V1/3 gọi là “cubic law” dịch là định luật hình khối (1) V là thể tích bình chứa, (dP/dt)max là vận tốc tối đa của áp suất, Kst là một hằng số của hạt bụi. Định luật hình khối có giá trị khi ([7]): v      Cùng một nồng độ giữa hạt bụi và không khí hay oxygen v      Bình chứa có hình dáng tương tự như nhau v      Chiều dầy của ngọn lửa tương đối nhỏ (mỏng) so với bình chứa v      Hỗn hợp (hạt bụi và không khí) có cùng độ rối loạn (turbulence) Trong thực tế chiều dầy của ngọn lửa do khí đốt khoảng 1 mm và do hạt bụi khoảng 10 mm [2]. Như đã giải thích ở phía trên (Sự cháy của than đá), chất rắn phải có thời gian mới cháy hết được. Công thức của Kst được chứng minh từ giả sử của ngọn lửa cháy từ chất hơi. Muốn tìm hiểu về chứng minh của Kst, các bạn có thể xem [3,4,5,6]. Dahoe et al. (1996) [6] đề nghị thêm một mô hình cho trường hợp có chiều dầy của ngọn lửa lớn như ngọn lửa của chất rắn. Hình 5 chỉ mô hình dùng để chứng minh công thức của định luật hình khối Hình 5: Mô hình của sự cháy trong bình 20 lít. 6.    Thiết kế lỗ thoát cho bình chứa Khi hiện tượng cháy nổ xảy ra trong bình chứa, áp suất sẽ tăng lên và khi áp suất đạt tới một áp suất nhất định nào đó (do chúng ta tự chọn) gọi là “áp suất thoát”  (Pred, red viết tắt chữ “reduce” có nghĩa là “giảm”) thì “cửa sổ” của lỗ thoát sẽ bắt đầu mở và áp suất trong bình sẽ bằng áp suất Pred. Ngoài ra lỗ thoát còn dùng làm chuyển hướng của ngọn lửa và áp suất (Hình 6 và 7) Hình 6: Thí nghiệm với một loại lỗ thoát trong máy lọc. Chất đốt là bột bắp (Eckhoff (1991)[7]). Hình 7: Hai kiểu cửa sổ của lỗ thoát (Hình lấy từ internet). Để cho đơn giản người ta phân loại các hạt bụi như sau Loại hạt bụi nổ Kst (Bar m s-1) Đặc tính St 0 0 Không thể nổ St 1 >0 <200 Nổ yếu St 2 >200 <300 Nổ mạnh St 3 >300 Nổ rất mạnh Bảng 1: Phân loại hạt bụi nổ. Hầu hết các thức ăn thuộc loại St1. Có một số phương pháp khác nhau dùng để thiết kế lỗ thoát như sau [7] 6.1 Phương pháp Diện tích - Thể tích (Vent-ratio method) [7] Phương pháp (PP) Diện tích - Thể tích (DT-TT) (Ared/Vb) được định nghĩa như tỷ lệ giữa diện tích của lỗ thoát (Ared) và thể tích của bình chứa (Vb). PP này được dùng nhiều tại Anh và Mỹ trong nhiều năm qua. Các dữ kiện của hạt bụi để thiết kế lỗ thoát được đo bằng bom Hartmann (bình thí nghiệm Hartmann) (Hình 8) Hình 8: Bom Hartmann (Hartmann bomb) (thể tích 1,2 lít). PP ứng dụng trong trường hợp áp suất thoát nhỏ (Pred = 0,07 – 0,14 bar) và ống thoát liên kết với bình chứa không dài quá 3 m. Bảng 2 chỉ tỷ lệ giữa DT-TT khi biết vận tốc tối đa của sự tăng trưởng của áp suất ((dP/dt)max). Maksimal trykstigningshastighed [bar/s] Areal-volumen forhold [m2/m3] < 345 1/6,1 345 - 690 1/4,6 > 690 1/3,1 Bảng 2: Tỷ lệ Diện tích - Thể tích trong PP DT-TT (Field  (1984) [8]). 1) Bảng 2 có giá trị (xử dụng) bình chứa có thể tích 0 – 30 m2. Với bình chứa có thể tích từ 30 – 300 m3 tỷ lệ DT-TT (Ared/Vb) giảm theo đường thẳng từ 1/6 đến 1/25 m2/m3; 2) Với bình chứa có thể tích từ 300 – 700 m3 hay trong trường hợp tỷ lệ chiều dài và hẹp của bình chứa không quá 3 lần, diện tích lỗ thoát bằng phân nử diện tích ngang của bình; 3) Nếu vận tốc tăng của áp suất lớn hơn 345 bar/s và thể tích bình lớn hơn 300 m3 hay thể tích bình lớn hơn 700 m3 thì diện tích lỗ thoát bằng diện tích chiều ngang của bình. Hay Trường hợp Điều kiện Diện tích lỗ thoát (1) Vb = 0 – 30 m3 Bảng 2 (2) Vb = 30 – 300 m3 Tỷ lệ Ared/Vb giảm từ 1/6 đến 1/25 (3) Vb = 300 – 700 m3 và (dP/dt)max < 345 bar/s Ared = 0,5 Achiều ngang (4) Vb > 300 m3 và (dP/dt)max > 345 bar/s Ared = Achiều ngang (5) Vb > 700 m3 và (dP/dt)max > 0 bar/s Ared = Achiều ngang Bảng 3: Điều kiện và diện tích (DT) lỗ thoát. Ared: DT lỗ thoát; Achiều ngang: DT chiều ngang bình. Thí dụ 1: Cho: Xưởng sản suất (bình chứa) có cạnh (dài x rộng x cao) D x R x C = 10 x 10 x 4, chứa mạt cưa với đường kính của hạt là dp = 29 mm và tốc độ tăng áp suất tối đa là (dP/dt)max = 620 bar/s (đo từ thực nghiệm). Giải: Vì (dP/dt)max = 620 bar/s > 345 bar/s và thể tích của xưởng là 10 x 10 x 4 = 400 m3 > 300 m3 ===> đây là trường hợp (4) ===> Ared = Achiều ngang = 10 x 4 = 40 m2 ===> như vậy diện tích của các cánh cửa ít nhất là 40 m2 để khi có hiện tượng nổ xảy ra thì các cánh cửa này mở. Lợi điểm Đơn giản và dễ dàng tính toán Khuyết điểm Không xử dụng được trong trường hợp áp suất làm việc lớn hơn 0,14 bar so với áp suất thường. Không có lợi về kinh tế, không thực tế và diện tích lỗ thoát quá lớn Trong thực tế, nếu bình chứa chịu đựng áp suất cao, diện tích của lỗ thoát nhỏ hơn diện tích tính bằng PP này. 6.2 Phương pháp của Thụy Điển cho cháy nổ của hạt bụi PP này được trình bày bởi Danielson (1981) ([7,9]). Chất đốt được chia ra làm ba nhóm: Nhóm 1:    (dP/dt)max £ 300 bar/s Nhóm 2:    300 bar/s < (dP/dt)max < 600 bar/s Nhóm 3:    (dP/dt)max ³ 600 bar/s (dP/dt)max là tốc độ tăng áp suất tối đa được đo bằng bom Hartmann có thể tích là 1,2 lít (xem Hình 8). Diện tích của lỗ thoát được tính như sau: Nhóm 1: Chất đốt và móc của cửa lỗ thoát chịu đựng được tối đa là 20 kg/m2                                                                   (2) Nhóm 2: Chất đốt và móc của cửa lỗ thoát chịu đựng được tối đa là 12 kg/m2                                                               (3) Nhóm 3: Không thấy trình bày trong Eckhoff (1991) [7], đọc giả có thể tìm hiểu thêm Danielson (1981), dường như PP này cũng được điều chỉnh lại năm 1991. Trong trường hợp chiều dài (L) của bình chứa lớn hơn chiều rộng (R) hơn 3 lần (L/R > 3), bình chứa có thể chia làm nhiều phần nhỏ mà L/R < 3. 6.3 Phương pháp NFPA (NFPA-68)[10] và VDI (VDI 3673)[11]  Hai phương pháp này khá dài hẹn trình bày vào dịp khác 7.     Tài liệu tham khảo [1]  Tomeczek J. (1994). Coal Combustion. Krieger Publishing Company [2]  Lemkowitz, S.M. (1996). Dust Explosion Behaviour and Explosion Risk. Course Dust Explosion, 30-31 May, 1996, Stockholm, Sweden. [3]  Lewis B. and von Elber, G. (1961). Combuction, Flames and Explosions of Gases, 2.ed., Academic Press, New York. [4]  Amyotte P.R., Chippett S., and Pegg M. J. (1988). Effects of Turbulence on Dust Explosions. Prog. Energy Combust. Sci., Vol.14, pp. 293-310. [5]  Bradley, D. and Mitcheson, A. (1978). A Mathematical Solutions for Explosions in Spherical Vessels, Combust. Flame, 26, pp.201-217. [6]  Dahoe, A.E., Zevenbergen, J.F., Lemkowitz, S.M., and Scarlett (1996). Dust Explosions in Spherical Vessels: The Role of Flame Thickness in the Validity of the “Cube-root law”. J. Loss Prev. Process Ind., Vol.9, No. 1, pp.33-44. [7]  Eckhoff, R.K. (1991). Dust Explosion in the Process Industries. Butterworth-Heinemann Ltd, England. [8]  Field, P (1984). Dust Explosion Protection – A Comparative Study of Selected Methods for Sizing Explosion Relief Vents. Journal of Hazardous Materials, 8, pp.223 – 238. [9]  Danielson, G. (1981). Dammexplosioner. Arbetarskyddsstyrelsens Föfattningssamling, AFS 1981:5. Liber Förlag, Stockholm. [10]          NFPA 68-1 (1988). Guide for Venting of Deflagrations. National Fire Protection Association (NFPA). [11]          VDI 3673 (1995) (Part 1). Pressure Venting of Dust Explosions.