Горючие газы: виды, требования, пожарная опасность

Виды газов

Способность таких газов длительно поддерживать самостоятельный процесс горения позволила использовать их в качестве бытового и промышленного топлива – от квартирной колонки автономного отопления до котлов и турбин тепловых электростанций.

Другие свойства горючих газов и их смесей сделали возможным применение в качестве агентов для холодильного оборудования, в качестве исходного сырья для синтеза большинства видов пластмасс, пластиков, жидких видов топлива, растворителей и других товарных продуктов химической промышленности.

В список используемых горючих природных и получаемых по технологиям промышленного синтеза, газов входят:

• Природный газ, который состоит в различных пропорциях (в зависимости от места добычи) из смеси метана, пропана с бутанами, гексана, этана, диоксида углерода, азота.

Природный газ – это продукт биохимического разложения органических материалов в толще земли. Большинство месторождений располагаются на глубинах меньше 1,5 км. Главный компонент – метан с примесями пропана, бутана.

• Газовый конденсат, попутный углеводородный газ с нефтегазовых месторождений, предприятий химико-технологической переработки нефти, отличающийся непостоянным составом, в котором преобладает наличие этана, пропана; а также присутствуют легкие, тяжелые нефтяные углеводородные соединения, включая керосиновые, бензиновые фракции.
• Коксовый газ, состоящий из смеси метана, водорода, окиси углерода.
• Аммиак.
• Водород.
• Сероводород.
• Оксид углерода.
• Метан, часто называемый болотным газом.
• Пропан.
• Бутан.
• Изобутан.
• Бытовая газовая смесь на основе пропана, бутана
• Ацетилен, используемый при производстве работ по газовой резке металлических конструкций, металлолома.
• Этилен, необходимый для производства полиэтилена.
• Пропилен.
• Оксид этилена.
• Бутадиен.
• Гексан.
• Пентан.

Безопасное использование таких газов характерно трубопроводным поступлением в зону горения, что реализовано в варочном и отопительном оборудовании, газовых резаках, а также при плановом горении газовых фонтанов при разведке, на промышленных площадках месторождений.

Нормативные документы

Рассмотрим основные требования нормативных документов к горючим газам.

Учитывая высокую степень взрывопожарной опасности горючих газов, специалистами исследовательских центров и предприятий, занимающихся добычей, транспортировкой, переработкой и хранением таких веществ, их смесей, подготовлены и утверждены на федеральном уровне немало нормативных документов, направленных на обеспечение безопасности людей, оборудования, строительных объектов, среди которых:

Согласно данным правилам, при необходимости выполнения газоопасных видов работ в помещениях, воздушных зонах с возможным выбросом взрывопожароопасных летучих веществ, смесей, нужно использовать:

• Переносные светильники, устройства связи, что соответствуют по заводскому взрывозащищенному исполнению взрывоопасным смесям в рабочих зонах.
• Искробезопасный ручной, механизированный, электрический инструмент, рабочую обувь.
• Устройства защиты дыхательных путей.
• При этом разъемные устройства подключения всего используемого передвижного, переносного взрывозащищенного электрического оборудования, инструмента следует размещать вне пространства взрывоопасных зон, где проводятся работы.

Много требований к горючим газам, способным создавать взрывопожароопасные среды; оборудованию, способному безопасно эксплуатироваться в условиях загазованности, изложены в нескольких национальных стандартах:

• ГОСТ 31610.0-2022, об общих требованиях к конструированию, испытаниям, маркированию всех видов электрического, технологического оборудования, что предназначено для эксплуатации во взрывоопасной среде в стандартных атмосферных условиях.

Важно знать: такие условия параметров среды по отношению к возможности взрыва соответствуют температуре от – 20 до 60℃, давлению до 1,1 атмосферы, содержанию кислорода около 21% объема.

• ГОСТ Р МЭК 60079-20-1-2022, устанавливающий классификацию, характеристики, методики испытаний взрывопожароопасных газов, паров.
• ГОСТ 30852.9-2002, устанавливающий квалификацию взрывоопасных зон, где существуют возможности воспламенения смесей горючих газов с кислородом воздуха при стандартных условиях эксплуатации оборудования.
• ГОСТ 30319.1-2022, в котором изложены методики расчета свойств природного газа.

Требования к безопасности работ, производственным и складским объектам, связанным с обращением горючих газов, также приведены в «ППР в РФ» – основных правилах ПБ на территории России.

Пожарная опасность

Пожарная опасность газовых смесей определяется концентрацией горючих газов, паров или пылей в смеси.

Зависимость давления взрыва Рвзр от концентрации горючего вещества φгв в смеси схематически изображена на рисунке.

Давление при взрыве является одним из параметров, характеризующим пожарную опасность веществ и материалов. Так давление взрыва учитывают при пожарной профилактике в строительстве при расчете площади легкосбрасываемых конструкций, или при профилактике в технологии производств при категорировании промышленных объектов.

Для горючих смесей различают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) — наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который уже возможное стойкое, незатухающее распространение горения. На нижнем концентрационном пределе воспламенения (НКПВ) в смеси небольшое количество горючего и избыток воздуха.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) — наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который еще возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) — одна из важнейших характеристик взрывоопасности горючих газов и паров. Область концентрации горючего вещества, которая лежит между нижним и верхним КПРП, характеризуется возможностью загорания и устойчивого горения смеси и называется областью взрывоопасных концентраций.

Если концентрация горючего вещества выходит за концентрационные пределы, горючая смесь становится взрывобезопасной. Так если концентрация горючего вещества меньшее нижнего КПРП, то горение вообще не возможно. Если концентрация горючего вещества больше ВКПРП, то возможно диффузионное горение такой газовой смеси при выходе ее в окружающее пространство и наличии источника зажигания.

• ГЖ — горючая жидкость, т. е жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки в 61 °С (в закрытом тигле) или 66°С (в открытом тигле);
• ЛВЖ — легковоспламеняющаяся жидкость, т.е. жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника загорания и имеющая температуру вспышки не выше 61 °С (в закрытом тигле) или 66 °С в открытом тигле;
• Т — горючий газ, т. е. газ, способный образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 55 °С;
• ВВ — взрывоопасное вещество, т. е. вещество, способное к взрыву или детонации без участия кислорода воздуха;
• t _всп — температура вспышки в закрытом тигле, °С;
• t _{самовоспл} — температура самовоспламенения в закрытом тигле °С;
• М — молекулярная масса;
• В числителе дана минимальная температура самовоспламенения, а в знаменателе стандартная температура самовоспламенения.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) все газо-, паро- и пылевоздушные смеси с НКПВ до 65 г/м3 считаются взрывоопасными.

Учитывая, что концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться при изменении внешних условий, для обеспечения пожарной безопасности при работе с горючими веществами определяют не только концентрационные пределы, но и безопасные концентрации φ нб и φвб, ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. Безопасные концентрации можно рассчитать по формулам:

• φ_нб < 0,9(φ_н – 0,21), %;
• φ_вб ≥ 1,1(φ_в 0,42), %;

где φн, φв — НКПРП и ВКПРП, %.

Расположение областей возможных концентраций горючего отображено на рисунке.

Концентрационные пределы распространения пламя могут сильно изменяться при изменении внешних условий. Изменения КПРП объясняются с точки зрения баланса тепловыделения и теплоотдачи в системе. Все факторы, изменение которых приведет к увеличению тепловыделения, будут расширять КПРП (снижать нижний КПРП и повышать верхний КПРП).

• концентрация окислителя в окислительной среде (содержание кислорода в воздухе);
• концентрация инертных газов (флегматизаторов);
• температура и давление смеси;
• мощность источника зажигания;

Практическое значение КПРП

КПРП применяют в следующих случаях:

1. Для сравнительной оценки пожарной опасности веществ. Например, концентрационные пределы

• бутана С₄Н₁₀ 1,8—9%;
• бутена С₄Н₈ 1,6—10%;
• винилацетилена С₄Н₄ 1,8—53,2%.

Наиболее пожароопасным из них является винилацетилен, поскольку в более широком диапазоне концентраций образует взрывоопасные смеси.

2. Для оценки пожарной опасности фактической концентрации парогазових систем. Например, для того чтобы определить степень пожарной опасности паровоздушной смеси бензола с концентрацией 4%, необходимо сравнить данную фактическую концентрацию с КПРП бензола. У бензола КПРП составляют 1,4—7,1%, следовательно фактическая концентрация является взрывоопасной.

3. Для определения взрывобезопасной концентрации паров и газов внутри технологического оборудования (ниже φнб и выше φвб).

4. Для расчета предельно допустимых концентраций газов при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности вентиляционных систем.

Для практического определения концентрации паров и газов в воздухе служат различные газоанализаторы и сигнализаторы предельнодопустимых концентраций периодического и постоянного действия.

Взрывопожарная опасность характеризуется образованием смесей горючих газов с воздухом в различных объемах – в помещениях, корпусах технологических установок, складских резервуаров, при разгерметизации трубопроводов, производственного оборудования; а также в незамкнутых воздушных пространствах вокруг них.

Процесс горения в таких условиях приобретает взрывной характер, сопровождающийся разрушениями несущих конструкций строительных объектов, технологического оборудования, трубопроводных систем; возникновением многочисленных очагов пожаров на территории объекта защиты.

Не меньшую опасность для людей, сохранности даже капитальных строений I, II степеней стойкости к огневому воздействию представляют не только вышеперечисленные газы, но и пары горючих, легко воспламеняемых жидкостей, которые при их обращении, хранении, технологической переработке внутри строительных объектов относят их помещения к категориям А, Б по опасности взрыва, пожара.

К категории А отнесены взрывопожароопасные производства связанные с применением веществ, взрыв и горение которых могут последовать в результате взаимодействия с водой, кислородом воздуха или друг с другом; жидкостей с температурой вспышки паров 28°С и ниже; горючих газов, нижний предел взрываемости (НКПВ) которых 10% и менее к объему воздуха.

К категории Б отнесены взрывопожароопасные производства, в которых обращаются горючие газы, нижний предел взрываемости которых более 10% к объему воздуха; жидкости с температурой вспышки паров от 28 до ОГС включительно; жидкости, нагретые в условиях производству до температуры вспышки и выше, горючие ныли или волокна, нижний предел взрываемости которых 65 г/м3 и менее к объему воздуха.