CHÁY NỔ DO CÁC HẠT BỤI - Phần 1.2 ppt

12


Hình 5a: Bình bom 20 lít (bom Hartmann) để thí nghiệm.

Thí nghiệm đo K
st
với bột than đá. Bột than sẽ đưa vào bình nhỏ
(Dispersion reservoir, bên tay phải bình). Sau đó bơm không khí (KK)
vào để trôn lẫn với bột than ở áp suất vài bar. Sau đó mở ống thông
(Dispersion valve), vì áp suất trong bình 20 lít (hình cầu) và bình nhỏ
chênh lệch nhau nên bột than và KK được phun vào bình 20 lít bằng bộ
một phận phun (Dispersion nozzle). Trong tích tắc khi hỗn hợp bột
than và KK vào trong bình 20 lít, một tia lửa nhân tạo ngay chính giữa
bình sẽ được tạo nên và hỗn hợp sẽ bốc cháy và tốc độ áp suất được
ghi nhận bằng máy điện toán.
13




Hình 5b: Bình bom 20 lít (bom Hartmann) để thí nghiệm. Hình thật sự. (Hình lấy từ web của
Katholieke Universiteit Leuven)

14



Hình 6: Tốc độ tăng của áp suất theo thới gian. Thí nghiệm thực hiện
với bột than đá, nồng độ 473 g than đá cho 1 m
3

KK hay 9,46 gram
cho bình 20 lít, năng lượng mồi là 10 KJ và đo bằng bình 20 lít. Từ hình
vẽ ta có thể tính được K
st
(công thức (1)) bằng cách vẽ tiếp tuyến để
chọn (dP/dt)
max
và V = 20 lít.

Từ lúc bắt đầu cháy khoảng 70 mili giây (70 ms) (hỗn hợp bột than đá
và KK đưa vào bình 20 lít khoảng 70 ms để hỗn hợp đủ thời gian toả
đều trong bình) đến khi bình đạt áp suất khoảng gần 6 bar khoảng
140 mili giây (140 ms), như vậy trong khoảng 70 mili giây (140 – 70
= 70 mili giây) bình đã tăng gần 6 bar. 70 mili giây có nghĩa là 0,07
giây, chúng ta không kịp chạy ra khỏi phòng hay xưởng làm việc để
tránh áp suất này.

15

5. Tốc độ cháy của ngọn lửa
Có rất nhiều từ chuyên môn mà cần giải thích cho những đọc giả không chuyên ngành. Chúng ta
nhìn vào đèn Bunsen (Hình 5). Đèn Bunsen gồm mốt ống hình tròn dài, dài đủ để chúng ta có
một tốc độ của hỗn hợp khí đốt và KK không thay đổi dù ống dài hơn nữa (fully developed
velocity profile). Đường kính của ống rất nhỏ (khoảng 5 – 30 mm). Hỗn hợp khí đốt và KK chảy
(thổi) vào ống và có ngọn lửa ngay phía ngoài ống. Chúng ta thấy màu thật sáng màu xanh có
hình chữ V ngược gọi là ngọn lửa (tiếng Anh gọi là flame front), đó là ranh giới, một bên phía
ngoài chữ V ngược là hỗn hợp khói (khí đốt và KK đã cháy xong) và phía dưới chữ V ngược là
hỗn hợp khí đốt và KK chưa cháy. Tại một điểm bất kỳ trên ngọn lửa sẽ có hai loại vận tốc: 1)
Vận tốc thứ nhất vuông góc với ngọn lửa có hướng về phía hỗn hợp khí đốt và KK chưa cháy (ký
hiệu S

u
) gọi là “vận tốc của sức cháy” (burning velocity) và 2) Vận tốc thứ hai có hướng ra phía
ngoài thành (ký hiệu U
r
) phía hỗn hợp khói gọi là “vận tốc của hỗn hợp khí” (gas velocity). “Vận
tốc của sức cháy” rất quan trọng trong sự đốt cháy và nó được dùng để đánh giá sự mảnh liệt của
ngọn lửa hay sự mảnh liệt của sức nổ. Hai vận tốc này cộng lại gọi là “vận tốc của ngọn lửa”
(flame speed). Nếu ngọn lửa ổn định (steady state) nghĩa là ngọn lửa đứng yên, vận tốc của ngọn
lửa bằng “không”.
Chúng ta định nghĩa hai loại vận tốc như sau:
a) Vận tốc của sức cháy (burning velocity) là vận tốc của ngọn lửa mốc là hỗn hợp khí đốt
và KK. Dùng ít “phép thuật” toán, vận tốc sức cháy có thể tính được từ đường biểu diễn
P-thời gian ở Hình 6.
b) Vận tốc của ngọn lửa là vận tốc mà mốc là tọa độ cố (nhất) định.
“Tốc độ của sự cháy” của một loại hạt rất quan trọng vì chúng ta dùng nó để chuẩn đoán độ cháy
của hạt (độ nguy hiểm của hạt nếu hạt bị cháy nổ).


16






(a)

(b)

Hình 7: Mô hình và đèn (ngọn lửa) Bunsen (hình chụp lấy trong internet).

6. Sự rối loạn (turbulence)

Sự rối loạn rất quan trọng trong sự đốt cháy hay nói một cách khác, nếu có sự rối loạn vận tốc
của sức cháy sẽ tăng lên hay sức cháy hoặc sức nổ trở nên mảnh liệt hơn. Để giải thích cho điều
này, chúng ta hãy quan sát thí nghiệm “đóng-mở” của ống dài. Trong ống dài chứa hỗn hợp chất
đốt (dạng khí hay rắn) và không khí (KK). Nồng độ chất đốt trong KK trong phạm vi có thể xảy
ra phản ứng nổ.

Trường hợp 1 (Hình 8a và 8b): Mồi tại đầu mở của ống (Hình 8a, trạng thái bắt đầu t = 0 giây).
Vì sức nóng từ ngọn lửa (flame front), hỗn hợp chất đã đốt xong (khói) tại ngọn lửa sẽ chuyển
động xuyên qua hỗn hợp đã đốt xong và chuyển động theo hướng ra khỏi bình (Hình 8b, khi t =
17

Dt giây). Hỗn hợp chất đã đốt xong không đụng chạm tới ngọn lửa và ngọn lửa cứ tiếp tục cháy
cho đến khi không còn hỗn hợp chất đốt và KK chưa cháy còn lại trong bình. Ngọn lửa có hai
chiều (hình tròn) và di chuyển đều. Trong trường hợp này ngọn lửa di chuyển với tốc độ bằng tốc
độ của sức cháy thành lớp (không có sự rối loạn) (laminar burning velocity)



Hình 8: Thí nghiệm “đóng-mở” của ống dài.
Trường hợp 2 (Hình 8c và 8d): Mồi tại đầu “đóng” của ống (Hình 8c, t = 0 giây). Ngay lúc bắt
đầu, ngọn lửa vẫn còn ở dạng hai chiều và bằng với vận tốc của sức cháy thành lớp (không có sự
rối loạn). Hỗn hợp ở trạng thái ban đầu yên tĩnh (lặng yên), khi vừa bắt đầu cháy thì có hiện
tượng khác xảy ra, Ngọn lửa nóng lên và bắt đầu phát ra năng lượng cho hỗn hợp khí đã vừa
cháy xong (khói). Sự giãn nở của hỗn hợp vì nhiệt độ tăng sẽ đẩy ngọn lửa di chuyển về phía đầu
mở của ống. Khí đầu ống phía sau ngọn lửa bị bít kín, bắt buộc hỗn hợp khí đã bị đốt quay ngược
đầu lại và chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc của sức cháy thành lớp (không có sự rối

loạn) và sẽ làm ngọn lửa bị biến dạng. Hỗn hợp khí (khói) bây giờ có sự rối loạn và làm ngọn lửa
18

cũng trở thành ba chiều. Diện tích bề mặt của ngọn lửa tiếp xúc với hỗn hợp chất đốt và KK
(unburned gas) lớn hơn diện tích của ngọn lửa ở dạng hai chiều, nhiều năng lượng phát sinh ra
làm nóng hỗn hợp khí chưa cháy, hỗn hợp khí chưa cháy nóng hơn, dễ bắt mồi cháy hơn, và sẽ
cháy nhanh (nhiều) hơn. Vận tốc của ngọn lửa sẽ bằng vận tốc sức cháy cộng với vận tốc của
hỗn hợp khí đã bị đốt (khói).
Essenhigh và Woodhead (1959) [9] đã làm thí nghiệm này với hỗn hợp “nút bần”-không khí
trong một ống bằng kiếng với chiều dài 5,2 m và đường kính bằng 56 mm và 76 mm. Họ đã
khám phá ra vận tốc ngọn lửa trong trường hợp 2 (mồi tại đầu “đóng”) lớn hơn 20 lần so vối vận
tốc ngọn lửa trong trường hợp 1 (mồi tại đầu “mở”).

Như vậy sự rối loạn rất quan trọng trong sự đốt cháy. Có rất nhiều tài liệu nói về liên
quan giữa sự rối loạn và sự đốt cháy. Tốc độ cháy trong trường hợp có sự rối loạn lớn
hơn tốc độ cháy không có sự rối loạn khoảng 2 – 4 lần cho chất đốt là các hạt rắn (chất
khí có thể lớn hơn nhiều). Có nghĩa là áp suất tăng đột ngột nhanh hơn 2 – 4 lần. Áp suất
cũng lớn hơn (khoảng 40%) trong trường hợp có sự rối loạn [10].

Khi cháy nó có thể tạo ra sự rối loạn. Sự rối loạn làm tăng lên tốc độ cháy. Giải thích hơi phức
tạp nên không trình bày ở đây.

7. Năng lượng tối thiểu để bắt mồi cho ngọn lửa
Bao nhiêu joule (1 joule = 2,77778 x 10
-7
kw-giờ) để ngọn lửa có thể bắt đầu cháy? Câu hỏi này
rất khó trả lời vì nó tùy thuộc vào:

 Vật liệu (bột than, đường hay gỗ, v.v.). Bột kim loại cũng có thể cháy thí dụ nhôm, đồng.
 Độ lớn của hạt (đường kính bao nhiêu, bao nhiêu phần trăm hạt nhỏ)

 Phần trăm khí đốt trong hạt. Thí dụ trong than đá hay gỗ có một phần khí hydrocarbon sẽ
bay hơi trước (khoảng 250 – 700
o
C) và những chất khí này sẽ dễ dàng cháy trước và mồi
phần còn lại là carbon và chất bẩn.
 Nhiệt độ của môi trường
 Độ rối loạn
 v.v.
19


Điều quan trọng là chúng ta phòng hờ các trường hợp có thể làm mồi cho ngọn lửa như:
 Lửa, khí (khói, không khí, v.v.) nóng
 Vật nóng
 Chạm điện
 Từ trường (???)
 Hàn xì
 Tia lửa do hai vật rắn chạm vào gây ra
 v.v .

Nên nhớ là các hạt có thể tự cháy nếu nhiệt độ tăng lên. [2], [11] và [12] có nêu rất nhiều dữ
kiện cho nhiều các hạt khác nhau. Bảng 3 và 4 chỉ một vài loại hạt thông dụng, áp suất tối đa
(P
max
) và nhiệt độ tối thiểu (T
min
) mà các hạt tự cháy


P

max
(bar)

T
min
(
o
C)
Bột mì 8,5
Bột gạo 7,4 490
Sữa bột 8,1 460
Cà phê 6,8 - 9,0 470
Bột thịt 8,5 540
Trà 8,2 510
Bột giấy 5,7 - 9,8 490 - 580

Gỗ 9,0 500
Cao su 7,5 - 8,5
Than bùn (Brown coal) 9,1 420
Than Butiminous 9,0 590
Than Anthracite 9,0 610
Bò hóng (trong ống khói)

8,8 - 9,2 760 - 840

20

Bảng 3: P
max
: áp suất tối đa có thể xảy ra khi có hiện tượng nổ;

T
min
: Nhiệt độ tối thiểu mà hạt có thể tự bốc cháy mà không cần
các loại mồi khác [2].

Kim loại cũng có thể cháy (Bảng 4)

Kim loại P
max
(bar)

T
min
(
o
C)
Manganese 6,3 330
Nhôm 10 - 12,5 500 - 650

Đồng 4,1 390
Sắt 5,2 580
Kẽm 6,0 - 7,3 570 - 800

Bảng 4: P
max
và T
min
cho một vài loại kim loại tường gặp [2]

8. Nồng độ của chất đốt trong không khí (hay oxygen)
Các hạt có thề cháy khi có sự hiện diện của chất oxy hoá như không
khí (KK). Nhiều KK hay ít KK quá cũng không thể cháy được. Nồng độ
của các hạt nếu xảy ra hiện tượng cháy nổ hoàn toàn tùy thuộc vào
loại hạt (bột hay than hay kim loại, v.v.

9. Độ nhuyễn (đường kính) của hạt bụi
Như đã giải thích ở phía trên. Hạt càng nhỏ cháy càng nhanh. Điều
kiện cháy là các hạt phải có điều kiện tiếp xúc với không khí.

21

10. Cách đề phòng
Cách đề hay nhất là không làm việc với chất có thể cháy. Điều này
không thể được vì kim loại (hạt nhôm) không cháy nhưng với điều kiện
nào đó sẽ cháy được và gây ra hiện tượng nổ con mảnh liệt hơn các
hạt cháy được ở điều kiện thường. Vài điều sau đây nên lưu ý:
 Không để các hạt bụi bám trên tường, ống thông hơi hay ống khói, v.v.
vì khi cháy các hạt này sẽ tung lên do sự rối loạn và tham gia phản
ứng nổ.
 Nhiều loại hạt (thí dụ than đá) có chứa nhiều hydrocarbon như CH
4
,
C
2
H
6
, .v.v. các hydrocarbon này sẽ thoát ra khoảng từ 150 – 300
o
C và

nó sẽ dễ cháy và sẽ là vật mồi cho các hạt.
 Áp suất tối đa khoảng 5 – 10 lần áp suất ban đầu. Nếu chúng ta sấy
vật liệu ở áp suất cao hơn 1 bar (điều kiện thường) thì hãy thiết kế
bình chứa chịu đựng áp suất 10 lần so với áp suất ban đầu.
 Phải thiết kế lỗ thoát hơi (xem Hình 9). Khi áp suất trong bình quá áp
suất mà lỗ thoát hơi được thiết kế, lỗ thoát hơi sẽ tự động mở
 Nếu quá trình sản suất quá phức tạp thì phải có cố vấn thêm của người
biết về vấn đề này.


Hình 9: Bình chứa có lỗ thoát hơi.