1 Cháy Nổ Do Các Hạt Bụi PHẦN MỘT v Phần một giải thích hiện tượng nổ. Phần hai sẽ giải thích hiện tượng nổ bằng toán học và cách đề phòng (tính lỗ thoát hơi bằng toán học, lỗ thoát hơi dùng để giảm độ mảnh liệt hoặc làm chuyển hướng của hiện tượng nổ). v Hạt bụi (tiếng Anh gọi là dust) ở đây là các hạt ở thể rắn, hình dáng bất kỳ (tất cả các loại hình dáng), tỉ trọng cũng bất kỳ (tất cả các loại tỷ trọng) có đường kính hay cạnh dưới 500 mm (0,5 mm) (có tài liệu nói dưới 0,2 mm). v Ngọn lửa (cháy) chỉ có thể xảy ra khi đáp ứng 3 điều kiện: Ø Vật liệu có thề cháy và sinh ra một sức nóng Ø Có đầy đủ oxygen (không khí) Ø Có một vật “mồi hữu hiệu “ (sứ nóng hoặc ngọn lửa) Nếu có hiện tượng nổ xảy ra, sẽ phải đáp ứng thêm hai điều kiện nữa: Ø Có đầy đủ các hạt bụi cháy được Ø Các hạt đạt đủ nồng độ và trộn lẫn với không khí trong môi trường nổ v Thông thường áp suất tăng tối đa trong hiện tượng nổ khoảng 7 – 10 bar nếu bình chứa ban đầu có áp suất khoảng 1 bar (áp suất trong không khí). Nếu bình chứa trên 1 bar thì áp suất tối đa có thể lên đến khoảng 5 – 10 lần áp suất ban đầu.Thí dụ bình chứa làm việc khoảng 3 bar thì khi nổ có thể tăng đến 15 – 30 bar. 7 bar tương đương áp suất dưới mặt nước biển khoảng 69 m hoặc nước ngọt (nước sông) khoảng 71,5 m. 2 Hình 1: Ông ta quên bài “Cháy nổ do các hạt bụi” 3 1- Lời mở đầu Thông thường chúng ta chỉ sợ sự cháy nổ của chất khí hay lỏng mà coi thường sự cháy nổ của vật rắn. Điều đó cũng dễ hiểu vì chất khí và lỏng dễ bắt cháy hơn chất rắn. Nhưng khi cháy thì vật rắn sẽ gây ra một sức cháy mãnh liệt và gây thiệt hại đáng kể, không những tài sản mà cả mạng sống của con người. Bảng 1 chỉ một vài đám cháy, nổ tại Việt Nam ghi nhận được qua internet. Ngày-tháng-năm Địa điểm Sản xuất Hiện tượng 09-03-2004 Q.9, TP HCM Đồ gỗ Cháy, nổ? 04-03-2004 TP HCM Mút xốp cho giầy dép Cháy, nổ? 26-02-2004 TP HCM Gia công nệm mút Cháy, nổ? 20-02-2004 Hóc Môn, TP HCM Mây, tre, lá Cháy, nổ? 16-01-2004 Huyện Bình Chánh Giầy Cháy, nổ? 04-12-2003 Bình Dương Đế giầy Adidas Cháy, nổ? 11-01-2003 Trảng Bàng, Tây Ninh Sấy Tre Cháy, nổ 19-12-2002 Quảng Ninh Mỏ than Cháy, nổ 05-03-2002 Gò Vấp Chế biến gỗ Cháy, nổ Bảng 1: Cháy nổ nơi sản xuất các đồ gỗ, nhựa và than đá. (Theo tin tức từ internet). Nổ?: không chắn chắn có hiện tượng nổ hay không? Không những chỉ có VN mới có hiện tượng cháy nổ trong các nhà máy sản xuất mà ngay cả các nước Tây Phương cũng có hiện tượng này (xem Bảng 2) 4 PRIVATE Loại bụi Tây Đức cũ 1965 - 1980 [%] Anh* 1979 - 1985 [%] Mỹ* 1900 - 1956 [%] Gỗ Thức ăn Nhựa Than đá Kim loại Giấy Các loại khác 32 25 13 9 13 2 6 12 42 5 5 14 ** 22 18 51 6 6 7 1 11 Bảng 2: Nổ tại Tây Đức (cũ), Anh và Mỹ. * : nổ và cháy; ** : giấy và gỗ: 12 %. [1]. Những hiện tượng cháy nổ do các hạt bụi gây ra thường mãnh liệt vì chúng ta không có đề phòng và coi thường sự nguy hiểm của nó. Thí dụ như hạt kim loại như hạt nhôm thông thường không cháy, nhưng với một nồng độ oxygen nào đó cộng với nhiệt độ và áp suất cao sẽ cháy và sinh ra một năng lượng đáng kể và sẽ đưa đến hiện tượng nổ. Nhưng chúng ta không vì sự nguy hiểm mà chúng ta ngưng sản xuất mà chúng ta phải tìm hiểu và đề phòng, tránh sự thiệt hại cả vật chất lẫn nhân mạng con người. Việc tìm hiểu, nghiên cứu sự cháy nổ do các hạt bụi không phải xảy ra mới đây mà nó có từ lâu đời. Ngày xưa họ tìm hiểu sự cháy nổ của các hạt bụi xuất phát từ nổ hầm mỏ nhất là mỏ than. Các mỏ than thường hay có các chất khí thí dụ như methane (CH 4 ) chứa các “túi nhỏ” lẫn lộn với than. Khi chúng ta đào tới các túi khí này cộng với một tia lửa bắt mồi và sự cháy xảy ra. Khi có sự hiện diện của các bột than, các bột than này sẽ dễ dàng cháy và sinh ra một năng lượng đáng kể. Năng lượng sinh ra sẽ làm nhiệt độ của không khí (KK) trong hầm tăng lên và đưa đến thể tích tăng lên một cách đột ngột. Do thể tích trong hầm không thay đổi, thể tích KK sẽ chuyển động nhanh theo hướng cửa hầm và hiện tượng nổ xảy ra. Chi tiết hiện tượng cháy nổ này sẽ trình bày rõ ràng hơn ở dưới đây. 5 1. Thế nào gọi là hiện tượng nổ? Giáo sư Eckhoff (1991)[2] đã định nghĩa sự nổ hay phản ứng nổ như sau: “Hiện tượng nổ là hiện tượng mà trong đó có phản ứng hoá học phát nhiệt, hiện tượng này xảy ra trong một môi trường đẳng tích (thể tích không thay đổi) và sinh ra một sự tăng trưởng đột ngột và mảnh liệt của áp suất”. Tất cả các vật rắn mà có thể cháy ở nhiệt độ và áp suất thường đều có thể phát sinh một sự tăng trưởng đột ngột và mãnh liệt của áp suất. Sự tăng trưởng đột ngột và mãnh liệt của áp suất này tỉ lệ thuận với diện tích chung quanh của vật (xem giải thích ở phía dưới). Tiếng nổ “bang” là do một làn sóng áp suất thật mạnh truyền đi với vận tốc thật nhanh. Lemkowitz (1996) [3] phân biệt cháy và nổ như sau: Ø Cháy là một phản ứng hoá học, xảy ra tương đối chậm và liên tục. Cháy sẽ làm thiệt hại nhà cửa và vật liệu do ngọn lửa hoặc sức nóng của nó. Cháy cũng làm thiệt hại đến mạng sống hoặc làm bị thương con người qua ngọn lửa, làm thiếu oxygen hoặc phát sinh khí độc như carbon monoxide (CO). Ø Nổ là hiện tượng cháy nhanh và phát sinh bất thình lình một năng lượng lớn, thông thường trong một môi trường ở dạng khí hay lỏng. Hiện tượng này phát sinh ra một làn sóng áp suất thật nhanh. Áp suất từ hiện tượng nổ sẽ hủy hoại nhà cửa, vật liệu và có thể làm bị thương hay làm chết người trực tiếp hay gián tiếp như nhà sập, vật đè, v.v. Sự nổ sẽ gây ra đám cháy lớn hay một tia lửa dài. Cũng giống như sự cháy, hiện tượng nổ có thể giết người bằng cách làm làm thiếu oxygen cũng như sa thải khói độc. Thông thường nổ kèm theo sự cháy sau đó. Trong sự đốt cháy người ta phân biệt hai loại lửa: 1) Chất đốt và oxygen (hoặc không khí) hoà lẫn và đưa vào phòng đốt bằng một nguồn (premixed flame) gọi “là ngọn lửa hoà lẫn trước” (Hình 2a ); 2) Chất đốt và oxygen đưa vào phòng đốt bằng hai nguồn khác nhau (diffusion flame)(Hình 2b) gọi là “ngọn lửa khuyếch tán”. 6 Hình 2: Mẫu hình đơn giản cho hai loại ngọn lửa. (a) ngọn lửa hoà lẫn trước; (b) ngọn lửa khuyếch tán. Hai hình vẽ ở đây chỉ dùng để giải thích. Trong thực tế, người ta thường cho không khí vào bằng một dòng xoáy để ngọn lửa dễ dàng ổn định (dễ dàng cháy liên tục, không bị tắt). Kỹ thuật này hy vọng sẽ trình bày vào một dịp thuận tiện khác. 7 Cháy xảy ra trong môi trường chất đốt và không khí (hay oxygen) không hoà lẫn trước, nhưng hiện tượng nổ xảy ra môi trường chất đốt và không khí trộn lẫn trước. 3. Điều kiện và nơi có thể xảy ra Như đã nêu ở trên, tất cả các vật rắn mà có thể cháy ở nhiệt độ và áp suất thường đều có thể phát sinh một sự tăng trưởng đột ngột và mảnh liệt của áp suất. Tuy nhiên để có một ngọn lửa phát sinh và truyền đi phải đáp ứng tất cả các điều kiện dưới đây (VDI 2263 (1992) [4]): Ø Vật liệu có thể cháy và sinh ra một sức nóng Ø Có đầy đủ oxygen (không khí) Ø Có một vật “mồi hữu hiệu “ (sức nóng hoặc ngọn lửa) Nếu có hiện tượng nổ xảy ra, sẽ đáp ứng thêm hai điều kiện nữa: Ø Có đầy đủ các hạt bụi cháy được Ø Các hạt đạt đủ nồng độ và trộn lẫn với không khí trong môi trường nổ Giải thích cho điều kiện cuối cùng như sau. Ta có một khúc gỗ hình khối mỗi cạnh 1 m hay 1.000 mm (Hình 3a) và 1.000 khúc gỗ mỗi cạnh 100 mm (Hình 3b). 8 Hình 3: 1 m 3 gỗ (a) Khúc gỗ hình khối mỗi cạnh 1 m = 1.000 mm; (b) 1.000 khúc gỗ hình khối mỗi cạnh 100 mm. Giả sử 1.000 khúc gỗ nhỏ tung đều trong không khí như hình vẽ (3b) có nghĩa là không khí có thể tiếp với tất cả các bề mặt của chúng nó và chúng có thể (điều kiện) cháy cùng một lúc. Diện tích chung quanh của các khúc gỗ tính như sau: Khúc gỗ lớn: A chung quanh = 6 x (1 x 1) = 6 m 2 Các khúc khỗ nhỏ: A chung quanh = 1.000 x (6 x (0,1 x 0,1) = 60 m 2 9 Như vậy ta chia khúc gỗ lớn ra một 1.000 lần nó sẽ cháy nhanh hơn 60 lần. Đó là lý do tại sao chúng ta hay bửa củi để nấu bếp. Nếu chúng ta nghiền nát các khúc gỗ ra nhiều lần nữa thành các hạt bụi, thí dụ mỗi cạnh khoảng 1 mm hay 0,001 m. Tổng diện tích chung quanh được tính như sau: V hạt bụi = 0,001 x 0,001 x 0,001 = 1 x 10 -9 m 3 Tổng số hạt bụi tương đương với 1 m 3 gỗ n hạt bụi = V 1m 3 / V hạt bụi = 1 / (1 x 10 -9 ) = 1 x 10 9 hạt bụi Tổng diện tích chung quanh của các hạt bụi đường kính 1 mm hay 0,001 m A chung quanh = 1 x 10 9 x (6 x 0,001 x 0,001) = 6.000 m 2 Như vậy cùng 1 m 3 gỗ, ở dạng hạt bụi (mỗi cạnh 1 mm) sẽ cháy 6.000 lần nhanh hơn và sẽ sanh ra một năng lượng khổng lồ trong tích tắc, và nhiệt độ không khí sẽ tăng đột ngột, nhiệt độ tăng thể tích không khí tăng, thể tích bình chứa không thay đổi (thí dụ phòng hay xưởng làm việc) và cuối cùng sẽ gây ra hiện tượng nổ. Hình 4 trình bày sự khác nhau giữa cháy chậm, cháy nhanh và nổ cho một khúc gỗ và đám củi 10 Hình 4: (a) Cháy chậm; (b) Cháy nhanh hơn; (c) Hiện tượng nổ (Hình Eckhoff (1991)[2]) 4. Đặc trưng sức mãnh liệt của hiện tượng nổ Người ta đặc trưng hiện tượng nổ bằng hằng số gọi là K st (st là chữ viết tắt của tiếng Đức “staub” có nghĩa là hạt bụi). K st 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 K st , (dP/dt) max và V 1/3 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, K st là một hằng số của hạt bụi. Định luật hình khối có giá trị khi ([2], [5]): v Cùng một nồng độ giữa hạt bụi và không khí hay oxygen v Bình chứa có hình dáng tương tự như nhau [...]... chứa (xem giải thích ở dưới) v Hỗn hợp (hạt bụi và không khí) có cùng độ rối loạn (turbulence) Định luật hình khối được tính theo giả sử (dP/dt)max xảy ra khi áp suất đạt được độ lớn nhất (tối đa) (Pmax) khi ngọn lửa chạm vào thành bình ([6], [7]) Giả sử này xảy ra trong hiện tượng nổ củ khí đốt thí dụ hydrogen (H2) và oxygen (O2) Trong hiện tượng nổ của các hạt bụi, (dP/dt)max đạt được trước khi ngọn... nghiệm (xử dụng ít hạt bụi cho mỗi thí nghiệm) cho bình 20 lít vẫn rẻ hơn bình 1.000 lít cho nên loại bình 20 lít vẫn còn thông dụng nhưng độ chính xác vẫn thấp hơn vì độ rối loạn trong bình 20 lít thấp so với bình 1.000 lít ([2], [10]) Thí nghiệm cho rằng Kst là một hằng số không tùy thuộc vào độ lớn của bình nếu bình chứa lớn hơn 10 lít ([5]) Bình chứa để làm thí nghiệm đo Kst của các hạt bụi được chọn . lá Cháy, nổ? 1 6-0 1-2 004 Huyện Bình Chánh Giầy Cháy, nổ? 0 4-1 2-2 003 Bình Dương Đế giầy Adidas Cháy, nổ? 1 1-0 1-2 003 Trảng Bàng, Tây Ninh Sấy Tre Cháy, nổ 1 9-1 2-2 002 Quảng Ninh Mỏ than Cháy, . Ngày-tháng-năm Địa điểm Sản xuất Hiện tượng 0 9-0 3-2 004 Q.9, TP HCM Đồ gỗ Cháy, nổ? 0 4-0 3-2 004 TP HCM Mút xốp cho giầy dép Cháy, nổ? 2 6-0 2-2 004 TP HCM Gia công nệm mút Cháy, nổ? 2 0-0 2-2 004. 1 Cháy Nổ Do Các Hạt Bụi PHẦN MỘT v Phần một giải thích hiện tượng nổ. Phần hai sẽ giải thích hiện tượng nổ bằng toán học và cách đề phòng (tính lỗ thoát hơi