Федеральное Государственное Унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт " Кристалл"

Утверждаю

У \ .Т^^енеральнын директор,

/.•/    ■    '    *    *    ■. • о ^ар^идат технических наук

г,° “    * - . ч'3«№корреспо1^нт РА РАН/

t.

_2005

Методические указания

по определению количественного состава вредных продуктов образующихся при взрыве и горении

Первый заместитель Генерального директора, канд.техн.наук

Директор по науке, доктор химических наук, профессо академик РА РАН

Начальник рецептурно-технологического отдела

Начальник лаборатории физики быстроп ротекаЮЩИх процессов, кандидат технических наук

Дзержинск 2005 год

Определение состава продуктов взрыва, в том числе состава ядовитых газов, образующихся при разложении различных ВВ в разных условиях, весьма необходимо, гак как оно позволяет судить о полноте взрыва, с одной стороны, и о степени загазованности в результате проведения взрывных работ и работ по утилизации ВВ— с друг ой.

Известны многие методики определения количественного состава газов, образующихся при взрыве ВВ: взрывание в бомбах Апина, Бихеля или Долгова в вакууме путем детонации свободно подвешенного заряда, взрывание в тех же бомбах заряда ВВ. окруженного песком или мелкоизмсльченной породой и др. В работах [1-5] описана процедура определения состава ИВ при подрыве заряда в бомбе объемом 5-10 л или в камере объемом 1500 л. Суть эксперимента заключается в определении состава продуктов взрыва заряда ВВ помещенного в толстостенный сосуд, из которого удаляется воздух (либо вакуумированием, либо вытеснением инертным газом).

Есть разница в номенклатуре определяемых 11В. Наиболее полные данные приводятся в [1,4,5]. Чаще всего в литературе можно встретить данные о количественном составе следующих продуктов взрыва - СО, СО;, С, Н;0, Н>, О;, N2, вносящих наибольший вклад в энергосодержание ПВ.

Проблема газовой вредности при проведении работ в промышленных условиях, а также при проведении массовых испытаний на полигонах - одна из главных причин интереса к составу ПВ.

Исследователи Naval Weapons Center Джонсон, Эриксон и др. определяли Г1В 1.5 кг зарядов ТИТ и некоторых других штатных ВВ ВМФ США. Опыты проводились в воздушной атмосфере и при подкачке азота в камере размерами 4.4x3.3x27 м. Газовые пробы отбирались на газовом хроматографе и масс-снсктромстрс [6,7].

Авторы приводят экспериментальные данные в сравнении с рассчитанными по уравнению состояния. В пределах точности методов анализа такие продукты взрыва, как NH3, СзНб, СзНк, HCN не были обнаружены. Реально обнаружен только СО. То же касается и полициклических углеводородов [6]: большинство ожидаемых продуктов взрыва обнаружены не были. Авторы делают вывод, что и при взрыве в воздушной атмосфере, и в атмосфере азота продукты взрыва не представляют опасности ни для здоровья людей, ни для окружающей среды.

4 Расчет количества вредных веществ,

образующихся при горении вспомогательных материалов

В качестве вспомогательных материалов в отходах ВВ присутствуют бумага, тексгиль и др., являющиеся основными компонентами твердых бытовых отходов (ТБО. Определение выхода продуктов их сгорания_рассчитывают по формулам определения продуктов сгорания ТБО для мусоросжигательных заводов с учетом теплотехнических характеристик отходов и особенностей сжигания на открытой площадке /11, 12/.

Данные по элементному составу и теплотехническим характеристикам отдельных компонентов ТБО приведены в таблице 2 /11/.

Таблица 2 Элементный состав и удельная низшая теплота сгорания отдельных

компонентов ТБО

Компонент отходов Элементный состав, % Низшая теплота сгорания, МДж/кг С Н О N S Зола, А, Влажность, W Бумага 27.7 3.7 28.3 0.16 0.14 15 25 9.49 Пищевые отходы 12.6 1.8 8.0 0.95 0.15 4.5 72 3.43 Текстиль 40.5 4.8 33.8 0.1 - 0.8 20 14.46 Древесина 40.4 4.9 23.2 3.4 0.1 8.0 20 15.72 Отсев 13.9 1.9 14.1 - 0.1 50.0 20 4.60 Пластмасса 55.1 7.6 17.5 0.9 0.3 10.6 8 23.37 Зола 25.2 0.45 0.7 - 0.45 63.2 10 8.65 Кожа, резина. 65.0 5.0 12.6 0.2 0.6 11.6 5 25.79 Прочее 47.0 5.3 27.7 0.1 0.2 11.7 8 18.14 Стекло - - - - - 100 - •

4.1 Выброс летучей золы в атмосферу, определяют по формулам: - максимально разовый выброс, г/с:

G, = 10⁵ х В™ х а _ун (А, + q₄ х Q„/224)/100,    (11)

- валовый выброс, т/год:

М, = В х а _у„ (А, + q₄ х Qm/224)/100,    (12)

где Вщах - количество сжигаемых отходов, кг/с,

В - количество сжигаемых отходов, т/год,

a_v„ - доля твердых части, уносимых с дымовыми газами; для условий сжигания на открытой площадке в соответствии с /12/ составляет 0.009;

А, - содержание золы в материале, % масс.;

q₄ - потери с механическим недожогом, % масс, q₄ составляет 5-6% масс;

Q„ - низшая теплота сгорания материала, МДж/кг; при отсутствии литературных данных Q,, может быть рассчитана но уравнению Менделеева, кДж/кт:

Q., = 4.187 х {81 С + 300 Н - 26 (О - S)- 6 (9 Н + W)},    (13)

где С Н, О, S, W - содержание соответствующего элемента и влаги в рабочей массе отхода или материала, % масс.

4.2    Выброс окислов серы в пересчете на SO2 вычисляют по формулам:

-    максимально разовый выброс, г/с:

G_So2 = 2x 10³ х В_тАХ х (1 -tyS/100,    (14)

-    валовый выброс, т/год:

Mso2 = 2 х В х (I - г|) S/100,    (15),

где г) - доля окислов серы, связываемых летучей золой, для ТБО равна 0.3.

4.3    Выброс окислов азота вычисляют по следующим формулам:

-    максимально разовый выброс, г/с:

Gno2 ⁼ В_тах х Q„ х Kno: (1 - 44/100) х 10‘³,    (16),

-    валовый выброс, т/год:

M_No2 = В х Q_H х K_N02 х (1 - qV 100),    (17),

где Kno2~ количество окислов, образующихся на 1 ГДж тепла, кг/ГДж:

K_No2 ⁼ 0.16 х _е^{0012хДном},    (18)

где Д „ом - величина, эквивалентная номинальной паропроизводительности, т/ч:

Д „ом = В x Q/ Э„,

здесь Э_п- энтальпия пара при температуре 150°С; Э_п = 2800 МДж/т пара /20/.

4.4 Выброс оксида углерода вычисляют по формулам:

-    максимально разовый выброс, г/с:

Geo ^т В mix х geo.    (20),

-    валовый выброс, т/год:

Мсо = В х geo.    (21)

где geo - количество СО, образующегося при сгорании 1 кг отхода, г/кг; определяется путем решения системы уравнений баланса углерода, водорода и кислорода в уравнении реакции горения с учетом данных по выбросу вредных веществ в атмосферу при горении ТБО на полигоне /12/, согласно которым коэффициент расхода кислорода на окисление углерода (а) составляет примерно 97 % от теоретического:

По = (2 Пс + 0.5 п_и) х а

Псо Пси2 " Пс

П<о + 2 Псо2 = По — 0.5 П„

где По , Пс ,п„ - число г-атомов соответствующих элементов в расчете на 1 кг отхода;

псо, псо: - число г-молей соответствующих продуктов горения в расчете на 1 кг отхода.

geo = 0.01 (2С/12 + 0.5 Н) х (1 - а) х 28 х 10³    (22)

4.5 Выход летучих продуктов сгорания из отхода рассматриваемого состава находят суммированием выходов летучих продуктов из отдельных компонентов отхода:

Gj= IGjiXa; Mj = I Mj j x a,

где a, - массовая доля i-го компонента в смеси.

5 Примеры расчета выбросов вредных веществ.

образующихся при подрыве ВВ и сжигании отходов ВЦ

Пример I Определить мощность выброса (г/с) и валовый выброс вредных веществ (т/год), образующихся при подрыве тротила. Максимальное количество тротила за одну операцию - 24 кг, общее количество - 280 кг/год. Продолжительность операции - менее I с; согласно/13, п.23,

примечание 2/ для быстро протекающих процессов (продолжительностью менее 20 мин) значение максимально разового выброса относят к 20-минутному периоду осреднения.

Проведение расчета:

Выброс вредного вещества (j) в атмосферу определяется по формулам (9), (10) с использованием значений удельных выбросов (gj) при подрыве (табл.1):

Gj - gj X Вшах

Mj = gj х В х 10'³

где В щах - максимальное количество тротила, подлежащее подрыву, кг/с;

В - количество тротила, подлежащее подрыву, т/год.

Выброс диоксида азота:

Gno2 = 1.13 г/кг х (24/1200) кг/с = 0.0226 г/с,

где 1200 - продолжительность максимально разового выброса, равная 1200 с.

Mso2= 1.13 г/кг х 0.280 т/год х 10'³ = 0.00032 т/год,

Выброс оксида углерода:

Geo * 40.88 г/кг х (24/1200) кг/с = 0.8176 г/с;

Мсо= 40.88 г/кг х 0.280 т/год х 10° = 0.01145 т/год.

Выброс углерода (сажи):

G_c = 369.98 г/кг х (24/1200) кг/с = 7.3996 г/с;

Мс= 369.98 г/кг х 0.280 т/год х 10³ = 0.10359 т/год

Пример 2 По условиям примера I определить мощность выброса (г/с) и валовый выброс вредных веществ (т/год), образующихся при подрыве смеси ВВ, содержащей тротила -88 % масс, и тэна - 12 % масс.

Проведение расчета:

Выброс вредного вещества (j) в атмосферу определяется по формулам (9), (10) с использованием значений удельных выбросов, рассчитанных по формуле /7/:

gj= Igj.xa,,

где gj i- удельный выброс вредного вещества от отдельных компонентов (табл.1); aj - массовая доля компонента в смеси.

gN02 = gN02 тит X а_тит + g_N02 ™ х а_пн= 1.13 х 0.88 + 9.94 х 0.12 = 2.187 г/кг, gco= geo ткт X а,_Мт + geo пн X а_п« = 40-88 х 0.88 + 11.70 х 0.12 = 37.378 г/кг; gc = gc тнт X Этих + gc пи X а„н = 369.98 х 0.88 + 28.21 х 0.12 = 328.97 г/кг.

Выброс диоксида азота:

Gno2 = 2.187 г/кг х (24/1200) кг/с * 0.04374 г/с,

Mno2= 2.187 г/кг х 0.280 т/год х 10'³ = 0.00061 т/год.

Выброс оксида углерода:

Geo = 37.378 г/кг х (24/1200) кг/с = 0.74756 г/с;

М_со= 37.378 г/кг х 0.280 т/год х 10’⁵ = 0.01046 т/год.

Выброс углерода (сажи):

G_c = 328.97 г/кг х (24/1200) кг/с = 6.5794 г/с;

М_с= 328.97 г/кг х 0.280 т/год х 10'³ = 0.09211 т/год

Пример 3 Определить мощность выброса (г/с) и валовый выброс вредных веществ (т/год), образующихся при сжигании отходов тротила. Максимальное количество отхода, сжигаемого за одну операцию - 2 дорожки по 30 кг, общее количество отхода, сжигаемого за одну операцию - 60 кг; продолжительность одной операции - 1 ч. Количество отхода тротила, уничтожаемого путем сжигания за год - 3 т.

Проведение расчета:

Выброс вредного вещества (j) в атмосферу определяется по формулам (9), (10) с использованием значений удельных выбросов (gj) при сжигании (табл.1):

Gj = gj х B_max Mj = gj x В x 10’³

где Bmax - максимальное количество отхода тротила, подлежащее сжиганию, кг/с;

В - общее количество отхода тротила, подлежащее сжиганию, т/год.

Выброс диоксида азота:

Gno2 = 0.034 г/кг х (60/3600) кг/с = 0.00057 г/с,

где 3600 - продолжительность операции сжигания, с.

M_No2= 0.034 г/кг x 3 т/гол х 10'⁵ = 0.00010 т/год,

Выброс оксида углерода:

G_co = 94.08 г/кг х (60/3600) кг/с = 1.568 г/с;

Мсо= 94.08 г/кг х 3 т/год х 10'³ = 0.28224 т/год.

Выброс углерода (сажи):

G_c - 257.04 г/кг х (60/3600) кг/с = 4.284 г/с;

Мс= 257.04 г/кг х 3 т/год х 10'³ = 0.77112 т/год

Пример 4 По условиям примера 3 определить мощность выброса (г/с) и валовый выброс вредных веществ (т/год), образующихся при сжигании смеси ВВ, содержащей тротила -88 % масс., тэна - 12 % масс.

Проведение расчета:

Выброс вредного вещества (j) в атмосферу при сжигании отхода ВВ определяется по формулам (9), (10) с использованием значений удельных выбросов, рассчитанных по формуле (8):

gj= Egj.xai

где gj i - удельный выброс вредного вещества от отдельных компонентов (i) (табл. 1); ai - массовая доля i-ro компонента в смеси.

gN02 ⁼ gN02 тит X Зцгт ⁺ gN02 том X Этой

0.034 х 0.88 + 0.040 х 0.12 = 0.035 г/кг; gco = gco тит х а_П|Т + gco г»и х а„„ = 94.08 х 0.88 + 126.73 х 0.12 = 98.00 г/кг, gc= gc .«г х а,_мт + gc тон х а„„ = 257.04 х 0.88 + 10.44 х 0.12 = 227.45 г/кг.

Выброс диоксида азота:

Gno2 = 0.035 г/кг х (60/3600) кг/с = 0.00058 г/с,

Ммо2= 0.035 г/кг х 3 т/год х 10'³ = 0.00010 т/год.

Выброс оксида углерода:

Gco = 98.00 г/кг х (60/3600) кг/с = 1.63333 г/с;

Мсо⁼ 98.00 г/кг х 3 т/год х 10‘³ = 0.29400 т/год.

Выброс углерода (сажи):

G_c = 227.45 г/кг х (60/3600) кг/с = 3.79083 г/с;

Мс= 227.45 г/кг х 3 т/год х 10'³ = 0.68235 т/год

Пример 5 Определ»т> мощность выброса (г/с) и валовый выброс вредных веществ (т/год), образующихся при сжигании бумажных мешков из-под тротила. Состав отхода: бумага - 97 % масс., тротил - 3 % масс. Максимальное количество отхода, сжигаемого за одну операцию - 500 кг, продолжительность операции -4 ч. Количество отхода, уничтожаемого за год - Ют.

Проведение расчета:

Выброс вредного вещества в атмосферу при сжигании отхода ВВ определяется как сумма выбросов этого вещества при сжигании бумаги и тротила, содержащихся в огходе, по формулам (23), (24).

Gj * £ Gj i х а„

Mj = £ Мj j х а,

Элементный состав и теплотехничекие характеристики бумаги (компонент I) приняты по табл.2:

С - 27.7 %, Н - 3.7 %, 0-28.3 %, N - 0.16 %, S - 0.14 %, А, - 15 %, W - 25 %,

Q„ - 9.49 МДж/кг.

5.1 Выброс летучей золы в атмосферу

-    Максимально разовый выброс при сгорании бумаги, г/с:

G, I = 10^J х Вт» х а у* (А, + q₄ х Q./224)/100 = I0³ х (500/4 х 3600)х 0.009 (15 + 5 х 9.49/224)/100 = 10³ х 0.0347 х 0.009 (15 + 0.21)/100 = 0.0475 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

М,, = В х а у„ (А, + q₄ х Q_H/224)/100 = 10 х 0.009 (15 + 0.21)/100 = 0.0137 т/год

где Вт» - количество сжигаемых отходов, кг/с;

В - количество сжигаемых отходов, т/год,

а_у„ - доля твердых частиц, уносимых с дымовыми газами; для условий сжигания на открытой площадке в соответствии с /12/ составляет 0.009;

А, - содержание золы в материале, 15 % масс.;

q₄ - потери с механическим недожогом, q₄ = 5 % масс;

Q_H - низшая теплота сгорания материала, Q„ = 9.49 МДж/кг.

При сгорании гротила (компонент 2) в качестве летучей золы образуется сажа в количестве 257.04 г/кг (табл.1):

- максимально разовый выброс, г/с:

G_l2 =• gc х B_max = 257.04 х 500/(4 х 3600) = 257.04 х 0.0347 = 8.9193 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

М,2 = gc х В х 10⁵ = 257.04 х 10 х 10'³ = 2.5704 т/год.

При сгорании бумажных мешков из-под тротила количество летучей золы составляет:

-    максимально разовый выброс, г/с:

G,= = 0.0475 х 0.97 + 8.9193 х 0.03 = 0.0461 + 0.2676 = 0.3137 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

М, = 0.0137 х 0.97 + 2.5704 х 0.03 = 0.0133 + 0.0771 = 0.0904 т/год, где 0.97 и 0.03- массовая доля бумаги и тротила в отходе, соответственно.

5.2    Выброс окиаюв серы

Окислы серы образуются только при сгорании бумаги:

-    максимально разовый выброс, г/с:

Gso2 = 2 х 10³ х B_mw х (1 - п) S/100 х 0.97 = 2 х 10³ х 0.0347 х (1 - 0.3) 0.14/100 х 0.97 = 0.06597 г/с

-    валовый выброс, т/год:

M_So2 = 2 х В х (1 - r|) S/100 х 0.97 = 2 х 10 х (1 - 0.3) 0.14/100 х 0.97 =

0.0190 т/год,

где г| - доля окислов серы, связываемых летучей золой, г| = 0.3.

5.3    Выброс окислов азота

-    Максимально разовый выброс при сгорании бумаги, г/с:

G N02 I - в^ х Q„ х Kno2 (1 * 44/100) = 0.0347 х 9.49 х K_N02 (1 - 5/100) =

0.0347 х 9.49 х 0.1608 х 0.95 =0.0347 х 1.45 = 0.0503 г/с;

где Кмог - количество окислов, образующихся на I ГДж тепла, кг/ГДж:

K_N02= 0.16 х _е⁰⁰¹²*^Диом = 0.16 х _е^0012х0424 = 0.1608 кг/ГДж,

где Д „_ом - величина, эквивалентная номинальной паропронзводктельности, т/ч:

Д ном = В' х Q*/ Э, = . 500 / 4) х (9.49 / 2800) = 125 х 0.0034 = 0.424 т/ч здесь Э„- энтальаия пара при температуре 150°С; Э„ = 2800 МДж/т пара /20/,

В - количество отхода, сжигаемого в час.

-    валовый выброс, т/год:

Mso: | = В х Q_H х K_N02 О - Цд/ЮО) х 10° - 10 х 1.45 х 10° = 0.0145 т/год

При сгорании тротила оксиды азота образуются в количестве 0.034 г/кг (табл.1):

-    максимально разовый выброс при сгорании тротила, г/с:

G no2 2 “• gN02 х В max ~ 0.034 х 0.0347 ⁼ 0.00118 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

Mno2 2 = gN02X В х 10‘³ ■ 0.034 х 10 х 10'³ = 0.00034 т/год.

При сгорании бумажных манков из-под тротила количество окислов азота составля-

-    максимально разовый выброс, г/с:

G_n02 = = 0.0503 х 0.97 + 0.00118 х 0.03 = 0.04879 + 0.00004 = 0.04883 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

Mno2 = 0.0145 х 0.97 + 0.00034 х 0.03 = 0.01406 + 0.00001 = 0.01407 т/год 5.4 Выброс оксида углерода

-    Максимально разовый выброс при сгорании бумаги, г/с:

Geo I = B_mMx geo = 0.0347 х 54.3 = 3.5512 г/с;

geo = 0.01 (2С/12 + 0.5 Н) х (1 - а) х 28 х 10³ = 0.01 [(2 х 27.7/12) + 0.5 х 3.7] х х (1 - 0.97) х 28 х I0³ = 0.01 х (4.616 + 1.85) х 0.03 х 28 х 10³ = 54.3 г/кг

-    валовый выброс, т/год:

Mcoi *10‘³ В х geo = Ю'³ х 10 х 54.3 = 0.543 т/год

При сгорании тротила оксид углерода образуются в количестве 94.08 г/кг (табл.1):

-    максимально разовый выброс при сгорании тротила, г/с:

G со 2 =• geo х Вшах = 94.08 х 0.0347 = 3.2646 г/с;

-    валовый выброс, т/год:

Мсо 2 * gcox ВхЮ'⁵ = 94.08 х 10 х 10'³ = 0.948 т/год.

мешков из-пол тротила количество оксида углерода состав-

• максимально разовый выброс, г/с:

Geo - 3.5512 х 0.97 + 3.2646 х 0.03 = 3.4447 + 0.0979 = 3.5426 г/с; - валовый выброс, т/год:

Мсо = 0.543 х 0.97 + 0.948 х 0.03 = 0.5267 + 0.0284 = 0.5551 т/год

Для определения количества ядовитых газов Росси Б.Д. и Усачев В.А. предлагают следующий метод [7]: заряд ВВ помещают в блок горной породы, для которой эти ВВ предназначены. Блоки имеют кубическую форму с ребром 15-20 см, по центральной оси блока просверлен канал диаметром 3,6 см и глубиной 10 см. ВВ в количестве 20 г, помещенное в блок, испытывается в бомбе Долгова объемом 50 л. Взрывание производят в воздушной среде при атмосферном давлении. Содержание окислов азота и угарного газа определяют химическими методами. Определенные таким образом концентрации суммируют с учетом того, что окислы азота более токсичны [8, 9]:

Y = Х_со +6.5Xno2 Y -суммарная газовая вредность;

Хсо - концентрация угарного газа;

Xno2 - концентрация окислов азота.

Андреев К.К. и Беляев А.Ф. [10] в качестве множителя приводят цифру 10.

Таким образом по результатам рассмотрения четырех вариантов исследования состава

ПВ:

1.    Заряд, помещенный в оболочку, подрывают в инертной среде;

2.    Заряд без оболочки подрывают в инергной среде;

3.    Заряд без оболочки подрывают в реагирующей среде;

4.    Заряд, помещенный в оболочку, подрывают в реагирующей среде - можно заключить:

-исследования по определению состава ПВ заряда без оболочки в воздушной атмосфере, описанный в работах Джонсона, Эриксона [20,21] продемонстрировали практически полное выгорание в кислороде воздуха ядовитых продуктов взрыва - HCN, СЩ и NH3, обнаруженных Фольком при взрыве в атмосфере инертною газа. К таким же выводам приводят и результаты работ Росси Б.Д. и Усачева В.А., в которых взрыв заряда осуществлялся в блоках горных пород в воздушной атмосфере.

-вышеперечисленными исследованиями установлено, что количество ядовитых газов, образующихся при взрывных работах в горных выработках, зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются: химический состав ВВ, физико-химические свойства ВВ, оболочка патронов, горногеологическая характеристика пересекаемых пород. Показано, что ядовитые газы представлены в основном окисью углерода и окислами азота ( последние в основном обусловлены применением аммиачноселитренных ВВ) и количество их зависит

1.    Omellas D.U TV Heat and Products of Detonation in a Calorimeter of C,N,0, H,N,0, C,H,N,F, C.H.N.O к C.H,N,0,Si Explosives. 11 Combustion & Flame. -1974. -Jfe 23. -p.37.

2.    Omellas D.L. //J.Phys.Chcm. -1968. - № 72. -p.2390.

3.    Omellas D.L., Carpenter J.H., Gunn S.R. // Rev. Sci. Instrum. -1966. - № 11. - p.92.

4.    Volk F. Analis of Reaction Products of Propellants & High Explosives.// Proceeding of the NATO ASI on Chemistry & Physics of the Molecular Processes in Energetics Materials. 1989. -Altavilla, Milicia, Sicily, Italy. - p.511.

5.    Volk F., Bathelt H., Schedlbauer F., Wagner J. Detonation Products of Insensitive Cast High Explosives.// Eighth Symposium on Detonation/ 1985. v.l.- Albuqerque Conventional Center, Albuqcrquc, New Mexico, USA. - p.577.

6. Johnson J.H., Erickson E.D. et al. Products from Detonation of Trinitrotoluene & some other Navy Explosives in Air & Nitrogen. 1 Low-molecular-weight Gases.// J. of Hazardous Materials. 1988. - № 2, v.l8. -p.145.

6. Johnson J.H., Erickson E.D. et al. Products from Detonation of Trinitrotoluene & some other Navy Explosives in Air & Nitrogen. 2 Polycyclic aromatic hydrocarbons..// J. of Hazardous Materials. 1988. - № 2, v. 18. -p. 161.

7.    Росси Б.Д., Усачев В.А. Определение количества ядовитых газов при взрывчатом превращении ВВ в лабораторных условиях: сб.Взрывное дело. -М:Недра. -1970. 68/25. - с.64

8. Дубнов Л.В., Бахарсвич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. -М:Недра. 1973.-c.320.

9. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах . -М: Недра. -1980. - с.424.

10.    Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. -М: ГНТИ ОБОРОНГИЗ. I960.-c.384.

11 Санитарная очистка и уборка населенных мест: Справочник/ А.Н.Мирный,

Н.Ф.Абрамов, Д.н.Беньямовский и др.; Под ред.А.Н.Мирного.- 2-е изд персраб. и лоп.-М.: Стройиздат, 1990

в том числе от условий взрывания, способа взрывания и т. п.

Из литературы известно, что окисление углерода протекает в две стадии. Сначала он окисляется до окиси углерода, а затем до двуокиси. Атом углерода относительно легко вступает во взаимодействие с кислородом, образуя окись углерода. Перевод окиси углерода в активное состояние требует затраты большой энергии (60—80 ккал). Поэтому при детонации ВВ в разных условиях образуется разное количество ядовитых газов.

Рассматривая горную породу как оболочку вокруг заряда, необходимо отметить, что физико-механические свойства ее очень разнообразны. Поэтому чем прочнее и плотнее порода, тем выше давление в шпуре при детонации ВВ и тем сильнее окисляется горючая оболочка заряда. В слабых и пористых породах и рудах давление в шпуре при детонации ВВ будет ниже вследствие увеличения объема его за счет пластических деформаций и проникновения части продуктов взрыва в трещины и поры.

Как уже говорилось появление ощутимых количеств окислов азота связано с применением аммиачноселитренных ВВ. т.е. в тех случаях, когда хотя бы один из компонентов имеет высокий кислородный коэффициент. Напротив появление окиси углерода в первую очередь связано с дефицитом кислорода в системе. В первом приближении можно считать, что между кислородсодержащими соединениями углерода и азота, образующимися при ведении взрывных работ, существует подвижное равновесие, которое перемещается в ту или иную сторону, в зависимости от физико-механических свойств среды, окружающей заряд.

N0 + С = СО + 0,5 N₂;

СО + NO = С0₂ + 0,5 N₂.

Результаты исследований газообразования при проведении горных выработок в разных горногеологических условиях показывают, что с возрастанием крепости пород в продуктах взрыва увеличивается количество кислородных соединений углерода и уменьшаются кислородные соединения азота. Однако, при взрывании крепких, но сильнотрещиноватых пород эта закономерность нарушается и образуется больше двуокиси азота и меньше кислородных соединений углерода, чем при взрывании нетрещиноватых пород той же крепости.

При разработке расчетного метода мы в первую очередь рассматривали зависимость количества вредных газов от химического состава ВВ. Из имеющихся данных

по влиянию на состав ПВ полноты детонации ВВ. характеристик заряда, гранулометрического состава, а также для горных разработок крепости и химический состава окружающих заряд горных пород мы выбирали данные с наибольшим содержанием вредных веществ. Такой подход позволяет учесть количество вредных выбросов при наименее благоприятном развитии процесса.

Для составления основного опорного ряда были рассмотрены собственные экспериментальные данные по составу продуктов взрыва, а также данные Пепекина В.И. и сотрудников, Фолька Ф. и сотрудников, Орнелласа Д.Л. и сотрудников, Джонсона Дж., Эриксона Э., Росси Б.Д. и Усачева В.А.. Анализ данных показал, что количество окиси углерода, образующейся при взрыве ВВ в вакууме или инертном газе приблизительно в 4 раза больше количества, определяемого при подрыве ВВ в воздушной атмосфере, что объясняется догоранием окиси в кислороде воздуха. Количество окислов азота определенное для насыпных безоболочечных зарядов в воздушной атмосфере больше, чем для прессованных зарядов в инертной атмосфере, что объясняется незавершенностью процесса разложения (в первую очередь селитры) для малоплотных грубодисперсных ВВ. Учитывая целевую направленность использования метода расчета в качестве основного опорного ряда мы использовали данные по составу продуктов взрыва для опытов в атмосфере воздуха. Вид зависимости количества продуктов взрыва от химического состава исходного ВВ был отработан на данных Пепекина В.И., Фолька Ф., Орнелласа Д.Л., как наиболее представительных по ширине охвата различных ВВ и ВС, а затем величина конкретных значений была скорректирована с учетом данных Росси Б.Д. и Усачева В.А., Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И., Джонсона Дж., Эриксона Э. и др. для условий подрыва в воздушной атмосфере.

Для расчета количества ядовитых газов, образующихся при взрыве в воздушной атмосфере при нормальных условиях, нами разработаны нижеприведенные формулы:

Xno2 = К, ж (ON)^0,316 ж а²⁴² , л/кг

Х_со = К₂ ж С ^1,77 ж (Н / С)⁰ 086 ж О ^_0'^ш ж р-⁰-⁵⁴⁷ , л/кг

Хс= 0,0125 ж С '-⁷⁰ ж (Н / С)⁰*²⁵³ ж а"¹-⁹'⁸ х р¹-³⁶⁴ , _г

где О - содержание кислорода в исходном ВВ [г-ат/кг];

N - содержание азота в исходном ВВ [г-ат/кг];

С - содержание углерода в исходном ВВ [г-ат/кг];

Н - содержание водорода в исходном ВВ [г-ат/кг]; а - коэффициент избытка кислорода (а = О / (02 + Н/2); р - плотность образца В В [г/см³];

К| - коэффициент, используемый при расчете Xno2 для учета влияния однородности смеси на степень завершенности взрывчатого превращения; для эмульсионных ВВ К| = 0,1 , для крупнодисперсных Kj = 1;

К₂ - коэффициент, используемый при расчете Хсо Для учета влияния детонационной способности смеси на степень завершенности взрывчатого превращения; для бризантных ВВ типа тротила и гексогена К₂ = 1,5 , для смесей, содержащих до 80 % аммиачной селитры и др. неорганических окислителей, в т.ч. эмульсионных ВВ, Кг = 4,5 , для смесей, содержащих более 80 % аммиачной селитры (и др. неорг. окислителей) К₂ = 13.

В качестве тестового примера рассмотрим расчет газовой вредности для ряда широко используемых ВВ:

I. граммонит 79/21

X_N02 = (35,15x22,51 )^0>3'⁶ ж 1,004²-⁴² = 8,31 л/кг

Хсо = 4,5 * 6,47 ^,‘⁷⁷ ж (44,10 / 6,47)⁰⁰⁸⁶ х 22,51 °“⁷ ж l.l^*⁵⁴⁷» 5,84 л/кг; Х_с= 0,0125ж6.47^,*⁷⁰ж(44.1/6.47)⁰²⁵³ж1.004-^|*⁹¹⁸ж1.1^1Ж»=

2.    граммонит 50/50:

Xno2 = (З1,.94х19,09)⁰ 316 х 0,654²⁴² = 2,71 л/кг

Хсо = 4,5 х 15,40 ^|>77 х (35,99 / 15.40)⁰⁰⁸⁶ х 31,94 -° “⁷ х 1,1 -°-⁵⁴⁷= 26,92 л/кг;

Х_с= 0,0125^х 15.4^1,70 *(35.99/15.4)^0,253 *0.654’^1Л,х1.1^,,зм =1.843 г-моль/кг=22.11 г/кг

3. тротил:

X_No2 = (26.41xl3.20)⁰³'⁶ х 0.364 ^2>42 = 0,55 л/кг

Х_С0= 1,5 х 30.81 ^|>77х(22.01 /30.81 )⁰⁰⁸⁶ х 26.41 ^х 1,1 “°-⁵⁴⁷= 32,7л/кг;

Х_с=0.0125x30.81 ^|,7°х(22.01/6.47)^0,253х0.364”^|,9|8х 1.1^1,364=30.83 г-моль/кг =369.96 г/кг

4.    игданит

Xno2 = (35.41 х23.61)°*^3,6х 1.001²⁴² =8,4 л/кг

Хсо= 13 х 3.92 ''⁷⁷ х (55.06 / 3.92)⁰⁰⁸⁶ х 35.41 '⁰⁸⁸⁷ х 1.Г*⁵⁴⁷.* 7,3 л/кг;

Хс= 0,0125х3.92^|>7°х(55.06/3.92)⁰²⁵³ xl.00r^,,9,8xl.l^U64 =0.283 г-моль/кг = 3.39 г/кг

5.    гранулит УП

Xno2 = (34.85x23.23)⁰*³¹⁶ х 0.953 ² 42 = 7,4 л/кг

Хсо^с 13 х 5.40^,l77x(51.46/5.40)⁰⁰⁸⁶ х 34.85^41>887 х Ul^⁵⁴⁷- 12,7 л/кг;

Х_с= 0,0125х5.4^1,7° х(51.46/5.40)^0,253 x0.953“'*⁹,8xU¹'³⁶⁴ =0.486 г-моль/кг = 5.83 г/кг

6.    порем ИТ

X_NO2 = 0,l х (38.32x23.23)⁰³¹⁶ х 1.075 ²'⁴² = 0,9 л/кг

Хсо = 4,5 х 3.56 ^,<77 х (56.98 / 3.56)⁰⁰⁸⁶ х 38.32 -°^l887 х М-⁴³*⁵⁴⁷- 5,85 л/кг;

Х_с= 0,0125х3.56'-⁷⁰х(56.98/3.56)⁰*²⁵³ х1.075'^|>918х1.Г’³⁶⁴ =0.216 г-моль/кг = 2.60 г/кг Расчетные данные по составу продуктов взрыва (ПВ) хорошо согласуются с полученными в других полигонных и лабораторных исследованиях, что позволяет использовать их для оценки вредности ПВ при производстве взрывных работ, в том числе и для других типов ВВ.

При расчете состава продуктов горения мы опирались на справочные данные о равновесных концентрациях газов при температурах порядка 10³ К и атмосферном давлении. Как известно, при температурах такого порядка окислы азота из азота и кислорода не образуются. Поэтому, в качестве основного возможного механизма образования окислов азота мы рассматривали неполный распад молекулы ВВ с образованием окислов из нитрогрупп. Для расчета равновесных концентраций окислов Xno2, мы брали полное содержание кислорода и азота в молекуле исходного ВВ. Такой подход даст цифру максимально возможного количества окислов Хцог- Расчет содержания угарного газа и сажи осуществлялся по справочным данным о равновесных концентрациях углекислого газа, угарного газа Хсо и аморфного углерода Х<\ Поскольку очень сложно количественно оценить участие кислорода воздуха в догорании продуктов разложения ВВ для конкретных условий сгорания отправными величинами в расчете являлись содержание кислорода, водорода и углерода в молекуле исходного ВВ. Участие кислорода воздуха приводит к догоранию угарного газа, а значит к снижению количества вредных выбросов, следовательн.о наше приближение является наиболее жестким.

Таким образом, для расчета количества вредных продуктов горения предлагаются следующие формулы (г-моль/кг):

Xno2 = (0,5 х N )⁰-⁵ х (0,5 х О)    х 1 о -*•';    (5)

Хсо = -0,5345 + (0,2672 + 0-Н/2)⁰*⁵,    (6)

Х_с = С - 0/2 + Н/4 - Х_со/2 ,    (7)

где О - содержание кислорода в исходном ВВ [г-ат/кг];

N - содержание азота в исходном ВВ [г-ат/кг];

С - содержание углерода в исходном ВВ [г-ат/кг];

Н - содержание водорода в исходном ВВ [г-ат/кг]

Результаты типового расчета приведены в размерности г моль/кг ВВ и могут быть пересчитаны в л/кг ВВ, если результат умножать на объем моля, и в г/кг ВВ (gN02 , geo . gc). если результат умножать на массу моля.

В качестве тестового примера рассмотрим расчет газовой вредности для ряда широко используемых ВВ:

1.    ТНТ X_No2 = (0,5 х 13,2 )⁰ 5 х (0,5 х 26,4)^0>5 х Ю ⁴¹ = 0,00074 гмоль/кг ВВ

Хсо = -0,5345 + (0,2672 + 26,4-22,01/ 2)°’⁵= 3,36 г моль/кг ВВ Хс = 30.8 - 26,4/2 + 22,01 /4 - Хсо/2 =21,42 гмоль/кг ВВ

2. Гексоген X_N02 = (0,5 х 27,01 )^0>5 х (0,5 х 27,01)^0,5 х Ю =• 0,00107 гмоль/кг ВВ

Хсо * -0,5345 + (0,2672+ 27,01- 27,01 / 2)⁰ S= 3,18 гмоль/кг ВВ Х_с= 13,5 - 27,01 /2 + 27,01 /4 - Х«>/2 = 5,16 гмоль/кг ВВ

3. ТЭН X_N02 = (0,5 х 12,7 )⁰-⁵ х (0,5 х 38)⁰⁵ х Ю ' = 0,00087 гмоль/кг ВВ

Х_со = -0,5345 + (0,2672+ 38-25,31 / 2)°*= 4,526 гмоль/кг ВВ Хс* 15,81 - 38/2 + 25,31 /4 - Хсо/2 = 0,87 гмоль/кг ВВ

4. А-1Х-1 X_no2 = (0,5 х 25,7 )°*⁵ х (0,5 х 25,7)⁰⁵ х Ю ⁴*‘ = 0,00102 гмоль/кг ВВ

Хсо - -0,5345 + (0,2672+ 25,7-32,8 / 2)°^= 2,56 гмоль/кг ВВ Хс= 16,4 - 25,7/2 + 32,79/4 - Х_С0/2 = 10,47 гмоль/кг ВВ

5.    Граммонит50\50 Хжи = (0,5 х 19,1 )⁰⁵ х (0,5 х 31,9)⁰⁵ хЮ ^мл = 0,00098 гмоль/кг ВВ

Хсо = -0,5345 + (0,2672+31,9-35,99 / 2)^0>5= 3,23 гмоль/кг ВВ Х_с= 15,4 - 31,9/2 + 35,99/4 - Х_Со/2 = 6,83 гмоль/кг ВВ

3 Удельные показатели выбросов загрязняющих веществ, образующихся пин взрыве н горении ВВ

Таблица I

Наименование	Диоксид азота		Оксид углерода		Углерод
	г/кг	л/кг	г/кг	л/кг	г/кг
1 Подрыв ВВ
Г раммонит 79/21	17.07	8.31	7.30	5.84	6.59
Граммонит 50/50	5.57	2.71	33.65	26.92	22.11
Тротил	1.13	0.55	40.88	32.7	369.9
Поремит	1.85	0.90	7.31	5.85	2.60
ГранулитУП	15.2	7.40	15.88	12.7	5.83
Игданит	17.25	8.40	9.13	7.30	3.39
Тэн	9.94	4.84	11.70	9.36	28.21
2 Сжигание ВВ
Тротил	0.0340	0.0166	94.08	75.26	257.04
Гексоген	0.0492 | 0.0240		89.04	71.23	61.92
Тэн	0.0400	0.0195	126.73	101.38	10.44
A-IX-I	0.0469	0.0228	71.68	57.34	125.64
Граммонит 50/50	0.0451	0.0220	90.44	72.35	81.96

Удельный выброс вредного вещества (j) в процессах подрыва и сжигания многокомпонентных смесей взрывчатых веществ gj (r/кг) находят суммированием произведений удельных выбросов продуктов от отдельных компонентов (gj j) на их массовую долю в смеси (а;):

gj=Igj.xai-    (8)

Мощность выброса (Gj) (г/с) и валовый выброс Mj (т/год) определяется как произведение удельного выброса gj (г/кг) на количество взрывчатого вещества Вшах (кг/с) или В (т/год), подлежащего испытанию или сжиганию:

Gj = gj X B_max    (9)

Mj = gj х В х 10'³    (10)