О классификации топлива по группам взрывоопасности и температуре пылевоздушной смеси за пылеприготовительной установкой
Серант Ф. А., доктор техн. наук, Пугач Л. И., канд. техн. наук ЗАО СибКОТЭС - АООТ Сибтехэнерго
Многими научно-исследовательскими организациями предпринимались попытки классифицировать топливо по группам взрывобезопасности: ЛИИ - ЦКТИ, Союзтехэнерго, НПО ЦКТИ, УралВТИ и др. [1 - 4]. При этом за основной классификационный признак принималось:
у ЛПИ - ЦКТИ [1]: скорректированный топливный коэффициент Бунте (по отношению к горючей массе)
где
у Союзтехэнерго [2]: коэффициент взрывоопасности
где CNV - содержание углерода в летучем остатке для рабочего состояния топлива, CNV -Crt - Cё;
у ЦКТИ [3]: по совокупности традиционных параметров взрыва, определяемых экспериментальным путем в цилиндрической реакционной камере объемом 5 дм3, где создается пылевое облако за счет перемещения поршня под действием падающего с определенной скоростью груза;
у УралВТИ [4, 5]: по индексу взрывоопасности
Вс25
где К1 « 25% - минимальный выход летучих веществ, при котором уголь становится взрывоопасным; К2 - минимальная зольность, при которой уголь становится взрывоопасным (К2 « 60%).
Общим для основных классификаций является попытка дифференцировать топливо, используя такие показатели, как элементный и технический состав, позволяющие производить прогнозную инженерную оценку взрывоопасности топлива.
В классификации ЦКТИ предлагается использовать показатели, которые возможно получить только в результате лабораторного исследования пробы изучаемого угля; здесь отсутствует возможность прогнозной оценки взрывоопасности топлива, так как нет взаимосвязи индекса взрываемости с физико-химическими свойствами топлива.
Недостатком представленных классификаций [1, 2, 4] является отсутствие связи состава топлива с рядом принципиальных параметров, определяющих склонность топлива к взрывам: с теплоценностью летучих, с определением нижнего концентрационного предела распространения пламени горючих компонентов в смеси с воздухом, с определением нижнего концентрационного предела распространения пламени с учетом влияния нелетучего остатка (кокса, золы).
Указанные недостатки учтены в классификации, предложенной ВТИ [6], по расчетному определению критерия взрываемости топлива Кт.
Следует подчеркнуть, что осуществить строгую классификацию топлива по группам взрывоопасности для всего интервала (по маркам, группам, классам) стадий метаморфизма практически невозможно, так как само это разделение топлива по маркам и другим показателям достаточно условно и не имеет строгих границ между собой. Известны многие варианты классификации топлива по различным технологическим признакам, которые все равно не имеют строгих границ, так как и само происхождение топлива, и разделение его по ряду метаморфизма также имеют “размытые” границы между ближайшими марками. В то же время топливо еще также разделяется и по степени окисленности, петрографическому составу и др., не имея строго очерченных границ между ближайшими марками.
Фактические условия топливоснабжения подтверждают большой диапазон изменения характеристик поступающего топлива в пределах одного месторождения в зависимости от разреза, участка, шахты: по элементному и техническому составу, минеральной части, теплоценности летучих и др. Поэтому требовать строгих границ между классификационными группами независимо от объективно принятых критериев некорректно и не имеет принципиального значения. Важно определить объективный принципиальный классификационный признак и выполнить по нему соответствующее разделение для среднего состава топлива на группы. Это необходимо для возможности инженерной прогнозной оценки поведения топлива, а также для передачи проектным организациям и заводам-изготовителям рекомендаций, по которым могут быть выполнены соответствующие инженерные расчеты и выбрано оборудование.
При этом, приходится ориентироваться на усредненное топливо, которое приводится в [13]. Для реально поставляемого топлива в условиях эксплуатации должны вводиться коррективы, учитывающие его фактические характеристики.
Именно это позволяет осуществить классификацию топлива по методу, предложенному ВТИ [6], хотя, естественно, по изложенным ранее причинам строгие границы между группами для отдельных видов и марок топлива могут быть и не выдержаны. Что касается связи между критерием взрываемости и рекомендуемой температурой пылегазовоздушной смеси за установкой [7, 8], то здесь следует исходить из основного механизма возникновения взрыва [9]. Горение, вспышка, взрыв являются результатом одной и той же реакции окисления, протекающей в разное по продолжительности время.
Воспламенение угольной пыли в пылеприготовительных установках происходит при наличии очага горения. Таким очагом горения является тлеющая пыль, взвихриваемая при переходных режимах (реже самовозгорание происходит от привнесенного постороннего источника, искрения и др.). Образование тлеющей пыли (в местах ее отложений) происходит в результате способности пыли разных углей к самонагреванию и самовозгоранию. Самовозгорание пыли - процесс, ускоряющийся с повышением температуры. При достижении некоторой “критической” температуры процесс самонагревания переходит в процесс самовозгорания, т.е. в реакцию окисления с более интенсивным выделением тепла. Генерация тепла происходит за счет присоединения кислорода и распада конечных продуктов окисления.
Оба эти процесса (самонагревание и самовозгорание) экзотермичны, причем распад сопровождается большим тепловыделением. Эти процессы зависят от влажности, степени измельченности топлива, его реакционной способности, продолжительности пребывания в потоке кислорода, степени окисленности и др. Установлено, что на процесс самовозгорания угля сильно влияет его петрографический состав, содержание в топливе пирита, наличие минеральных примесей [10]. Процесс самонагревания сопровождается термопиролизом топлива и характеризуется выделением Н2О, СО2, смол [С6Н4(ОН)2], СО, С2Н4, СН4 и Н2 [12].
Сам взрыв - это бурное горение газифицированных летучих, содержащихся во взвешенном в воздухе топливе. При этом процесс выделения летучих для различных видов топлива начинается с интервала температур 200 - 400°С.
Таким образом, исходя из механизма образования взрывов топлива, роль температуры на выходе из установки не является определяющей в самом процессе. Недаром и в правилах взрывобезопасности США она даже жестко не регламентируется, а ее предельный уровень устанавливает фирма-изготовитель [1]. Температуру аэросмеси за мельницей нельзя переоценивать, так как, если считать ее “панацеей”, то можно “усыпить” требования к строгой необходимости устранения источников отложения пыли, доступа к ним кислорода, прохождению переходных режимов с взвихриванием тлеющей пыли, скоростному режиму в пылегазопроводах и др. В то же время этот показатель в условиях эксплуатации, безусловно, необходим, так как позволяет осуществлять контроль за стационарностью процесса (непрерывностью поступления топлива, соотношением между количеством поступающего топлива и сушильного агента, балансом по сушке, судить о влажности пыли и др.). По этому критерию должна настраиваться защита и работать автоматика, контролироваться режим работы пылеприготовительной установки.
Противоречий в некоторых расхождениях, рекомендуемых ВТИ, согласно классификации топлива по критерию взрываемости Кт, температуре пылегазовоздушной смеси за установкой с опробированными в эксплуатации искать не следует, так как частные случаи должны корректироваться в рабочей инструкции по эксплуатации. Действительно, например, имеющийся в кизеловском угле пирит играет определенную роль в процессе окисления и самовозгорания угля [10]. Под действием кислорода воздуха и воды происходит окисление пирита, сопровождающееся выделением тепла, которое интенсифицирует взаимодействие кислорода с угольным веществом. Кроме того, вследствие образования при окислении пирита сернокислого железа объем угля увеличивается, он расстрескивается и измельчается, а это, в свою очередь, благоприятствует более интенсивному ходу процесса окисления. Такое обстоятельство, естественно, приводит к тому, что подобный уголь “выскакивает” из предложенной классификации.
Однако этот пример также показывает, что в подобных случаях следует вносить необходимые коррективы в рабочую инструкцию по эксплуатации, базируясь на длительном эксплуатационном опыте его использования. Это же относится к углям, которые содержат такой же, как пирит, сульфидный минерал - марказит. Для новых месторождений, разрезов участков необходимо определять основные критерии взрываемости на специализированных стендах (ЦКТИ, ВТИ). Это, в свою очередь, позволит получать дополнительный материал для дальнейшего дополнения предложенной классификации топлива по критерию взрывоопасности Кт.
Резюмируя изложенное, мы считаем, что классификация топлива по взрывобезопасности по критерию взрываемости Кт является правомочной и целесообразной. Критерий взрываемости Кт, который рассчитывается аналитическим путем по данным технического и элементного состава топлива, может служить базой для разработки на ТЭС мероприятий взрывозащиты, соответствующих взрывоопасным свойствам пыли природного твердого топлива и позволяющих обеспечить взрывобезопасную эксплуатацию пылеприготовительных установок и систем пневмотранспорта. При этом в условиях эксплуатации в рабочих инструкциях должны быть обязательно предусмотрены соответствующие величины температуры аэросмеси за установкой.
Список литературы
- Самобозгорание и взрывы натуральных топлив / Померанцев В. В., Шагалова С. Л., Резник В. А., Кушнаренко В. В. Л.: Энергия, 1978.
- Эфроимсон О. А. Классификация твердых энергетических топлив по их взрывоопасности. - Теплоэнергетика, 1979, №5.
- Кушнаренко В. В., Лузин П. М., Резник В. А. О классификации твердых энергетических топлив по взрывоопасности. - Теплоэнергетика, 1984, № 3.
- Бабкин Р. Л., Королеба Е. Н., Плотникоба Н. П. Оценка взрывоопасности угольных пылей. - Безопасность труда в промышленности, 1983, № 2.
- Шайтаноб С. П., Королеба Е. Н. Параметры взрывоопасности энергетических углей. Особенности углей, перспективных для тепловых электростанций. - Тр. ВТИ, 1988.
- Толчинский Е. Н., Колбасникоб В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив. - Электрические станции, 1999, № 3.
- О температуре пылевоздушной смеси за пылеприготовительной установкой / Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлева В. С. - Электрические станции, 2000, № 3.
- Дудороб Ю. Д. О новом методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив и о температуре пылегазовоздушной смеси за мельницей (сепаратором). - Электрические станции, 2000, № 3.
- Пугач Л. И., Казанский А. Н., Лисицин В. В. Причины взрывов и загорания топливной пыли в пылепроводах и рекомендации по их защите. М.: Энергия, 1975.
- Шубникоб А. К., Хрисанфоба А. И. Исследование явлений окисления, самонагревания, самовозгорания и хранения твердого топлива горючих ископаемых. М.: Трансжелдориздат, 1958.
- Нобые правила (Z12.7-1959) устройства и эксплуатации установок пылеприготовления США. Реферат № 271. - Экспресс-информация. Сер. Теплотехника и энергетика, ВИНИТИ, 1960, № 47.
- Оснобы практической теории горения / Под ред. Померанцева В. В. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
- Справочник. Энергетическое топливо СССР / Под ред. Вдовченко В. С., Новицкого Н. В., Мартынова М. С. и др. М.: Энергоатомиздат, 1991.
