Влияние зольности на взрывоопасные свойства пыли твердого природного топлива

Толчинский Е. Н., канд. тех. наук, Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлева В. С.

Исследованиями установлено, что с увеличением в топливе золы, играющей роль инертного материала [1], интенсивность взрыва такой пылевоздушной смеси резко уменьшается и при достижении некоторого содержания инертной примеси в пыли взрывы прекращаются. Интенсивность взрыва пылевзвеси зависит от скорости химических реакций в пламени, которая определяется, главным образом, концентрацией горючего и окислителя. Поэтому при добавлении в пылевзвесь инертного материала не происходит заметного снижения давления взрыва до тех пор, пока отвод тепла из зоны горения на инертные частицы не будет сопоставимым с выделением тепла в зоне окислительных реакций.
В экспериментах [2] была использована пыль кизеловского, донецкого газового, артемовского и украинского углей. В ходе опытов было установлено, что взрывы пылевзвеси углей с выходом летучих на горючую массу до 40% прекращались при добавке к ней золы от 15 до 30%. Для украинского бурого угля (Vdaf = 55%) при добавке к пыли 20% золы интенсивность взрыва была еще достаточно велика. Опытами в установках большого масштаба было установлено, что взрыв пыли углей с выходом летучих до 40% прекращается при добавке к топливу инертной пыли до 65%.
Снижение взрывоопасности пылевзвеси путем увеличения в пылевом облаке инертных частиц широко применяется для обеспечения взрывобезопасности шахтных выработок (осланцевание) [3].
Добавка до 15% золы почти не влияла на взрываемость торфяной пыли [4]. Дальнейшее увеличение процентного содержания инертной пыли в смеси приводило к снижению максимального давления, развиваемого при взрыве, и при добавке 30 - 35% золы смесь становилась взрывобезопасной. Добавление инертного материала к пыли углей увеличивало время развития взрыва и уменьшало его интенсивность. Содержание 16 - 20% инертной пыли в смеси с угольной исключало возможность развития взрыва.
Для получения полной картины влияния зольности топлива на его взрывоопасные свойства (минимальные энергия зажигания и взрывоопасная концентрация) и на параметры взрыва (максимальное давление и скорость его нарастания) было проведено несколько серий взрывных испытаний.
Эксперименты по определению влияния зольности пыли твердого топлива на его взрывоопасные свойства проводились на стендовой установке с реакционной камерой объемом 20 дм3. Описание стендовой установки, системы контроля и измерений изложены в [5].
В опытах использовалась пыль топлива с сильно отличающейся собственной зольностью (табл. 1).
Испытаниям подвергалась пыль, прошедшая через сито с размерами ячеек 63 мкм. Пыль предварительно подсушивалась до постоянной массы и выдерживалась в эксикаторе не менее 24 ч.

Рис. 1. График зависимости максимального давления взрыва от добавки инерта к золе углей:
1 - березовский; 2 - тугнуйский; 3 - воргашорский


Рис. 2. График зависимости скорости нарастания давления от добавки инерта к золе углей:
см. обозначения на рис. 1

Непосредственно перед проведением опытов пыль тщательно перемешивалась и отбиралась навеска для эксперимента. Для увеличения минеральной части топлива к взятой навеске добавлялось определенное количество золы. Зола была взята из котла, работающего на канско-ачинских углях. В золе горючие вещества отсутствовали.
В каждой серии опытов при определенной конечной зольности изменялась концентрация пыли в камере от 0,05 до 2,0 кг/м3. Для каждого угля проводилась серия взрывных экспериментов с добавлением разного количества золы. При этом экспериментально определялась максимальная добавка золы, при которой пыль утрачивала свои взрывоопасные свойства. Во всех опытах этой группы в качестве источника воспламенения использовалась перегорающая за счет энергии разряда конденсаторов проволока. Мощность источника зажигания поддерживалась постоянной на уровне 1000 Дж. В ходе проведения опытов регистрировались давление взрыва и остаточное содержание кислорода. Для каждой серии экспериментов определялись минимальная энергия зажигания пылевоздушной смеси, минимальная взрывоопасная концентрация, а также максимальное давление взрыва и скорость его нарастания.
Основные результаты экспериментов сведены в табл. 2 и графически показаны на рис. 1 - 4.
Полученные данные хорошо согласуются с данными других исследователей, например [1], и подтверждают тезис о том, что зольность пыли оказывает существенное влияние на ее взрывоопасные свойства.
Максимальное давление взрыва пыли исследуемого топлива практически постоянно и не зависит от физико-химических свойств топлива (рис. 1). Для высокореакционного топлива (березовский уголь) максимальное давление взрыва практически не изменяется вплоть до 50%-ной добавки по массе инертного материала.
С увеличением зольности топлива увеличивается доля балласта, тормозящего процесс развития взрыва, что приводит к снижению скорости нарастания давления взрыва (рис. 2), причем эта зависимость наиболее заметна для топлива с большой начальной зольностью. Так, для березовского угля (исходная зольность 7%) снижение скорости нарастания происходит практически по линейному закону, а для воргашорского угля (исходная зольность 30,4%) наблюдается более крутая нелинейная зависимость от величины добавки инертного материала.
Результаты экспериментов показали однозначную связь между величиной добавки инертного материала к топливу и минимальной энергией зажигания пылевоздушной смеси (рис. 3). При небольших добавках инертного материала минимальная энергия зажигания меняется незначительно, но уже начиная со значения общей зольности порядка 40% минимальная энергия зажигания резко возрастает.
Минимальная взрывоопасная концентрация пылевоздушной смеси, как следует из результатов проведенных экспериментов (рис. 4), полностью определяется реакционностью топлива и имеет экспоненциальный характер, причем, чем больше исходная зольность, тем выше угол наклона кривых этой зависимости.
Для аналитического расчета порогового (максимального) значения зольности топлива, при котором пылевзвесь становится взрывобезопасной, можно использовать критерий взрываемости Кт [5, 6].
Таблица 1 Характеристики исследуемого топлива

Рис. 3. График зависимости минимальной энергии зажигания от добавки инерта к золе углей:
см. обозначения на рис. 3

Рис. 5. График зависимости критерия взрываемости Кт от добавки инерта к золе углей: 1 - березовский; 2 - тугнуйский; 3 - воргашорский

Рис. 4. График зависимости минимальной взрывоопасной концентрации от добавки инерта к золе углей:
1 - воргашорский; 2 - тугнуйский; 3 - березовский

Известно [5], что топливная пыль утрачивает взрывоопасные свойства при Кт = 1. Это значение Кт разделяет все природные виды топлива на взрывобезопасные и взрывоопасные.

Таблица 2
Влияние зольности на взрывоопасные свойства пыли

Решением трансцендентного уравнения, приведенного в [3], при Кт = 1 численными методами определяется максимальная добавка золы к пыли топлива, при которой это равенство превращается в тождество, т.е. критерий взрываемости становится равным единице, что и означает утрату топливом взрывоопасных свойств. Результаты, полученные при помощи описанного метода, с достаточной степенью точности совпадают с экспериментальными данными (табл. 3). Графики, полученные при помощи расчетов, показаны на рис. 5.
Критерий взрываемости Кт однозначно определяет взрывоопасность топлива и позволяет рассчитать максимальную зольность топлива, при которой оно утратит свои взрывоопасные свойства. Граница перехода топлива во взрывобезопасное состояние определяется при Кт = 1.

Таблица 3
Соответствие экспериментальных и расчетных значений максимальной добавки золы к топливу для перевода его во взрывобезопасное состояние

Для пылеприготовительных систем установок ТЭС целенаправленно влиять на изменение зольности топлива не представляется возможным. Однако понимание влияния зольности топлива на его взрывоопасность очень важно при проектировании пылеприготовительных установок и определении мер взрывопредупреждения и взрывозащиты.

Список литературы

1. Справочник. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность / Под ред. Баратова А. Н. М.: Химия, 1987.
2. Кисельгоф М. Л. Взрывы угольной пыли в пылеприготовительных установках. М.: Гостранстехиздат, 1937.
3. Каталог шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли. М.: Недра, 1973.
4. Шагалова С. Л. Факторы, влияющие на возникновение взрыва пыли натуральных топлив. - Теплоэнергетика, 1957, № 2.
5. Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлева В. С. Критерий взрываемости пыли твердых натуральных топлив. - Теплоэнергетика. 1996, № 7.
6. Толчинский Е. Н., Колбасников В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив. - Электрические станции, 1999, № 3.