О сущности критерия взрываемости в инженерном методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетического топлива
Кушнаренко В. В., канд. техн. наук АООТ НПО ЦКТИ
Научно обоснованная система классификации твердого топлива по степени взывоопасности при сушке и размоле его в пылеприготовительных установках котлов, безусловно, способствовала бы решению проблемы безопасной эксплуатации. Этой теме посвящена серия статей, появившихся за последние годы в различных изданиях [1 - 4], где рассматривается оценка взрывоопасных свойств топливной пыли с помощью нового расчетного показателя Кт, названного критерием и более пригодного, по мнению авторов, для классификации топлива по взрывоопасности, чем предложенные ранее ОРГРЭС, ЦКТИ, Урал ВТИ показатели Кв, рл, B20, Емин. Последние не нашли широкого признания и внедрения на практике.
За неудачностью попыток классификации просматриваются общие недостатки во всех предыдущих работах: стремление резко ограничить либо вовсе исключить использование экспериментальных характеристик взрываемости топливной пыли, а также крайние упрощенность и приблизительность гипотетических предпосылок, положенных в основу расчета показателей. В результате упорядоченность расположения в ряд топлива различных марок и месторождений по той или иной классификации всего лишь качественно отражает тенденцию снижения или повышения взрывоопасности с изменением показателя. Можно обнаружить множество исключений из, казалось бы, установленной закономерности, если сравнивать взрывоопасность конкретного топлива по совокупности экспериментальных характеристик взрываемости или по имеющимся данным опыта эксплуатации.
Не свободна от указанных недостатков и вновь предложенная классификация по Кт. В [5] показано, что градация топлива по величинам Кт не согласуется с многолетним опытом эксплуатации пылесистем в части обеспечения взрывобезопасного режима сушки и размола. Этот вывод не покажется неожиданным, если проанализировать сущность показателя Кт в двух аспектах: насколько полно он отражает взрывоопасные свойства пыли и соответственно такое неоднозначное понятие, как взрывобезопасность при эксплуатации пылесистем и насколько обоснован и точен предложенный расчетный метод определения Кт.
Физический смысл выражения
прост. Оно показывает, в частности, сколько килограммов газовоздушной смеси с минимальным взрывоопасным содержанием горючих газов μн может быть получено из 1 кг сухой пыли, выделяющей V d/100 кг газов. Откуда следует, что между величинами Кт и минимальных взрывоопасных концентраций пыли μн имеется приблизительно обратно пропорциональная зависимость, а суть классификации по Кт состоит в ранжировании топлива в соответствии с величинами минимальной взрывоопасной концентрации пыли, причем, определяемой самым ненадежным способом - расчетным путем, и нет оснований называть Кт критерием. Это принципиальное положение заслуживает более подробного рассмотрения.
Так как Кт показывает, во сколько раз количество летучих V d/100 в единице массы сухого топлива больше или меньше количества летучих в единице массы горючей смеси, состоящей из
100 выделившихся летучих и
) воздуха, то нетрудно определить, какое количество пыли требуется для получения
летучих, а также концентрацию пыли в воздухе. Очевидно, что это будет минимальная взрывоопасная концентрация пыли, равная 
Сделав замену через Кт и приводя размерность к чаще употребляемому значению в килограммах пыли на 1 м3 воздуха с плотностью 1,2 кг/м3, соответствующей нормальному давлению и температуре 20°С, получаем
(1)
Для взрывоопасного топлива μ л б изменяется приблизительно от 10 до 20%, следовательно, согласно формуле (1) значения Кт и μн , с точностью
до множителя в знаменателе 0,85 ± 0,05, обратно пропорциональны, т.е. действительно градация топлива по взрывоопасности произведена в соответствии с расчетными величинами минимальной взрывоопасной концентрации пыли всего лишь одной, и далеко не самой важной, характеристикой взрываемости применительно к пылеприготовительным установкам. Уже одно это обстоятельство ставит под вопрос правомерность предложенной классификации. Возникают и другие вопросы: один из главных - о соответствии расчетных μн и экспериментальных величин цмин. Сравним эти величины. Расчеты по формуле (1) дают μн , например: 0,4 - для березовского бурого угля; от 0,64 до 0,85 - для подмосковного различной зольности; 0,46 - для кузнецкого Г и 0,73 - для кузнецкого 1СС. По нашим экспериментальным данным для того же топлива при совпадающих или очень близких значениях Ad и Vd соответственно цмин равно: 0,07; от 0,10 до 0,16; 0,08; 0,15 кг/м3. Столь значительные (в несколько раз) различия экспериментальных и расчетных значений свидетельствуют не только об уязвимости методологического подхода авторов Кт, но и о слабости расчетной базы предложенного показателя.
Суммарная ошибка расчета набегает за счет ряда приближенных допущений, покрывающих недостаток экспериментальных данных. Работа могла представлять большой научный интерес даже при неудаче с классификацией, если бы была основана на экспериментальном изучении качественного и количественного состава летучих для большой группы различного топлива. Особый интерес представляет сравнение состава и количества летучих при медленном нагревании топлива и при “ударном” нагреве частиц за время порядка 0,01 с, происходящем в пламени взрыва. Вместо этого предлагается расчетное определение нижних пределов воспламенения смесей неопределенного состава посредством использования константы
(2)
где μ Л - нижний предел воспламенения летучих в смеси с воздухом без учета затрат тепла на нагревание балласта; Qn - теплота сгорания летучих. Принятый постулат [формула (2)] нельзя признать доказанным применительно к летучим. Данные рис. 1 в [3] его не обосновывают. Во-первых, разброс значений от 230 до 350 с большой натяжкой можно считать постоянством. Во-вторых, температурный интервал ограничен 430°С, т.е. о полноте выхода летучих не может быть речи, а качественный состав летучих непредставителен. И наконец, рассматриваемая смесь газов по составу даже отдаленно не приближается к летучим. Авторы [1 - 4] заимствовали для расчетов данные из [6] по исследованию состава газов, выделяющихся при нагревании проб топлива в воздушной среде. В горючей составляющей этих газов преобладает оксид углерода, его содержание в отдельных пробах достигает 98%, т.е. фактически смесь продуктов низкотемпературного пиролиза топлива и продуктов неполного окисления, с преобладанием последних, принимается авторами [1 - 4] за летучие. Отметим, что для оксида углерода
Представляется слишком упрощенной задача вычисления нижнего предела воспламенения, считая, что процессы выделения летучих при взрыве и при медленном нагревании топлива в лабораторных исследованиях и в производстве кокса аналогичны, т.е. качественно и количественно выход летучих не изменяется. Как известно, полное выделение летучих в процессе коксования заканчивается при 900 - 1050°С и сопровождается образованием не только газов, но и значительного количества смол, масел и других продуктов поликонденсации реакционно-способных радикалов, отщепляющихся от ядра макромолекул топлива при термическом разложении. Есть все основания полагать, что подобные сложные химические превращения не успевают произойти при чрезвычайно быстром нагреве частиц топлива при взрыве. Иначе смолы и масла легко обнаруживались бы в остывших продуктах взрыва, учитывая, что мелкие фракции пыли размером до 50 мкм успевают прогреться до температуры свыше 1000°С за время развития взрыва. Даже содержание углеводородных газов в продуктах взрыва ничтожно мало, хотя при высоких концентрациях пыли происходит далеко не полное использование (выгорание) летучих. Установлено также [7], что выход летучих может возрастать в 1,5 раза и более при очень быстром нагреве по сравнению с определением летучих по стандартному методу.
Большую ошибку совершают авторы обсуждаемых статей в расчете необходимого нагрева нелетучего остатка пыли за счет повышения концентрации летучих с μ л до μ Л б при использовании известной формулы (3) в [3], или в виде формулы (4) в [1], применяемой обычно для приближенной оценки нижнего предела воспламенения горючего газа, содержащего газообразную балластную примесь. Применяя формулу к пылевоздушной смеси чисто формально, считая балластной примесью твердую фазу в виде нелетучего остатка, а также, оперируя величинами в массовых, а не в объемных процентах, авторы получают непомерно завышенные значения μн В этом не трудно убедиться на конкретных примерах.
Сравним дополнительное тепловыделение ДQ за счет повышения концентрации летучих с μ л до μ л б и необходимые затраты тепла Дд на нагревание массы балласта в количестве
до температуры t при удельной теплоемкости балласта сб
Нельзя не отметить и такой факт. По условиям полного сгорания, а именно это условие положено в основу расчетов с определением Кт, величины μ ’л б не поддаются объяснению, являясь нереально высокими. Отношение массы воздуха к массе летучих в смеси составляет
и в диапазоне μ л б = 10 - 20% изменяется от 9 до 4. Для основной горючей составляющей летучих - метана - стехиометрическое отношение “воздух/горючее” равно 17,3; для этана - 16,1; для остального углеводородного топлива оно близко к постоянному значению, равному 15. Следовательно, даже на нижнем пределе содержания летучих имеет место огромный недостаток воздуха, т.е. взрывы попросту невозможны и налицо вопиющее противоречие с фундаментальными понятиями.
Необходимо кратко остановиться на утверждении о соответствии классификации по K экспериментальным данным, в подтверждение чего приведены графики на рис. 4, 5 в [3] и рис. 2 в [2] со скромной выборкой из результатов исследований 75 проб различных углей. Причем, результаты неполны. Общепринятая у нас и за рубежом система оценки взрывоопасных свойств пыли включает пять основных экспериментальных характеристик взрываемости: максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления, минимальная энергия зажигания, минимальная взрывоопасная концентрация, минимальное взрывоопасное содержание кислорода. Последние две характеристики у авторов [1 - 4] отсутствуют. Между тем, сравнение экспериментальных величин цмин и рассчитанных посредством μ £б величин μн , как показано ранее, весьма поучительно и, явно, не в пользу KT.
На рис. 4 в [3] максимальное давление взрыва пыли Рм у топлива, граничащего с невзрывоопасным, и у самого взрывоопасного топлива составляет 0,4 МПа. Наибольшие значения Рм - у промежуточной группы топлива. Такой характер распределения Рм противоречит опыту отечественных и зарубежных исследований и объясняется как слабой корреляцией K с взрывоопасными свойствами топливной пыли, так и недостатками конструкции новой взрывной камеры, примененной в исследованиях. Несовершенство метода исследований проявилось, в частности, в получении явно ошибочного результата “не взрывается” при испытаниях пыли углей: нерюнгринского 3СС, некоторых кузнецких СС, богословского, высокозольного подмосковного. Можно было бы подробнее остановиться на разборе недостатков камеры и методики. Отметим лишь, что по непонятным причинам новый метод изучения взрываемости пыли был принят в ВТИ взамен единого метода, разработанного и согласованного ранее ЦКТИ, ВТИ, УралВТИ и узаконенного выпуском отраслевого стандарта [8].
По нашим данным, полученным на поршневой взрывной камере в соответствии с [8], для самых опасных в отношении взрыва пыли башкирского, березовского, назаровского бурых углей и некоторых торфов Рм превышает 0,6 МПа, монотонно уменьшаясь, хотя и не по гладкой кривой, по мере снижения остальных показателей взрывоопасности. У границы с невзрывоопасным топливом Рм менее 0,4 МПа. Такой характер распределения Рм вполне закономерен, в отличие от хаотического на рис. 4 в [3]. При K = 1 наблюдается скачок Рм от 0 до 0,4 МПа. Он не вытекает из сути показателя K и объясняется недостаточностью экспериментальных данных. Резко выраженной границы не существует, она условна. В условиях сушки и размола при ограничениях режима ведения процесса топливо некоторых марок можно считать, основываясь на опыте эксплуатации, взрывобезопасным, но в других условиях, например, при шахтной добыче, оно таковым может не быть. Для иллюстрации сказанного приведем следующий ряд возрастающих значений Рм (в мегапаскалях), полученных в наших опытах: тощие угли из разных мест добычи 0,02; 0,05; 0,09; 0,10; экибастузский - 0,09; различные промпродукты обогащения - 0,11; 0,15; 0,17; 0,30; кузнецкий 2СС - 0,32; 0,36; высокозольный львовско-волынский ГЖР - 0,33; 0,36; нерюнгринский - 0,35; богословский - 0,45 и др.
Характер взаимосвязи K со скоростью нарастания давления и минимальной энергией зажигания представлен посредством комплекса K - формула (8) в [3]. На рис. 5 в [3] приблизительное соответствие между K и K можно видеть в пределах возрастания до K = 1,7. При K = 2 и выше, а таких марок топлива большинство (на рис. 5 - наоборот), явно недостаточно данных для доказательства соответствия K и K,,. Сомнение в полноте представленных сведений возникает при оценке диапазона изменения K,,: от 0,5 при K = 1,5 до 5,0 для самых опасных видов топлива. По нашим данным в этом диапазоне только за счет минимальной энергии зажигания K,, должен измениться примерно в 200 раз, а за счет числителя, в соответствии с формулой (8) в [3], еще больше. Данные рис. 5 вызывают недоверие и в связи с тем, что в [2, 4] такой же график выглядит иначе и по характеру расположения точек, и по диапазону изменения KT. Кроме того, на этих графиках одинаковым значениям K отвечают разные K,,. Например, при Kj. = 3 K = 3 по [3], а по [2, 4] K = 0,5.
Подводя итоги сказанному, следует отметить, что в [1 - 4] нет доказательств соответствия K взрывоопасным свойствам топливной пыли. Их и не может быть, так как физический смысл показателя K - всего лишь величина, приблизительно обратно пропорциональная расчетной минимальной взрывоопасной концентрации пыли, и не может претендовать на фундаментальное понятие “критерий”.
Существуют огромные расхождения расчетных μ £б, определяющих Kv с экспериментальными данными по минимальным взрывоопасным концентрациям топливной пыли, а также с теоретическими положениями по горению газовоздушных смесей.
Классификация энергетического твердого топлива по показателю K не может отражать реально существующую градацию топлива по степени опасности при сушке и размоле, но может привести к грубым ошибкам, опасным для эксплуатации пылеприготовительных установок.
Список литературы
- Толчинский Е. Н., Колбасников В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив. - Электрические станции, 1999, № 3.
- Анализ систем оценки взрывоопасности пыли натуральных топлив / Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлева В. С., Демкин В. В. - Электрические станции, 1996, № 7.
- Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлев В. С. Критерий взрываемости пыли твердых натуральных топлив. - Теплоэнергетика, 1996, № 7.
- Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлева В. С. Новая концепция взрывобезопасности пылеприготовительных установок электростанций. - В сб.: Развитие технологий подготовки и сжигания топлива на электростанциях. М.: ВТИ, 1996.
- Дудоров Ю. Д. О новом методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив и о температуре пылегазовоздушной смеси за мельницей (сепаратором). - Электрические станции, 2000, № 3.
- Игишев В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987.
- Hertzberg M., Cashdollar K., Lazzara C. The limits of flammability of pulverized coals and other dusts. - 18-th Symposium (International) on Combustion, Waterloo, Aug., 1980.
- ОСТ 108.030.139-85. Топлива твердые энергетические. Метод определения характеристик взрываемости пыли.
