Кушнаренко В. В.
В [1] предпринята попытка пересмотреть отношение к необходимости регламентировать в [2] значение предельной температуры за мельницей (сепаратором) при размоле взрывоопасного топлива в системах пылеприготовления с воздушной сушкой. Читатель вправе ожидать новизны в аргументации, вытекающей из новизны результатов в теоретических либо экспериментальных исследованиях или при обследовании пылесистем на ТЭС. Тем более, что в начале статьи заявлена претензия рассмотреть вопрос на современном уровне, ибо, по мнению авторов, недостатки Правил, в том числе и в последней редакции 1989 г., объясняются недостаточно высоким уровнем знаний того времени. К сожалению, мотивировки авторов базируются не на новых данных, а на скромном неполном обзоре литературных источников, в том числе и многолетней давности, и на собственных рассуждениях. Анализируя содержание статьи, высказанные в ней соображения и доводы можно для удобства рассмотрения систематизировать следующим образом: отмечаются некоторые ошибочные положения и представления; обсуждаются неувязки максимально допустимой температуры аэросмеси за мельницей с теоретическими воззрениями, экспериментальными данными и опытом эксплуатации; излагаются представления авторов о возникновении взрыва в установке.
Авторы обращают внимание на ошибочность ряда положений: о том, что максимально допустимой температуре за установкой придан статус “взрывобезопасной”, максимально допустимая температура отражает взрывоопасные свойства природного топлива, сама температура отождествляется с минимальной энергией воспламенения пылевого облака. Ошибочность этих положений очевидна, но их существование сомнительно, так как источник не указан, а в нормативных документах и в технической литературе по вопросам взрывобезопасности пылеприготовительных установок трактовки и высказывания, аналогичные указанным “положениям”, не обнаруживаются. В свою очередь, следует обратить внимание авторов [1], что употребляемые ими термины “химическая константа вещества”, “химическая активность топлива” неопределенны и в химии их нет. При неточности формулировок некоторые высказывания вызывают недоумение. Например, утверждения о том, что теплота сгорания летучих и зола являются носителями взрывоопасных свойств топлива, что температура смеси за установкой не может быть тождественна источнику воспламенения, что хлопки и взрывы возникают в основном при встряхивании мельницы и др., дают повод предположить отсутствие у авторов четких представлений о существе предмета обсуждения.
В качестве теоретического обоснования нового отношения к предельной температуре пылевоздушной смеси за мельницей как к второстепенному показателю, слабо связанному с взрывобезопасностью эксплуатации установок (эта мысль прямо или косвенно пронизывает всю статью), указывается на отсутствие функциональной связи предельной температуры с взрывоопасными свойствами топлива.
Рост температуры во времени в слое отложений пыли углей:
1,
1', 1" - ирша-бородинского бурого; 2, 2', 2" - кузнецкого Г; 3', 3' - экибастузского СС
Функциональной зависимости и быть не может, так как ограничение температуры за мельницей не что иное, как директива, волевое решение. Далее, не существует точного определения понятия “взрывоопасные свойства топлива”, позволяющего дать количественную оценку, поскольку речь зашла о математических зависимостях. В условиях неопределенности правильнее будет ставить вопрос о проявлениях взрывоопасных свойств в связи с температурой за мельницей. Проявление этих свойств - взрывы пыли. Поэтому корректная постановка задачи состоит в изучении связи между частотой случаев взрывов за определенный период времени с принятым в эксплуатации предельным значением температуры пылевоздушной смеси за мельницей. Налицо связь вероятностная, а не фунциональная, так как процесс возникновения взрывоопасной ситуации, заканчивающийся взрывом в установке, является стохастическим, случайным процессом. Его математическое исследование пока еще вне поля зрения специалистов в области случайных функций.
В упрощенной постановке задачи вероятность возникновения взрыва Р(В) в заданном отрезке времени можно рассматривать как вероятность того, что произошли последовательно следующие случайные события: А1 - образовалось отложение пыли; А2 - произошло самовозгорание отложения; А3 - обрушение и взвихривание горящего отложения; А4 - воспламенение пылевоздушной смеси при взвихривании. Считаем, что концентрация пыли в смеси превышает нижний предел воспламенения. Тогда
P(B) = P(Ai)P(A2|Ai)P(A3|A2)P(A4|A3),
где P(A„ |А„ -1) - условная вероятность каждого последующего события А„, при условии, что предыдущее Ая -1 имело место.
Из приведенной формулы следует, что температурный уровень в пылесистеме, характеризуемый температурой смеси за мельницей, существенно влияет на вероятность событий А2 и A4. Известно, что зажигание горючей смеси (событие A4) происходит тем надежнее (с большей вероятностью), чем выше температура смеси. Что касается связи температуры за мельницей со скоростью образования тлеющих отложений пыли, то авторы [1], не располагая экспериментальными данными, явно недооценивают это обстоятельство, считая его косвенным. Кривые на графике рисунка иллюстрируют указанную зависимость. Опыты проводились при постоянных температурах потока воздуха ^ над поверхностью насыпанной в кювету пыли фракции 0 - 50 мкм с размещенными в ней на различной глубине микротермопарами. Верхние слои пылевой засыпки прогреваются до температуры ^ практически одновременно и момент выравнивания температур принят за нулевую точку отсчета времени на графиках рисунка. Затем происходит саморазогревание пыли, максимум температур по мере разогрева смещается из глубинных слоев пыли ближе к поверхности. Температура 500°С достигается за время тв в первую очередь на глубине 3-6 мм от поверхности, рост температуры на этой глубине показывают кривые графика. Разогрев до 500°С означает неизбежное загорание пыли, спустя время, ничтожно малое по сравнению с тв. Поэтому тв можно считать сравнительной характеристикой скорости самовозгорания в зависимости от температуры воздуха ^ над пылевым отложением. Из графика на рисунке следует, что при U = 130°С тв составляет 39 мин для пыли углей ирша-бородинского бурого и кузнецкого каменного марки Г, при тв = 145°С, тв = 18 мин, при ^ = 158°С тв = 8,5 мин для ирша-бородинского угля и тв = 11 мин для кузнецкого Г. Другими словами, при увеличении температуры воздуха на 13 - 15°С время, необходимое для самовозгорания отложения пыли, уменьшается примерно вдвое, соответственно вдвое повышается вероятность P(A2|A1), а также вероятность взрыва P(B).
Остается уточнить, что ход температурных кривых, приведенных на графике, наблюдался практически одинаковым при толщинах слоя засыпки пыли в 16 и в 38 мм. Это означает, что отложения пыли малой толщины не менее опасны в отношении взрывов в пылесистемах, как и мощные пласты отложений. Для более грубой пыли фракции 50 - 90 мкм время тв возрастает на 10 - 20%.
На рисунке приведены также кривые, относящиеся к экибастузскому углю. Время тв для него не слишком резко отличается от тв для ирша-бородинского и кузнецкого Г углей. Однако, если для пыли ирша-бородинского угля минимальная энергия зажигания, необходимая для инициирования взрыва, по нашим опытам составляет 0,5 Дж, а для кузнецкого Г из различных шахт - от 2,3 до 4 Дж, то пыль экибастузского угля не взрывается даже при повышении энергии зажигания до 400 Дж. Тем самым еще раз подтверждается необходимость учета такой важной характеристики взрываемости, как минимальная энергия зажигания, при разработке метода классификации энергетического топлива по степени взрывоопасности при сушке и размоле, и подтверждается непригодность классификации по расчетному показателю Кт, предложенной авторами [1].
Приведенная формула согласуется с хорошо известными оперативному персоналу ТЭС фактами: далеко не за каждым завышением допустимой по Правилам температуры следует взрыв (иначе взрывы происходили бы, по крайней мере, ежесуточно); частые и резкие корректировки режима работы пылесистемы из-за низкого качества угля или по причине недостаточной опытности машиниста скорее приводят к взрыву, чем стабильная работа. При неустойчивой работе возрастает вероятность событий Ab A3, а также A2, A4. Формула дает основания утверждать, что ограничение температуры за мельницей - необходимая и очень важная мера борьбы со взрывами пыли.
В качестве экспериментального обоснования ненужности ограничений температуры за мельницей в [1] приведен график, названный зависимостью минимальной температуры воспламенения аэровзвеси от выхода летучих. Понятие “температура воспламенения” - строго определенное и имеющее совсем иной смысл, чем тот, который вкладывают авторы [1]. Согласно требованиям [3] показатель пожароопасности вещества - температура воспламенения - определяется в испытаниях на специальном приборе, заключающихся в нагревании образца до различных температур в диапазоне 25 - 600°С и попытках зажигания выделяющихся продуктов разложения посторонним источником воспламенения в виде пламени газовой горелки. Данные рисунка в [1] относятся к самовоспламенению пылевоздушных смесей, т.е. самопроизвольному появлению пламени под воздействием повышенных температур. Так как температура самовоспламенения не является физической константой и зависит от метода определения, то при ее определении в стендовых установках требуется выполнение ряда условий, с тем, чтобы полученные данные можно было переносить на натурные условия изучаемого процесса в промышленных установках и оборудовании. Обоснование требований к эксперименту дано, например, в [4]. Приводя полученные температуры самовоспламенения tz, необходимо указывать время индукции ти, время задержки воспламенения от момента вбрасывания пыли в поток горячего воздуха до появления пламени. С увеличением 4 время ти убывает в экспоненциальной зависимости. Значение ти задается (выбирается) как характерное для изучаемого процесса время. Поэтому рассмотрение значений tc в [1] и какие-либо выводы теряют смысл. Рассмотрим более конкретные данные. В опытах ЦКТИ [5] при выбранном ти = 1 с 4 составили (в градусах Цельсия): торф - 346 - 372, эстонский сланец - 462, бурые угли - 350 - 433, каменные угли - 482 - 600. Следовательно, при температуре подаваемого в мельницу воздуха до 450°С опасность самовоспламенения пыли некоторых видов топлива представляется вполне реальной при времени возможного контакта пыли с горячим воздухом 1 с и более в таких режимах, как пуск мельницы после аварийного останова, расхолащивание мельницы после завала ее топливом, прекращение подачи в мельницу сырого топлива. Самовоспламенением пыли можно объяснить взрывы в топках и газоходах котлов в таких случаях, как после погасания факела, при подаче пыли в недостаточно прогретую топку при пуске.
Какими же данными из опыта эксплуатации в [1] аргументируется основная концепция в отношении температуры за мельницей? По существу их нет. Приведенные примеры с указанием некоторых ТЭС - всего лишь иллюстрация того банального факта, что в эксплуатации не всегда строго соблюдаются Правила взрывобезопасности. Ссылка на некоторые электростанции Сибири, где в зимнее время в системах с воздушной сушкой (с содержанием кислорода 21%, как заявлено в начале статьи) требуется вентиляция дымовыми газами для прогрева при пуске, выглядит как недоразумение, а не пример противоречия Правил с практикой.
Наконец, нельзя не отметить своеобразное представление авторов [1] о состоянии среды в пылеприготовительных установках и возникновении взрыва. Утверждается, что использование горячего воздуха с температурой до 450°С способствует интенсивному выходу летучих из топлива, при этом содержание кислорода снижается до такой степени, что препятствует возникновению взрыва даже при наличии тлеющих отложений. Взрыв возможен лишь при доступе свежего воздуха в пылеприготовительную установку. Столь ошеломляющая картина рушится, если обратиться к результатам прямых наблюдений.
При проведении опытов со взрывами на пылесистемах с ШБМ и воздушной сушкой [6] регулярно отбирались пробы газов (сушильного агента) за циклоном на анализ - свыше 60 проб. При номинальном режиме работы установки содержание водорода в газах не превышало 0,2 х 10 -3%, оксид углерода и метан не обнаруживались. В ходе испытаний температура за мельницей сознательно завышалась на десятки градусов, вплоть до 120°С, на время от нескольких минут до 1 ч. Максимальное содержание указанных компонентов было следующим: оксид углерода - 2,5 х 10 -3%, водород - 11, 8 х 10 -3%, метан - 1,2 х 10 -3%. Опыты проводились при размоле азейского и ирша-бородинского бурых углей и черемховского каменного марки Д раздельно и в смесях.
Даже не располагая экспериментальными данными, авторы [1] имели возможность проявить больше взвешенности в оценках. Температура горячего воздуха при его контакте с влажным топливом на входе в мельницу резко снижается, поэтому нет оснований ожидать интенсивного выхода продуктов пиролиза топлива. Легко найти количество летучих, которое снижает содержание кислорода в пылесистеме, как утверждается, до взрывобезопасного. При содержании кислорода 16% добавка летучих должна составлять 30% объема воздуха. Чем не простой и дешевый способ получения горючего газа! Известно, что смесь горючих газов с воздухом взрывается от искры слабого электрического разряда, не способного воспламенить пылевоздушную смесь. Раскаленный уголь в тлеющих отложениях пыли - безусловно, надежный источник зажигания газовых смесей. Следовательно, были бы неизбежными очень частые взрывы большой разрушительной силы, учитывая, что максимальное давление и скорость его нарастания при газовых взрывах выше, чем при взрывах пыли.
Заключительная часть [1], которую, очевидно, надо рассматривать как выводы, содержит два положения. Первое - температурные ограничения за установкой необходимы для автоматизации процесса пылеприготовления. Вот так! Не автоматизация для поддержания заданных параметров, а наоборот.
Второе - в Правилах взрывобезопасности должны иметь место рекомендации по максимально допустимым значениям температуры в зависимости от группы взрывоопасности топлива. Это и есть, надо полагать, главный, за неимением других, аргумент против обязательного требования по ограничению температуры за мельницей. Что означает, если предложенная авторами [1] классификация топлива по взрывоопасности не согласуется с опытом эксплуатации, закрепленным в Правилах, как показано в [7], то тем хуже для Правил. Но если “рекомендации” - вместо “требований”, то нет и Правил, обязательных для исполнения, со всеми отрицательными последствиями в эксплуатации пылеприготовительных установок.
Список литературы
- О температуре пылевоздушной смеси за пылеприготовительной установкой / Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлев В. С. - Электрические станции, 2000, № 3.
- Правила взрывобезопасности топливоподач и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива. М.: ПМБ ВТИ, 1990.
- ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
- Виленский Т. В.,Хзмалян Д. М. Динамика горения пылевидного топлива. М.: Энергия, 1978.
- Кушнаренко В. В., Гродинская Л. А. Влияние пониженного содержания кислорода на взрываемость и самовоспламенение топливной пыли. - Теплоэнергетика, 1987, № 2.
- Исследование системы пылеприготовления с ШБМ без взрывных предохранительных клапанов в помещении котельного цеха / Елизаров В. В. и др. - Теплоэнергетика, 1990, № 2.
- Дудоров Ю. Д. О новом методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив и о температуре пылегазовоздушной смеси за мельницей (сепаратором). - Электрические станции, 2000, № 3.
