Расчет минимального взрывоопасного содержания кислорода в аэровзвесях пыли топлива

Приближенный метод расчета минимального взрывоопасного содержания кислорода в аэровзвесях пыли природного топлива

Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлева В. Я.

Для обеспечения взрывобезопасной эксплуатации технологического оборудования, перерабатывающего дисперсные материалы, среди прочих показателей взрывоопасности регламентируется применение показателя МВСК - минимального взрывоопасного содержания кислорода.
При сушке топлива дымовыми газами в пылеприготовительных установках тепловых электростанций, обеспечивающих подготовку к сжиганию взрывоопасных видов твердого топлива, концентрация кислорода в пылевзвеси контролируется и регулируется, не допуская превышения ее сверх установленного значения, чем обеспечивается взрывобезопасная эксплуатация этого оборудования. В системах пылеприготовления, использующих для сушки топлива горячий воздух, наиболее взрывоопасными являются нестационарные режимы работы: пуски, остановы или режимы, связанные с несанкционированным прекращением подачи в них топлива. В этих случаях предусматривается подача в установку пара для снижения концентрации кислорода в агенте сушки, чем обеспечивается безопасность прохождения этих режимов.
Минимальным взрывоопасным содержанием кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, является такое значение концентрации кислорода, ниже которого исключается воспламенение пылевоздушной смеси и распространение горения по пылевому облаку.
В соответствии с [1] минимальное взрывоопасное содержание кислорода экспериментально определяется путем последовательного уменьшения содержания кислорода в пылевоздушной смеси, характеризующейся оптимальной концентрацией в ней пыли, т.е. такой концентрации пыли, при взрыве которой достигается максимальное давление взрыва. Уменьшение концентрации кислорода в пылевоздушной смеси осуществляется разбавлением пылевоздушной смеси газом-флегматизатором, в качестве которого могут быть использованы азот, диоксид углерода, водяной пар и др. Значение минимальной взрывоопасной концентрации кислорода определяется как среднее арифметическое двух значений объемной концентрации кислорода в смеси, различающихся не более чем на 1%, при большей из которых наблюдается давление свыше 50 кПа, а при меньшей - давление взрыва не должно превышать 50 кПа при шестикратном повторении испытаний [1].
Известно, что концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) горючих паров и газов при разбавлении их смесей с воздухом инертным газом изменяются. По мере увеличения концентрации разбавителя в “атмосфере”, состоящей из горючего газа, воздуха и разбавителя, нижний концентрационный предел возрастает, а верхний - снижается. Точка, в которой нижний и верхний концентрационные пределы имеют равные численные значения, является экстремальной точкой. В этой точке содержание разбавителя в воздухе соответствует минимальной флегматизирующей концентрации φφ, а содержание кислорода φО2φ в этой точке определяет минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) [2].
Приведенная ранее закономерность для смесей горючих паров и газов с воздухом позволила разработать расчетные методы определения МВСК, которые в последние годы находят все более широкое применение и в ряде случаев являются альтернативами трудоемкому экспериментальному методу. К расчетным методам можно отнести сравнительный метод предсказания МВСК для неизученных горючих веществ [2], метод адиабатической температуры горения [3], метод верхнего предела [4, 5], метод нижнего предела [6].
Сравнительный метод определения МВСК построен на экспериментально доказанном факте достаточно общего характера, который показывает, что минимальная флегматизирующая концентрация различна для веществ различной физической природы, используемых в качестве разбавителя. Например, для метановоздушной смеси минимальная флегматизирующая концентрация разбавителя - диоксида углерода, существенно ниже, чем минимальная флегматизирующая концентрация разбавителя, роль которого выполняет азот (рис. 1). Это свойство газовоздушных и паровоздушных смесей позволяет, в ряде случаев, ориентировочно предсказать значение МВСК для неизученных горючих веществ. Однако применение
этого метода ограничено отсутствием достаточного количества экспериментальных данных [2].
Метод адиабатической температуры горения основан на том, что адиабатическая температура горения смесей, состав которых отвечает экстремальной точке концентрационных пределов распространения пламени для органических веществ, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, является величиной приблизительно постоянной для конкретного вещества, используемого в качестве флегматизатора. Например, при разбавлении газовоздушных смесей азотом адиабатическая температура горения газовоздушной смеси составляет 1400 К. Если в качестве флегматизатора использовать водяной пар и диоксид углерода, то адиабатическая температура горения составит 1450 К [2]. Адиабатическая температура горения газовоздушных и паровоздушных смесей с различными веществами, применяемыми в качестве флегматизаторов, с достаточной для практических целей точностью может быть использована для расчета минимальной флегматизирующей концентрации азота, водяного пара и диоксида углерода (φф) по формуле

где- стандартная теплота образования соединения из простых веществ относится к 298,15 К, кал/моль; hf - коэффициент при теплоте образования газа, моль/кал; h'j, h" j коэффициенты атомов и структурных групп; hф, hф- свободные члены; mj - число атомов элемента j в молекуле простого вещества.
Значения параметров, входящих в формулу (1), рассчитываются по зависимостям, приведенным в [2].
Результаты расчетов по формуле (1) значений минимальных флегматизирующих концентраций φф для смеси горючих газов (СО, СН4, С2Н6, СН8, С3Н6, С2Н4, С2Н2) с воздухом в зависимости от используемого газа-разбавителя (азота, водяных паров и диоксида углерода) приведены в табл. 1. Относительная погрешность определения φф по этому методу составляет 11,8% [3].
Концентрации кислорода φ()2ф или МВСК для указанных в табл. 1 горючих газов в смеси их с воздухом при их разбавлении инертными газами, обеспечивающими флегматизацию смеси при концентрации в точке флегматизации, рассчитанные по формуле (2), приведены в табл. 2

В табл. 2 приведены значения безопасной концентрации кислорода ФО2фбез> вычисленные по формуле (3) для представленных в таблице горючих газов и газов-флегматизаторов

где φΓφ - концентрация горючего компонента в точке флегматизации, %.
Относительная среднеквадратическая погрешность расчета по формуле (3) составляет 10% [3].
В методе верхнего предела определения значения φО2φ используется постоянство отношений для данного флегматизатора концентраций кислорода в экстремальной точке области воспламенения и в смеси, соответствующей верхнему пределу воспламенения в воздухе, которое не зависит от вида углеводородного горючего [4, 5]. При применении в качестве газа-флегматизатора азота это значение составляет 0,60, а для диоксида углерода - 0,745. Этот метод вследствие невысокой точности рекомендуют использовать лишь для ориентировочной оценки значения МВСК ((ро2ф)·
Таблица 1
Значения минимальных флегматизирующих концентраций смесей горючих газов с воздухом при использовании N2, Н2О и СО2 в качестве газов-флегматизаторов

В основе метода нижнего предела определения МВСК лежит известное положение, заключающееся в том, что трехкомпонентные смеси горючего, кислорода и инертного компонента не взрываются при любом содержании кислорода меньше некоторого предельного значения φО2φ·

Рис. 1. Графики зависимости области воспламенения метановоздушной смеси от содержания разбавителя:
1 - диоксид углерода; 2 - водяной пар; 3 - азот

Значение φО2φ соответствует составу газов у мыса (экстремальной точки) области воспламенения и незначительно отличается от содержания кислорода в стехиометрических смесях различных веществ на нижнем концентрационном пределе распространения пламени [6]

где β - стехиометрический коэффициент кислорода, равный числу молей кислорода, приходящихся на 1 моль горючего вещества при его полном сгорании; φΗ - нижний концентрационный предел распространения пламени. Средняя погрешность расчетного определения φθ2φ составляет 11% [2].
Значение ср0,ф, соответствующее составу газа у мыса воспламенения, практически одинаково. Для абсолютного большинства углеводородных газов (СН4, с2н6, с3н8, с4н10, с5н12, с6н14, с3н6, С4Н8,С6Н6) в смеси с воздухом, обогащенным азотом, расчетное значение МВСК будет находиться в пределах 11,0 - 13,5%. Если добавкой к воздуху служит диоксид углерода, значение МВСК для указанных горючих газов увеличится до 13,4 - 15,6%, т.е. больше примерно на 20%, вследствие более высокой теплоемкости СО2. Для смеси оксида углерода с воздухом расчетное значение МВСК составляет 6,2%, а полученное в эксперименте - 5,6% [6].
В отличие от газовоздушных и паровоздушных смесей стандартный метод экспериментального определения МВСК для пылевоздушных смесей предусматривает проведение серии опытов по зажиганию навески исследуемого образца дисперсностью менее 100 мкм, распыленной импульсом сжатого воздуха в реакционной камере при включенном источнике зажигания. Монотонным снижением концентрации кислорода в реакционной камере путем разбавления воздуха флегматизатором определяют минимальное содержание кислорода в аэросмеси при оптимальной концентрации в ней пыли, ниже которого воспламенение навески не наблюдается.
Расчетный метод определения МВСК для пылевоздушных смесей основывается на предположении о наличии некоторой критической температуры горения пылевзвеси порядка 1200°С, которая достигается при критическом содержании в ней кислорода [7].
Поскольку теплота сгорания органических веществ в расчете на вступивший в реакцию горения кислород слабо зависит от химической природы вещества, то диапазон вероятных объемных значений МВСК пылевоздушных смесей органических веществ при разбавлении азотом составляет 12 ± 2%, что в принципе соответствует действительности [8].

Таблица 2
Значения минимальной концентрации кислорода и безопасной концентрации кислорода для смесей горючих газов с воздухом

Особенность органического твердого топлива, состоящего из летучих веществ, кокса и золы, позволяет рассматривать его пыль как самостоятельный класс пылевидных материалов [3]. Несмотря на некоторые различия, механизм распространения пламени в пылевоздушных смесях все же в наибольшей мере соответствует горению газовоздушных смесей.
Согласно теории Η. Н. Семенова горение при взрыве угольной пыли происходит в газовой фазе, т.е. уголь сгорает в виде смеси горючих компонентов летучих с воздухом [9]. Эта теория открывает возможность использования закономерностей газовоздушных смесей для смеси угольной пыли с воздухом.
В частности, для смеси горючих компонентов летучих угольной пыли с воздухом минимальное взрывоопасное содержание кислорода также будет соответствовать составу газовоздушной смеси у мыса воспламенения [6]

где μΗ - нижний концентрационный предел распространения пламени горючих компонентов летучих с воздухом, кг/кг; β - стехиометрический коэффициент.
Стехиометрический коэффициент может быть рассчитан по выражению

где Qлет ~ теплота сгорания летучих, кДж/кг, вычисляется по формуле, приведенной в [10].

где- массовое содержание углерода в коксе, %;

- массовое содержание соответственно углерода, водорода и кислорода в расчете на кислородную массу, %; Cdaf, H и Оdaf"-массовое содержание углерода, водорода и кислорода на сухую беззольную массу, %; Σ = Cdaf+  Hdaf+ Odaf.