Рекомендации по проектированию безопасных установок для сушки угля. Оборудование. Примеры. Анализ ошибок

. Метан улетит вверх от отложений угля.

Плотность остальных углеводородных газов угля (кроме этилена) больше, чем плотность воздуха. Эти газы образуют слой над отложениями угля. Эти газы характеризуются объемными пределами взрываемости начиная от 1,25 объемных % и температурой самовоспламенения начиная от 233° C. При этом теплота сгорания гомологов метана в 1,5—4,5 раза выше чем у метана (при вспышке выделяется больше тепла).

В реальных условиях невозможно понять какой из газов накопился слоем над отложениями угля в сушильном аппарате, невозможно понять, как перемешались горючие газы, какие образовались неравномерности в концентрациях, какой из газов вспыхнул первым при подаче в сушилку высокотемпературного тепла от кирпичной топки. Это и не нужно. Важно понимать, что условия для вспышки газового облака созданы (горючий газ + кислород воздуха в сушилке + поток горячих газов от кирпичной топки), взрывоопасные условия существуют.

Воспламенение пылевоздушной смеси в объеме сушилки и системе газоочистки начинается, по моему мнению, с воспламенения слоя горючих газов образовавшегося над отложениями угля во время остановки сушильного аппарата.

Пылевоздушная смесь

Взрыв угольной пыли начинается с выделения из угля летучих газов при нагреве. Первой загорается газовая оболочка вокруг частицы пыли. Механизм распространения горения в пылевом облаке показан на Рис 4.

Рис 4. Механизм распространения горения во взвешенной угольной пыли [4]: 1 – частицы пыли вблизи источника воспламенения; 2 – скопления горючих выделившихся газов; 3 – источник воспламенения; 4 – оболочки горючих газов воспламеняемые тепловым излучением; 5 – формируемые скопления горючих газов вокруг нагреваемых пылинок

Механизм распространения горения в пылевом облаке (Рис 4) показывает значительную роль летучих веществ в этом процессе.

Механизм процессов в пылевом облаке (в отличие от механизма возгорания в отложениях) основан не на 100% заполнении объема пылевого облака выделившимися горючими газами. Допускается, что выделяющийся из угольной пыли горючий газ распространяется неравномерно в облаке взвешенной пыли и создает локальные зоны с взрывоопасной концентрацией. Эти локальные зоны с взрывоопасной концентрацией вокруг пылинок угля не соединены между собой (рис. 4). Угольные пылинки (1), находящиеся в источнике воспламенения (3), формируют локальные зоны с взрывоопасной концентрацией выделившихся горючих газов (2).

«От источника воспламенения загораются газовые аномалии (2) прогретых угольных пылинок (1). Образующееся тепловое излучение нагревает соседние частицы угля, вокруг которых также образуются и воспламеняются локальные скопления горючих газов (4). Более удаленные угольные частицы также начинают прогреваться тепловым излучением с образованием скоплений горючих газов (5).

Результаты расчетов показывают, что экспериментальным данным соответствуют условия, при которых выделившиеся горючие газы заполняют 40—60% объема, занимаемого взвешенной угольной пылью. Распространение пламени происходит не непрерывно, а дискретно за счет самовоспламенения горючих газов вокруг пылинок при передаче теплового излучения от ранее воспламенившихся частиц.

Нижний концентрационный предел взрывчатости угольной пыли будет также зависеть от размера угольных частиц. С увеличением размера частиц будет снижаться доля выделившегося горючего газа за счет неполного прогрева угля, что приведет к снижению взрывчатости пыли.» [4].

02.3. Взрыво-опасные концентрации

Угольная пыль, взвихренная в воздухе, представляет взрывоопасную смесь. Взрываемость угольной пылевоздушной смеси зависит от марки угля, выхода летучих веществ, крупности угольной пыли, концентрации пыли в воздухе, наличия кислорода в смеси, температуры воспламенения.

Для возникновения взрыва в воздухе (газах) должна существовать определенная концентрация горючей пыли, которая поддерживает возникновение и распространение взрыва. Физико-химические свойства угля могут меняться в широких пределах, поэтому и нижний концентрационный предел взрывчатости пыли различных марок угля находится в широком диапазоне.

За нижний предел взрывчатости взвешенной угольной пыли принимается минимальная концентрация пыли (г/м

) в пылевоздушной смеси, при которой она способна воспламеняться от внешнего источника тепловой энергии и распространять горение по всему запыленному объему.

Рис 5. Результаты [4] теоретического расчета взрывчатой концентрации угольной пыли от выхода летучих: 1- Нижний концентрационный предел взрываемости. 2 – Верхний концентрационный предел взрываемости

Эксперименты показали, что большая часть пыли углей начинает взрываться при концентрации в воздухе 10—50 г/м

 [2]. В [3] утверждается, что угольная пыль с выходом летучих веществ 16% взрывается при концентрации 125 г/м

, а при выходе летучих 25% достаточно 100 г/м

.

Таблица 3. Теоретический нижний концентрационный предел взрываемости угольной пыли (г/м

) в зависимости от выхода летучих и доли объема, заполненного взрывоопасной концентрацией выделившихся газов [4]

Результаты расчетов [4], приведенные на Рис 5 и в Таблице 3, показывают, что экспериментальным данным соответствуют условия, при которых выделившиеся горючие газы заполняют 40—60% объема, занимаемого взвешенной угольной пылью. Распространение пламени происходит не непрерывно, а дискретно за счет самовоспламенения горючих газов вокруг пылинок при передаче теплового излучения от ранее воспламенившихся частиц.

Нижний концентрационный предел взрывчатости угольной пыли будет также зависеть от размера угольных частиц. С увеличение размера частиц будет снижаться доля выделившегося горючего газа за счет неполного прогрева угля, что приведет к увеличению нижнего концентрационного предела взрывчатости пыли.

При образовании опасной концентрации горючей пыли в воздухе причиной взрыва может быть любой источник воспламенения, создающий необходимую температуру в течение определенного периода времени. В большинстве случаев во взрыве участвует ранее отложившаяся пыль.

Таблица 4. Теоретические верхние пределы взрывоопасной концентрации угольной пыли (г/м

) при различных условиях [4]

О верхнем концентрационном пределе взрывчатости угольной пыли имеются противоречивые данные. Например, в [9] утверждается, что верхний предел взрывчатости угольной пыли составляет 300—400 г/м

. Однако в [2, 3] утверждается, что верхний предел взрывчатости угольной пыли достигает 2000—3000 г/м

. Приведенные на рис. 5 теоретические значения верхнего предела взрывчатости существенно меньше.

Имеется ли взрывоопасная пыль при сушке мелких угольных концентратов?

Наиболее взрывоопасной является угольная пыль крупностью 0,07—0,1 мм. Более тонкая пыль менее опасна, так как имеет огромную удельную поверхность, которая окисляется в воздухе до начала наступления взрыва, а частично окисленная пыль не может создать сильного взрыва.

Таблица 5 показывает, что доля наиболее взрывоопасной пыли в высушенном угольном концентрате составляет не менее 40%. От этой мелкой пыли могут загореться более крупные частицы, а также кусковой уголь.

Таблица 5. Пример. Содержание топливной угольной пыли в сухой газоочистке за сушильной установкой. Гранулометрический состав угольного концентрата после сушки

Какую реальную ценность для практики имеют приведенные выше данные о взрывоопасных концентрациях угольной пыли?

Нижний предел взрывчатости взвешенной угольной пыли = минимальная концентрация пыли (г/м

) в пылевоздушной смеси, при которой взрыв возможен, составляет около 10—50 г/м

. Такие концентрации угольной пыли постоянно существуют в сушильных аппаратах, в газоходах к системе газоочистки, в самих аппаратах газоочистки, а также в местах пересыпки высушенного мелкого угля.

Частицы, находящиеся в зоне с верхним пределом взрывчатой концентрации 300—3000 г/м

, с учетом возникающих при взрыве мощных турбулентных потоков, могут воспламеняться от частиц из зоны с низкой концентрацией и в результате участвовать в горении и взрыве.

Важно отметить, что указанные выше концентрации угольной пыли задаются работой сушильных аппаратов, аппаратов газоочистки и мы не можем повлиять на эти концентрации изменением режима или другими приемами.

Взрыво-пожароопасность процесса сушки углей возрастает от антрацита (наименьшая опасность) к бурому углю (наибольшая опасность). При сушке бурого угля требуются специальные приемы и организация процесса.

02.4. Аппаратурные особенности взрыво- пожароопасности при сушке углей

Особенности процесса сушки горючих материалов состоят в следующем:

А. Подача в сушильный аппарат горячих газов с температурой выше (или значительно выше) температуры воспламенения угля или выделяющихся при нагреве угля летучих газов.

Б. Размер частиц высушиваемого горючего материала часто (в особенности при сушке угольных концентратов) является оптимальным для горения угольной пыли в воздухе, поддержания горения, распространения взрыва.

В. Температура высушиваемого материала при снижении влажности возрастает: прогрев угля до температуры до 50—80° C; постоянная температура угля (50—80° C) при испарении свободной влаги (период сушки с постоянной скоростью); после испарения свободной влаги начинается второй подъём температуры вплоть до воспламенения углей.

Г. Количество высушиваемого горючего материала (угля) в сушильном аппарате в 10 – 20 раз больше, чем подача топлива на сушку. Газоходы для продуктов сгорания топлива, газоходы для отходящих газов от сушильного аппарата не рассчитаны на пропуск такого количества газов = продуктов сгорания или взрыва от воспламенения высушиваемого горючего материала.