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

Д. Взрыв пылевидного угля вызывает повышение внутреннего давления в сушильном аппарате. Максимальное давление взрыва пыле-воздушной смеси определяется в лаборатории. Расчетная оценка возникающего давления основана на известном факте, что температура продуктов сгорания углеводородов примерно одинакова 2000—2100° C. Объём газообразных продуктов сгорания возрастает при такой температуре в 8,5 -11,5 раз, считая от объёма при температуре 0° C. Чтобы удержать газы от такого расширения необходимо пропорционально повысить давление. Компенсирующее давление соответственно в 8,5 – 11,5 раз больше, чем первоначальное давление в сушильном аппарате.

Е. Если первоначальное давление равно 1 бар, то давление возникающее при взрыве равно максимально 8,5 -11,5 бар. На такое давление ни сушильный аппарат, ни система газоочистки не рассчитаны. Возникает опасность разрушения этих аппаратов и попадания горящего высушиваемого материала, высокотемпературных газообразных и твердых продуктов сгорания в помещения цеха сушки.

Ж. Для предотвращения разрушения сушильного аппарата, аппаратов и газоходов системы газоочистки устанавливают взрывные предохранительные клапаны (ВПК), которые выдерживают меньшее давление, чем основной аппарат и открываются (разрыв мембраны или открытие клапана) раньше, чем разрушится защищаемый ими аппарат.

З. Срабатывание мембранных взрывных предохранительных клапанов (ВПК) сопровождается следующими процессами:

– выбросом высокотемпературных газов в окружающее пространство;

– возникновением на выходе из ВПК струи горячих газов с высоким давлением по оси;

– разгерметизацией основного аппарата (при использовании разрывных мембран);

– засасыванием в разгерметизированный аппарат через разорванную мембрану ВПК окружающего воздуха, что создает условия для продолжение горения горючих продуктов в аппарате.

02.5. Характеристики взрыво-опасных материалов и опасность помещений

ГОСТ 12.1.044—2018 Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения [6] :

Таблица 6. Показатели характеризующие вещество (материал) как обладателя определенных индивидуальных пожаро- и взрывоопасных свойств (первая группа) [6]

СП 12.13130.2009 Определение опасности помещений. Расчет избыточного давления [7]:

Таблицы 1—7 описывают некоторые параметры процессов взрыва угольной пыли в аппаратах и распространения взрывной волны в помещении.

Таблица 7. Пример. Расчет избыточного давления от взрыва для горючих пылей [7]

Разделы 02.1. – 02.5 показывают, что высушенные мелкие угольные концентраты являются материалами на 100% готовыми в тлению, возгоранию, взрыву, поддержанию горения. Мы можем рассчитать многие параметры условий взрыва.

Как не допустить возгорания и взрывов пыли мелких угольных концентратов?

ГОСТ 12.1.044—2018 введен в действие 01.05.2019 года и должен дать российским проектировщикам информацию о том, какие показатели угольных пылей нужно знать для уверенной разработки процесса сушки угольных концентратов.

К сожалению ГОСТ 12.1.044—2018 не предусматривает определения важнейшей характеристики взвихренной угольной пыли – максимальное содержание кислорода в газах пылевоздушной смеси, когда взрыв будет невозможен.

Отсутствует в России и методика определения безопасного содержания кислорода в пылевоздушной смеси конкретного угля, обеспечивающая безопасную сушку = невозможность воспламенения и возникновения взрыва. Специализированные российские лаборатории, отвечающие за определение показателей пожаро-взрывоопасности пылей конкретных углей этот анализ не выполняют.

Для европейских проектировщиков содержание кислорода в газах (SGK) является важнейшим показателем при определении условий взрыво-пожаро-опасности, без знания которого не начинают проектирование. Безопасное содержание кислорода SGK определяют во всех немецких лабораториях по безопасности в угольной промышленности. Автоматика безопасности при сушке горючих материалов на европейских предприятиях базируется на постоянном измерении объемного содержания кислорода в газах.

02.6. Содержание кислорода в газах

Примером обеспечения безопасности для сушки мелких угольных концентратов является процесс сушки – помола угля в угольной мельнице. В угольных мельницах в одном объёме совмещены процесс сушки угля до влажности примерно 0,5 гигроскопической влажности (примерно 1—2% содержания влаги) и процесс помола угля до уровня крупности частиц 0,05 -0,1 мм. Пылеугольное топливо (ПУТ) – горючий, взрыво-пожароопасный продукт.

В угольной мельнице и системе газоочистки за ней, улавливающей готовый продукт – ПУТ, в рабочих режимах постоянно существуют взрывоопасные концентрации угольной пыли. Производительность угольных мельниц достигает 350 тонн угля/ час. При этом на многих сотнях угольных мельниц для каменного угля, установленных в Европе, за последние 50 лет не было случаев взрывов и возгораний. Причиной такого высокого уровня безопасной работы является постоянно поддерживаемое и контролируемое низкое содержание кислорода в газах.

Лабораторными исследованиями в немецких институтах по технике безопасности определяется SGK – высшее содержание кислорода в газах при котором взрыв пылевоздушной смеси не происходит. Например это 13%. От этого значения минус 1% на разницу лабораторных и промышленных условий, получаем 12% объемного содержания кислорода. Еще раз минус 1% = 11% – при такой концентрации кислорода происходит автоматическое отключение установки. Еще раз минус 1% = 10% – подается аварийный сигнал. Еще раз раз минус 1% =9% – подается предупредительный сигнал. Ниже этого уровня 9% объемного содержания кислорода помольно-сушильные установки работают безопасно в непрерывном режиме в течение многих месяцев.

К сожалению требование определения показателя SGK и контроля его при работе помольно-сушильного и сушильного оборудования отсутствует в российских нормах по Технике Безопасности. Отсутствует также ГОСТ на методику определения безопасной концентрации кислорода в пылевоздушных смесях. Не определяют этот параметр и в лабораториях угольного департамента компании SGS, получивших широкое распространение в России.

Российские нормы не требуют определения безопасного уровня содержания кислорода в газах для каждого конкретного угля. Российским проектировщикам приходится пользоваться указаниями «Правил Безопасности при обогащении и брикетировании углей (сланцев) номер 487 от 20.11.2017 года [8], которые указывают общие для групп углей значения:

«При работе газовой сушильной (классификационной) установки объемное содержание кислорода в отработавших газах (перед или после дымососа) в пересчете на сухой газ не должно превышать: 16% – при сушке сланцев; 18% – при сушке бурых и каменных углей с выходом летучих веществ более 35%; 19% – при сушке каменных углей с выходом летучих веществ менее 35%» [8].

Эти указания «кочуют» из одного издания норм в следующее уже не менее 50 лет. Легко видеть, что предписываемые российскими нормами уровни содержания кислорода в два раза выше, чем безопасный уровень содержания кислорода при сушке угля.

Как действует на процессы горения воздух с содержанием кислорода 16%? Действительно ли такое содержание кислорода делает возгорание и взрыв невозможными?

Ответить на этот вопрос очень легко даже не приступая к сложным лабораторным измерениям. Воздух, который вдыхает каждый человек, содержит 21% кислорода. Выдыхаемый человеком воздух содержит 16% кислорода. Именно таким воздухом (16% О

) мы раздуваем огонь костра. Такой воздух прекрасно поддерживает горение.

По мнению европейских специалистов, путь к безопасной сушке угля в России начинается именно здесь – с указания в российских нормах требований по определению безопасного уровня содержания кислорода в газах, делающего невозможными горение или вспышку угольной пыли для конкретного угля.

В чем причина такой ситуации? Почему определение уровня безопасного содержания кислорода в газах, содержащих угольную пыль, в России не выполняется?

Европейские или американские методики определения содержания кислорода в газах, которое делает взрыв пылегазовой смеси невозможным, не являются секретом. Более того, лабораторное оборудование для определения этого показателя (SGK) легко может быть скомпоновано из состава оборудования, которое используется при определении параметров указанных выше в Таблицах 6—7. Все нужное испытательное и измерительное оборудование уже есть в российских лабораториях.

Думаю, что причина в том, что нормы являются как бы ножем, который острый с двух сторон. С одной стороны нормы должны что-то требовать. С другой стороны нормы должны требовать только то, что не приведет к немедленному закрытию всех сушильных установок в России.

Предположим, что завтра кто-то «очень умный» запишет в нормах ФПБ [14] требование о снижение объемного содержания кисорода во влажных газах установок сушки угля до безопасного уровня 6%-9%. К чему это приведет?

Это приведет к необходимости остановить все работающие в России установки сушки угля. Такое снижение содержания кислорода в настоящее время не может быть выполнено ни на одной российской установке для сушки угля.

В России отсутствуют установки для сушки угля, которые могут обеспечить низкое содержание кислорода в газах. В России отсутствуют методики расчета и знание технических решений, которые обеспечивают снижение содержания кислорода в газах до 6—9% в сушильных установках.

В России выпускаются газоанализаторы для определения содержания кислорода в СУХИХ газах. В то время как газы в установках сушки угля всегда содержат много водяных паров и требуется определение ОБЪЕМНОГО содержания кислорода в реальных влажных газах.

По моему мнению, требования «Правил Безопасности при обогащении и брикетировании углей» номер 487 от 20.11.2017 года [8], нормирующих содержание кислорода в газах сушилок для угля, записаны просто по факту того, какое содержание кислорода фактически наблюдается в российских установках. Эти показатели не обеспечивают безопасности. Они обеспечивают только РАЗРЕШЕНИЕ не выключать сушильные аппараты из работы по причине повышенного содержания кислорода по отношению к безопасному уровню.

На большинстве российских сушильных установок для угля содержание кислорода в газах или вообще не измеряется непрерывно, или эти показатели не оказывают никакого влияния на работу установок (не введены в автоматику безопасности для автоматического отключения).

Российским проектировщикам приходится пользоваться общими для всех углей «требованиями» обеспечить «небезопасные» концентрации кислорода в газах при термической сушке, которые превышают действительно безопасный уровень содержания кислорода в 1,5 -2 раза.

Цель книги – научить российских инженеров проектировать и строить действительно безопасные установки для сушки угля. Основой является умение обеспечить, непрерывно поддерживать и контролировать низкое содержание кислорода в газах.

02.7. Треугольник опасности

Треугольник опасности в наглядной форме показывает условия возникновения взрыва. В одном месте и в одно время необходимо собрать: горючее вещество (угольную пыль), окислитель (кислород воздуха), высокотемпературный источник воспламенения (например горячие греющие газы).

Считается, что если разорвать одну из сторон треугольника опасности, то условия для возникновения взрыва будут ликвидированы.

При сушке углей горючее вещество (высушиваемый уголь) и высокотемпературный источник воспламенения (горячие газы используемые для сушки) ликвидировать невозможно.

Единственным условием, на которое можно повлиять, является содержание кислорода в горячих газах. Снижение содержания кислорода в греющих и отходящих от сушильного аппарата газах ниже уровня SGK, о котором рассказано выше, является условием невозможности возникновения взрыва при сушке угля.

Рис 6. Треугольник опасности

02.8. Правила технологического проектирования УОФ