Влияние дисперсного состава пыли твердого топлива на ее взрывоопасные свойства

Влияние дисперсного состава пыли природного твердого топлива на ее взрывоопасные свойства

Толчинский Е. Н., канд. техн. наук, Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлева В. С.

Гранулометрический состав пыли существенно влияет на ее взрывоопасные свойства. С уменьшением до определенных пределов размеров частиц пыли взрывоопасность пылевого облака возрастает. Результаты исследований [1] выявили, что для углей с выходом летучих V da = 40% с наибольшей интенсивностью взрывается фракция пыли с размерами частиц от 0 до 50 мкм; фракцию пыли с размерами частиц от 100 до 175 мкм этого же угля взорвать не удалось. В то же время пыль украинского бурого угля с Vda= 55% и крупностью частиц 125 мкм продолжала интенсивно взрываться.

Высокая интенсивность взрыва тонких фракций пыли связана с аэродинамической устойчивостью пылевого облака, с большей поверхностью пыли, приходящейся на единицу ее массы, и высокой скоростью прогрева частиц. Все это способствует ускоренному выходу летучих, образующих взрывоопасную концентрацию смеси горючих компонентов с воздухом. Крупные частицы, содержащиеся в пыли, тормозят распространение пламени в пылевоздушном облаке за счет поглощения ими части тепла, выделяющегося при сгорании горючих компонентов летучих, и поэтому они играют роль флегматизатора.
Максимальное давление взрыва и скорость его нарастания при взрыве мелких фракций (менее 74 мкм) органосодержащих веществ изменяются незначительно [2]. Пыль фрезерного торфа с размерами частиц более 200 мкм взорвать не удавалось. Не взрывается также пыль бурых углей и сланцев с размерами частиц примерно 150 мкм, а каменных углей - 120 мкм. В этой же работе показано, что при содержании в полифракционной пыли более 30% по массе крупных частиц такая пыль становится практически взрывобезопасной. Взрывные эксперименты с пылью тонкостью менее 5 мкм выявили снижение максимального давления взрыва по сравнению с максимальным давлением, развиваемым при взрывах пыли с фракционным составом от 0 до 43 мкм и от 43 до 74 мкм, что объясняется агрегатированием мелкой пыли.
Исследования взрывов пыли ирша-бородинского угля марки 2Б, азейского бурого угля марки 3Б и черемховского каменного угля марки Д фракций 0-50 мкм, 50 - 71 мкм и 71-90 мкм показали, что оптимальные концентрации пыли, при которых достигаются максимальные значения давления взрыва, составляют соответственно 400, 700 - 900 и 800 - 900 г/м3 [3]. В перечисленной последовательности углей максимальные давления взрыва составили: 0,73; 0,65 и 0,47 МПа, а скорость нарастания давления соответственно - 32, 20 и 12МПа/с. Нижний концентрационный предел распространения пламени для пыли бурых углей увеличивался с угрублением пыли: для фракции 0 - 50 мкм он равнялся 85 г/м3, для фракции 71 - 90 мкм - 100 г/м3. Пыль черемховского каменного угля марки Д начинала взрываться при концентрации ее в воздухе 150 - 200 г/м3.
Мелкие частицы пыли легче переходят во взвешенное состояние, дольше остаются в этом состоянии и требуют меньшей энергии для зажигания из-за снижения температуры самовоспламенения, которая при уменьшении среднего размера частиц некоторых органосодержащих веществ с 50 до 3 мкм снижается по линейному закону [4].
Изменение нижнего концентрационного предела распространения пламени цн происходит по более сложным зависимостям. При увеличении размеров частиц с 10 до 70 - 100 мкм цн снижается, однако дальнейшее увеличение размера частиц приводит к его повышению. Эта закономерность изменения цн в связи с изменением размера частиц связана со сменой основного механизма теплопередачи. Мелкие частицы сгорают по закономерностям горения газовоздушных смесей; при размерах частиц 70 - 100 мкм начинает проявляться фазодинамический механизм, обеспечивающий обогащение зоны горения горючим компонентом и приводящий к снижению предельной концентрации горючего, что способствует распространению пламени. По сравнению с газообразным состоянием веществ нижний концентрационный предел распространения пламени веществ в диспергированном состоянии может снижаться более чем в 2 раза [4].
Форма частиц пылевзвеси органосодержащих веществ практически не влияет на взрывоопасность в силу того, что они сгорают в газовой фазе, т.е. сгорает смесь продуктов пиролиза (летучих) с воздухом при достижении взрывоопасной концентрации.
Снижение максимального давления взрыва Рмакс и скорости его нарастания (dP/di^c с увеличением крупности частиц пыли связано, главным образом, с неполнотой сгорания частиц пылевзвеси: для частиц размером 200 мкм неполнота сгорания составляет примерно 20%, размером 300 мкм она достигает 50 - 60% [4].
Поскольку взрывоопасность пыли снижается с увеличением крупности частиц, возникает вопрос о представительности пробы пыли с точки зрения ее фракционного состава для гарантированного получения экстремальных значений параметров взрыва при проведении взрывных экспериментов. В анализируемых экспериментальных работах разными авторами в качестве базовой фракции пыли выбирались фракции от 0 до 50 и от 0 до 70 мкм, в последнем случае фракция пыли характеризовалась полным остатком на сите с размерами ячеек 70 мкм не более 5% [5] и пыль фракцией от 0 до 100 мкм [6]. Руководствуясь принципом абсолютной надежности при анализе взрывоопасности промышленной пыли и возможности сопоставления результатов испытаний, полученных в разных лабораториях, принят дисперсный состав пыли и граница фракции испытуемой пыли, равная 0 - 63 мкм. Такая же фракция пыли при определении ее взрывоопасных свойств используется немецкими специалистами [7].
Изложенные результаты экспериментов относятся в основном к пыли с узким фракционным составом или к монодисперсной пыли. В промышленных пылеприготовительных установках, как правило, пыль полидисперсна, в ней наряду с крупными частицами имеется и более тонкая пыль, способная к образованию взрывоопасных концентраций. В [7] утверждается, что пыль с размерами частиц более 500 мкм не может взорваться, но если в этой грубой пыли содержится тонкая пыль, то она может взорваться. В [8] считается взрывоопасной пыль с содержанием частиц менее 200 мкм.
Во всех случаях при разработке мероприятий по взрывопредупреждению и взрывозащите следует ориентироваться не только на количество уже готовой к взрыву пыли, но и учитывать то ее количество, которое дополнительно может образоваться в технологическом процессе подготовки топлива.
Таблица 1

Как показал анализ литературных источников, с увеличением крупности частиц в пылевзвеси снижается интенсивность взрыва, а начиная с некоторого размера частиц пыли, взрывы такой пылевзвеси прекращаются. Размеры частиц пыли, образующих взрывоопасные пылевоздушные смеси, не могут быть одинаковыми для видов топлива с разной реакционной способностью.
Процесс сжигания топлива в пылевидном состоянии диктует требования к качеству пыли (влажности, фракционному составу и ее равномерности), выдаваемой пылеприготовительной установкой. Эти требования должны обеспечить надежность ее транспорта, хранения в пылевых бункерах, устойчивость процесса воспламенения и минимум потерь тепла, связанных с механическим недожогом при ее сжигании. Требования к фракционному составу пыли различны для топлива с различной реакционностью. Поэтому для исследования вопросов обеспечения взрывобезопасной эксплуатации пылеприготовительных установок возникла необходимость экспериментальной проверки предельного количества взрывоопасных тонких фракций (от 0 до 63 мкм) в полифракционной пыли, достаточных для ее взрыва, в зависимости от критерия взрываемости Кт, характеризующего степень химической активности природного твердого топлива [9, 10].
Исследованию подвергалась сухая пыль березовского бурого, тугнуйского и китайского каменных углей, данные о которых представлены в табл. 1.
Опыты проводились со специально подготовленными по фракционному составу пробами пыли. На первом этапе исследовались пробы пыли березовского бурого угля, которые были представлены следующими узкими фракциями: 0 - 63, 63 - 90 и 90 - 140 мкм. В условиях эксперимента в реакционной камере объемом 20 дм3 и при мощности источника зажигания в 1000 Дж было установлено, что наибольшую взрывоопасность, как и следовало ожидать, представляет фракция пыли от 0 до 63 мкм, которая взрывалась в широком диапазоне концентраций. Фракция пыли от 63 до 90 мкм березовского угля взорвалась только при концентрации 630 г/м3. При изменении концентрации пыли в камере в ту или в другую сторону от этого значения взрывов не происходило. Фракцию пыли березовского угля от 90 до 140 мкм вообще не удалось взорвать.

Рис. 1. Зависимость давления взрыва от концентрации пыли березовского угля различного гранулометрического состава:

Рис. 2. Зависимость скорости нарастания давления взрыва от концентрации пыли березовского угля различного гранулометрического состава:

Эти опыты наглядно подтвердили уже известный факт, что с увеличением крупности частиц пыли уменьшается поверхность реагирования, что приводит к увеличению времени прогрева частиц, а, следовательно, к снижению скорости выхода летучих, количество которых за время действия источника зажигания оказывается недостаточным для образования взрывоопасной концентрации.
Второй этап опытов заключался в исследовании взрывоопасных свойств полифракционной пыли. Для проведения этой серии опытов искусственно готовились пробы набором определенного количества отдельных фракций (остатков на ситах г-го размера в процентах), соответствующих фракционному составу промышленной пыли. Это достигалось заменой крупных фракций более 63 мкм

фракцией пыли менее 63 мкм; при этом показатель полидисперсности n сохранялся постоянным и равным 0,9.
Результаты экспериментов взрыва пыли различного фракционного состава для березовского бурого, тугнуйского и китайского каменных углей представлены в табл. 2.

Таблица 2

Рис. 4. Зависимость минимальной взрывоопасной концентрации от гранулометрического состава пыли различных углей: 1 - березовский бурый уголь; 2 - тугнуйский каменный уголь; 3 - китайский каменный уголь

Рис. 3. Зависимость минимальной энергии зажигания от гранулометрического состава пыли различных углей:
1 - березовский бурый уголь; 2 - тугнуйский каменный уголь; 3 - китайский каменный уголь

На рис. 1 и рис. 2 в качестве примера показаны результаты взрыва полидисперсной пыли березовского угля. При снижении массовой доли тонкой пыли фракции 0 - 63 мкм в пробе от 100 до 31% полный остаток на сите с размерами ячеек 90 мкм изменялся от R90 = 0% до R90 = 60%, значения максимальных давлений взрыва Рмакс и скорости его нарастания (^Р/Ут)макс при оптимальных значениях концентраций изменялись незначительно. В частности, Рмакс изменялось от 0,43 до 0,48 МПа, а (^Р/^т)макс от 26,6 до 31,7 - 29,7 МПа/с, но при этом минимальная энергия зажигания Емин возрастала от 18 до 287 Дж (табл. 2). Дальнейшее снижение в пробе тонкой пыли до 25% и соответственно увеличение R90 до 68% приводило к снижению давления взрыва до 0,35 МПа и скорости его нарастания до 9,2 МПа/ с, а минимальная энергия зажигания увеличивалась до 841 Дж. При содержании тонкой фракции в пробе 20% (R90 = 74%) взрыв пыли березовского угля не состоялся.
Аналогичная картина наблюдается и для пыли тугнуйского и китайского каменных углей (табл. 2). При снижении содержания в пробе пыли взрывоопасных тонких фракций для всех исследуемых видов топлива одновременно со снижением Рмакс, (dP/dx)^ повышаются минимальная энергия зажигания Емин (рис. 3) и минимальный концентрационный предел распространения пламени цн (рис. 4). Чем меньше Кт у рассматриваемых видов топлива, т.е., чем ниже их химическая активность, тем большее изменение этих показателей при одинаковых соотношениях массовых долей тонких и грубых фракций в пробах пыли.
Взрывобезопасное содержание тонких фракций (менее 63 мкм) в пыли исследуемых углей зависит от критерия взрываемости Кт. Исследования показали, что взрывобезопасной пыль березовского угля (Кт = 3,74) становится при содержании в ней 20% тонких фракций, пыль тугнуйского каменного угля (Кт = 2,17) при 42%, китайского каменного угля (Кт = 1,79) при 52%.
Критерий взрываемости Кт, характеризующий потенциальную склонность к взрыву пыли конкретного природного топлива в зависимости от его технического и элементного составов, хорошо соотносится с показателем взрывоопасности Кв, сопутствующим взрыву пыли этого топлива. Показатель взрывоопасности Кв представляет собой отношение “жесткости” взрыва - Рмакс(^Р/Л)макс к его “чувствительности” - £мин, т.е.
(1)
Обработка большого массива экспериментальных данных позволила графически изобразить зависимость показателя взрывоопасности пыли Кв от критерия взрываемости Кт (рис. 5).
На основании результатов взрывных экспериментов для пыли 87 различных марок углей, включая сланец и фрезерный торф, и с использованием зависимости рис. 5 получены следующие аналитические выражения:
(2) (3)
На основании экспериментальных данных Рмакс, (dP/^т)макс и Еши (табл. 2) с помощью выражений (2) и (3) получены значения Кв для проб

Рис. 6. Зависимость показателя взрывоопасности от гранулометрического состава пыли:
1 - березовского бурого угля; 2 - тугнуйского каменного угля; 3 - китайского каменного угля

Рис. 5. Взаимосвязь показателя взрывоопасности Кв с критерием взрываемости Кв по результатам взрывных экспериментов пыли различных видов твердого топлива
пыли с различным гранулометрическим составом (рис. 6).
Переходя к общепринятой характеристике тонкости пыли через полный остаток на сите с размерами ячеек 90 мкм (R9o), можно с достаточной для практических целей точностью вычислить критерий взрываемости, учитывающий гранулометрический состав пыли К^Р (рис. 7),
(4)
• - опытные значения; + - расчетные значения

Рис. 7. Зависимость критерия взрываемости от гранулометрического состава пыли березовского (1 ), тугнуйского (2 ) и китайского (3 ) углей:
Множитель при Кт следует понимать как поправку, учитывающую влияние технологического параметра, связанного с дисперсным составом пыли, которая показывает, что с увеличением размера частиц пыли снижается ее потенциальная склонность к взрыву.
В эксплуатационных условиях при подготовке к сжиганию взрывоопасного топлива всегда имеется необходимое количество тонкой пыли, которая при определенных условиях может взорваться,
о  чем свидетельствуют имеющие место хлопки и взрывы в пылеприготовительных установках.
Контролировать появление взрывоопасного количества тонких фракций в каком-либо объеме пылеприготовительной установки не представляется возможным. Следовательно, отсутствует принципиальная возможность обеспечения взрывобезопасной эксплуатации систем пылеприготовления путем поддержания взрывобезопасного количества тонкой фракции в полифракционной пыли.
Следует учитывать также тенденцию дальнейшего утонения пыли в связи с применением технологических методов снижения оксидов азота. Поэтому в эксплуатационных условиях этот технологический показатель должен рассматриваться как постоянно присутствующий фактор и учитываться при разработке мер предупреждения и защиты от взрывов во всех режимах работы пылеприготовительной установки.

Список литературы

1. Кисельгоф М. Л. Взрывы угольной пыли в пылеприготовительных установках. М.: Гостранстехиздат, 1937.
2. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив / Померанцев В. В. и др. Л.: Энергия, 1978.
3. Резник В. А., Кушнаренко В. В., Володченков А. А. Характеристики взрываемости пыли ирша-бородинского, азейского и черемховского углей. - Теплоэнергетика, 1977, №9.
4. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность промышленных пылей. М.: Химия, 1986.
5. Bartknecht W. Explosionenablauf und Schutzmassnahmen. - Berlin-Heidelberg-New York, 1980.
6. SiwekR. Experimental methods for the determination of explosion characteristics of combustible dust. 3-d International Symposium on Lose Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Basel, 1980, Sept. 15 - 19, Vol. 3
7. Немецкое общество инженеров VDI 2263 (Проект). Горение и взрывы пыли. Опасность - оценка - меры защиты, 1983.
8. РД153-34.1-03.352-99. Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива. М.: ПМБ ВТИ, 2000.
9. Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлева В. С. Критерий взрываемости пыли твердых натуральных топлив. - Теплоэнергетика, 1996, № 7.
10. Толчинский Е. Н., Колбасников В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топлив. - Электрические станции, 1999, № 3.