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

История

Технический прогресс в России обошел стороной технологию сушки углей. Во многом это продолжение ситуации в СССР, когда угольные технологии рассматривались как «не самые главные» по сравнению с технологиями добычи и переработки нефти и природного газа, или, например, с ракетной техникой.

Неумение сушить горючие материалы, такие как уголь, черта не только России. Технологией современной сушки угля не владеют также в Китае, Индии, Малайзии, Австралии и в США. Отличие России в том, что здесь добычу обогащение угля приходится вести в районах с минусовыми температурами в течение 6—10 месяцев. Поэтому без сушки угля не обойтись.

Фактором, вызвавшим «задержку в развитии» технологий сушки угля, было также поступление на рынок нового оборудования для глубокого механического обезвоживания мелких продуктов обогащения – угольных концентратов. На угольных предприятиях и у проектировщиков, встраивающих новые дисковые фильтры, фильтр-прессы и гипер-фильтры в реконструируемые или новые обогатительные цеха, сложилась иллюзия, что от опасной и весомой по капитальным затратам технологии термической сушки угля можно отказаться. Новые обогатительные фабрики более двух десятилетий строились без установок сушки угля.

В период «безсушильной паузы» сложилось ясное понимание о уровне потерь товарного продукта и технологических трудностях, сопутствующих обогащению углей без окончательной операции по термической сушке мелкодисперсных углей. Потери концентратов угля составляют примерно 10% от общего выпуска товарной продукции. Переувлажненные обогащенные концентраты, по причине повышенной влажности, не могут быть проданы. Обогащение выполнено, а продажа высоковлажного концентрата не может состояться. Это потери для экономики обогатительной фабрики.

Возвращение в 2010-х годах к проектированию сушильных установок Россия встретила в условиях, когда на всех без исключения установках сушки угля, используются технологии 50—70 летней давности, стоит устаревшее оборудование, реализуется опасный процесс сушки в ежесуточными остановками на 4 часа. Сушка мелкого взрыво-пожароопасного угля ведется при содержании кислорода в газах, которое в два раза превышает безопасный уровень.

Проектировние и строительство новых сушильных установок осложняется использованием старых советских норм и методик, повторенных слово в слово в российских нормах, отсутствием литературы по сушке, отсутствием специалистов, знающих технологии безопасной сушки угля.

Является ли технология безопасной сушки мелкого угля «белой зоной», неизвестной областью, знание которой отсутствует у живущих на земле инженеров? К счастью это не так. Этот процесс европейские инженеры научились реализовывать совершенно безопасно.

Доказательством надежности разработанной технологии и оборудования является факт, что с 60-х годов прошлого века до настоящего времени на многих сотнях установок сушки-помола каменного угля на основе европейского оборудования не было случаев взрывов или пожаров.

Европейские решения

Фирмы, разрабатывающие промышленные процессы и технологии, формулируют основы этих процессов в форме текстов для внутреннего использования. Эти тексты содержат know how фирмы в концентрированном виде и служат для передачи знаний от опытных инженеров к молодым.

Книга, которую Вы открыли, содержит know how по технологии безопасной сушки углей и других горючих материалов немецкой фирмы Ing.-Büro Feuerung- und Trocknungs-Technologien (технологии сушки и горения). Описаны процессы и оборудование, знания о которых необходимы для проектирования безопасных сушильных установок. Тексты адаптированы для российских инженеров, учитывая состояние знаний в этой области.

Основой процесса сушки углей, который практикуется в России, является режим с высоким содержанием кислорода. Опасность такой реализации процесса усугубляется прерыванием сушки каждые сутки на 4 часа, вызванным остановкой углеобогатительной фабрики. К этому добавляются использование топочного оборудования с высокой тепловой инерционностью, не позволяющего оперативно управлять процессом, и другие сложности, подробно описанные в книге. Условия реализации процесса сушки углей в режимах опасных для людей и предприятий, к сожалению, не полностью запрещаются действующими в России техническими нормами.

К чести российских инженеров, можно сказать, что они ухитряются «выживать» в описанных условиях. Прежде всего это касается разумно построенной системе мокрой газоочистки за установками сушки угля. Эта система неэкономична и неэффективна, но она является безопасной.

В книге описана концепция перехода от опасной прерывной технологии сушки углей с высоким содержанием кислорода в газах к безопасной непрерывной технологии сушки с низким содержанием кислорода, при которой взрыв или возгорание угля невозможны. Дана также информация по современным средствам защиты оборудования от взрыва или возгорания.

Целью книги является описание пути к безопасной технологии сушки углей. По этой причине сознательно не приводятся расчетные методики процессов, формулы и т.п., которые часто затрудняют понимание сути вопроса эксплуатационным персоналом. Вместо формул дано большое количество графических материалов, которые упрощают понимание процессов и работы оборудования. Все графические материалы базируются на опыте реального проектирования и работе реально выпускаемого оборудования.

Изложенные в книге принципы построения безопасных технологий базируются на европейском нормативном материале. Объединяющими документами являются Директивы АТЕХ, которые создают техническую среду для реализации безопасных процессов и изготовления безопасного оборудования.

Директивы АТЕХ не приняты в России как действующие нормы. В этом нет ничего страшного. Директивы АТЕХ не противоречат российским нормам и могут использоваться как полезное дополнение. Дополнение, которым можно пользоваться добровольно, без принуждения. Директивы АТЕХ призывают к открытому творческому процессу в области обеспечения безопасности. По моему мнению, это одна из важнейших особенностей этих документов.

Процессы сушки угля можно сделать безопасными. Строительство цехов сушки угля и приобретение оборудования можно выполнить без лишних затрат. В книге даны рекомендации и примеры оптимальной компоновки цехов сушки на площадке обогатительной фабрики. Даны технологические схемы, примеры выбора и компоновки оборудования, выполнен анализ ошибок при проектировании.

Эффективное использование угля в энергетике, металлургии, химии невозможно без удаления из угля лишней влаги.

Надеюсь, что книга окажется полезной для молодых инженеров.

Рассмотрим вначале особенности процессов сушки, которые являются общими для горючих материалов, таких как уголь, и негорючих материалов, таких, например, как концентраты руд металлов, глины и т.п..

Рис 1. Изменение температуры и влажности материала при сушке: 1 – влажность, 2 – температура

На рис 1. показано изменение влажности (1) и температуры (2) тела при сушке. Чаще всего в начальный момент температура всех точек тела одинакова и равна начальной температуре материала θ1. Если температура газовой фазы равна tг, то именно к этому значению стремится средняя температура высушиваемого материала θ.

На кривой кинетики сушки можно выделить три участка: период прогрева (АВ); период постоянной скорости сушки (ВС) – первый период; период падающей скорости (СD) – второй период.

В период прогрева подводимая к материалу тепловая энергия горячих газов расходуется на прогрев материала от начальной температуры θ1 до температуры мокрого термометра tм и на испарение части влаги. Период прогрева обычно незначителен по сравнению с другими периодами сушки. Скорость сушки обычно возрастает от нуля до некоторого значения N в первый период.

После периода прогрева наступает период постоянной температуры материала (ВС). При этом влажность материала интенсивно уменьшается по линейному закону. В этом периоде вся теплота, подводимая к телу, затрачивается на интенсивное поверхностное испарение влаги, и температура материала остается постоянной, практически равной температуре испарения жидкости со свободной поверхности (tм).

В границах периода сушки ВС температура угля составляет 50—80° C. При времени сушки не более 0,5 часа (это максимальное время нахождения угля в сушильном барабане) такие температуры являются безопасными, не вызывают явлений саморазогрева в массе угля.

В периоде ВС температуры греющих газов отдающих тепло углю могут составлять 600—1000° C. Это не вызывает повышения температуры угля выше указанных 50—80° C, пока в угле сохраняется достаточное количество свободной влаги.

При сушке угля до 3—6% в нем сохраняется свободная влага и процесс сушки протекает в пределах периода постоянной температуры материала. Сушка углей при постоянной температуре является безопасной по причине отсутствия перегрева.

Постоянная конечная температура подсушиваемого угля обусловливает тот факт, что конечная температура газов, выходящих из сушильного аппарата, также стабилизируется и поддерживается постоянной, обычно в диапазоне 80—90° C. На основе контроля температуры уходящих газов выполняется регулирование процесса сушки.

На рис. 1 показан также второй период сушки с падающей скоростью сушки, когда уменьшение влагосодержания материала описывается кривой СD. Этот период в общем случае тоже можно разделить на два участка. В конце второго периода сушки влагосодержание материала асимптотически стремится к равновесному состоянию, достижение которого означает полное прекращение дальнейшего испарения влаги из материала. В этом периоде испарение влаги с поверхности материала замедляется, его температура начинает повышаться и может достигнуть температуры газовой фазы (tг). [24].

Период СD, когда температура угля начинает рости, превышая 90° C, не должен допускаться при сушке угля. Связано это с тем, что при температурах выше 90° C из угля начинают заметно выделяться горючие летучие компоненты. Первоначально выделяется в основном горючий газ метан СН4. Это повышает опасность процесса сушки.

Реальная сушка

Рекомендованный процесс сушки угля с постоянной температурой сравнительно безопасен. Необходимо однако понимать, что в реальном сушильном аппарате высушиваются частички угля различного размера, которые при контакте с горячими греющими газами нагреваются с различной скоростью. Мелкие частички высушиваются быстрее и их температуры могут быть выше, чем средние температуры высушиваемого угля.

Сухая угольная пыль переносимая горячими газами представляет опасность. Необходимо понимать какие концентрации пыли и какие температуры являются опасными, как в сушильном аппарате, так и в системе газоочистки после сушки.

Обязательным шагом к реальности от теоретического рассмотрения процесса сушки является учет возможных отложений угля в сушильном аппарате. Необходимо знать температуры, при которых начинаются процессы саморазогрева угля в отложениях. Саморазогрев переходит в тление и далее в горение высушиваемого угля. Это особенно опасно при остановке сушильного аппарата. Образование отложений угля в сушильном аппарате должно быть минимизировано.

Причины взрыво-пожароопасности угольной пыли и угольных отложений в сушильном аппарате подробно рассмотрены в разделе 02.

Одной из наиболее опасных аварий на предприятиях по добыче, переработке и использованию угля являются взрывы угольной пыли. Поражающими факторами взрыва горючей пыли являются ударная волна, высокая температура, образующиеся токсичные газы. Ударная волна способна распространяться на большие расстояния, поэтому взрывы горючей пыли наносят огромный экономический ущерб предприятиям, приводят к групповому травматизму, в том числе с летальным исходом [1].

«В трактах сушильных установок, особенно в периоды плановой и аварийной остановок, могут происходить оседание и тление угольной пыли. При повторном запуске сушильной установки может произойти взметание пыли и при определенных условиях (при высоком содержании кислорода в горячих газах) может произойти образование детонационной (взрывной) волны в тракте сушильной установки.» [5].

Сушка углей или других горючих материалов принципиально отличается от сушки негорючих материалов, например концентратов руд, металлов, известняка, глин и тп. Суть различия не в характере процесса сушки, тут отличий нет, или они незначительны. Различия определяются поведением угля при нагреве.

02.1. Уголь как горючее вещество. Структура. Выделение летучих

Угольное вещество представляет собой высокомолекулярные соединения, в которых макромолекулы состоят из связанных между собой шестиугольных ароматических колец – стабильных ядер, окруженных химически связанными с ядрами молекулами боковых углеводородных цепочек.

Гипотетическая структура молекулы угля и её термическое разрушение показаны на Рис.2. Разрушение структуры происходит по связям с наименьшими энергиями разрыва, например С – С (346 кДж/моль) или С – О (358 кДж/моль). В результате разрыва таких связей из угля выделяются летучие компоненты. Для сравнения тройная связь С=С в шестигранных ароматических структурах молекулы угля имеет энергию разрыва 836,3 кДж/моль. Это определяет высокую устойчивость ароматических шестигранных структур в молекуле угля.

«По мере подвода тепла частица угля нагревается, подсушивается, затем начинается выделение летучих. Чем больше содержание летучих в угле, тем интенсивнее происходит их выход. Выход летучих начинается при температурах тем более высоких, чем старее топливо. Из бурых углей выход летучих начинается при температуре около 170°С, из газового угля – около 210°С, из ПЖ – около 260°С, из тощих углей – около 320°С, из антрацита – около 380°С» [23]. Так часто описывают процесс термического выхода летучих в учебниках, добавляя, что основу летучих составляет метан СН4.

Реальность однако сложнее.

Во-первых температура начала выделения летучих из углей разной марки не может быть определена так однозначно, как это записано выше (и в учебниках). Следует учитывать, что метан, как и другие углеводороды выделяется из угля и без нагрева. По этой причине в шахтах постоянно контролируют содержание метана. Можно сказать иначе: начало заметного выделения летучих начинается примерно при указанных выше температурах.

Рис 2. Гипотетическая структура угля (вверху). Связи (А) с малой энергией разрыва. Термическое разрушение гипотетической молекулы угля (внизу)

На Рис. 3 [21] показаны потери массы пробы угля на основе термографических исследований. Хорошо видно, что заметному выделению летучих в области температур 350—450° C, предшествует небольшое выделение летучих начиная с температур даже ниже 50° C. К моменту прогрева до температуры 100—150° C уголь уже потерял 2—3% массы.

Рис 3. Потеря веса пробы угля при повышении температуры вследствие выхода из угля летучих газов по данным ДТА [21]

Какая газовая атмосфера образуется вокруг мелкого угля при потере массы 2—3% в процессе выделения летучих?

Таблица 1. Показывает, что уже при 1% выделения летучих уголь будет полностью окутан оболочкой из горючего газа. Этот факт является базовым основанием для механизма воспламенения и горения угольных частиц, который рассмотрен ниже.

Таблица 1. Объем выделившихся горючих газов из 1м3 мелкого угля с насыпной плотностью 800 кг/м3

Во-вторых из угля выделяется не только метан. Газ, для упрощения записываемый как «метан», имеет в своем составе также С2Н6 – этан, С2Н4 -этилен, С3Н8 – пропан, С4Н10 – бутан, С5Н12 – пентан, С6Н14 – гексан.

Летучие газы, выделяющиеся из угля могут иметь различный состав, меняющийся в зависимости от условий и времени от начала процесса выделения летучих. При этом метан вовсе не всегда будет преобладающим газом. Например анализ [20] углеводородов в шахтных газах показал 29% этана, 60% пропана и только 10% метана.

«Как известно, ископаемые угли относятся к своеобразному классу природных сорбентов, которые получили название «молекулярных сит». Для них характерна пористая структура с преобладанием главным образом микропор диаметром 1,0—1,5 нм. Поэтому скорость свободной десорбции из угля последовательно снижается от СН4 к его гомологам, т.к. диаметр молекул в ряду СН4—С5Н12 возрастает от 0,42 до 0,8 нм. Это объясняется двумя процессами: возрастанием энергий дисперсионного взаимодействия молекул гомологов метана с молекулами сорбента при объемном заполнении микропор и проявлением молекулярно-ситового эффекта в микропорах угля.

Высшие гомологи метана в основном начинают выделяться из угля после его измельчения и нагрева. При вскрытии угольных пластов и снижении давления происходит последовательное выделение углеводородов из углей в соответствии с их сорбционными свойствами. Метан, как наиболее подвижный компонент, опережает другие, более тяжелые углеводороды (УВ), которые начинают выделяться после истечения из пласта основной доли метана. Этим можно объяснить, что в свободно выделяемых из углей газах наблюдаются низкие концентрации тяжелых УВ, которые остаются в угле как трудно выделяемые.» [22]

02.2. Механизм распространения горения в отложениях и в пыле-воздушной смеси

Отложения

Таблица 2. Показывает, что нижний предел взрываемости углеводородов угля и температура самовоспламенения снижаются с увеличением молекулярной массы газа, а удельная теплота сгорания повышается. Эти параметры непосредственно определяют условия вспышки газовой оболочки вокруг частиц угля.

Таблица 2. Параметры углеводородных газов угля

Таблица 2 показывает параметры углеводородов выделяющихся из отложений угля в сушильном аппарате во время 4-х часовой паузы. Плотность метана 0,715 кг/нм3 – меньше плотности воздуха 1,293 кг/нм3. 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/м3) 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/м3 [2]. В [3] утверждается, что угольная пыль с выходом летучих веществ 16% взрывается при концентрации 125 г/м3, а при выходе летучих 25% достаточно 100 г/м3.

Таблица 3. Теоретический нижний концентрационный предел взрываемости угольной пыли (г/м3) в зависимости от выхода летучих и доли объема, заполненного взрывоопасной концентрацией выделившихся газов [4]