Снижение взрывоопасности пылеугольных топлив на тэс

На правах рукописи

Чернышова Татьяна Ивановна СНИЖЕНИЕ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ НА ТЭС Специальность 05.26.03 - "Пожарная и промышленная безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алматы, 2007

Работа выполнялась в Алматинском институте энергетики и связи и Карагандинском государственном индустриальном университете.

Научные руководители: доктор технических наук Дюсебаев Марат Канафиевич, кандидат технических наук Говоров Вениамин Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Плотников Валерий Михайлович, кандидат технических наук Беляев Владимир Васильевич

Ведущая организация: ДГП "Казахский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности" (КазНИИ БГП, г. Караганда)

Защита состоится "_27" апреля 2007г. в 1000 час. на заседании диссертационного совета ОД 14.61.31 при Алматинском институте энергетики и связи по адресу: 050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул.Байтурсынова, 126.

AИЭС - факс: 8 (3272) 92-09- КГИУ - факс: 8 (3213) 91-56-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алматинского института энергетики и связи по адресу: 050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Байтурсынова, 126.

Автореферат разослан "_25_" _марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Т.Е. Хакимжанов ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследований. В большинстве регионов Республики Казахстан существенная доля генерирующих мощностей находится на ТЭС, сжигающих, в основном, твердое топливо. На многих ТЭС в силу конъюнктурных, экономических и иных факторов сжигаются непроектные угли или прорабатывается вопрос применения альтернативного топлива в перспективе. В связи с этим всё возрастающее значение приобретают две взаимосвязанные проблемы.

С одной стороны, на электростанциях страны используется широкая гамма твердых топлив, пыль которых характеризуется различной степенью взрывоопасности. Опыт перехода ряда предприятий Казахстана на использование в качестве пылевидного топлива углей Шубаркольского месторождения выявил резкое возрастание "хлопков" и взрывов в системах пылеподготовки, зачастую сопровождающихся тяжелыми травмами персонала. Происшедшие аварии обуславливаются высоким содержанием летучих веществ в шубаркольском угле, но хорошая теплотворная способность, низкая зольность и дешевизна делают его весьма привлекательным для потребителей с энергетической и экологической точек зрения. Однако до настоящего времени характеристики пожаровзрывоопасности шубаркольского угля практически не изучены. Поэтому переход на это непроектное топливо требует серьёзной корректировки технологического режима и обеспечения взрывобезопасности систем пылеподготовки.

Существующие способы взрывозащиты пылеприготовительных систем представляют собой, в основном, технические устройства для уменьшения разрушительного действия и локализации возникающих взрывов, а не их предупреждения. Кроме того, условия определения параметров пожаровзрывоопасности пылей по стандартным методам отличаются от реальных режимов пылеподготовки.

В связи с этим актуальным является:

- совершенствование методов определения пожаро- и взрывоопасных свойств топливной пыли с учетом технологических режимов переработки и сушки в системах топливоподач ТЭС;

- исследование параметров пожаровзрывоопасности пыли шубаркольского угля;

- разработка технологических мер по предупреждению взрывов и повышению взрывобезопасности процессов переработки и сушки в системах топливоподачи электростанций.

С другой стороны, ведущее место среди природоохранных задач в теплоэнергетике занимают вопросы организации, складирования, обезвреживания и утилизации отходов. Решение проблемы накопления отходов производства является одним из приоритетных направлений Концепции экологической безопасности Казахстана. На ОАО "Миттал Стил Темиртау" ежегодно образуется более 250 тыс. тонн отходов углеобогащения и продуктов золошлакоудаления, из которых находит применение не более 20%. Остальная часть размещается в отвалах и золошламонакопителях, занимающих огромные территории. Поэтому разработка технологических вариантов рециклинга и утилизации углеродсодержащих отходов и золы ТЭС играет значительную роль в решении проблем экологической безопасности региона.

Работа выполнялась в контексте с Приоритетным направлением "Разработка высокоэффективных технологий использования традиционных и возобновляемых энергоресурсов" Программы "Научно-техническое обеспечение развития промышленности Республики Казахстан на 2002- годы", утвержденной приказом МОиН РК от 24.01.02 г. 51-1, Концепцией экологической безопасности, направленной на снижение хозяйственной деятельности на окружающую среду.

(Программа "Охрана окружающей среды" на 2005-2007 годы, Программа развития промышленности строительных материалов, изделий и конструкций в РК в 2005 - 2014 годы), а также в соответствии с планом госбюджентой научно-исследовательской работы К- Карагандинского государственного индустриального университета "Анализ технологических процессов организации, переработки и использования отходов черной металлургии" (2006 - г.).

Цель работы: разработка взрывобезопасных вариантов композиционного топлива на базе угля Шубаркольского месторождения с добавками углеродсодержащих отходов.

Основной идеей работы является флегматизация взрывоопасности пыли шубаркольского угля отходами углеобогащения при обеспечении энергетической приемлемости и взрывобезопасности.

Задачи исследования:

- провести анализ причин взрывов, происшедших на предприятиях при использовании шубаркольского угля;

- определить показатели пожаровзрывоопасности пылей шубаркольского угля, отходов углеобогащения и их смесей;

- обосновать экспериментальные и расчетные методы исследования пожаро- и взрывоопасных свойств пылеугольных топлив;

- теоретически определить рациональные соотношения компонентов в смесях шубаркольского угля с отходами по энергетической пригодности;

- экспериментально исследовать показатели пожаровзрывоопасности полученных композиций и выбрать приемлемые варианты;

- рекомендовать разработанные композиционные составы топлив к использованию на производстве.

Предметом исследования являются: уголь Шубаркольского месторождения и отходы углеобогащения ОАО "Миттал Стил Темиртау".

Объект исследования - системы топливоподачи и пылеподготовки теплоэнергетических предприятий.

Методы исследований. В диссертации использованы методики исследований, включающие аналитический обзор литературы, патентный поиск, обобщение международного опыта по экспериментальным и расчетным методам определения пожаровзрывоопасных свойств пылевидных материалов, теоретическое (расчетное) моделирование и экспериментальное исследование, применение методов математической статистики.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- снижение взрывоопасности пылеугольных топлив с высоким содержанием летучих веществ обеспечивается добавлением отходов углеобогащения без серьёзных реконструкций и изменений режимов работы котлоагрегатов;

- повышение взрывобезопасности при сжигании низкозольного топлива с высоким содержанием летучих веществ достигается введением добавок технологических отходов цеха обжига известняка, что увеличивает зольность, сохраняя достаточную теплотворную способность угля, но сокращает выбросы оксидов серы в атмосферу;

- оценка взрывоопасности топлива производится экспресс-методом, что позволяет классифицировать взрывоопасность энергетических топлив по содержанию в них горючих летучих веществ в сухой массе.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- разработаны составы композиционных энергетических топлив на основе шубаркольского угля с добавками флотационных и гравитационных отходов углеобогащения;

- разработан состав композиционного энергетического топлива на основе шубаркольского угля с добавкой технологических отходов цеха обжига известняка;

- определены показатели самовоспламенения шубаркольского угля, горючих отходов углеобогащения и их смесей в виде слоя и аэровзвесей;

- разработан метод экспресс-оценки взрываемости пыли энергетического топлива, включающий расчетную методику по содержанию летучих веществ в сухой массе пыли;

- разработана методика определения взрывоопасности пыли (по возникновению пламенного горения аэровзвеси пыли).

Личный вклад автора заключается в следующем: определены рациональные соотношения компонентов в смесях шубаркольского угля с технологическими отходами по энергетической пригодности;

экспериментально определены показатели воспламеняемости шубаркольского угля, отходов углеобогащения и рекомендуемых композиционных топлив;

разработана методика, позволяющая с достаточной надежностью определить вероятность взрыва аэровзвесей при контакте с нагретой поверхностью оборудования, которая может быть использована для проведения экспресс-анализа взрываемости пыли угля и продуктов его переработки по характеру горения аэровзвеси (искры или пламя);

проведена оценка возможности связывания оксидов серы пылевидной известью во всём диапазоне температур топки и газоотводящего тракта котельного агрегата с помощью термодинамических методов расчета энергии Гиббса (G).

Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов, изложенных в диссертации, подтверждаются:

- использованием стандартных и общепринятых методов экспериментального определения показателей пожаровзрывоопасности веществ и проверкой пригодности установок по стандартному контрольному веществу;

- достаточным объемом экспериментальных исследований и удовлетворительной сходимостью результатов опытов у однотипных проб;

- применением теоретических предпосылок, базирующихся на теории горения топлива, законах и методах химической термодинамики;

- применением методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;

- промышленной проверкой результатов исследования.

Практическая ценность работы:

- показана пригодность использования гравитационных и флотационных отходов углеобогащения в качестве технологической добавки к энергетическим углям с высоким содержанием летучих веществ и низкой зольностью;

- полученные данные и рекомендации работы приняты ОАО "Миттал Стилл Темиртау" для разработки составов композиционного пылеугольного топлива на основе шубаркольского угля с добавкой отходов гравитационного и флотационного углеобогащения для обеспечения взрывобезопасных режимов сушки и транспортировки пылеугольного топлива на ТЭЦ, а также учтены при расследовании причин взрыва, произошедшего 20.04.03 г. на "Bassel Group LLS" (бывшая КарГРЭС-1);

- разработан проект стандарта республики Казахстан "Пожаровзрывобезопасность горючих пылей.

Метод определения температуры самовоспламенения аэровзвеси пыли углей и продуктов их переработки";

- метод экспресс-оценки взрыврываемости пылеугольных топлив может быть использован в производственных условиях;

- ожидаемый экономический эффект от использования шубаркольского угля с технологической добавкой в виде отходов гравитационного углеобогащения в соотношении 50/50% составит 774, млн тг/год (расчет проведен без учета затрат на транспортировку отходов).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Республ. экологической конференции КОЭО "Гринспейс" "Человек и природная среда" (г.Темиртау, 2000г.), VII междун. науч.-практ. конференции "Проблемы промышленной безопасности и охраны труда в металлургии" (г.Москва, МИСИС, 2003г.), Междун. науч.-практ.

конференции, посвященной 40-летию КарМетИ "Научно-технический прогресс в металлургии" (г.Темиртау, 2003г.), Республ. науч.-практ. конференции "Инновации в экологии" (г.Кокшетау,2004г.), IV междун. науч.-техн. конференции "Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях" (г.Алматы,2004г.), I междун. науч.-практ.

конференции "Энергетика, экология, энергосбережение" (г.Усть-Каменогорск, 2005 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 16 работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки МОиН РК и доложены на 6 научно-практических конференциях, в том числе 4-х международных.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 136 страницах компьютерного текста, содержит рисунок, 27 таблиц, 5 приложений и включает библиографию из 112 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Обзор литературы и патентный поиск по вопросам механизма самовоспламенения и горения натурального твердого топлива и проблеме снижения взрывоопасности в системах топливоподачи и пылеприготовления тепловых электростанций, работающих на пылеугольном топливе, позволяет сделать вывод о том, что процесс взрыва частиц твердого горючего имеет тепловой характер. Передача тепла может осуществляться различным образом: теплопроводностью, излучением, адиабатическим сжатием, в зависимости от горючих свойств пыли. Причины взрывчатости пыли твердого топлива зависят от дисперсности, влажности, зольности, выхода летучих веществ, концентрации пыли, параметров состояния газовой среды, состава органической массы топлива и др. Известные расчетные методики по оценке пожаровзрывоопасности твердых топлив дают противоречивые результаты. Системы пылеприготовления, особенно при использовании топлив с высоким содержанием летучих веществ, предполагают повышенные требования к их взрыво- и пожарозащищенности, которые обеспечиваются комплексом технических и технологических мер, требующих значительных затрат на реконструкцию систем пылеприготовления уже существующих ТЭС и изменения технологических режимов эксплуатации при переходе на другое непроектное топливо.

В качестве объектов исследования взяты уголь Шубаркольского месторождения, имеющий высокую калорийность (22,96 МДж/кг), низкую зольность (14%) и высокое содержание летучих веществ (более 40%), пожаровзрывоопасные свойства которого не изучены, и отходы углеобогащения, как возможные флегматизирующие технологические добавки.

С целью разработки способов снижения взрывоопасных свойств шубаркольского угля проведена расчетная оценка взрывоопасности природного топлива, проектного и композиционных пылевидных топлив на основе шубаркольского угля и технологических отходов по нескольким известным методикам (таблицы 1 и 2). Наиболее дифференцированную оценку степени взрывоопасности дает критерий взрываемости Кт, рекомендованный "Правилами взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива", введенными в 2000 году.

Результаты расчета показали, что самым взрывоопасным из рассматриваемых топлив является шубаркольский уголь. Взрывобезопасными топливными композициями, степень взрываемости которых близка к проектному топливу (Кт=1,14), являются смеси, состоящие на 40-60% из шубаркольского угля и на 60-40% из отходов флотации. Добавка извести в соотношении 60%/40% снижает степень взрывоопасности, но содержание в золе топлива более 25% оксидов кальция вызывает ухудшение работы системы мокрого золоудаления, поэтому выше этого предела добавка извести нецелесообразна.

Таблица 1 - Коэффициенты взрывоопасности (виды топлива) О Р Г Р Э С Ц К Т И КГИУ ВТИ Топливо Кв группа взрывооп. л класс взрывооп. Vd,% категория Кт степень взрывооп.

15,8 1 2,68 3 13,50 взрывооп. 0,76 взрыво безопасн. Экибастуз. уголь 17,6 1 1,33 3 16, взрывооп. 0,88 взрыво безопасн. Караганд.

уголь 22,2 1 0,89 3 17, взрывооп. 1,14 трудно взрываемый Промпродкт УОФ (ПП) 55,6 4 0,53 2 44, взрывооп. 2,82 особо опасный Шубаркол. уголь (Ш) 3, - 0, 1, взрыво безопасн.

0, взрыво безопасн. Отходы флотации УОФ (ОФ) 2, - 0, 1,57 взрыво безопасн.

0,02 взрыво безопасн. Отходы гравитации УОФ (ОГО) Таблица 2 - Коэффициенты взрывоопасности (композиции) О Р Г Р Э С Ц К Т И КГИУ ВТИ Композиции Кв группа взрыв опасн. л класс взрыво опасн. Vd,% категория Кт степень взрывооп.

25,5 1 0,81 3 20,12 взрывооп. 1,33 трудно взрываемый Ш + ПП 10%/90% 21,4 1 2,49 3 18,17 взрывооп. 0,26 взрыво безопасн. Ш + ОФ 40%/60% 24,6 1 1,21 3 20,88 взрывооп. 0,41 взрыво безопасн. Ш + ОФ 45%/55% 27,2 2 1,03 3 23,06 взрывооп. 0,53 взрыво безопасн. Ш + ОФ 50%/50% 29,8 2 0,90 3 25,22 взрывооп. 0,66 взрыво безопасн. Ш + ОФ 55%/45% 32,5 2 0,82 3 27,39 взрывооп. 0,81 взрыво безопасн. Ш + ОФ 60%/40% 22,0 1 1,64 3 19,14 взрывооп. 0,63 взрыво безопасн. Ш + ОГО 40%/60% 24,6 1 1,29 3 21,30 взрывооп. 0,75 взрыво безопасн. Ш + ОГО 45%/55% 27,2 2 1,08 3 23,45 взрывооп. 0,89 взрыво безопасн. Ш + ОГО 50%/50% 29,8 2 0,95 3 25,58 взрывооп. 1,03 трудно взрываемый Ш + ОГО 55%/45% 32,5 2 0,85 3 27,72 взрывооп. 1,19 трудно взрываемый Ш + ОГО 60%/40% 23,5 2 0,54 2 21,13 взрывооп. 0,74 взрыво безопасн. Ш + Ca(OH) 50%/50% 23,5 2 0,54 2 25,61 взрывооп. 1,03 трудно взрываемый Ш + Ca(OH) 60%/40% Так как дисперсность пыли играет весьма важную роль, в экспериментальных исследованиях брали наиболее опасную с точки зрения пожаровзрывоопасности - менее 0,071 мм. Из полученных данных (таблица 3) видно, что пыль экибастузского угля класса менее 0,071 мм не взрывается до концентрации 750 г/м3 (выше этой концентрации опыты не проводились), в то же время нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРп) пыли шубаркольского угля составил 63 г/м3. Температура самовоспламенения (Т св) аэровзвесей у шубаркольского угля оказалась ниже на 180-210 0С, чем у экибастузского угля.

Таблица 3 - Характеристика пыли угольных топлив Вид угля (марка) Технический анализ, % вес. НКПРп, г/м3 Т св, 0С Wa Ad Vdaf Vd Каменный шубаркольский (Д) 4,6 15,3 45,9 39,9 63 620- Бурый экибастузский (Б) 1,0 44,4 24,3 13,5 не взрыв.

до 750 800- Взрыв угольной пыли происходит в газовой фазе выделившихся летучих веществ. Необходимым условием его протекания является образование в атмосфере технологического аппарата концентраций газообразных продуктов пиролиза угля выше НКПРп. Таким образом, минимально взрывоопасная концентрация газифицированных летучих из шубаркольского угля достигается при нагреве пыли до температуры самовоспламенения, то есть 620 0С, а минимальное количество пыли шубаркольского угля, способное выделить взрывоопасную концентрацию газов, составляет 63 г/м3 взрывного объёма.

Характеристика пыли отходов углеобогащения представлена в таблице 4.

Таблица 4 -Характеристика пыли отходов углеобогащения Вид угля (марка) Технический анализ, % вес. НКПРп, г/м3 Т св, 0С Wa Ad Vdaf Vd Промпродукт 2,00 36,10 30 17,38 350 Отходы флотации 1,00 64,40 16,00 5,76 не взр. до 1000 Отходы гравитации 1,30 56,00 4,96 2,18 не взр. до 1000 Таким образом, отходы углеобогащения являются горючими, но невзрывоопасными, что позволяет применить их в смесях с низкозольным шубаркольским углем для снижения его высокой взрывоопасности при подготовке пылеугольного топлива на теплоэнергетических предприятиях.

На основе расчетных данных таблиц 1 и 2 предлагаются составы твердого топлива, обладающие высокой экономичностью и экологичностью, не ухудшающие технологические режимы оборудования и обеспечивающие взрывобезопасность при сжигании топлива с повышенным содержанием летучих веществ (таблица 5).

Таблица 5 - Характеристика воспламеняемости топливных смесей Топливо Соотн.

% Тепл.сг.

кДж/кг Технич. анализ,% Тсв, 0С НКПРп, г/м3 Класс взрывооп.

Ar Wr Vdaf Ш+ПП 10/90 21840 21,80 12,10 40,50 780 240 III Ш+ОФ 50/50 12982 40,70 12,50 30,02 815 395 II Ш+ОГО 50/50 13780 34,92 11,25 20,08 805 410 II Ш+И 75/25 14160 30,78 7,13 22,88 655 115 II Для обоснования методик исследования были проанализированы современные стандартные и общепризнанные методы определения показателей пожаровзрывоопасности дисперсных материалов, применяемых в СНГ и странах дальнего зарубежья, на основе которых применены экспериментальные установки и методики проведения опытов по определению температур самонагревания (Тсн) и самовоспламенения (Тсв) слоя пыли, температуры воспламенения аэровзвеси пыли, НКПРп по пылевоздушным смесям и усовершенствованы технологические режимы проведения опытов.

Проведены испытания по оценке достоверности результатов исследований в соответствии со стандартными условиями и параметрами общепринятых методов.

Учитывая, что условия определения параметров пожаровзрывоопасности пылей по стандартным методам отличаются от реальных режимов пылеподготовки, определение НКПРп при повышенных температурах проводились на разработанной в КГИУ установке, в основу которой положен метод по ГОСТу 12.1.044-89 "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов.

Номенклатура показателей и методы их определения". Отличие заключалось в оснащении реакционного сосуда нагревателем из нихромовой проволоки, навитой по всей длине сосуда, с теплоизоляцией из асбестошамотной смеси. Процесс воспламенения наблюдали через вертикальную щель в обмазке, шириной 10 мм.

По технологическим параметрам процесса подготовки и сушки угольной пыли теплоноситель только на входе в мельницу нагрет до 300-350 0С, но внутри её резко охлаждается и за мельницей имеет температуру 50-60 0С. Экспериментально установлено снижение НКПРп шубаркольского угля с повышением степени нагрева теплоносителя (воздуха). Результаты опытов, приведенны на рисунке 1.

Снижение НКПРп по мере нагрева более резко выражено для крупных классов в связи с интенсификацией выделения летучих из крупных частиц и увеличения их роли во взрыве.

Следовательно, шубаркольский уголь более склонен к газификации при повышенных температурах, чем проектное топливо и при повышении температуры теплоносителя (воздуха) до 300-3500С взрывоопасность пыли возрастает в среднем на 30%.

1- класс 0,25 - 0,071 мм;

2 - класс менее 0,071 мм;

3 - осевшая пыль.

Рисунок 1 - Влияние температуры воздуха на НКПРп угольной пыли Для определения флегматизирующих концентраций крупных невзрывоопасных фракций исследовано влияние их добавок к классу менее 0,071 мм. Влияние крупных классов пыли шубаркольского угля на взрываемость класса менее 0,071 мм показано на рисунке 2.

1 - 0,65-1,0 мм;

2 - 1,0-1,6 мм;

3 - 1,6-2,5 мм Рисунок 2 - Влияние крупных классов пыли шубаркольского угля на взрываемость класса менее 0,071 мм Из результатов опытов следует, что при содержании классов крупностью 0,65ч1,0 мм в количестве 67%, 1,0ч1,6мм - 70%, 1,6ч2,5 мм - 60% взрывов аэровзвеси не происходит. Для шубаркольского угля гранично-взрывоопасными оказались фракции 0,2-0,4 мм.

Таким образом, во взрыве пыли шубаркольского угля принимают участие более крупные частицы, чем это установлено "Правилами взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива", где взрывоопасной считается пыль с содержанием частиц менее 0,2 мм. С повышением крупности проб их флегматизирующее действие возрастает. Следовательно, при переходе систем пылеприготовления на шубаркольский уголь пыль должна иметь меньшую тонину помола. Однако максимально допустимое количество крупных классов должно увязываться с потерями за счет механического недожога топлива.

В опытах по определению влияния влажности пылей шубаркольского угля на взрывоопасность его аэровзвесей использовали классы: 0,2ч0,071 мм, наиболее взрывоопасный, менее 0,071 мм и нерассеянную пробу осевшей пыли.

Результаты исследования приведены на рисунке 3.

1 - осевшая пыль;

2 - класс 0,2-0,071 мм;

3 - класс менее 0,071 мм.

Рисунок 3. - Влияние влаги на взрываемость пыли шубаркольского угля Анализ графиков показывает, что с повышением влажности пылеугольного топлива до 9ч12% НКПРп изменяется незначительно, затем резко возрастает. С увеличением крупности фракций подавление взрыва достигается при меньшем содержании влаги. Так, аэровзвесь пыли с размером частиц 0,2ч0,071 мм перестает воспламеняться при 15% влаги, нерассеянная пыль - при 14%, наиболее мелкая пыль класса менее 0,071 мм - при 18%.

Таким образом, значения взрывобезопасной влажности достаточно высоки и превышают рекомендуемые значения влажности пыли, необходимые для обеспечения устойчивого транспорта пыли, надежного её хранения и воспламенения. Влажность угольной пыли после мельниц обычно только на 1-2% больше аналитической влажности. При температуре теплоносителя на входе в мельницу 300-350 0С и не более 70 0С - на выходе влажность топлива находится в пределах 6-8%.

Следовательно, реально снизить взрывоопасность топлива за счет повышения влажности, не представляется возможным.

Одной из основных причин "хлопков" и взрывов в аппаратах подготовки угольной пыли, происшедших на ТЭЦ-ПВС и ТЭЦ-2 ОАО "Миттал Стил Темиртау", а также "Bassel Group LLS", послужили тлеющие отложения пыли. Поэтому важным критерием остается критическая температура в слое угольной пыли, выше которой возникает тление или самовоспламенение.

В данной работе проводилось исследование по определению температуры самовоспламенения (Тсв) слоя пыли шубаркольского угля, и влияния добавок отходов углеобогащения УОФ ОАО "Миттал Стил Темиртау" на Тсв. Методика исследования представляет собой один из вариантов дифференциально-термографического анализа топлив. Запись термограмм осуществляется в координатах время-температура. Характер термограмм показан на рисунке 4. За температуры самонагревания (Тсн) и самовоспламенения (Тсв) принимали среднее арифметическое значение по трем испытаниям каждого вещества.

При нагреве всех проб исследуемых топлив, в том числе и композиционных, наблюдались тепловые эффекты в одинаковой последовательности. Воспламенение с последующим горением (резкие экзотермические пики) возникает у чистого угля при 210 0С, ПП-300 0С, ОГО-380 0С, ОФ-260 0С. Из графика 4 видно, что добавка технологических отходов в одинаковых пропорциях не равнозначно влияет на Тсв: добавка Са(ОН)2 и ОФ увеличивают Тсв соответственно на 130 и 80 0С, ОГО - на 200 0С. Следовательно, перспективным направлением в обеспечении пожаровзрывобезопасности шубаркольского угля может быть разбавление его горючими отходами углеобогатительных фабрик, в частности ОФ.

Результаты проведенного нами исследования взрываемости смесей шубаркольского угля с пылевидными отходами цехов обжига известняка приведены в таблице 6. Негативным фактором при добавке извести, может быть, уменьшение температуры плавления золы.

Таблица 6 - Характеристика и показатели взрывоопасности смесей шубаркольского угля с отходами обжига извести Вид топлива Технический анализ,% Теплота сгорания, МДж/кг Взрываемость Ad Vdaf Vd НКПР, г/м3 Тсв, 0С Группа взрывоопасности 75%Ш+25%И 33,14 41,60 27,81 15,24 110 640 II 50%Ш+50%И 67,51 41,60 13,52 9,91 125 680 I Рисунок 4 - Влияние добавок на температуру самовоспламенения шубаркольского угля Нами проведена аналитическая оценка изменения данного показателя. Для этого использована диаграмма температур плавления шлаков тройной системы CaO - SiO2 - Al2O3 (рисунок 5), которая является классической для определения плавкости металлургических шлаков. Очевидно, что температура плавления золы исследуемых топлив возрастает с увеличением доли извести от 1600 0С до 1750 0С, поэтому значительное понижение её при добавках извести маловероятно.

Ш;

2 - ПП;

3 - 75%Ш+25%ОИ;

4 - 50%Ш+50%ОИ Рисунок 5 - Диаграмма температур плавления системы CaO - SiO2 - Al2O Проведена теоретическая оценка возможности связывания оксидов серы пылевидной известью во всем диапазоне температур топки и газоотводящего тракта котла с помощью термодинамических методов расчета энергии Гиббса (G), которая при отрицательном значении является критерием самопроизвольности протекания химического процесса.

При этом рассматривалась возможность протекания следующих реакций:

CaO + SO2 = CaSO3 (1) Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O (2) CaO + SO3 = CaSO4 (3) Ca(OH)2 + SO3 = CaSO4 + H2O (4) CaCO3 + SO3 = CaSO4 + СO2 (5) Расчет вели по методу Темкина-Шварцмана. Полученные результаты, представленные на рисунке 6, свидетельствуют об эффективном удалении оксидов серы из дымовых газов путем связывания их соединениями кальция по всей протяженности тракта, начиная с топки. Поэтому подача в топку пылевидной извести позволит значительно полнее очищать дымовые газы от оксидов серы без дополнительных мероприятий и оборудования.

Рисунок 6 - График зависимости G = f(Т): нумерация графиков соответствует номерам формул.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертационная работа содержит новые научно обоснованные данные по решению важной практической задачи обеспечения пожаровзрывобезопасности при транспортировании и приготовлении твердых пылеугольных топлив. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Определены показатели воспламеняемости шубаркольского угля, отходов углеобогащения и композиционных топлив на основе шубаркольского угля с технологическими добавками, в качестве которых взяты отходы флотационного и гравитационного углеобогащения.

2. На основе двух видов горения аэровзвесей пылеугольных топлив (искрового и пламенного) разработан комплексный метод экспресс-оценки взрывчатости пыли углеродных материалов, включающий расчетную методику (по количеству летучих веществ в сухой массе пыли), и экспериментальную методику (по возникновению пламенного горения аэровзвеси пыли в печи).

3. Теоретически по значению критерия взрываемости Кт определены рациональные соотношения компонентов в смесях шубаркольского угля с отходами по энергетической пригодности.

Экспериментально исследованы показатели пожаровзрывоопасности рекомендуемых композиций.

4. Экспериментально подтверждено, что снижение степени взрывоопасности углей с высоким содержанием летучих веществ до уровня проектных топлив происходит при определенном разбавлении их отходами углеобогащения.

5. Установлено, что при нагреве в извести происходят эндотермические процессы разложения, что позволяет использовать её в качестве замедлителя возгорания шубаркольского угля.

6. Показана целесообразность смешения шубаркольского угля с пылевидными отходами цеха обжига известняка в соотношении 75% и 25%, при котором увеличивается Тсв и почти в 1,5 раза возрастает НКПРп.

7. Теоретически установлено, что использование пылевидной извести в составе топлива позволяет улавливать оксиды серы из продуктов сгорания по всему газоотводящему тракту котлоагрегата, что повышает эффективность сероочистки и улучшает экологическую обстановку.

8. Данные исследований и рекомендации работы приняты ОАО "Миттал Стил Темиртау", учтены при расследовании причин взрыва 20.04.03 г. на КарГРЭС - 1. Госстандартом РК принят проект стандарта "Пожаровзрывобезопасность горючих пылей. Метод определения температуры самовоспламенения аэровзвесей пыли углей и продуктов их переработки".

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1 Набоко Е.П., Чернышова Т.И, Новиченко И.А. Утилизация отходов обогащения угля // Тезисы докл. Респ. экологической конф. "Человек и природная среда". - Темиртау, 2000.-С.99-101.

2 Говоров В.И., Чернышова Т.И., Заманова А.А. Особенности использования майкубенского и шубаркольского углей в теплоэнергетике и коксохимии //Технология производства металлов.:

сб.науч.тр. КарМетИ. - Алматы, 2000. - С.60-65.

3 Прохорченко Н.В., Обухов Ю.Д., Говоров В.И., Чернышова Т.И. О стандартизации методики определения температуры самовоспламенения аэровзвесей пыли углей и продуктов их переработки //Карагандинский ЦНТИ. Информ.листок 73-02, сер.Р84.15.93, Караганда, 2002. 4 с.

4 Говоров В.И., Чернышова Т.И., Заманова А.А. Оценка влияния технологических отходов ОАО "Испат-Кармет" на взрывоопасность пыли шубаркольского угля // Тр. междун.науч.-практ.конф., посв.40-летию КарМетИ "Научно-технический прогресс в металлургии", - Темиртау, 2003. - С.488 491.

5 Говоров В.И., Чернышова Т.И., Прохорченко Н.В., Толешов А.К.О признании температуры воспламенения аэрозолей в качестве стандартного показателя пожаровзрывоопасности // Тр.VII междун.науч.-практ.конф. "Проблемы промышленной безопасности и охраны труда в металлургии". - Москва, 2003. С.79-81.

6 Говоров В.И., Чернышова Т.И., Чернышёва А.А., Прохорченко Н.В. Новые перспективы утилизации металлургических отходов //Мат-лы Республ.науч.-практ.конф. "Инновации в экологии".- Кокшетау, 2004.С.157-160.

7 Чернышова Т.И. Отходы обогащения как замедлитель возгорания шубаркольского угля // Тр.IV междун.науч.-практ.конф. "Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях".- Алматы, 2004.С.43-45.

8 Клюшнёв Г.В., Дюсебаев М.К., Говоров В.И., Чернышова Т.И. О причинах взрыва в котельном цехе ГРЭС// Технология производства металлов и вторичных материалов, Темиртау, 2005, 7.

С.172-177.

9 Дюсебаев М.К., Клюшнёв Г.В., говоров В.и., Чернышова Т.И., Каратай Е.В. Анализ версий взрыва на ТФ АО "АВС-Энерго" // Мат-лы I междун.науч.-техн.конф."Энергетика, экология, энергосбережение".- Усть-Каменогорск, 2005. С.42-44.

10 Чернышова Т.И., Говоров В.И. Об экспериментальной методике определения температуры самовоспламенения аэровзвесей пылеугольных топлив // Труды университета, 4. - КарГТУ, Караганда, 2005.С.39-41.

11 Дюсебаев М.К., Чернышова Т.И., Говоров В.И., Каратай Е.В. Взрывоопасность пылевидного шубаркольского угля // Промышленность Казахстана, 2006, 2.С.83-85.

12 Чернышова Т.И. Двухкомпонентное твердое топливо// Карагандинский ЦНТИ. Информ.листок 11-06, сер.Р.52.01.91, Караганда, 2006.4с.

13 Чернышова Т.И. Снижение взрывоопасности и выбросов оксиды серы в атмосферу при использовании на ТЭС малозольного пылеугольного топлива // Науч.-техн.сб. "Новости науки Казахстана". - Алматы, 2006, ?.С.?

14 Дюсебаев М.К., Чернышова Т.И., Говоров В.И., Казак В.М. Двухкомпонентное твердое топливо // заявка 2006/0584.1 о выдаче предварительного патента и патента РК на изобретение, 15 май 2006.

15 Дюсебаев М.К., Чернышова Т.И., Говоров В.И., Казак В.М. Композиционное твердое топливо // заявка 2006/0990.1 о выдаче предварительного патента и патента РК на изобретение, 04 сентябрь 2006.

16 Чернышева Т.И. Отвальные отходы углеобогащения как флегматизаторы взрывов пылеугольных топлив//Технология производства металлов и вторичных материалов, Темиртау, 2006, 10. С.174 -177.

ТЙ Н Чернышова Татьяна Ивановна "ЖЭС-даы тозады км р жанармайыны жарылыс ау пт л г н тмендету" Мамандыы - 052603 - "рт жне неркс пт к ау пс зд к" азастанны энергетикалы кс порындарыны Шбаркл тозады км р н пайдалануы сер нен тоза дайындау жйелер нде жарылыстар саны кбей п, жмыскерлерд ауыр жарааты арта тсуде. Болан жарылыстар шбарклд к км рде шпа заттарды жоары екенд г н крсетт.

арастырылып отыран км рд жылулыы жасы, кл аз р баасы арзан.

Ттынушыларды энергетикалы жне экологиялы жаынан осы жадайлар ызытырады. Алайда шбарклд к км рд ртт жарылыс ау пт л г зерттел п, сипатталмаандытан технологиялы режимге жне жарылыс ау пт л г жйес не тпк л кт згертулер енг зу ажетт л г тууда.

Тоза дайындау жйелер нде аз рг олданыстаы жарылыстан орану тс лдер, нег з нен жарылысты жою мен бзылуды тмендетуге арналан техникалы ондырылар ана, ал жарылысты ескерт п, алдын-алу ондырылары жо.

неркс пте, жалпы жылу энергетикасында табиатты орау мселелер неркс п алдытарын зарарсыздандыру мен жоюды йымдастыруа баытталан. Сондытан ЖЭС-ны клдер мен км ррамды алдытарын жоюды технологиялы нсасын з рлеу лкен экологиялы ау пс зд к мселес н шешуде маызды орын алады.

Жмыста энергетикалы жаластыты амту жолында кт кйд ру цехыны алдытары мен км р байыту алдытары арылы шбарклд к км р тозаыны жарылыс ау пс зд г н тмендету ммк нд ктер арастырылан.

Жмыс масаты - Шбаркл км р базасында км р рамды алдытар осылан композициялы жанармайды жарылыса ау пс з нсасын з рлеу.

Жрг з лген зерттеулер мен алынан нтижелер нег здемес н дрежес жоары, йткен жмыста зерттеуд аз рг заманы д стемес олданылып, дебиеттерге аналитикалы шолулар, патентт к зден с, тозады материалдарды ртт жарылыс ау пт л к асиеттер н экспериментт к жне есептеу д стер бойынша анытауды халыаралы тж рибес н орытындылау, экспериментт к зерттеулер, математикалы статистика д стер олданылан. Лабораториялы зерттеулер Миттал Стил Тем ртау А-ны БАС-ЖЭО-даы ТП-13 азандытарында длелденген.

рамында шпа заттары кп жне кл аз энергетикалы км рге технологиялы оспа рет нде гравитациялы жне флотациялы алдытарды олдануды ти мд л г, ртт жарылыс ау пс зд г крсет лген. кт кйд ру цехыны атмосфераа шыатын кк рт тотыын азайтатын технологиялы алдытары осылан шбарклд к км р нег з нде композициялы энергетикалы жанармай рамы з рленген жне клд портландцемент нд р с нде осымша рет нде олдану ммк нд г туды.

Шбаркл км р н, км рд байытыш жаныш алдытар мен оларды оспасыны абатты жне аэроабыша тр нде зд г нен ттану крсетк штер аныталан.

атты отын шаыны жарылышты себептер шпа заттарды клд л г не, ылалдылыына, жары сезг шт г не жне ша концентрациясына т.о.о. байланысты болады? Осы шект ктерд шбарклд к км рд ртт жарылыштыына сер де зерттелген.

Тозаны ртт жарылыс ау пт л к шект ктер н стандартты д стер бойынша анытау тоза дайындауды шынайы режимдер нен алша, сондытан энергетикалы жанармай тозаыны опарылыштыын экспресс-баалау д с, оны есептеу д стемес з рленд жне жарылыс ау пт л г н анытауды экспериментт к д стемес н ылыми нег здемес бер лген (тозаны аэроабышалы жалынды жануы кез ндег ). сынылып отыран жарылысты экспресс баалау д с неркс пт к жадайда олданылуы ммк н.

Жасалан зерттеулер нег з нде "Жаныш тозадарды ртт жарылыс ау пс зд г. Км р тозаыны жне айта деу н мдер н аэроабышалы зд г нен ттану температурасын анытау д с н " азастан Республикасы Мемлекетт к стандарт жобасы з рленген.

Гравитациялы км р байыту алдытары тр ндег 50/50 атынасты технологиялы оспалы шбарклд к км рд олдануды экономикалы ти мд л г жылына 774,1 млн. теген райды.

орыта келгенде, гравитациялы байыту алдытар тр ндег технологиялы оспалы шбарклд к км р нег з ндег композицияны олдану экономикалы трыдан аз р олданыстаы нд р ст к н ммен салыстыранда ти мд деп есептел нед.

Шбаркл км р оспасын пайдалануды энергетикалы азандытарда жау кез ндег ртт жарылыс ау пт л г н тмендету ммк нд г бар жне оршаан ортаа сер де олайлы.

RESUME Chernyshova Tatyana Ivanovna "Redaction of explosion hazard of dust coal fuels at HES" Speciality 05.26.03 - "Fire and industrial safety" Some power generating enterprises of Kazakhstan use Shubarkul deposit dust coals and it has resulted in a sharp increase of "puffs" and explosions in the systems of dust preparation accompanied by heavy traumas of the personnel. These accidents are caused by the high content of volatile substances in the Shubarkul coal. The coal under consideration is characterized by good calorific value, low ash content and low cost. These features are attractive for consumers from the energetic and ecological points of view. Since the characteristics of fire and explosion hazard of the Shubarkul coal are nearly not studied the transition to this non-standard fuel requires a serious correction of the technological mode and guarantee of explosion safety in the systems of dust preparation. The existing means of explosion protection of the dust preparation systems are mainly technical devices for decreasing the destructive action and localization of the occurring explosions but not their prevention.

Nature protection measures in industry in general and heat power industry in particular are meant for solving the problems of organization storage, neutralization and wastes. That is why development of technological variants of recycling and reclaiming of hydrocarbon wastes and ash from HES is very important in solving the problems of ecological safety of the region.

The possibility of reducing explosion hazard of the Shubarkul coal dust by coal preparation wastes and lime calcinations shop wastes with the provision of heat power acceptability and explosion safety of the fuel without considerable reconstruction of fuel feed and dust preparation systems is studied in this work.

The aim of the work is development of explosion proof variants of a composite fuel on the basis of the Shubarkul coal deposit with coal containing waste additions.

The extent of substantiation of the results of the research made and the results obtained is rather high since in this work there were used modern research methods including analytical literature review, search of patents, generalization of the international experience in experimental and calculation methods of determining fire and explosion hazard properties of dust materials, experimental research, use of mathematical statistics methods. The laboratory research is confirmed by the industrial tests at the boils TP - 13 HES - SWS "Mittal Steel - Temirtau" JSC.

The fitness of use of gravitation and flotation of coal preparation wastes as a technological addition to power coals having a high level of volatile substances and low ash content is shown. The composition of compound power fuels on the basis of Shubarkul coal with the addititions of flotation and gravitation wastes of coal preparation in the proportions meeting the requirements of the power value of the fuel and its fire and explosion safety during burning are worked out.

The composition of the composition fuel on the basis of Shubarkul coal with the additions of technological wastes of the lime calcinations shop which decreases sulphur oxides emission into the atmosphere and offers the possibility of using ash an addition for producing Portland cement is worked out.

The indexes of self - ignition of Shubarkul coal, combustible wastes of the coal preparation and their mixtures in the form of the layer and air suspensions are determined.

As far as the reasons of the solid fuel explosion hazard depend on dispersion, moisture, ash, emission of volatile substances, dust concentration, etc there was investigated the influence of their parameters on the fire and explosion hazard of the Shubarkul coal.

Determination of the indexes of fire and explosion safety by standard methods differs from the real modes of dust preparation, that is why a method of express evaluation of explosiveness of the power fuel dust which includes a calculation mode for the content of volatile substances in the dry dust mass was developed and a scientific grounding for the experimental methods of determination of the dust explosion hazard ( on setting in the flame combustion of the dust air suspension ). The is given recommended method of express evaluation of the dust coal explosiveness can be used in the working conditions.

On the basis of the research made there was developed the project of Gosstandart (State Standards) of the republic of Kazakhstan "Fire and explosion safety of combustible dust. The mode of determining the temperature of self ignition of the coal dust suspension and the product of its recycling".

The expected economic effect of the use of Shubarkul coal with the technological addition in the form of the gravitational coal wastes in the 50:50 proportion will comprise 774,1 mln tones per year.

Consequently it is more profitable from the economic point of view to use the fuel compositions on the basis of Shubarkul coal together with the gravitation preparation wastes than the industrial product used at present.

The use of the mixture of Shubarkul coal and coal preparation wastes will allow to decrease its explosion and fire hazard during burning in power boils and will be beneficial for the environment because of reducing dumps.

Подписано в печать 21.03. Формат 60х841/16. Объём 1,0 п.л.

Заказ Тираж 100 экз.

ЛОТ Карагандинского государственного индустриального университета