Dr.-Ing. W. Garber - Рекомендации по проектированию безопасных установок для сушки угля. Оборудование. Примеры. Анализ ошибок

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 СН 4.

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 1м 3 мелкого угля с насыпной плотностью 800 кг/м 3

Во-вторых из угля выделяется не только метан. Газ, для упрощения записываемый как «метан», имеет в своем составе также С 2Н 6 – этан, С 2Н 4-этилен, С 3Н 8 – пропан, С 4Н 10 – бутан, С 5Н 12 – пентан, С 6Н 14 – 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 СН 4к его гомологам, т.к. диаметр молекул в ряду СН 4—С 5Н 12возрастает 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]

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/нм 3 – меньше плотности воздуха 1,293 кг/нм 3. 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.