Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 18
1.1 Тепловые проявления при добыче, хранении, транспортировке и использовании бурого угля 18
1.2 Физические и химические свойства бурого угля 25
1.3 Самовозгорание бурого угля. Методы определения склонности угля к самовозгоранию 45
1.4 Способы предотвращения и ликвидации критических тепловых процессов 53
1.5 Основные нормативные требования к объектам добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля 59
1.6 Постановка задач исследования 71
2 Исследование тепловых процессов самовозгорания бурого угля 74
2.1 Методика исследования процессов самовозгорания 74
2.2 Влияние диоксида углерода на кинетику процесса самовозгорания бурого угля 85
2.3 Влияние дисперсности угля на кинетику процесса самовозгорания 90
2.4 Исследование воздействия огнетушащих аэрозолей на кинетику процесса самовозгорания бурого угля 97
2.5 Дезактивация бурого угля кислородом воздуха 108
2.6 Зародышевый механизм самовозгорания бурого угля 114
2.7 Взаимосвязь кинетических параметров процессов самовозгорания бурого угля 119
3 Исследование особенностей возникновения взрыва 3 пылеуглевоздушных смесей бурого угля 124
3.1 Основные аспекты проблемы взрывов угольной пыли 124
3.2 Изучение теплофизических характеристик взрывов углевоздушных смесей в бомбе постоянного объема 128
3.3 Моделирование зажигания угольной пыли в трубчатом реакторе 143
4 Физические основы обнаружения очагов самовозгорания угля и взрывов углевоздушных смесей 158
4.1 Методы раннего обнаружения очагов самовозгорания и взрыва 158
4.2 Теплофизические характеристики очагов самовозгорания угля и взрывов углевоздушных смесей 166
4.3 Основные технические требования, предъявляемые к элементам систем обеспечения взрывопожаробезопас-ности трактов углеподачи 179
5 Новые подходы к обеспечению пожаро-взрывобезопасности объектов добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля 182
5.1 Прогноз условий самовозгорания с использованием кинетических характеристик. Построение номограмм 182
5.2 Взаимосвязь кинетических параметров процессов самовозгорания и взрывов бурых углей 191
6 Технические средства обнаружения и подавления пожаров и взрывов в трактах угленодач 197
6.1 Технические средства обнаружения очагов тления и взрыва угля 197
6.2 Автоматическая система противопожарной защиты трактов топливоподач 213
6.3 Обнаружение очагов самовозгорания с помощью детектора локальных перегревов 235
6.4 Тушение очагов самовозгорания в скоплениях бурого угля 238
7 Разработка предложений по внесению дополнений в нормативные документы и постановка дальнейших исследований 241
7.1 Предложения по внесению дополнительных требований в нормативные документы 241
7.2 Предложения по проектированию систем подавления пожаров и взрывов трактов топливоподачи 243
7.3 Схема экспертной оценки надежности предприятий добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля 246
Основные выводы и результаты 253
Список литературы 256
Приложения 289
- Основные нормативные требования к объектам добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля
- Исследование воздействия огнетушащих аэрозолей на кинетику процесса самовозгорания бурого угля
- Изучение теплофизических характеристик взрывов углевоздушных смесей в бомбе постоянного объема
- Теплофизические характеристики очагов самовозгорания угля и взрывов углевоздушных смесей
Введение к работе
Баланс мировой электроэнергии по энергоресурсам складывается из: 37% - уголь, 21% - гидро, 17% - атомная, 16% - газ, 9% - нефть. Предполагается, что доля угля к 2010 году возрастет до 40%. Общемировая тенденция в добыче и потреблении угля имеет четко выраженный нарастающий характер. Добыча угля [52,261,268] в 1996 году составила 3,7 млрд. т, в 1997г. - 4,2 млрд. т, в 2000 г. - около 5 млрд. т, прогноз в 2025 г. - 7,7 млрд. т. В 1997 году доля угля в электроэнергетике России опустилась до 17%, в то время как в Германии составляет 58%, в США -56%, в ряде других угледобывающих стран от 70 до 90%. Принятый Правительством Российской Федерации курс на подъем национальной экономики при котором темпы прироста ВВП должны составлять 5-8%о будет сопровождаться ростом энергопотребления В среднесрочных и долгосрочных прогнозах развития отраслей топливно-энергетического комплекса России из-за выра-
ботки tvt есторп *ж* п р v\ v\ if газа в стране непо JT гоТО R ТТ 6Н T-J О СТТТ Т")азТ")а flоTKH Т4 ов КТ х IVf есто Т~) П *Ж* ТТ Р Т-Г И Й и ГТру Г И х причин роГТь у Г ТТ Я в гтрот-во ТТ с Т R Р ТТ е Г") в ТЛ ч Т-Т RT X 'iнерrODPCVDCOR резКО возрасТЯЄТ ТТ ТТ СГ у ТТ ов ТТ е твоT")еT-TT/TT ТТотГіебт-ТОРТТ'Т э К" о Т-Т оМИКИ страНЫ в уго ТТ R Т-Т ОЛД то ГТ ТТ ТТ R Р до -
быча
Л/"Р ТТ ЇТ ТТ ҐЛ ТТ "Ж" Т-Г Я в i~\зТ"ї асТТ/Г с*
Л/Г ГТ Т-Т Т1 в
го ТТ \/ ТТ СЛ
275-310
млн 2005 гоrrу [52]
Как свидетельствуют исследователи [11,52], исходя из существующего состояния производственных мощностей угледобывающих предприятий России, потребность в угле может быть обеспечена, в основном, за счет предприятий открытого способа добычи в Канско-Ачинском бассейне и в Кузбассе. Основной прирост потребности в энергетических углях будет приходиться
на электроэнергетику, а реальным источником его обеспечения может стать только канско-ачинский бурый уголь.
Однако, главному достоинству бурых углей - их сравнительно низкой стоимости, сопутствует и главный их недостаток -высокая пожаро- и взрывоопасность [25,54,95,104,115,140,205]. Тепловые проявления реакции окисления бурого приводят к саморазогреву массы угля, в результате чего снижаются потребительские свойства угля. Общепризнанным является тот факт, что до 7% добычи бурого угля ежегодно теряется в результате его самовозгорания При самовозгорании и последующем горении масс угля в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа и других продуктов горения. В карьерах угольных разрезов нередки случаи, когда дым, выделяющийся в процессе самовозгорания, парализует деятельность всего разреза. Практически любое звено технологической цепочки переработки от добычи угля на разрезе до сжигания его в топке тепловой электростанции в той или иной мере подвергается опасности пожара или взрыва. Наиболее остро эта проблема стоит для ТЭЦ, где происществие, связанное с пожаром или взрывом чревато не только материальными потерями, но и социальными последствиями [19,22,162].
Борьба с взрывами угольной пыли в на объектах связанных с переработкой угля является общемировой проблемой. В связи с чем в развитых странах развиваются исследования по разработке систем оценки пожаровзрывоопасности промышленных пылей [51,55,65,101,146,159,172,184,195,206,296]. Принятые в этих странах методики исследований, несмотря на существенные различия, они имеют много общего. Прежде всего исследования опираются на лабораторные испытания, в которых предусматривается оценка опасных свойств на небольших образцах в уста-
новках объемом несколько литров. Несмотря на то что проводились отдельные опыты в укрупненных масштабах, массовые испытания осуществляются на лабораторных установках.
Вместе с тем, до настоящего времени отсутствуют надежные
расчетно-аналитические методы определения степени пожаров-
зрывоопасности пылей, в том числе угольной. Не произведена
стандартизация методик исследований, не разработаны критерии
оценок. Показатели пожаровзрывоопасности взвешенной пыли в
различных странах настолько различны, что не поддаются уни
фикации. Так, в США [112,302] легкость воспламенения и взры-
вопасность вычисляют, сравнивая предельные характеристики
горения изученного вещества стандартной пыли в качестве кото
рого выбрана пыль Питсбурского угля которого в других странах
нет Аналогичная ситуация сложилась и в России в силу того
что исследования проводились корпоративными научными учре
ждения на сЬинансовые средства различных отраслей экономика
угольной энергетической и т.д что не способствовало созданию
е ТТ1ТноГП TTоT-TLT TVT Я ТТ Lf Т ТТПобГТР* \/ї Т-»Т
В тоже время, как показывает опыт эксплуатации трактов топливоподач ТЭС, сжигающих твердое топливо, уровень их противопожарной защиты является недостаточным. Об этом свидетельствуют и материалы расследования происшедших пожаров. Более того, при ликвидации пожаров и других чрезвычайных ситуаций персонал и пожарные подразделения подвергаются неоправданному риску.
Потому на новый уровень выдвигается проблема повышения надежности эксплуатации топливоэнергетических предприятий. Поиск безопасных условий эксплуатации производств, в технологии которых обращается бурый угль, представляет собой сложную комплексную задачу, решение которой может опираться
только на знания о характере протекания тепловых процессов при саморазогреве бурого угля и его пыли, приводящих к самовозгоранию и возникновению взрыва.
Таким образом, разработка научных принципов повышения надежности топливоэнергетических предприятий на основе изучения особенностей развития теплофизических процессов саморазогрева бурого угля и полидисперсной угольной пыли является крупной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Цель работы - изучение закономерностей развития тепло-физических процессов в буром угле и углевоздушных смесях для разработки научных принципов повышения надежности производств, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля.
Основные задачи работы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- определить кинетические характеристики процесса само
разогрева бурых углей восточных месторождений;
- изучить кинетические параметры тепловых процессов,
возникающих в углевоздушной среде различной концентрации,
при введении локальных источников высоких температур;
провести экспериментальные исследования полей температур в угле и углевоздушных смесях;
создать модель развития тепловых процессов в углевоздушных смесях, возникающих на предприятиях, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля;
разработать технические условия на создание автоматических систем слежения и контроля за появлением и развитием критических зон тепловых полей;
разработать мероприятия и технические устройства по подавлению критических проявлений тепловых процессов в угле-воздушных смесях и локальных очагов саморазогрева бурого угля.
Научная новизна.
Впервые на основе исследования кинетических параметров процесса саморазогрева бурых углей восточных месторождений установлено, что бурые угли представляют самостоятельную реакционную серию, для которой соотношение энергии активации и предэкспоненциального множителя адиабатической скорости самонагревания описывается единым уравнением.
Впервые предложено экспериментально обоснованное универсальное соотношение энергии активации и предэкспоненциального множителя саморазогрева угля и возникновения тепловых процессов в его полидисперсной пыли; установлено, что угловой коэффициент является универсальной характеристикой реакционных свойств систем с обращением бурого угля; показано, что тепловые процессы в угле и углевоздушной смеси имеют схожие механизмы протекания.
Впервые установлено:
- в процессе ликвидации очага самовозгорания бурого угля
диоксидом углерода его склонность к самонагреванию увеличи
вается с уменьшением значений энергии активации;
- при ликвидации очагов самовозгорания аэрозольными ог-
нетушащими составами наблюдается возрастание энергии акти
вации, уголь становится менее реакционноспособным;
- дисперсность угольной мелочи не влияет на склонность бурого угля к самовозгоранию, в этом случае реакции окисления, ведущие к саморазогреву, можно рассматривать квазигомогенными и удельную геометрическую поверхность при определении условий самовозгорания из расчета исключать.
Впервые показано, что тяжесть последствий тепловых процессов в углевоздушной взвеси, возникающих на предприятиях, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля, обусловлена термической активацией угольной пыли бурого угля.
Впервые определена зависимость временных параметров тепловых процессов полидисперсной пыли бурого угля от кинетических характеристик, установлены факторы, по которым возможно обнаружение появления критических зон тепловых полей.
Практическая значимость работы.
Создана модель развития тепловых процессов в углевоз-душных смесях тракта углеподачи, на основании которой разработаны принципиально новые подходы к обеспечению надежности предприятий, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля.
Предложен метод прогноза самовозгорания бурого угля с использованием его кинетических характеристик. Получена номограмма для определения критических условий скоплений бурого угля. Разработан экспресс-метод определения кинетических параметров процесса самонагревания.
Разработаны способы, приборы и оборудование для диагностики и подавления очагов самовозгорания. Определена интенсивность подачи аэрозольных огнетушащих составов. Испытаны способ и устройство для ликвидации очагов самовозгорания угля.
На основании результатов исследования полей температур в угле и углевоздушных смесях полидисперсной пыли бурого угля разработаны технические требования, предъявляемые к элементам системы обеспечения пожаро- и взрывобезопасности тракта углеподачи.
Обоснованы конструктивные и технологические требования к автоматической системе раннего обнаружения пожара и взрыва. Создана специальная система раннего обнаружения пожара и взрыва в тракте углеподачи.
Разработаны и внедрены технические решения по созданию автоматических систем взрывоподавления и противопожарной защиты трактов топливоподачи ряда ТЭС Сибири, объектов Бородинского и Березовского угольных разрезов и других предприятий.
Результаты исследований использованы при подготовке закона Красноярского края «О пожарной безопасности в Красноярском крае».
Основные положения, выносимые на защиту:
-кинетические характеристики саморазогрева бурого угля восточных месторождений и их взаимосвязь;
комплекс результатов экспериментальных исследований закономерностей изменения кинетических параметров самонагревания бурого угля и развития тепловых процессов в углевоздуш-ной смеси;
результаты математического моделирования процессов горения в реакторе идеального вытеснения;
модель развития тепловых процессов в углевоздушных смесях, возникаюших на предприятиях, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля;
прогноз возникновения критических условий саморазогрева бурого угля с использованием кинетических характеристик;
способы и устройства предупреждения и подавления очагов саморазогрева;
технические условия по созданию автоматических систем слежения и контроля за появлением и развитием критических зон тепловых полей в угле и углевоздушных смесях;
автоматическая система слежения, контроля за появлением критических зон тепловых полей и их развитием на предприятиях, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля;
мероприятия и автоматическая система по подавлению критических проявлений тепловых процессов, возникающих в угле и углевоздушной смеси на предприятиях, связанных с добычей, хранением, транспортировкой и использованием бурого угля.
Достоверность и обоснованность результатов. В работе применены современные экспериментальные и расчетно-аналитические методы исследований, основанные на достижениях техники эксперимента и автоматизации измерений, позволившие провести исследования и составить объективные представления о процессах, протекающих при самонагревании, самовозгорании, возникновении очагов горения и взрыва бурого угля. Достоверность полученных результатов подтверждается выбором методики, прошедшей отработку различными лабораториями на различных материалах и утвержденной ГУГПС МЧС России, выявлением закономерностей на основе обобщения большого экспериментального материала, совпадением наблюдаемых явлений при возникновении пожара или взрыва с прогнозом.
Внедрение результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при подготовке закона Красноярско-
го края «О пожарной безопасности в Красноярском крае», принятого в феврале 2000 года. Практическое внедрение результаты работы получили при разработке автоматических систем предупреждения и подавления пожаров и взрывов бурого угля трактов углеподачи на ряде ТЭС Сибири, объектов Бородинского и Березовского угольных разрезов и других предприятий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение XII Всероссийской научно-практической конференции "Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ" (Москва, 1994), Второй межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона. ПИР-96" (Красноярск, 1996), международной конференции «Математическое и физическое моделирование лесных пожаров и их экологических последствий» (Иркутск,1997), второго международного семинара «Взрывоопасность веществ, взрывозащита объектов» (Москва, 1997), XIV Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы» Москва. 1997, Международной конференции (Томск, 1998), Second International Seminar FIRE-AND-EXPLOSION HAZARD OF SUBSTANCES AND VENTING OF DEFLAGRATIONS, (Moscow, 1998), 7-ой международной конференции "Системы безопасности-СБ-98" (Москва, 1998), V Всероссийской научной конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 1999), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000), XY1 Всероссийской научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (Москва, 2001).
Личный вклад автора. Результаты исследований, выносимые на защиту, получены лично автором. В совместных публикациях автору принадлежат данные исследований процессов самовозгорания и взрыва бурого угля, модель развития взрыва в тракте углеподачи, способы и приборы тушения очага самовозгорания, требования к системе взрывоподавления.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 365 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 29 таблиц. Список использованных источников включает 305 наименований.
Основные нормативные требования к объектам добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля
Для того чтобы изучать пожарную опасность угольных производств попытаемся более детально рассмотреть физико-химические свойства бурого угля.
В настоящее время общепризнанно, что бурый уголь образовался в результате превращений остатков отмерших живых организмов, в первую очередь, растительных. Состав и свойства всего бурого угля очень сильно варьируют в зависимости от химического состава исходных растений, геологического возраста месторождения, условий преобразования остатков растений в течение длительного времени. Практически невозможно получить полностью идентичные образцы бурого угля даже в пределах одного месторождения. В связи с этим следует предполагать различную степень его пожаровзрывоопасности. Для того, чтобы понять механизм протекания реакций самовозгорания и воспламенения бурого угля обратимся к химии угля.
Уголь представляет собой твердую, горючую горную породу, образовавшуюся из отмерших растений в результате их биохимических, химических и физических изменений. Кроме органических составляющих в угле всегда содержатся минеральные примеси, количество которых колеблется в широких пределах (от 1-2 до 50 мас.%). Горючие осадочные образования, содержащие более 50 мас.% минеральных веществ, относятся к углистым породам или горючим сланцам.
Превращение отмерших растений в уголь происходит в результате непрерывного процесса, в котором принято выделять две его основные фазы: 1) гумификация - превращение отмерших растений в торф и 2) углефикация - превращение торфа последовательно в бурый, каменный угли и антрацит. Углефикация подразделяется, в свою очередь, на две части: а) диагенез угля, в ходе которого под влиянием преимуществен но биохимических превращений за счет жизнедеятельности мик роорганизмов торф превращается в бурый уголь; б) метаморфизм, в течение которого бурый уголь под влиянием физических факторов - повышенной температуры и давления гор ных пород превращается в каменный уголь и антрацит. Характер и глубина диагенеза и метаморфизма угля характеризуются степенью углефикации (низшей, средней или высшей). Общая схема углеобразования представлена таблице 1.1.
Ископаемые угли характеризуются большим разнообразием химического состава, физических и технологических свойств. Это разнообразие обусловлено неодинаковым проявлением основных генетических факторов в геологической истории угля. Генетические факторы подразделяются на первичные, играющие основную роль на стадии гумификации, и вторичные, действующие после превращения торфа в бурый уголь.
К первичным факторам относятся природа исходного растительного материала, условия его накопления, обводненность и химическая характеристика среды (ее окислительно-восстановительные свойства), в которой происходило преобразование растительных остатков. Независимо от сочетаний других генетических факторов, определяющих состав и свойства углей, высшие и низщие растения дают начало двум основным видам угля: гумолитам и сапропелитам. Первые образуются преимущественно из высших, вторые из низших растений в результате углефикации, соответственно, торфа и сапропеля. Последний образуется в результате изменений низших растительных и животных организмов в условиях повышенной обводненности и преимущественно восстановительной среды.
После отмирания высших растений происходит гумификация их остатков, которая заключается в изменении растительных тканей в мягких условиях температур и давлений земной поверхности с большим или меньшим доступом влаги и кислорода воздуха. При этом химические и физические процессы преобразования органического вещества протекают за счет жизнедеятельности микроорганизмов биосферы.
После перекрытия торфяника минеральным осадком из торфяной залежи начинает формироваться угольный пласт, при этом влажность торфа уменьшается, и к нему снижается доступ воздуха. В этих условиях микробиологическая деятельность замирает. Биохимические процессы гумификации сменяются геохимическими процессами углефикации. Вместо первичных факторов начинают действовать вторичные: повышенные температуры и давления земных недр.
Глубины погружения угольных пластов, температура, давление и продолжительность их воздействия существенно различаются в пределах угольных бассейнов. Именно с этим связано наличие в отдельных бассейнах углей, неодинаковых по степени уг-лефикации. Они составляют непрерывный генетический ряд: бурые угли - каменные угли - антрациты.
При рассмотрении под микроскопом образцов углей разной степени углефикации хорошо различима их неоднородность, т.е. оказывается, что вещество угля, как правило, не является бесструктурной массой, а сформировано набором составных частей (микрокомпонентов или мацералов от латинского "macerare" -размягчать). При микроскопическом исследовании углей разной степени углефикации было обнаружено, что мацералы внешне не изменяются при метаморфизме. Всего выделяют несколько десятков мацералов. причем микрокомпоненты близкие по составу и свойствам, объединяют в группы. Для гумолитов предложено рассматривать три группы мацералов имеющих различное происхождение и сформированных в разных условиях гумификации и диагенеза: витринит липтинит и инертинит [301]. Все они образованы из одного и того же растительного материала но при раз-ных сочетаниях первичных факторов углеобразования. Рассмот-рим возможные пуТИ образования основных групп микрокомпонентов
Пусть фрагменты растений (стволы, листья, корни, пыльца) оказываются под толщей воды, что ограничивает доступ кислорода к органическому веществу. Тогда его превращение происходит в восстановительной среде под воздействием анаэробных бактерий. В результате таких превращений образуются микрокомпоненты группы витринита. Условно витринит обозначается буквами Vt.
Исследование воздействия огнетушащих аэрозолей на кинетику процесса самовозгорания бурого угля
Много приверженцев нашла пиритная теория, разработанная в 60 - X годах XIX века. Проведенные позднее В.С.Крымом наблюдения за саморазогревом угля в штабелях показали, что однозначной зависимости между склонностью углей к самовозгоранию и содержанием в них пиритной серы нет.
Согласно исследованиям других авторов причиной самовозгорания является органическая часть углей: непредельные соединения, альдегидные группы, гидроароматические соединения и фенольные группы. Наиболее распространена теория Фишера, в которой ведущая роль в процессе окисления отводится ненасыщенным соединениям, обладающими большой химической активностью. Эту теорию в России развивал А.А.Скочинский, а позднее В.Ф.Орешко.
Нашла последователей и фенольная теория окисления. Г.Л.Стадников, основываясь на большом опытном материале, утверждает, что причиной самовозгорания является активное окисление иглистых аргиллитов. Активность иглистых аргиллитов он объясняет присутствием в них окислов железа. В работах В.С.Веселовского, Н.И.Линденау, В.С.Маевской, Е.И.Глузберга, А.И.Хрисанфовой, В.Г.Игишева и др. [66,79,104,160,250] исследованы вопросы профилактики и туше ния эндогенных пожаров, изучено влияние ряда факторов на на копление теплоты и появление очагов самовозгорания [25,42,48,75,83,120,153,207]. Из молекулярно-кинетической теории [157,168,169,176,221, 222,223,234] следует: чтобы произошло химическое превращение, молекулы реагирующих веществ должны прийти в непосредственное столкновение, которое возможно при их "тепловом" движении. Эта теория дает возможность вычислить число столкновений молекул, которые происходят в 1 мл в 1 с. Оно оказывается вполне определенным для данной температуры и концентрации. При этом выясняется, что в большинстве случаев скорость химических превращений значительно меньше, чем если бы молекулы реагировали при каждом столкновении. Для объяснения этого факта предложен стерический фактор, предполагающий, что молекулы реагируют только в том случае если они сталкиваются при определенной ориентировке относительно друг друга Однако стерические затруднения не могут объяснить и некоторых друГИх (Ьакторов: зависимости скорости химической реакции от температуры мономолекулярных реакций и т.д. Чтобы преодолеть эти затруднения теории Аррениус предположил что МОгут реагировать не все наличные молекулы а только те из них которые обладают достаточно большим запасом энергии Минимум ой прочностью, а их осколки, имеющие ненасыщенные химические связи. Такие осколки называются радикалами.
В соответствие с цепной теорией окисления органических соединений [223] первичными промежуточными продуктами окисления являются перекисные радикалы, которые способны вступать в реакцию с образованием новых радикалов при значительно меньшей энергии разрыва связей, чем того требуется при прямых реакциях. Свободные радикалы легче вступают в реакцию с валентонасыщеными молекулами. При этом свободные валентные связи не исчезают и один из продуктов реакции будет радикалом, способным вступать в реакцию с насыщенной молекулой.
Возможны три варианта цепных процессов: образование не-разветвленной длинной цепи, которая может прерываться только при рекомбинации радикалов между собой; образование из одного радикала нескольких т.е. разветвленная цепная реакция; образование дополнительных радикалов в ходе мономолекулярного распада продуктов реакции при не разветвляющейся основной цепи, которые образуют новые цепи, т.е. происходит вырожденное разветвление с очень медленным ускорением. В угле всегда имеются свободные радикалы. Их число, в зависимости от степени метаморфизма, имеет более выраженный максимум на кривых накопления перекисных радикальных групп.
Ряд авторов справедливо предполагает [70,97,100,121,129,166,173,185,236], что процесс самовозгорания зависит от совокупности протекающих эндотермических реакций, и определяется наличием на поверхности частиц небольшого количества активных центров. Активные центры, ответственные за самовозгорание, могут иметь различную природу. Так, на поверхности сажевых частиц наиболее вероятными являются углеродные атомы с ненасыщенными и перенапряженными валентными связями. Можно ожидать, что в ближайшее время существенные результаты в решении проблемы самовозгорания будут получены на основе квантово- механических представлений [127].
Следовательно, самовозгорание это сложный физико-химический процесс, скорость протекания которого зависит от скорости реакции, притока кислорода к генерирующей поверхности и от интенсивности тепломассообмена. Процесс самовозгорания нелинеен, поэтому малые воздействия на процесс приводят к различным последствиям, в связи с чем применение даже традиционных способов предупреждения и тушения пожаров не является определяющим для прекращения самовозгорания бурого угля.
В настоящее время известны различные подходы к качественному и количественному описанию условий самовозгорания бурых углей. По данным Н.И.Линденау [160], только за последние тридцать лет предложено свыше семнадцати методов для определения степени самовозгораемости угля. Эти методы основаны на следующих принципах: окислении угля кислородом или воздухом, окислении угля кислородом, связанным в конденсированной фазе, определении изменений плотности угля при окислении его кислородом, определении структуры угля, определении петрографического состава угля, экспериментальные методы основанные на подобии.
Изучение теплофизических характеристик взрывов углевоздушных смесей в бомбе постоянного объема
Оползни, вымоины и другие дефекты, возникающие в штабеле самовозгорающегося топлива с течением времени, а также из-за продолжительных дождей, должны устраняться в кратчайший срок и дополнительно уплотняться для исключения образования очагов горения.
При оборудовании на складе топлива самостоятельной сети противопожарного водоснабжения и насосной станции они должны эксплуатироваться аналогично системам пожаротушения данного предприятия.
Перед закладкой вновь поступившего топлива основание старого штабеля должно быть очищено от остатков топлива особенно тщательно, если в нем были очаги самовозгорания при хранении. В процессе укладки нового торфа или подачи его в тракт топливоподачи должен быть установлен контроль за тем, чтобы горючие примеси (очес, пни, сучья и т.п.) не поступали или их количество было сведено до минимума (не более 5%). Указанные примеси должны регулярно вывозиться с территории.
Особые меры безопасности предъявляются к топливоподаче твердого топлива. Персонал, обеспечивающий эксплуатацию, наладку и ремонт топливоподачи твердого топлива, обязан знать характеристику поступающего на электростанцию топлива и его взрыво- и пожароопасность. При производстве любых работ должно быть исключено или сведено до минимума образование интенсивного источника пыли, так как взвешенная в воздухе пыль (размер частиц менее 0,2 мм) углей, сланцев и торфа образует взрывоопасную смесь. Концентрация топливной пыли в воздухе производственных помещений и галерей конвейеров не должна превышать предельных значений, установленных санитарными нормами (до 10 мг/м ). Постоянный контроль запыленности помещений должен проводиться по графику в зависимости от свойств топлива. Узлы пересыпки топлива и другое технологическое оборудование с источниками пыления должны иметь надежное уплотнение. За состоянием уплотнений и средствами обеспыливания должен быть установлен периодический контроль. Замеченные неисправности должны ликвидироваться в кратчайшие сроки. Для обеспечения санитарных норм и требований взрывобезопасности тракта топливоподачи на узлах пересыпки топлива должны нормально работать аспирационные установки или установки подавления пыли с применением тонко распыленной воды, воздушно-механической пены или водопаровой смеси. При подаче топлива должны работать все средства обеспыливания, находящиеся на тракте топливоподачи, а также устройства по улавливанию из топлива металла, щепы и других посторонних включений. Устройства пуска и останова установок обеспыливания или пылеподавления должны быть сблокированы с установками пуска и останова конвейеров топливоподачи. На тракте топливоподачи должен регулярно проводиться контроль и своевременно выполняться текущий ремонт для обеспечения условий по сокращению скопления пыли. Стены галерей конвейеров должны облицовываться гладкими плитками или окрашиваться водостойкой краской светлых тонов. Количество выступов на которых может оседать пыль должно быть сведено до минимума. Допускается выполнять выступы с откосами под углом не менее 60 к горизонтали.
В помещениях тракта топливоподачи должна соблюдаться чистота, регулярно проводиться уборка с удалением пыли со всех мест ее скопления. Уборка должна проводиться по утвержденному графику в зависимости от типа твердого топлива, его склонности к окислению и запыленности помещений. Пыль должна убираться гидросмывом или механизированным спосбом. При необходимости в отдельных местах ручной уборки эти работы допускается проводить только после увлажнения пыли распыленной водой. Для исключения взвихривания пыли топлива должен регулярно проводиться ремонт остекления и дверных проемов. Отопительные приборы, установленные по тракту топ-ливоподачи, должны иметь гладкие поверхности, легкодоступные для очистки. Электрооборудование, установленное по тракту то-плиБоподачи, должно быть пылезащищенного исполнения и отвечать требованиям гидроуборки пыли. На кабельных трассах, идущих по тракту топливоподачи, должны быть просветы между кабелями для уменьшения скопления пыли. Проходы кабельных трасс через перекрытия стены и проемы должны иметь уплотнения по противопожарным требованиям. В помещениях галереях конвейеров и бункерах сырого топлива светильники должны применяться пылезащищенного исполнения. Очистка светильников и замена ламп должны произвоДИТЬСЯ при отключенном напряжении и только элетстґ)омонтером На ттэактах топливоподачи /Tопус-кается пг)именять люминесцентные светильники закрьттого исполнения
Теплофизические характеристики очагов самовозгорания угля и взрывов углевоздушных смесей
Порядок проведения опыта. В реакционный сосуд помещается навеска угольной пыли, после этого реакционный сосуд взвешивался на весах с точностью до 0,01 г. Вес пробы определялся по разнице весов реакционного сосуда с пылью и без неё.
Установка считалась подготовленной к работе, если в течение не менее 30 минут температура в реакционной камере остается постоянной. Эту температуру принимают за температуру тер-мостатирования. Затем в реакционную камеру термостата помещали реакционный сосуд с испытуемым материалом, и одновременно с этим производился запуск процедуры записи измерений. Особое внимание обращали на положение термопар внутри реакционного сосуда: одна располагалась в центре, вторая - вблизи стенки сосуда с внутренней стороны.
Опыт прекращался, когда после сильного разогрева, заметного регистрируемого, происходит стабилизация температуры в течение 10 минут или наступает снижение температуры в центре реакционного сосуда. Для каждого исследуемого вида пробы пыли бурого угля, при определенной температуре в термостате проводилась серия опытов. Последующее испытание проводится при температуре на 5 К выше предыдущей. Самовозгорание материала обнаруживается по превышению Т более чем на 50С. После извлечения контейнера с исследуемым бурым углем, визуально осматривалось состояние вещества. После этого, контейнер опорожнялся, очищался от отложений и подготавливался к следующему опыту В опытах использовались пробы угля как отобранные из отложений на топливоподачах, так и подготовленные из свежего угля с использованием пробоотборочной машины, сушильного шкафа и планетарной мельницы. Предварительно высушенная угольная пыль подвергалась рассеву на ситах. Пробы к месту проведения опытов доставлялись в герметических контейнерах объемом 1 дм3. Упаковку и маркировку отобранных проб производили в соответствии с требованиями для химических реактивов. Отобранные пробы хранились в холодильнике. Общее время, с момента отбора проб до окончания опытов, не превышало 10 суток. В опытах по влиянию дисперсности на процесс самовозгорания размельченное вещество рассеивается на ситах на фракции. Для определения кинетических характеристик самовозгорания бурого угля по методу [114] перед проведением опытов определялся темп (параметр) охлаждения. Этот метод использовался для проверки адекватности полученных автором данных. Определение коэффициентов охлаждения реакционных сосудов с исследуемым материалом проводилось при температуре в термостате равной температуре воздуха в помещении. Опыты проводились в термостате предварительно прогретом до температуры 125...190 С. Результаты измерений температуры навески и окружающего воздуха в термостате регистрировалась на компьютере, и представляли собой массивы данных (до нескольких тысяч измерений температуры), которые могли представляться в виде графиков (см. приложение 1) или использоваться непосредственно для проведения расчетов с использованием математических методов [264,265]. По данным измерений проводилась математическая обработка, результатом которой являлись значения кинетических параметров: Е, С, представленные в приложении 2. Для математической обработки применялись типовые пакеты математических программ. Одним из способов тушения пожаров, а следовательно, ликвидации горения очагов самовозгорания является создание в зоне горения среды, не поддерживающей горение. Применение объемного пожаротушения наиболее эффективно в ограниченных объемах [88,103,133,192,210]. Для пожаров класса А способ объемного пожаротушения обеспечивает не только быстрое и надежное прекращение горения, но и флегматизацию объема. В практике борьбы с эндогенными пожарами из огнетушащих газов наибольшую известность получил азот [104,252]. Однако одним из самых распространенных газов применяемых для объемного тушения является диоксид углерода. Вместе с тем, использование диоксида углерода для тушения очагов самовозгорания в закрытых складах угля (бункерах) исследовано недостаточно и как свидетельствуют исследования [9,46,50,146,295,298] весьма проблематично. В связи с изложенным, проведены исследования по изучению возможности применения углекислого газа для тушения очагов самовозгорания угля.
Опыты проводились следующим образом. Пробу бурого угля массой 5-8 кг размельчали до крупности 0-5 мм. Контрольную часть пробы заключали в герметичный контейнер, который помещали в холодильник с температурой 0С. Другую часть, массой около 1 кг помещали в специальный несгораемый поддон. Для того чтобы инициировать горение, пробу угля помещали в сушильный шкаф, предварительно разогретый до температуры 280 С. Начало самовозгорания определялось по обильному дымовы-делению и появлению горячих (светящихся) частиц угля. Разогретую пробу угля засыпали в реакционную камеру (см. рис. 2.1). Контроль за реакцией самовозгорания осуществляли по показаниям потенциометра от термопары, установленной в центре слоя реакционной камеры. При регистрации повышения температуры считали реакцию самовозгорания продолжающейся.
После этого в нижнюю часть реакционной камеры в течение 15 секунд подавали углекислый газ под давлением 50-70 мм водяного столба, затем плотно закрывали верхнюю крышку камеры и перекрывали вентиль подводящего трубопровода.
