Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство внутрішніх справ України

Харківський інститут пожежної безпеки

УДК 614.842

Спеціальність 21.06.02 - "Пожежна безпека"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінка впливу технологічних та експлуатаційних факторів на займистість генераторних газів, одержуваних методом пароповітряної газифікації вугілля

Олійник Володимир Вікторович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському інституті пожежної безпеки МВС України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Луценко Юрій Володимирович, доцент кафедри пожежної профілактики технологічних процесів виробництв Харківського інституту пожежної безпеки МВС України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Прохач Едуард Юхимович, професор кафедри №72 Харківського військового університету МО України (м. Харків);

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Муравйов Сергій Дмитрович, старший науковий співробітник Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МВС України (м. Київ).

Провідна установа:

Севастопольський військово-морський інститут ім. П.С. Нахімова, кафедра живучості, водолазних та суднопідйомних робіт, МО України (м. Севастополь)

Захист відбудеться " 28 " вересня 2000 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Харківському інституті пожежної безпеки МВС України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевська, 94

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського інституту пожежної безпеки МВС України

Автореферат розісланий " 26 " серпня 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

Анотації

Олійник В.В. Оцінка впливу технологічних та експлуатаційних факторів на займистість генераторних газів, одержуваних методом пароповітряної газифікації вугілля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - Пожежна безпека. Харківський інститут пожежної безпеки МВС України, Харків, 2000.

Проведено аргументований аналіз відомих теоретичних і експериментальних методів визначення концентраційних меж поширення полум'я газів, а також методів газифікації твердого палива. Створено математичну модель процесу газифікації вугілля, що дозволяє аналізувати і регулювати процеси, що протікають у газогенераторах, з метою одержання кінцевого продукту з певними показниками пожежної небезпеки та експлуатаційними характеристиками; встановлені значення технологічних параметрів процесу газифікації вугілля, що забезпечують мінімальну область займання отриманого газу при задовільних експлуатаційних властивостях; створено установку для експериментального визначення концентраційних меж розповсюдження полум'я генераторних газів; розроблено метод проведення експериментальних досліджень; встановлені закономірності й отримані емпіричні залежності зміни концентраційних меж поширення полум'я від початкового тиску і температури досліджуваних газів, а також вмісту флегматизаторів у газовій суміші.

Ключові слова: генераторний газ, газова суміш, газифікація вугілля, концентраційні межі поширення полум'я, область займання.

Olejnik V.V. Dominance Estimation of technological and operational factors on inflammability of generator gases, got by method vapour-air coals gasification. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of engineering on specialty 21.06.02 - Fire safety. Kharkov Institute of Fire Safety of the Ministry of Internal Affairs of Ukraine, Kharkov, 2000.

The dissertation presents an argued analysis of the known theoretical and experimental methods for determining gas flame spreading concentration limits and solid fuel gasification methods. A mathematical model of coal gasification process was designed. This enables prediction and control over the processes in gas producers to obtain the final product with the determined fire hazard and operational characteristics. A rational technologic mode of coal gasification process providing minimal inflammation area of the obtained gas under acceptable operational characteristics was determined. An installation for experimental determination of generator gas flame spreading concentration limits was built and a method for experimental research was developed. Mechanisms and empiric dependencies of the flame spreading concentration limits upon initial pressure and temperature of the analyzed gases and phlegmatizer concentration in the gas mixture were found.

Key words: generator gas, gas mixture, coal gasification, flame spreading concentration limits, inflammation area.

Олейник В.В. Оценка влияния технологических и эксплуатационных факторов на воспламеняемость генераторных газов, получаемых методом паровоздушной газификации углей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - Пожарная безопасность, Харьковский институт пожарной безопасности МВД Украины, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена определению влияния технологических и эксплуатационных факторов на воспламеняемость генераторных газов, получаемых методом паровоздушной газификации угля.

Анализ различных технологий газификации твердых горючих ископаемых в мировой практике позволил выявить наиболее перспективные в плане промышленного внедрения в Украине, в частности метод паровоздушной газификации. Рассмотрение теоретических основ процесса газификации твердого топлива позволило сформировать начальное представление о влиянии основных параметров газификации на состав, свойства пожарную опасность получаемых генераторных газов.

Установлено, что в настоящее время имеет место неоднозначность суждений об изменении концентрационных пределов распространения (КПР) пламени многокомпонентных газовых смесей в зависимости от давления, начальной температуры и содержания инертных газов, что вызывает необходимость проведения исследований в данном направлении.

Создана математическая модель процесса газификации угля, использование которой позволяет прогнозировать и регулировать процессы, которые протекают в газогенераторах, с целью получения конечного продукта с определенными показателями пожарной опасности и эксплуатационными характеристиками.

Разработана новая универсальная экспериментальная установка, позволяющая определять КПР пламени генераторных газов и предложен метод проведения исследований.

Для оценки адекватности разработанной математической модели проведен четырехфакторный эксперимент по определению влияния ряда технологических факторов процесса паровоздушной газификации углей на состав и воспламеняемость генераторных газов.

Сравнение результатов полученных при использовании математической модели с экспериментальными показывает, что во всех случаях наблюдается как минимум качественное совпадение экспериментальных и модельных результатов. Количественное совпадение для разных опытов лежит в интервале от 1 до 25 %, что уже на данной стадии позволяет использовать эту математическую модель для прогнозирования и регулирования процессов паровоздушной газификации угля. Путем решения оптимизационной задачи определен рациональный технологический режим процесса газификации углей, который обеспечивает минимальную область воспламенения полученного газа при удовлетворительных эксплуатационных свойствах.

Установлены закономерности и получены эмпирические зависимости изменения КПР пламени от начального давления и температуры исследуемых газов, а также содержания флегматизаторов в газовой смеси.

Исследование влияния давления на КПР пламени генераторных газов с различным соотношением показало, что: диапазон воспламеняемости уменьшается как при увеличении давления, так и при увеличении содержания СО; с увеличением в составе генераторного газа содержания СО, интенсивность сужения верхних и повышения нижних КПР пламени возрастает.

Влияние начальной температуры газовой смеси и состава генераторного газа на нижние КПР пламени сказывается в том, что: с увеличением начальной температуры газовой смеси нижние КПР пламени снижаются, причем по мере уменьшения отношения интенсивность снижения КПР пламени увеличивается; нижние КПР пламени снижаются в зависимости от температуры по гиперболическому закону, а от состава по - степенному; наиболее общим физическим свойством, характеризующим изменение КПР пламени как от начальной температуры, так и от состава, являются коэффициенты температуропроводности. На основании экспериментальных исследований флегматизирующего действия N₂ и _CO2 на КПР пламени различных составов генераторных газов установлено, что для составов генераторных газов, состоящих, в основном, из Н ₂ и СО и незначительного количества инертных примесей (не более 1 - 2%), максимальное количество инертных примесей относительно всей смеси, предотвращающих воспламенение, составило при действии N₂ - 72%, при действии CO₂ - 63%; при содержании в генераторном газе 10% N₂ максимальное количество инертных добавок, предупреждающих воспламенение, уменьшается до 58 и 51% при соответствующем влиянии N₂ и CO₂; что касается генераторных газов, в состав которых входят не только Н ₂ и СО, но и до 5% СН ₄, то здесь необходимо наименьшее количество инертных добавок, предупреждающих воспламенение, при этом N₂ - 57%, СО ₂ - 49%.

Ключевые слова: генераторный газ, газовая смесь, газификация угля, концентрационные пределы распространения пламени, область воспламенения.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Обмеженість природних ресурсів рідких і газоподібних енергоносіїв ставить народногосподарський комплекс України в жорстку залежність від країн-експортерів. Таке положення небезпечне виникненням кризових ситуацій, тому що в умовах ринкової економіки безперспективно розраховувати на регулярний ввіз достатньої кількості нафти і природного газу для покриття потреб великої кількості енергоємних виробництв, значних енергетичних витрат на транспорті та у невиробничій сфері.

Як свідчить досвід ряду країн (США, Німеччина, Японія, ПАР, Фінляндія та ін.) одним із найбільш ефективних шляхів виходу з енергетичної кризи може бути розвиток технології газифікації твердих горючих матеріалів (вугілля, торф, горючі сланці, деревні відходи і т.д.) і одержання замінників природного газу, нафтопродуктів і хімічної сировини на базі газоподібних продуктів їх хімічної переробки (генераторних газів). Рядом проектних і науково-дослідних інститутів України (ДІПРОКОКС, УХІН, ДІАП та ін.) проробляються питання розробки нових і упровадження відомих технологій газифікації на коксохімічних підприємствах, що реконструюються, проте властивості генераторних газів із точки зору пожежовибухонебезпеки при їхньому виробництві і застосуванні вивчені недостатньо.

Подібні дослідження дозволять глибше вивчити процеси утворення генераторних газів, виявити ступінь впливу різноманітних технологічних чинників на їхній склад і пожежонебезпечні властивості, розширити знання про межі поширення полум'я багатокомпонентних газових сумішей, а також допоможуть знайти шляхи запобігання пожеж і вибухів як на стадіях проектування й експлуатації установок газифікації, так і при використанні генераторних газів.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводилися в рамках науково-дослідної роботи, що відповідає переліку проблем науково-технічного розвитку державної пожежної охорони України на період 1998 - 2000 р. (НДР за замовленням ГУДПО МВС України - №0197U0096754).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є визначення особливостей впливу технологічних і експлуатаційних чинників на область займання генераторних газів при їхньому одержанні, зберіганні і використанні.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити такі задачі:

провести аналіз фізичних і хімічних процесів, що протікають у газогенераторах;

розробити математичну модель, що адекватно описує процеси, що протікають у газогенераторах;

створити експериментальну установку по визначенню концентраційних меж поширення (КМП) полум'я генераторних газів;

розробити метод проведення досліджень на експериментальній установці;

визначити залежності складу й області займання генераторних газів від умов проведення процесу газифікації вугілля;

дослідити вплив температури, тиску і складу газової суміші на концентраційні межі поширення полум'я генераторних газів;

розробити рекомендації по здійсненню процесу газифікації вугілля.

Об'єкт дослідження. Процес газифікації вугілля.

Предмет дослідження. Концентраційні межі поширення полум'я генераторних газів.

Методи досліджень. При проведенні дисертаційних досліджень використано наступні методи: для розробки математичної моделі газифікації вугілля в газогенераторі - математичного моделювання, системного аналізу, теорії систем; при проведенні експериментальних досліджень - теорії планування експерименту; при обробці отриманих експериментальних даних і виведенні емпіричних залежностей - математичної статистики й обробки даних, експертних оцінок, структурного програмування в середовищі ПЕОМ; для розрахунку отриманих математичних моделей - система символьної математики "Mathlab".

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що: досліджено вплив комплексу технологічних чинників на процес одержання генераторних газів, їхній склад, пожежонебезпечні та експлуатаційні властивості; уперше розроблена математична модель процесу газифікації твердого палива в газогенераторах, що дозволяє прогнозувати хід реального процесу і розробляти практичні рекомендації по його веденню і зниженню пожежної небезпеки; теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено найбільш прийнятний режим ведення технологічного процесу; встановлені нові залежності області займання багатокомпонентних газових сумішей від ряду фізичних чинників.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені експериментальна установка і метод проведення експериментальних досліджень області займання генераторних газів, а також математична модель процесу газифікації твердого палива, використовуються при дослідженнях і розробці нових технологій переробки твердого палива, наприклад процесів газифікації вугілля в Українському державному науково-дослідному вуглехімічному інституті. Отримані емпіричні залежності області займання багатокомпонентних газових сумішей від ряду фізичних параметрів, що дозволяють із більшою точністю визначати КМП полум'я газових сумішей розрахунковим шляхом, використовується в навчальному процесі ХІПБ МВС України при проведенні лекційних і практичних занять з дисциплін: "Пожежна профілактика в технологічних процесах виробництв" і "Теорія розвитку та припинення горіння".

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні аргументованого аналізу відомих методів газифікації твердого палива, а також теоретичних і експериментальних методів визначення КМП полум'я, на підставі яких розроблено установку для експериментального визначення КМП полум'я генераторних газів та метод її використання, застосування яких дозволили дослідити вплив тиску, температури і флегматизуючих домішок на КМП полум'я генераторних газів, вплив технологічних чинників на пожежну небезпеку процесу газифікації твердого палива і розробити практичні рекомендації по його веденню і зниженню пожежної небезпеки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 5-й Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми охорони праці і техногенно-екологічної безпеки (СДТУ, Україна, м. Севастополь, 6 - 12 вересня 1997 р.), на 2 Молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь у XXI сторіччі" (ХДТУРЕ. Україна, м. Харків 22 - 24 квітня 1998 р.), на II міській науково-практичній конференції "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м. Харкова" (ХДЕУ, Україна, м. Харків 17 грудня 1998 р.), на науково-практичній конференції "Сучасні проблеми гасіння пожеж" (МІПБ МВС Російської Федерації, м. Москва 22-23 квітня 1999 р.), на IV науково-практичній конференції "Пожежна безпека - 99" (ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля МВС України, м. Черкаси 9 - 10 червня 1999 р.), на XV науково-практичній конференції "Проблеми горіння і гасіння пожеж на рубежі сторіч" (ВНДІПО МВС Російської Федерації, м. Москва 3 - 4 листопада 1999 р.), на Міжнародній конференції "Проблеми реконструкції та експлуатації промислових і цивільних об'єктів" (ПДАБА, Україна, м. Дніпропетровськ 17 - 18 вересня 1999 р.), на III міській науково-практичній конференції "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених Харківщини" (ХНУ ім. В.Н. Каразіна, Україна, м. Харків 25 січня 2000 р.), на науково-технічних семінарах ХІПБ МВС України.

Публікації. Основні наукові положення і результати досліджень опубліковані в 8 наукових статтях, 7 із який - у виданнях, внесених у перелік ВАК України, у 7 тезах доповідей науково-технічних і науково-практичних конференцій. На розроблену установку для експериментального визначення КМП полум'я генераторних газів є позитивне рішення про видачу патенту України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, загальних висновків і додатків. Повний обсяг дисертації включає 135 сторінок, 34 малюнки, 33 таблиці, 123 найменування використаних джерел і додатки на 26 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі показана актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, наведені основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі розглянуті теоретичні основи процесу газифікації твердого палива, що дозволило сформувати початкове уявлення про вплив основних параметрів технологічного процесу газифікації на склад і властивості одержуваних генераторних газів. На основі аналізу відомих технологій газифікації твердих горючих копалин у світовій практиці визначені найбільш перспективні для промислового впровадження в Україні, зокрема метод пароповітряної газифікації. Проаналізовано відомості про характер впливу деяких фізичних чинників на КМП полум'я багатокомпонентних газових сумішей, що вказують на неоднозначність суджень про їх зміну в залежності від тиску, початкової температури та вмісту інертних газів. Таким чином існує необхідність проведення додаткових теоретичних і експериментальних досліджень для визначення особливостей займання генераторних газів із метою зниження пожежної небезпеки установок газифікації вугілля на стадіях проектування та експлуатації.

В другому розділі наводиться математична модель процесу пароповітряної газифікації вугілля в газогенераторі.

Для більш глибокого розуміння процесів, що протікають у газогенераторах та їх регулювання з метою одержання кінцевого продукту з певними якісними та кількісними характеристиками розроблена математична модель процесу газифікації вугілля.

У роботі за основу взята модель середовища, що являє собою дворідинну систему "газ - ансамбль часток вугілля і золи".

Процес газифікації описується системою рівнянь, що включає у себе рівняння збереження речовини у газовому середовищі, руху газового потоку, руху потоку часток вугілля і золи, збереження енергії в дворідинній системі "газ - частки", зміни концентрації компонентів газової суміші в хімічних реакціях у газовій фазі і на поверхні часток вугілля. Перераховані диференціальні рівняння доповнюються рівняннями стану газової суміші, теплопередачі в стінки реактора, швидкості вигоряння часток вугілля і співвідношеннями для розрахунку теплофізичних характеристик.

В моделі враховуються сім різноманітних компонентів газової суміші: О₂, СО₂, СО, Н₂О, Н ₂, СН ₄, N₂. Потік газу уздовж реактора передбачається турбулентним. Вважається також, що в перетині, перпендикулярному осі реактора, газ, частки вугілля і золи достатньо добре перемішані, так що їх можна описувати фізичними характеристиками, середніми по цих перетинах.

Для опису ансамблю часток вводиться функція розподілу часток вугілля по ефективних радіусах f(r) (1/м) (надалі радіусам r (м)) і щільності числа часток вугілля nу (1/м ³) і часток золи n3 (1/м ³). Розмір f(r)dr задає частку часток вугілля з радіусами від r до r + dr, а параметри ny і n3 - відповідно кількість часток вугілля і золи в одиниці об'єму. Всі функції залежать від відстані уздовж осі каналу z (м). Урахування цієї залежності спрощується двома припущеннями: 1) усі частки рухаються уздовж реактора з однією середньою швидкістю wч (z) (м/с); 2) швидкість вигоряння часток вугілля u(z) (м/с) слабко залежить від радіуса частки. У цьому випадку товщина прошарку вуглецю, що вигоряє на поверхні вугільної частки до перетину з координатою z, не залежить від радіуса частки і дорівнює:. (1)

У свою чергу параметри розподілу часток вугілля в цьому перетині розраховуються за формулами:

; (2)

; (3)

де f0(r) та n0, відповідно, функція розподілу по радіусах і щільність числа часток вугілля в початковому перетині, тобто при z = 0.

Маючи функцію розподілу, нескладно визначити результуюче значення будь-якої характеристики часток вугілля (r) у розрахунку на одиницю об'єму:

. (4)

Опис внеску часток золи більш простий через високу масову частку вуглецю в сухому вугіллі kс. Припускається, що частки золи можна характеризувати однаковою середньою масою m3 (кг) і перетином 3 (м ²) однієї частки. Вони хімічно інертні та утворюються в міру вигоряння вуглецю в вугіллі. Їхня маса складає (1- kс) від маси вугілля.

Результуюча щільність часток у реакторі визначається як сума в щільності часток вугілля і золи.

З урахуванням сказаного, рівняння збереження речовини в припущенні стаціонарності процесу має вид:

, (i = 1, 2, …, 7). (5)

Тут w(z) - швидкість газового потоку уздовж осі реактора (м/с); S(z) - площа перетину реактора (м ²); сi(z) - концентрація i-го компонента газу в перетині z (кмоль/м ³); Rij - швидкість утворення (поглинання) i-ї речовини в j-й реакції в газовому середовищі (кмоль/(м ³с)); R'im - швидкість утворення (поглинання) i-ї речовини в m-й реакції на поверхні часток вугілля (кмоль/(м 2с)); - середнє значення площі поверхні часток вугілля в розрахунку на одиницю об'єму.

При описі газової суміші використовується рівняння стану ідеального газу.

Рівняння руху газової фази є наслідком рівняння Новьє-Стокса. При його написанні враховується сила тиску, сила ваги, питома сила опору руху газу з боку стінки реактора, питома сила аеродинамічного тиску часток вугілля і золи на одиницю об'єму газу.

Ансамбль часток розглядається як газ, що складається з часток вугілля і золи. При цьому враховується сила ваги, питома сила аеродинамічного тиску часток вугілля і золи на одиницю об'єму газу, а також питома сила опору руху часток із боку стінки реактора.

Рівняння енергетичного балансу в реакторі, наведене в припущенні, що температура газового середовища незначно відрізняється від температури часток вугілля і золи, і тому обидві фази описуються однією середньою по перетину температурою. Воно визначає зміну температури, з огляду на конвективний переніс тепла, енергію хімічних реакцій в об'ємі газу і на поверхні часток вугілля, а також теплові втрати, пов'язані з конвективним і радіаційним відходом тепла через стінки реактора.

Використовувана при цьому в розрахунках температура на внутрішній поверхні реактора визначається з рівняння безперервності теплового потоку через стінку реактора в систему охолодження.

Потік променистої енергії визначається відповідно до відомих законів обміну променистої енергії між потоками газу і стінками реактора.

Природними граничними умовами є параметри дуття, що подається на вхід у канал (у точці z = 0).

Коефіцієнт конвективного теплообміну розраховується за формулою, що відповідає турбулентному руху в трубі.

Швидкість вигоряння вугілля розраховується в кожній точці за швидкістю споживання вуглецю в результаті хімічних реакцій.

Швидкості газофазних реакцій беруться з літератури. Швидкості гетерогенних реакцій записуються у вигляді, у якому вони пропорційні різниці поточної і рівноважної для даної реакції концентрацій кожного газу.

Розрахунок отриманої моделі виконується за допомогою пакета програм символьної математики "Matlab 5.2" із використанням багатошагового методу Адамса-Башворта-Мултона перемінного порядку. Розроблена математична модель процесу газифікації вугілля дозволяє аналізувати і регулювати процеси, що протікають у газогенераторах, з метою одержання кінцевого продукту з певними показниками пожежної небезпеки та експлуатаційними характеристиками.

Для оцінки адекватності розробленої математичної моделі процесу газифікації вугілля у промисловому газогенераторі, проведено чотирифакторний експеримент із метою визначення особливостей впливу різних технологічних чинників процесу пароповітряної газифікації вугілля на склад і займистість генераторних газів. Експеримент проводився на розробленій експериментальній установці, що складається з чотирьох основних вузлів: системи одержання генераторного газу; системи для приготування газоповітряної суміші; системи для визначення складу генераторного газу; системи для визначення КМП полум'я, відповідно до розробленого методу досліджень.

У якості незалежних перемінних були обрані витрати повітря та пари на дуття при газифікації, температура в реакційній зоні, час перебування матеріалу в реакційній зоні.

У якості функцій відгуку були обрані експериментально визначені показники: компонентний склад газу (У 1 - У 6) - за даними хроматографічного аналізу; вихід газу (У 7), що враховується газовим годинником; нижня (У 8) та верхня (У 9) концентраційні межі поширення полум'я; а також розрахункові показники: вологість газу (У 10), виначаєма з балансу вологи в уловлюючій апаратурі; теплотвірна спроможність (У 11) і густина газу (У 12) - по його складу.

У результаті проведених досліджень встановлено, що при збільшенні витрати повітря в складі дуття на газифікацію в результаті інтенсифікації реакцій вуглецю із киснем, що протікають із великою швидкістю, відбувається звуження області займання і теплотворної спроможності одержуваного газу.

Це відбувається тому, що в одержуваному генераторному газі знижується вміст метану (СН ₄), збільшується кількість діоксиду вуглецю (СО ₂) за рахунок зниження об'ємної частки оксиду вуглецю (СО), зростає вміст азоту (N₂) і залишкового кисню (О ₂). Вихід газу при цьому достатньо високий, проте його склад характеризується значним вмістом N₂ i CO₂.

Збільшення в дутті витрати пари тягне за собою розширення області займання генераторного газу внаслідок підвищення верхньої КМП полум'я. У генераторному газі відбувається зниження вміст СН ₄, а також СО ₂ і водню (Н ₂) у результаті зниження ступеня конверсії водяної пари, що інтенсифікує ендотермічні реакції. У той же час вміст CO в генераторному газі дещо зростає, тому що він є продуктом менш ендотермічної реакції.

Підвищення температури процесу в реакційній зоні інтенсифікує реакції вуглецю (C) з водяною парою (H₂O) і CO₂. У результаті в газі знижується вміст CO₂ і H₂ при одночасному збільшенні частки CO і H₂O. Через те, що теплотвірна спроможність оксиду вуглецю вища ніж водню, одержуваний генераторний газ теж має більш високу теплотвірну спроможність. У свою чергу, це є одним із чинників, що знижують питомий вихід газу.

Результати виконаних досліджень дозволяють рекомендувати підтримувати температуру в реакційній зоні на рівні 900^оC. При цьому досягається максимальний ступінь конверсії C, а також забезпечуються достатньо високі ступінь конверсії H₂O i теплотвірна спроможність одержуваного генераторного газу, при невеликій області займання.

Збільшення тривалості перебування матеріалу в реакційній зоні в цілому позитивно позначається на виході і властивостях одержуваних продуктів: збільшується ступінь конверсії C і H₂O, підвищується вихід і теплотвірна спроможність газу, зростає вміст в ньому цільових компонентів - СО і Н ₂.

Проте, збільшення тривалості перебування матеріалу в реакційній зоні тягне за собою значне розширення області займання одержуваного газу.

Для одержання генераторного газу з мінімальною областю займання і задовільними технологічними та експлуатаційними властивостями використовували отримані нами функції відгуку від чинників, що варіюються для знаходження максимального або мінімального їхнього значення в інтервалі -1 хі 1. Для розв'язання даної оптимізаційної задачі використовувався метод прямого перебору і пакет прикладних програм "Microsoft Excel".

Таким чином, у результаті даного дослідження отримані такі раціональні значення основних технологічних параметрів процесу пароповітряної газифікації вугілля:

витрата повітря на дуття при газифікації 3020 м ³/т вугілля;

витрата пари на дуття при газифікації - 680 кг/т вугілля;

температура в реакційній зоні при одержанні газу:

для наступного енергетичного використання - 800 ^оС,

для використання в хімічному синтезі - 1000 ^оС;

час перебування матеріалу в реакційній зоні - 50 хв.

При рекомендованих технологічних параметрах утворюється газ, який має такі властивості:

при одержанні газу для наступного енергетичного використання теплотвірна спроможність досягає 4674 кДж/м 3, при цьому нижня КМП полум'я н = 19,2 %, а верхня в = 61,8 %;

при одержанні газу для використання в хімічному синтезі в газі міститься Н ₂ - 15 %, СО - 20,3 %, СН ₄ - 1,5 %, при цьому область займання лежить у межах н = 19,2 % - в = 62,2 %.

Так як процес газифікації не має в Україні промислової реалізації, то на склад і властивості отриманого генераторного газу відсутні нормовані показники ДСТУ, яким він повинний був би відповідати. Проте в порівнянні з іншими газами, що використовуються в енергетичних цілях, одержуваний генераторний газ при технологічному режимі, що рекомендується, відповідає висунутим до них вимогам за значенням теплотворної спроможності. Для порівняння теплотворна спроможність пекококсового газу складає 5082 кДж/м ³, а мінімальне значення теплотворної спроможності, нижче якого горіння газу неможливо, складає 1830 кДж/м ³.

При порівнянні результатів, отриманих при використанні математичної моделі, з експериментальними, встановлено, що в усіх випадках спостерігається як мінімум їх якісний збіг. Кількісний збіг для різних дослідів лежить в інтервалі від 1 до 25 %, що вже на даній стадії дозволяє використовувати цю математичну модель для аналізу і прогнозування процесів газифікації.

В третьому розділі здійснюється визначення впливу різних чинників на КМП полум'я генераторних газів у процесі його використання і зберігання.

Проведено дослідження впливу початкової температури на нижню КМП полум'я найбільш вибухонебезпечних складів генераторних газів, що містять в основному Н ₂ і СО.

При цьому, для того, щоб одночасно встановити і ступінь впливу складу газу, в якості показника складу газів прийняте відношення

основних компонентів газових сумішей, зневажаючи незначними домішками других газів (СН ⁴, СО ₂, N₂, Н ₂S, NН ₃), що практично не впливають на отримані результати досліджень.

Експериментально встановлено, що незалежно від значення нижня КМП полум'я при збільшенні початкової температури знижується не лінійно, а підпорядковуються більш складній залежності. Помітне відхилення від лінійного закону спостерігається при збільшенні початкової температури до 200 ^oС. Вище цієї температури нижня КМП полум'я знижуються практично лінійно. пожежний газ небезпека вугілля

У результаті математичної обробки результатів досліджень встановлено, що між нижньою КМП полум'я (н) і температурою газової суміші (Т) існує гіперболічна залежність виду:

, (6)

де А, К - коефіцієнти, що залежать від складу газової суміші.

Після знаходження і підстановки К і А у формулу (7) одержуємо остаточну функціональну залежність між нижньою КМП полум'я і початковою температурою генераторного газу

. (7)

З рівняння (8) випливає, що нижня КМП полум'я залежить як від початкової температури газової суміші, так і від складу досліджуваних газів. Із збільшенням у генераторному газі вмісту Н ₂ інтенсивність зниження нижньої концентраційної межі займання при підвищенні початкової температури зростає.

Були проведені також дослідження впливу тиску на КМП полум'я генераторних газів. Вплив тиску на область займання для газових сумішей різного складу проявляється по різному. Для визначення ступеня впливу Н ₂ і СО на КМП полум'я в залежності від значення початкового тиску, скористалися відносною зміною верхньої та нижньої КМП полум'я і відношенням

.

Для цього розглянута залежність відносних верхніх -

і нижніх -

КМП полум'я від початкового тиску (рис. 1, 2). (Тут , - КМП полум'я при початковому і нормальному тиску).

Встановлено, що при збільшенні тиску та вмісту СО у генераторному газі, інтенсивність зміни верхньої та нижньої КМП полум'я також зростає, тобто межа поширення полум'я є функцією не тільки початкового тиску, але і значення .

Рис. 1. Залежність відносних верхніх КМП полум'я () від початкового тиску (Р).

Рис. 2. Залежність відносних нижніх КМП полум'я () від початкового тиску (Р).

Залежності, наведені на рис. 1, 2, свідчать, що існує єдиний закон, який управляє впливом тиску і складу на КМП полум'я. Отже, межі поширення полум'я можна виразити як функцію:

(8)

Математичний аналіз результатів досліджень показав, що кожна експериментальна крива з достатньою точністю апроксимується ступінними виразами:

, (9)

(10)

Аналітичний опис усього сімейства кривих може бути досягнутий шляхом введення залежності коефіцієнтів А і а, М і m від .

Підставляючи отримані залежності А, а, М, m від у рівняння (9, 10), одержимо залежність КМП полум'я от тиску і складу газової суміші:

(11)

(12)

Аналіз отриманих залежностей (11) і (12), що характеризують зміну відносних меж поширення полум'я в залежності від тиску, показав, що домінуючим чинником у зміні КМП полум'я являється не сам тиск, а значення .

Результати кількісної перевірки рівнянь (7), (11) і (12) дають задовільну збіжність з експериментальними даними (відхилення не перевищує 7%).

Досліджувався вплив газів-розріджувачів (азоту, вуглекислого газу і метану) на займистість генераторних газів. У результаті отримані залежності (рис. 3, 4) зміни області займання газових сумішей різного складу від кількості флегматизатора. Ці залежності дозволяють оцінити особливості зміни КМП полум'я при однаковій кількості введених N₂ і CO₂, а також установити ступінь впливу флегматизатора на вибуховість газової суміші, вміст основних компонентів в якій змінюється.

Рис. 3. Залежність КМП полум'я генераторного газу, до складу якого майже не входить СН ₄, від вмісту інертних домішок N₂ і CO₂.

Встановлено також, що навіть при невеликих домішках СН 4 до складу горючого газу відбувається достатньо різке зниження флегматизуючих концентрацій. Це можна пояснити тим, що добавки метану самі знижають верхню КМП полум'я.

Використовуючи отримані дані можна регулювати не тільки кількість флегматизатора, що подається для запобігання вибуху і пожежі, але і якісний склад готової продукції, максимально знизивши його пожежну небезпеку.



Рис. 4. Залежність КМП полум'я генераторного газу, до складу якого входить невелика кількість СН ₄, від вмісту інертних домішок N₂ і CO₂.

Висновки

Встановлено, що дотепер немає єдиних поглядів на процес займання багатокомпонентних газоповітряних сумішей, природу КМП полум'я і характер їх зміни в залежності від тиску, початкової температури та інертних домішок.

Розроблено математичну модель процесу газифікації вугілля, що дозволяє аналізувати і регулювати процеси, що протікають у газогенераторах, з метою одержання кінцевого продукту з певними показниками пожежної небезпеки та експлуатаційними характеристиками. Процес газифікації описується системою рівнянь, що включають у себе рівняння збереження речовини в газовому середовищі, руху газового потоку, руху потоку часток вугілля і золи, збереження енергії в дворідинній системі "газ - частки", зміни концентрації компонентів газової суміші в хімічних реакціях у газовій фазі і на поверхні часток вугілля. Перелічені диференційні рівняння доповнюються рівняннями стану газової суміші, теплопередачі в стінки реактора, швидкості вигоряння часток вугілля і співвідношеннями для розрахунку теплофізичних характеристик.

Розроблено експериментальну установку, що дозволяє визначати КМП полум'я газів в умовах, максимально наближених до реального технологічного процесу газифікації твердого палива і враховувати усі внутрішні процеси, що протікають у газовій суміші при її утворенні і транспортуванні, а також зміну області займання в залежності від тиску, температури та вмісту інертних домішок у генераторному газі.

У результаті аналізу фізико-хімічних процесів, що протікають у реакторі газогенератора при газифікації твердого палива встановлено, що процес зміни складу, а отже і КМП полум'я до необхідних значень можна здійснювати шляхом управління технологічними параметрами процесу газифікації, як-от зміною співвідношення вихідних газифікуючих реагентів, температури і часу перебування матеріалу в реакційній зоні.

У результаті проведених експериментальних досліджень отримані нові залежності показників газифікації від технологічних параметрів процесу, що адекватно описують експериментальні дані. Аналіз цих залежностей показав, що:

при збільшенні витрати повітря в складі дуття на газифікацію в одержуваному генераторному газі збільшується вміст негорючих компонентів (CO₂ i N₂) і зменшується вміст CH₄, отже область займання даного газу звужується і знижується його пожежна небезпека;

при збільшенні в складі дуття витрати пари, має місце зниження вмісту в генераторному газі CH₄, а також CO₂ і H₂. У той же час вміст CO в генераторному газі дещо зростає. Наслідком цього є розширення області займання генераторного газу через підвищення верхньої КМП полум'я;

підвищення температури в реакційній зоні дозволяє збільшити ступінь конверсії C в парогазові продукти, вміст в газі CO і H₂, а також забезпечити достатні ступінь конверсії водяної пари і теплотвірну спроможність одержуваного генераторного газу. Раціональний рівень температури процесу газифікації повинен визначатися з урахуванням не одного, а декількох критеріїв, вплив яких різноспрямований;

збільшення тривалості перебування матеріалу в реакційній зоні в цілому позитивно позначається на виході і властивостях одержуваних продуктів: збільшується ступінь конверсії C і H₂O, підвищується вихід і теплотвірна спроможність газу, знижується його густина і вологість, зростає вміст у ньому цільових компонентів - CO і H₂, зменшується вихід шлаку і підвищується його зольність. Проте, збільшення тривалості перебування матеріалу в реакційній зоні призводить до значного розширення області займання одержуваного газу за рахунок збільшення вмісту в ньому горючих компонентів: CO і H₂.

Результати виконаних досліджень по оптимізації процесу пароповітряної газифікації вугілля дозволяють рекомендувати підтримувати в умовах дослідно-промислової установки витрату повітря на дуття при газифікації 3020 м 3/т вугілля; витрату пари на дуття при газифікації - 680 кг/т вугілля; температуру в реакційній зоні при одержанні газу: для наступного енергетичного використання - 800 ^оС, для використання в хімічному синтезі - 1000 ^оС; час перебування матеріалу в реакційній зоні - 50 хв.

При рекомендованому технологічному режимі одержуємо газ, що має наступні характеристики:

при одержанні газу для наступного енергетичного використання теплотворна спроможність досягає 4674 кДж/м 3, при цьому нижня КМП полум'я н = 19,2 %, а верхня в = 61,8 %;

при одержанні газу для використання в хімічному синтезі в газі міститься Н 2 - 15 %, СО - 20,3 %, СН ₄ - 1,5 %, при цьому область займання лежить у межах н = 19,2 % - в = 62,2 %.

На підставі експериментальних досліджень із урахуванням фізико-хімічних властивостей установлені закономірності і виведені емпіричні залежності зміни КМП полум'я від початкового тиску і температури досліджуваних газів.

У ході дослідження впливу тиску на КМП полум'я генераторних газів встановлено, що: при збільшенні тиску діапазон займистості зменшується; із збільшенням у складі генераторного газу вмісту CO, внаслідок зменшення відношення коефіцієнта температуропроводності до коефіцієнта дифузії, інтенсивність зменшення верхніх і збільшення нижніх КМП полум'я зростає.

Вплив початкової температури газової суміші і складу на нижні КМП полум'я виявляється в тому, що із збільшенням початкової температури газової суміші нижні КMП полум'я зменшуються, причому при збільшення вмісту H2 в складі газу інтенсивність зниження КМП полум'я збільшується.

На підставі експериментальних досліджень флегматизуючої дії N₂ і CO₂ на КМП полум'я різних складів генераторних газів встановлено, що:

для генераторних газів, що складаються, в основному, із Н ₂ і СО та незначної кількості інертних домішок (не більш 1 - 2 %), флегматизуюча концентрація при дії N₂ становить 72 %, при дії CO₂ - 63 %;

при вмісті в генераторному газі 10 % N₂ флегматизуюча концентрація зменшується до 58 і 51 % при відповідному впливі N₂ і CO₂;

що стосується генераторних газів, до складу яких входять не тільки Н₂ і СО, але і з 5 % СН₄, то тут необхідна найменша кількість флегматизатора, при цьому фл(N2) - 57 %, фл(СО 2) - 49 %.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах

Луценко Ю.В., Тарахно Е.В., Олейник В.В. Влияние инертных примесей на концентрационные пределы распространения пламени генераторных газов. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 2. - Харьков: ХИПБ МВД Украины - 1997. С. 103 - 106.

Луценко Ю.В., Тарахно Е.В., Олейник В.В. Влияние начальной температуры на изменение нижних концентрационных пределов распространения пламени генераторных газов. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 3. Харьков: ХИПБ МВД Украины - 1998. С. 104 - 108.

Шульга И.В., Луценко Ю.В., Деревянко И.Г., Олейник В.В. Оценка изменения качественного состава и пожарной опасности генераторных газов в зависимости от технологических факторов. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 4. Харьков: ХИПБ МВД Украины - 1998. С. 129 - 133.

Луценко Ю.В., Мозговой Г.А., Олейник В.В. Влияние давления на концентрационные пределы распространения пламени. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 5. Харьков: ХИПБ МВД Украины - 1999. С. 147 - 150.

Луценко Ю.В., Шаршанов А.Я., Олейник В.В. Оценка изменения физико-химических свойств генераторных газов в зависимости от давления. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 6. Харьков: ХИПБ МВД Украины - 1999. С. 93 - 96.

Олейник В.В. К вопросу математического моделирования процессов горения и газификации углей. Проблемы пожарной безопасности: сб. научн. тр. Вып. 7. - Харьков: ХИПБ МВД Украины - 2000. С. 143 - 146.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. Влияние состава генераторного газа на концентрационные пределы распространения пламени. Вісник Харківського університету № 456. Серія: "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м. Харкова". Ч. 2. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина - 2000. С. 231 - 234.

Заявка № 98115944 Україна МПК 6 G 01 N 25/22. Пристрій для експериментального визначення концентраційних меж розповсюдження полум'я генераторних газів. / Ю.В. Луценко, I.В. Шульга, В.В. Олiйник, О.В. Васильєв, I.Г. Дерев'янко, Г.О. Мозговий. Замовлено 10.11.98; рішення про видачу патенту від 03.12.99.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. К вопросу обеспечения пожарной безопасности процессов газификации твердого топлива. Материалы 15-й научн.-практ. конф. "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" - Ч.1. - Москва: МВД РФ. - 1999. С. 254 - 257.

Луценко Ю.В., Олейник В.В., Тарахно Е.В. Экологическая оценка процесса газификации углей. Труды 5 Международной научн. техн. конф. "Проблемы охраны труда и техногенно экологической безопасности". Севастополь - 1997. С. 61.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. Анализ влияния технологических факторов на изменения качественного состава генераторных газов. Труды II городской научн. практ. конф. "Актуальные проблемы науки в исследованиях молодых ученых г. Харькова". Харьков - 1998. С. 56 - 60.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. Анализ возможных вредных воздействий на обслуживающий персонал в процессе газификации твердого топлива. Материалы Междунар. конф. "Проблеми реконструкції та експлуатації промислових та цивільних об'єктів". Днепропетровск - 1999. С. 220 - 125.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. Анализ опасности возникновения пожаров и взрывов в генераторных отделениях. Пожежна безпека. Науковий збірник. Черкаси, ЧІПБ МВС України - 1999. С. 122 - 125.

Луценко Ю.В., Олейник В.В. Устройство для определения параметров пожаровзрывоопасности генераторных газов. Материалы научн.-практ. конф. "Современные проблемы тушения пожаров" - Москва: МИПБ МВД РФ - 1999. С. 254 - 257.

Олейник В.В., Перетокин В.С. Использование АСУ в целях снижения пожарной опасности технологического процесса газификации углей. Труды 2-го молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". Харьков - 1998. С. 56 - 57.

Размещено на Allbest.ru

...