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

Dr.-Ing. W. Garber

Рассмотрены процессы сушки угля, условия и механизм воспламенения и взрыва пылевоздушной смеси. Технология обеспечения безопасности. Снижение содержания кислорода в газах. Анализ оборудования сушильных установок. Анализ срабатывания взрывных предохранительных клапанов. Компоновки цехов сушки на угле-обогатительных фабриках. Примеры ошибок при проектировании. Рекомендации и примеры безопасных установок для сушки угля.

01. Общие особенности процесса сушки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Реальная сушка

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

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

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

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