Оценка возможности образования взрывоопасных газовых смесей на газоочисном оборудовании металлургических производств

Одной из особенностей металлургического производства является получение вторичных топливных энергетических ресурсов. К этим ресурсам относятся, в первую очередь, доменный, коксовый, конвертерный газы, а также некоторые другие [1,2]. Вышеуказанные газы перед их использованием либо в металлургических технологиях, либо в качестве топлива проходят системы газоочистки, являющиеся опасными производственными объектами, в которых из газов удаляются пыль и некоторые другие соединения. Существует достаточно большое количество установок для очистки газов, но самыми распространенными являются установки, работающие по принципу орошения газов водой, что приводит к частичному удалению из них пыли, снижению температуры газов и их увлажнению. Такие установки, в частности применяются при очистке доменного газа перед подачей этого вида топлива в газовую сеть металлургического предприятия. Принципиальная схема газоочистки доменного газа приведена на рисунке. В данной статье рассматривается возможность образования взрывоопасной смеси доменный газ-воздух при переходных режимах работы газоочистного оборудования.

Доменный газ – побочный продукт доменного производства, образующийся в ходе ведения доменной плавки. В зависимости от состава шихты, подаваемой в доменную печь, состав доменного газа может различаться. Усредненный состав доменного газа: СО – 25,2 %; СО₂ – 6,7 %; Н₂ – 10,1 %; N₂ – 58,0 %. При применении дутья, обогащенного кислородом состав может меняться в сторону увеличения доли Н₂ (она может достигать 10…12%) и СН₄ (до 1%). Доменный газ характеризуется низкой реакционной способностью вследствие наличия балластных составляющих N₂ и СО₂; низшая теплота сгорания доменного газа изменяется в пределах 3,6…4,6 МДж/м³. Газ воспламеняется в смеси с воздухом в пределах концентраций 40…70%. Минимальная температура воспламенения составляет 680°С. Жаропроизводительность (адиабатная температура горения) 1500°С.

Основной горючий компонент доменного газа – СО и наличие балластных составляющих обеспечивают такое свойство доменного газа, как низкая скорость распространения пламени, причем в неподвижных газовых средах горение газа осуществляется в ламинарном диффузионном режиме [4].

Упомянутые выше переходные режимы работы газоочистного оборудования в большинстве случаев связаны с изменением режима работы доменной печи и наибольшую опасность с точки зрения образования взрывоопасных концентраций является остановка печи, что, в свою очередь, приводит и к остановке газоочистного оборудования.

В случае остановки обслуживающий персонал в соответствии с планами организации и проведения газоопасных работ осуществляет мероприятия по вентиляции газоходов и аппаратов, а именно: открытие атмосферных клапанов на скруббере и циклоне, продувочных свечей на газопроводах чистого доменного газа, атмосферных клапанов и продувочной свечи на пылеуловителе и вентиляционных люков на газопроводах чистого и получистого доменных газов. Эти мероприятия позволяют в течение определенного времени (6-8 часов) осуществить газообмен в трубопроводах с замещением доменного газа атмосферным воздухом. Процесс газообмена может длиться несколько часов и определяется температурой доменного газа, температурой окружающей среды, объемом газопроводов и аппаратов, площадью сечений арматуры, предназначенной для вентиляции, а также рядом других факторов. Наличие окиси углерода во внутреннем пространстве газоочистки и возможность проведения работ на аппаратах и газопроводах определяется по результатам анализа двух последовательно взятых проб газа. Пробы берутся из скруббера и циклона. Второй особенностью проведения работ является тот факт, что в ходе процесса газообмена во внутренних объемах газопроводов и аппаратов возможно образование взрывоопасных концентраций газовоздушной смеси. В связи с этим Правила [5] предусматривают специальные меры безопасности, связанные с недопущением искрообразования при проведении газоопасных работ.

Рассмотрим методику, с помощью которой можно оценить вероятность образования взрывоопасной смеси в объеме аппаратов и трубопроводов системы газоочистки.

Принимаем следующий усредненный состав доменного газа:

СО – 25,2 %; СО₂ – 6,7 %; Н₂ – 10,1 %; СН₄ – 0 %; N₂ – 58,0 %

Молярные массы газов:

СО – 28 кг/кмоль; СО₂ – 44 кг/кмоль; Н₂ – 2 кг/кмоль; СН₄ – 16 кг/кмоль; N₂ – 28 кг/кмоль.

Молярная масса смеси (доменного газа)

Плотность доменного газа

Теплота сгорания газа определяется по формуле Менделеева

Данные по концентрационным пределам взрываемости компонентов чистого газа:

Н₂ – нижний предел 4 %; верхний предел – 75 %.

СО - нижний предел 12,5 %; верхний предел – 75 %.

Для определения пределов взрываемости смесей газов без учета балластной составляющей руководствуются принципом Ле-Шателье [4]:

где с – содержание горючего компонента, n – нижний (верхний) предел взрываемости. В соответствии с этим принципом нижний теоретический предел взрываемости смеси СО и Н₂ составит:

и верхний теоретический предел взрываемости

Учет влияния балластных примесей на значения пределов взрываемости смесей газов произведем по методике [4]. Если принять долю балластной составляющей за величину K, то в нашем случае она составит 0,647. Вычисляем вспомогательный коэффициент

Действительные пределы вычисляем по формуле:

тогда

Очевидно, что наличие балластных компонентов в доменном газе существенным образом изменяет значения пределов взрываемости газа.

Описанная выше методика вентиляции газоходов и аппаратов может привести к ситуации, когда в отдельных элементах газоочистного тракта существует вероятность образования смеси монооксида углерода с воздухом с концентрацией попадающей в «вилку» между значениями нижнего и верхнего пределов взрываемости. При этом стечение нескольких обстоятельств может привести к взрыву смеси, а именно:

• проведение газоопасных работ с нарушением правил безопасности вследствие чего возможно попадание пламени (искры) во внутреннее пространство газопровода;

• возникновение за счет энергии пламени (искры) ламинарного диффузионного режима горения доменного газа;

• распространение фронта пламени с небольшой скоростью, которое в конечном итоге может достичь локального объема, характеризующегося наличием взрывоопасной концентрации доменного газа и воздуха;

• значительное ускорение скорости реакции окисления доменного газа при определенной концентрации последнего, приводящее к  скачкообразному повышению давления (взрыву).

Таким образом, можно заключить следующее: с целью обеспечения безопасности и недопущения образования взрывоопасных смесей в газовом тракте доменного газа при переходных режимах работы необходимо разработать решение по оснащению аппаратов и газопроводов тракта доменного газа от колошника доменной печи до коллектора чистого доменного газа системой продувки. В составе системы продувки следует предусмотреть подсистему подачи инертного газа (азота) в аппараты и газопроводы, разместив арматуру подачи таким образом, чтобы обеспечить отсутствие застойных зон, где мог бы остаться доменный газ. Одновременно с этим следует запроектировать подсистему эвакуации газовой смеси - продувочные газопроводы (свечи), которые могли бы обеспечить рассеивание выходящего из них газа (азото-доменной смеси) в атмосфере.

       Для определения момента полного замещения доменного газа азотом следует предусмотреть возможность взятия газового анализа в необходимых точках газового тракта.

Литература

1. Взрывы газов в доменном производстве / В.П. Русских, А.А. Томаш, В.П. Тарасов, Е.И. Хрущёв. Мариуполь, ПГТУ - 2006. - 99 с..

2. Бабайцев И.В. Взрывопожаробезопасность металлургического производства // Научные школы МИСиС. М.: МИСИС. - 1997. - с. 295.

3. Акинин Н.И. Анализ причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах // Металлург. 2004 - №10. - с. 22-24.

4. Иост В. Взрывы и горение в газах. М., Изд-во иностранной литературы, 1952, 687 с..

5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при получении, транспортировании, использовании расплавов черных и цветных металлов и сплавов на основе этих расплавов»