Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах

Самовозгорание угля в адсорберах является специфической причиной пожаров и взрывов в рекуперационных установках. В связи с тем, что энергия активации Е и предэкспонент С, характеризующие процесс самовозгорания углей, не являются постоянными, для прогноза условий самовозгорания необходимо знать контролирующие кинетические параметры: энергию активацию Е и предэкспонент С. Контролирующую энергию активации Е можно вычислить по уравнению дифференциальных энергий активации

Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru , (2)

где Е – контролирующая энергия активации процесса самовозгорания;

R =8,314 Дж/(моль К) – универсальная константа; Тх – характеристическая температура распределения; Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru - контролирующая доля поверхности; Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru -минимальная доля поверхности, равная Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru ; Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru - минимальная энергия активации.

Достаточной степенью приближения характеристическую температуру распределения Тх можно принимать равной стандартной температуре самовозгорания (тления). Критические температуры самовозгорания стандартных навесок (К=30) углей. активированных перегретым паром при различных температурах, приведены в табл.1.

Таблица 1 - Критические температуры самовозгорания

Температура активации, ОС
Стандартная температура самовозгорания, К  

Предэкспонент С можно вычислить через долю поверхности q по уравнению

С = Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru , К/с . (3)

Допустим, что методом дифференцированного окисления дезактивированы активные центры, составляющие 1% от общей сорбционной поверхности. Контролирующие энергии активации реакции окисления углей дезактивированных паром при различных температурах а затем дезактивированных методом дифференцированного окисления до q = 0,01..

Таблица 2

Тх, К
Е, кДж/моль
С, К/с 2×109 2×109 2×109 2×109

Адиабатические скорости самонагревания углей Р+,i и производные dP+/dT при различных режимах работы адсорбера: сорбция при 250С, отдув (десорбция при t=900C) – приведены в таблице 3. Для сравнения в последней колонке той же таблицы приведены значения P+,i и dP+/dT для активного исходного угля, не подвергнутого окислению.

Согласно тепловой теории самовозгорания [1] критическим условиям соответствует предельное равенство темпов самонагревания ( Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru ) и охлаждения mох.

Контролирующую долю поверхности можно изменять методом дифференцированного окисления в пределах от 5×10-11 до 1 . При этом необходимо учитывать, что окисленные активные центры поверхности будут сорбировать влагу, поэтому в адсорберах по улавливанию углеводородов из воздуха эти активные центры можно считать «отравленными». Поэтому. по мере окисления наиболее активных центров и возрастания контролирующей доли поверхности q качество сорбента будет ухудшаться. Необходимо достичь разумного компромисса: уменьшить пирофорность угля, но сохранить его сорбционные свойства.

Таблица 3

Е, Дж/моль
С, К/с 2×109 2×109 2×109 2×109
Р+, при 90 ОС 1.01×10-4 1.3×10-8 5.6×10-10 2.8×10-11 6.8×10-3
Р+, при 25 ОС 3.5×10-7 6.5×10-11 2.0×10-13 5.5×10-15 1.4×10-3
+/dt, при 90 ОС 9.24×10-6 1.3×10-9 6.72×10-11 3.64×10-12 1.36×10-4
+/dt, при 25 ОС 5.25×10-8 9.75×10-12 3.4×10-14 9.35×10-16 8.92×10-5

Темпы охлаждения угля в адсорбере при нормальной режиме сорбции, при отдуве сорбента (десорбции), а также после отдува, когда сорбент не охлажден и через него не продувается воздух (нарушение технологического режима).

При продувании газа через слой сорбента темп охлаждения вычисляется по известной [1] формуле

Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru , ( 4 )

где Сг и rг - теплоемкость и плотность газа;

См и rм - теплоемкость и плотность материала (угля);

Нм - высота слоя угля в адсорбере.

Vг – скорость фильтрации газа через сорбент (уголь).

Для непродуваемого (неподвижного) слоя угля темп охлаждения mох вычисляется по формуле

Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru (5) ,

где y - критерий неравномерности самонагрева;

a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2×К);

F - внешняя поверхность, м2;

V - объем угля в адсорбере, м3;

Критерий неравномерности нагрева y вычисляется по известному соотношению

Предупреждение самовозгорания активных углей в адсорберах - student2.ru , (6)

где Rх – определяющий размер (в нашем случае Rх=0,5 Н);

n – относительный градиент (n@2);

l - Коэффициент теплопроводности угля.

При расчете принимаем:

Св = 1005 Дж/(кг×К); СУ = 1390 Дж/(кг×К); a = 10 Вт/(м2К);

rв=1,3 кг/м3; rу=500 кг/м3; l=0,1 Вт/(мК); H=1,5 м; Vг=0,3 м/с, n=2

Подставляя эти значения в расчетные формулы (4) и (5), получим:

mф = 5,76×10-4, 1/с

и

mох = ×10-6, 1/с

Сравнивая темпы охлаждения с темпами самонагревания, занесенными в таблицу 15.3, можно сделать следующие выводы:

1. Темпы самонагревания исходного угля, характеризующегося кинетическими параметрами реакция окисления: Еmin = 22 кДж/моль и С=10К/с, больше темпов охлаждения (mф и mох), как при 90, так и 25 0С.

Следовательно, применение такого угля в качестве сорбента неизбежно приведет к самовозгоранию.

2. Активированный перегретым паром уголь при температуре, равной 450 0С, и затем дезактивированный окислением (Е=92200 Дж/моль, q=0,01) менее опасен по сравнению с исходным. При фильтрации газа через слой угля со скоростью 0,1…0,3 м/с опасности самовозгорания нет. Однако, если после отдува уголь не охладить, то при 900С, по прекращении продува слоя сорбента воздухом, уголь может самовозгореться, так как в этих условиях темп охлаждения mох меньше темпа самонагревания dP+/dT (9,24×10-6>10-6).

3. Уголь, активированный паром при 6000С и затем частично дезактивированный (дезактивирована активная доля составляющая 0,01 от общей поверхности) при тех же режимах сорбции и десорбции опасности самовозгорания не представляет. Из сравнения темпов самонагревания и охлаждения видно, что у этого угля после дезактивации высокоактивных центров, составляющих 0,01 долю поверхности, темп самонагревания при t=900С на несколько порядков меньше темпов охлаждения mф и mох (1,3×10-9 <10-6<< 5,76×10-4) .

4. Угли, активированные паром при еще более высоких температурах, а затем частично дезактивированные окислением, становятся практически не склонными к самовозгоранию.

Таким образом, зная закономерность распределения активных центров по уровням энергии, методом дифференцированного окисления, можно оптимизировать, свойства активных углей: понизить их пирофорность до безопасного предела, но сохранить сорбционные свойства.

Наши рекомендации