автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обеспечение пожаровзрывобезопасности производств алюминия самообжигающимися анодами на основе нефтяных коксов

ВВЕДЕНИЕ.

1 Аналитический обзор.

1.1 Пожаровзрывобезопасность и показатели пожаровзрывобезопасности.б

1.1.1 Условия пожаровзрывобезопасности.

1.1.2 Система оценки пожаровзрывоопасности горючих пылей.

1.1.3 Самовоспламенение аэрозолей.

1.1.4 Методы расчета концентрационных пределов распространения пламени.

1.1.5 Горение гибридных смесей.

1.2 Физико-химические свойства коксопековых композиций анодной массы.

1.2.1 Зависимость свойств композиций кокс — связующее от их состава.

1.2.2 Влияние физико-химических свойств нефтяного кокса на характеристики углеродных композиции на его основе.

1.3 Качество анодной массы в технологии самообжигающегося анода с верхним токоподводом.

1.4 Обоснование выбора объектов и методов исследования.

1.4.1 Свойства сырых нефтяных коксов.

1.4.2 Свойства прокаленных нефтяных коксов.

2. Результаты и обсуждение.

Глава 1. Определение температуры самовоспламенения пыли систем газоотсоса и газоочистки.

Глава 2. Определение концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения) газопаровых смесей.

Глава 3. Причины возгорания и взрывов технологического оборудования.

2.3.1 Каталитическая очистка газов от смолистых веществ.

2.3.2 Рекомендации по предотвращению возгораний и взрывов.

2.3.3 Меры пожаровзрывозащиты технологического оборудования.

Глава 4. Исследование и оптимизация технологии управления качеством анодных масс.

2.4.1 Свойства анодной массы на основе нефтяных коксов, поставляемых на БрАЗ и КрАЗ.

2.4.2 Свойства анодной массы на основе смесей коксов.

2.4.3 Влияние химической модификации ингредиентов анодной массы на пыление и самовозгорание.

Выводы.

Настоящая работа направлена на изучение пожаровзрывоопасных свойств пылей и газопылевых смесей систем газоотсосов и газоочистки производства алюминия с целью предотвращения взрывов и загораний.

Оценка пожарной опасности состоит в определении комплекса показателей, род и число которых зависят от агрегатного состояния вещества. При оценке пожарной опасности всех веществ определяют их способность воспламеняться, взрываться и гореть при контакте с кислородом воздуха. В данной работе по согласованию с заказчиком в лабораторных условиях были определены температуры самовоспламенения пылей из отложений в газоходах, бункеров электрофильтров и пылей, снятых с электродов электрофильтров. Расчетным путем определены возможные концентрационные пределы распространения пламени для газовых и газопаровых смесей газоотсоса и системы газоотсоса.

При выполнения расчетов в работе были сделаны определенные допущения в связи с тем, что абсолютные значения концентраций присутствующих веществ в системах не известны, кроме того, они не постоянны, так как зависят от стадии формирования анодов и от состава и физико-химических свойств анодной массы.

В нашей стране принята унифицированная система оценки пожарной опасности веществ и материалов, регламентированная государственным стандартом [1]. Однако в работе были выполнены расчеты и другими известными методами [2], дающими точность, достаточную для практических нужд. Использованные инженерные методы рекомендованы ВНИИПО [3,4].

Трудность оценки пожаровзрывоопасности в рассматриваемом случае состоит в том, что в системах содержится так называемая гибридная смесь аэрозолей твердых и смолистых веществ, а также горючих газов.

Теоретически концепции горения гибридных смесей еще не сформированы, однако начавшиеся экспериментальные исследования позволили выявить некоторые закономерности их зажигания и распространения пламени по ним.

На основании выполненных исследований в работе приведены рекомендации по снижению взрываемости пылегазовых смесей, отходящих от электролизеров производства алюминия.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально определены показатели пожарной опасности горючих пылей, отобранных из систем газоотсоса и газоочистки на КрАЗ и БрАЗ. Изучено влияние рабочей температуры пыли на температуру самовоспламенения. Показано, что при повышении начальной температуры пыли до 120 °С температура самовоспламенения снижается на 5-10 °С.

2. Обнаружено, что образцы пылей при температуре 150-200°С способны выделять летучие продукты, образующие горючие среды. Расчетным путем определены нижние и верхние концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) газопаровых смесей, содержащихся в системе газоотсоса и газоочистки. Минимальным НКПР обладают пары и возгоны смолистых веществ (0,6-0,65 % об.). Показана зависимость НКПР парогазовых смесей от концентрации оксида углерода, смолистых веществ и водорода, а также от температуры.

3. Установлены причины взрывов на электрофильтрах системы газоочистки, заключающиеся в неравномерности загрузки высокопористой анодной массы с низкой механической прочностью, способной создать пожаровзрывоопасные концентрации смолистых веществ и углеродной пыли, превышающих установленные значения их показателей пожарной опасности.

4. Научно обоснованы технические предложения по каталитической очистке аспирационных выбросов и предотвращение возгораний и взрывов в электролизных цехах алюминиевых производств.

5. Впервые осуществлен комплексный анализ и классификация исходного сырья используемого для изготовления самообжигающихся анодных масс алюминиевых производств. Установлена возможность оценки параметров коксов на основе их классификации по структурно-пористым характеристикам для обеспечения однородности коксового сырья и повышение качества и снижение показателей пожарной опасности анодных масс. Установлено, что оптимизация температуры прокалки «суммарных» коксов минимизирует явление селективного окисления и усадки анода, снижающих их механическую прочность.

6. Изучен механизм регулирования и управления качественными показателями анодной массы путем шихтовки рецептур и установлено, что наиболее эффективным фактором, позволяющим повысить долю нефтяного пека в смеси является содержание и тонина помола пыли, способствующая получению анодной массы, отвечающем требованиям технических условий и пожаровзрывобезопасности.

7. Установлено, что химическая модификация поверхности ингредиентов анодной массы позволяет управлять ее основными эксплуатационными характеристиками: пористостью, прочностью и реакционной способностью (разрушаемость в токе диоксида углерода), определяющих склонность анодных масс к пылеобразованию и эмиссии летучих - основных причин взрывов и пожаров технологического оборудования.

1. ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

2. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. — М.: Химия, 1979,423 с.

3. Корольченко А.Я., Иванов A.B., Шебеко Ю.Н. Расчет концентрационных пределов воспламенения. Обзорная информация. М.: ВНИИПО, 1981, вып.4, 34 с.

4. Корольченко А.Я., Иванов A.B., Шебеко Ю.Н. Расчет концентрационных пределов воспламенения. Обзорная информация. М.: ВНИИПО, 1982, вып.7, 48 с.

5. Годжелло М.Г. Взрывы промышленных пыл ей и их предупреждение. М.: МКХ РСФСР, 1952. 142 с.

6. Gibson N., Harper D.Y., Rogers R.L. Evalution of the fire and explosion riskin drying powders Plant Oper.Progr., 1985,4,№ 3, p.181-199.

7. Кудрявцев E.A. Разработка и обоснование метода определения пределов воспламенения газов и паров жидкостей. Автореферат диссерт. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.: МИТХТ им.Ломоносова, 1985.

8. Бондарь В.А., Дедеян Р.Я. Пожаро- и взрывобезопасность технологического оборудования, перерабатывающего горючие дисперсные материалы в сб. Разработка и исследование оборудования для получения гранулированных материалов. М., 1985, с.161-162.

9. Cassel Н.М., Liebman Y. The Cooperative Mechanism in the quition of Dust Dispersions.-Combustion and Flame, 1959,№. 3, p. 467-475.

10. Hulanisci S. Themperaturunversuchungen an Staub-Luft-Gemischen zur Ermittelung der maximalen gefahrlossen Themperatur.-Staub u.Reinhalf Luft, 1974, № 11, s. 392-395.

11. Пожарная опасность веществ и материалов: Справочник. Под ред. И.В.Рябова. М.: Стройиздат, 1970, 335 с.12. brown К.С., James G.T., Safety in mines Research Establishment.-Research report, 1962, №201,p. 1-64.

12. Seile H., Zehr Y. Beurteilung der Experimentalwerte fur die untere Zundgreze von Staub/Luft-Gemischen mit Hijfe Thermochemischer berechnungen.-Staus und reinhalf Luft, 1954, Bd.38, s.583-586.

13. Бусройд P. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975, 452 с.

14. Coy С. Г многофазных систем. М.: Мир, 1971, 340 с.

15. Шевчук В.Г., Кондратьев E.H., Золотко А.Н. и др. Влияние структуры газовзвеси на процесс распространения пламени ФГВ, 1979, №6, с.41-45.

16. Pellmont G. Zum Explosion und Zundverhalten hybrid Gemische. Swiss. Chem. 1983, 5,№9a, s.56-65.

17. Корольченко А .Я. Взрывопожароопасность промышленной пыли. М.: Химия, 1986,213 с.

18. Reeh D. Das Explosionsverhalten von Staub/Gas/-Luft-Gemischen.-Erdöl und Kohl Ergas-Petrochem., 1979, Bd.32, №1, s.38-42

19. Anthoni E.Y. The Determination of the Minimum Explosible Concentration of polivinil Chloride powder in the Presence of Methane and Air.-Fire research Note, 1977, № 1072, p. 1-8.

20. Bartknecht W. Forshung in der Sicherheitstechnik.- Chemie-Technik, 1979, №10, s.493-503.

21. Малинский Ю.М. О влиянии твердой поверхности на процессы релаксации и структурообразования в пристенных слоях полимеров./УУспехи химии, -1970. т.29 -№ 8, -с.1511-1535.

22. Фиалков А. С. Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов .-М.: Металлургия, 1965.-286 с

23. Смирнов Б. Н., Фиалков А. С. Микроскопические исследования структуры пекового кокса и некоторые особенности ее формирования. — Химия твердого топлива, 1969, №6, с. 60—66.

24. Фиалков А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе, М. Аспект-пресс, 1997. 718с.

25. Ребиндер П. А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем. // Известия АН СССР, ОМЕН, Серия химическая, -1936, -№ 5, -с. 639-706.

26. Емельянов А. Н., Сюняев 3. И., Долматов Л. В. Аналитический метод определения расхода связующего для приготовления анодной массы./Цветные металлы, -1970, -№ 10, -с. 42-45.

27. Mallison H. Zur Frage der Verteilung des Pechs im Stcin-kohlenbrikett.//Brennstotf-Chemie, -1958, Bd 39, -№ 1/2, -S. 13—14.

28. О формировании пластических свойств анодной массы/ Янко Э. А., Лазарев В. Д., Анохин Ю. М., Потапова В. И.//Цветные металлы, -1972, -№ 10, -с. 33-36.

29. Бикерман Я. О. Новые представления о прочности адгезионных связей.//Успехи химии, -1972, т. 41, -№ 8, с. 1431—1464.

30. Lewis J. В. Thermal gas reaction.// Modern aspects of graphite technology. London: Academic Press, -1970.-pp. 346-354.

31. Липатов Ю. С. Физико-химия наполненных полимеров. -Киев: Наукова думка, 1967, -322 с.

32. Greenhaigh E. and Moyse M. E. Contact angle of pitch or carbon surfaces.// Third conference industrial carbon and graphite. London: Society Chemical Industry, -1970,-p. 539—549.

33. Mason C. R. Correlation between pitch binder properties and properties of Soderberg electrodes. //Fuel, -1970, vol. 49, -№ 2, -p. 165-174.

34. Емельянов А. И. Исследование влияния технологических параметров на качество облагороженных нефтяных коксов и расход связующего приский нефт. институт, 1969.-185 с.

35. Современные представления о механизме формирования графитирующихся коксов / Смирнов Д. Н., Тян Л. С., Фиалков А. С. и др. — Успехи химии, 1976, т. 45, № 10, с. 1731—1752.

36. Фиалков А. С., Варлаков В. П., Смирнова Т. Ю. Микроструктура нефтяного и пекового коксов. — Химия твердого топлива, 1994, № 2, с. 49— 53.

37. Фиалков А. С., Гумилевская Г. П., Гринберг М. Б. Об изменении в связующем в первой стадии спекания. — Журнал прикладной химии, 1962, т. 35, № 10, с. 2308.

38. Фиалков А. С., Галеев Г. С., Тян И. С. Электронный парамагнитный резонанс в каменноугольном пеке. — Химия твердого топлива, 1967, № 2, с. 108—110.

39. Образование мезофазы и спектры ЭПР при низкотемпературной карбонизации графитирующихся веществ / Фиалков А. С., Тян Л. С., Самойлов В. С., Смирнов Б. Н. — доклады АН СССР, 1971, т. 198, №3, с. 649—650.

40. Сюняев 3. И. Облагораживание и применение нефтяного кокса. -М: Химия, 1966.-134 с.

41. Фиалков А. С. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия, 1979, 319 с.

42. Lipson Н., Stokes A.R. Structure of graphite. In: Proceedings Royal Society, 1942, A181, p.101-105.

43. Kelly B.T. Physics of graphite. London, New Jersey, Applied Science Publishers Ltd., 1981,477 р.

44. Сюняев 3. И. Нефтяной углерод. М.: Химия, 1980. 271 с.

45. Горпиненко М. С., Зеленина В. В., Смоленцева В. А. Влияние свойств и структуры нефтяного кокса на качество графитированных электродов. — Химия и технология топлив и масел, 1981, № 3, с. 19—21.

46. Кусакин Н. Д., Вяткин С. Е., Аверина М. В. Структурные модификации углеродного материала нефтяных пиролизных коксов. — Цветные металлы, 1965, № 10, с. 59—62.

47. Jakob R. R. Coke quality and how to make it.//Hydrocarbon Process., -1971, vol. 50, -№ 9, -p. 132—136.

48. Brooks J., Taylor G. The formation of graphitizing carbons from the liquid phase.// Carbon, -1965, vol. 3, -№ 2, -p. 185—193.

49. Варфоломеев Д. Ф., Стекун А. И., Федотов В. Е. Влияние давления на выход кокса при замедленном коксовании. — Химия и технология топлив и масел, 1982, №12, с. 26-28.

50. Исследование зависимости толщины граничных слоев пека от температуры спекания в композиции на основе технического углерода / Варлаков В. П., Смирнов Б. Н., Агафонов М. В., Фиалков А. С. Коллоидный журнал, 1991, т. 53, №5, с. 812—817.

51. Влияние поверхностно активных веществ на формирование свойств углеграфитовых материалов / Фиалков А. С., Кавзакова О. Б., Таллина Н. И., Темкин И. В. - Цветные металлы, 1961, №8.

52. Фиалков А. С. Технология и оборудование электроугольного производства. M.-JL: Госэнергоиздат, 1958, 280 с.

53. Исследование термических превращений пекополимерных связующих / Демидова А. И., Дорогинина J1. Е., Перепеченных В. И., Фиалков А. С. — Химия твердого топлива, 1989, № 1, с. 81—84.

54. Лазарев В.Д., Тюменцев В.М., Богатырев В.Р. Роль пеков-связующих в формировании пластических свойств анодной массы./Цветные металлы, №3,1999-С.44-48.

55. Коробов М.А., Дмитриев А. А. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров М.: Металлургия, 1972, 205 с.

56. Джонсон Д. А. Обзор результатов внедрения технологии сухой анодной массы Кайзер // Технико-экономический вестник, КрАЗ Кайзер -ВАМИ, Красноярск, 1997, с. 12-18.

57. Ахметов М.М., Тюменцев В.М., Богатырев В.Р., Борзилова В.В., Карпинская H.H. Пути снижения расхода кокса в производстве алюминия// Химия и технология топлива и масел, №4 1999- с. 10-11.

58. Сб. Современные композиционные материалы. Под. ред. JI. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 1970, 672 с.

59. Привалов В.В., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. М.:: Металлургия. 1981.-208 с.

60. Чалик С.М., Ласукова Л.П., Свердлин В. А. Изучение причин повышенного расхода углерода при электролизе алюминия// Цветные металлы. 1974. № I.e. 45-50.

61. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Воропаев В.Н., Тугарин С.В. Исследование физико-химических свойств каменноугольных пеков// Цветные металлы. 1976. №6. с.48-51.

62. Крысин В.П. Исследование по модификации свойств пека с температурой размягчения 110-120°С и разработка конструкции аппарата для охлаждения и грануляции высокотемпературного пека. Отчет НИР по договору№ 64, Свердловск, УХИН, 1989 Г.-186 с.

63. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Воронков М.Г., Дерягина Е.Н. Исследование влияния добавок в анодную массу на ее физико-химические свойства//Цветные металлы. 1975. № 10. с. 38-42.

64. Привалов В. Е., Степаненко М. А. Каменноугольный пек. М.: Металлургия, 1981, 208 с.

65. Bhatia G., Fitzer Е., Kompalic D. Rheological characteristics of mesophase forming pitch materials up to 500°C. In: 17th Biennial conference on carbon. Extended abstracts and program. American Carbon Committee, 1985, July 18—22, Lexington, p. 165—167.

66. Mason C. R. Correlation between pitch binder properties and properties ofSoderberg electrodes. //Fuel, -1970, vol. 49, -№ 2, -p. 165-174.

67. Красюков А.Ф. Нефтяной кокс M.: Химия, 1966. -274 с.

68. Лазарев В.Д., Янко Э.А., Маркелова Л.И., Сенюта С.А., Ахметов М.М. О формировании физико-химических свойств пеко-коксовых композиций //Цветныеметаллы. 1979, № 5 с. 46-50.

69. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Анохин Ю.М., Потапова В.И. О формировании пластических свойств анодной массы// Цветные металлы. 1972, № 10. с. 33-36.

70. Усовершенствование производства электродной продукции для алюминиевой промышленности. Отчет о НИР ВАМИ; Руковод. Ведерников Г.Ф., Копельман М.И.- № 5-65-070,-Л, 1969.-142 с.

71. Лазарев В.Д. Результаты промышленных испытаний «сухой» анод ной массы и перспективы улучшения экологической обстановки на алюминиевых заводах/ДДветные металлы. -1990, -№ 7, -с. 75.

72. Bradshow W., Mamone V. Structural characterization of graphitic cokes and the products thereof. — Там же, p. 172—202.

73. Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М.: Химия, 1980 г. - 272 с.

74. Маркина Н.Б., Балыкин В.П.О влиянии режимов и среды смешивания на формирование пекоугольных композиций // Цветные металлы. -1991, -№4,-с. 2931.

75. Лазарев В.Д., Маркелова Л.И., Бессонов Г.Л., Тюменцев В.М. Пути улучшения качества анодной массы, изготовленной на основе нестандартных каменноугольных пеков // Цветные металлы № 6,1996-с. 27-32.

76. Лазарев В.Д., Чалых В.И., Тюменцев В.М., Богатырев В.Р. Влияние источника кокса на формирование и стабильность свойств анодной мас-сы.//Цветные металлы, № 12, 1999-С.25-30.

77. Механизм образования кокса из жидкой фазы / Гимаев Р. Н., Губайдуллин В. 3., Рогачева О. В. и др. — Химия и технология топлив и масел, 1980, №8, с. 42—45.

78. Сюняев 3. И. Нефтяной электродный кокс. — Химия и технология топлив и масел, 1976, № 2, с. 59—63.

79. Левченко В. В., Смоленцена В. А., Шипков Н. Н. Поведение углеродных материалов, изготовленных на основе игольчатого кокса, на стадии предкристаллизации. — Цветные металлы, 1990, № 3, с. 59—61.

80. Селиверстов М. Н., Островский В. С. Динамические испытания коксов. — Цветные металлы, № 1985, № 3, с. 61—63.

81. Кол один Э.П., Вишнев В.Г., Никитин В.Я. Взаимосвязь коксового сырья и эксплуатационных свойств анодной массы и обожженных анодов.// Труды ВАМИ, Л.:, 1984 Г.-388 с.

82. Колодин Э.П., Никитин В .Я. Влияние свойств кокса и условий обжига на расход анодов при электролизе //Цветные металлы, 1982 г., № 8, с.44-45.

83. Лазарев В.Д., Янко Э.А. и др. Корреляционные связи свойств коксов и анодной массы//Цветные металлы, 1982 г., № 1, с. 49-52.

84. Исследование электродных коксов методом ЭПР / Янко Э. А., Вокульсина Т. М., Лазарев В. д., Белоусов М. Г. — Химия твердого топлива, 1980, № 3, с. 93—96.

85. Лазарев В.Д., Полевой Б.Н. Влияние пористости нефтяных коксов на пластические свойства «сухой» анодной массы //Цветные металлы, 1993, №6, с. 59-61.

86. Билицкус Д.Л. Оценка относительного влияния типа кокса, его состава и параметров обжига на характеристики анодов для алюминиевых элек-тролизеров/Щветные металлы. 1995, № 9, с. 42-45.

87. Е.А.Ефимов, С.Г.Ивахнюк, В.В.Кашмет, В.Е.Скобочкин, В.М.Тюменцев. Определение температуры самовоспламенения пыли систем газоочистки//. Безопасные экологические и экономические технологии. Выпуск VIII. СПб., 2004. С. 156-161.

88. Кузьминых А.И. Изучение состава и разработка методов определения смолистых продуктов возгонки и пиролиза каменноугольного пека в воздухе цехов электролиза алюминия. Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук, Свердловск, 1976.

89. Николаев В.Н. Изучение процессов формирования самообжигающихся электродов. Дисс. на соискание ученой степени кашд.техн.наук. Л.:1. ЛТИ им. Ленсовета, 1976

90. Коробов М. А., Дмитриев A.A. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. М.: Металлургия, 1972, 207 с.

91. Юркевич Я., Росиньский С. Углехимия М.: Металлургия, 1973, 360 с.

92. Е.А.Ефимов, В.В.Кашмет, С.Г.Ивахнюк, В.М.Тюменцев, В.Е.Скобочкин Определение концентрационных пределов воспламенения газопаровых смесей.// Безопасные экологические и экономические технологии. Выпуск VIII. СПб., 2004 С.161-166.

93. В.В.Кашмет, В.М.Тюменцев, Е.А.Ефимов.Методы расчета концентрационных пределов распространения пламени. // Вестник СПб института ГПС МЧС России. № 2(9). СПб., 2005. с.9-11.

94. В.М.Тюменцев В.В.Кашмет, , Е.А.Ефимов. Самовоспламенение пыли в системах газоочистки // Вестник СПб института ГПС МЧС России. № 2(9). СПб., 2005. с.15-18.

95. ГОСТ Р 12.3.047-98 Пожарная безопасность технологических процессов.

96. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования. Киев, Техника, 1979, 326 с.

97. РТМ-6-28-009-82 Устройства предохранительные с разрушающе мембраной /ВНИИТБХП. Северодонецк, 1982.

98. Автоматическая система подавления взрыва "Радуга": Катал ог/ВНИИТБХП Северодонецк, 1980.