Современный человек постоянно находится в условиях природных, технических, антропогенных, экологических, социальных и других опасностей [3, 4]. При этом с бурным развитием техники опасность растет быстрее, чем способность человека противостоять ей. К тому же человек привыкает к опасности и начинает пренебрегать ею [5, 11, 12]. Развитие промышленного производства сопровождается постоянным увеличением риска возникновения аварий и катастроф и возрастанием масштабов их последствий [8, 10]. Часто причинами чрезвычайных ситуаций техногенного характера являются аварии на объектах, использующих опасные технологии. К таким объектам относят, прежде всего, те, на которых находятся сжиженные и сжатые газы, опасные химические вещества, взрывопожароопасные вещества, опасные биологические вещества и источники ионизирующих излучений. В результате аварий могут возникать взрывы, пожары, токсические и радиационные поражения.
В связи с этим обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов, которое предполагает системный подход к принятию политических решений, процедур и практических мер по предупреждению или уменьшению опасности промышленных аварий для жизни человека, заболеваний или травм, ущерба имуществу и окружающей среде является актуальной задачей [9].
Обеспечение безопасной эксплуатации опасных производственных объектов направлено прежде всего:
– на предупреждение аварий на опасных производственных объектах;
– обеспечение готовности организаций, эксплуатирующих опасные производственные объекты, к локализации и ликвидации последствий указанных аварий.
Газообразный водород широко применяется в различных отраслях промышленности для синтеза таких продуктов, как аммиак, метиловый спирт, высшие спирты, углеводороды, хлористый водород, и других веществ, а также как восстановитель при получении многих органических соединений, в том числе пищевых жиров. В металлургии водород используется для получения металлов, создания защитной среды при обработке металлов и сплавов. В нефтепереработке – для гидроочистки нефтяных фракций и смазочных масел, гидрирования и гидрокрекинга нефтяных дистиллятов, нефтяных остатков и смол, в электронной промышленности – для создания восстановительной атмосферы. Водород применяется также в стекольной промышленности, производстве изделий из кварцевого стекла и других с использованием водородно-кислородного пламени, для атомно-водородной сварки тугоплавких сталей и сплавов, для охлаждения турбогенераторов, как восстановитель в топливных элементах. В небольших количествах водород потребляется предприятиями фармацевтической, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности.
Получение водорода в промышленности осуществляется несколькими способами. При этом широко распространенным способом получения водорода является метод, основанный на электролизе воды. Данный метод применяется в практике вследствие простоты и надежности электролизных установок, высокой чистоты генерируемых газов (до 99,99 %), возможности получения газов под высоким давлением непосредственно на штуцерах электролизера, высокой степени автоматизации технологического процесса и большого ресурса установки.
Производство водорода и кислорода методом электролиза воды относится к категории взрывопожароопасных производств и, согласно Федеральному закону от 21.07.1997 № 116-ФЗ, к категории опасных производственных объектов.
Одним из основных отечественных производителей электролизных установок является Уральский завод химического машиностроения (ОАО «Уралхиммаш», г. Екатеринбург), который выпускает электролизеры для получения водорода и кислорода с середины 1950-х гг. Однако большая металлоемкость, значительное энергопотребление, наличие асбестового полотна в качестве материала диафрагмы делают эти электролизеры неконкурентоспособными. Для получения относительно небольших объемов водорода и кислорода все большее распространение получают зарубежные установки, состоящие из двух блоков: источника тока и самого электролизера. Весо- и массогабаритные характеристики в десятки раз ниже аналогичных по производительности отечественных, поэтому они не требуют строительства отдельных зданий, поставляются полностью собранными в виде контейнеров.
Целью данной работы является сравнительный анализ энергетических характеристик опасностей электролизных установок получения водорода. Для этого проводится оценка уровня опасности технологического процесса получения водорода, выбор типа оборудования и отключающих устройств, средств контроля, управления и противоаварийной защиты производится для отдельных технологических блоков. Для каждого технологического блока определяется расчетом категория его взрывоопасности. Одним из таких технологических блоков является электролизная установка.
Принцип действия стационарных и блочных электролизных установок одинаков. Производство основано на процессе разложения воды постоянным электрическим током. При этом на катоде выделяется газообразный водород, на аноде образуется кислород. Для повышения электропроводности воды и обеспечения требуемых условий для прохождения электрического тока в ней растворяется щелочь (КОН или NaOH). Водный раствор щелочи (электролит) является основным сырьем для получения электролитических газов. Убыль воды в результате электродных процессов и образование водорода и кислорода в электролите постоянно пополняется. Давление в электролизерах составляет от атмосферного до 4,0 МПа, производительность 4–500 м3/ч, расход электроэнергии 5,1–5,6 кВт×ч на 1,0 м3 водорода.
Технические характеристики стационарных электролизных установок типа СЭУ производства ОАО «Уралхиммаш» и блочной электролизной установки получения водорода и кислорода модели ERREDUE G16 производства фирмы «ERREDUES R.L.» (Италия) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики электролизных установок
Наименование параметра |
Модель электролизной установки |
||||
СЭУ-4М |
СЭУ-10 |
СЭУ-20 |
СЭУ-40 |
ERREDUE G16 |
|
Количество ячеек, шт. |
30 |
25 |
50 |
– |
120 |
Сила тока, подводимая к электролизеру, А: – номинальная – максимальная |
165 330 |
1000 – |
1000 – |
1000 – |
90 125 |
Напряжение на электролизере, В |
60–72 |
50–55 |
105 |
215 |
– |
Напряжение на одной ячейке электролизера, В |
2,0–2,4 |
2,1 |
2,1 |
– |
– |
Рабочее давление, МПа |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
Рабочая температура электролита, °С |
80 ± 5 |
80 ± 5 |
80 ± 5 |
80 ± 5 |
55–60 |
Чистота газов, %: – водорода – кислорода |
99,0 98,0 |
99,7 99,5 |
99,7 99,5 |
99,7 99,5 |
99,5 99,0 – 99,5 |
Производительность, нм3/ч: – по водороду – по кислороду |
2–4 1–2 |
10 5 |
20,50 10,25 |
41,0 20,5 |
10,66 5,33 |
Габаритные размеры, мм: – длина – ширина – высота |
1700 610 830 |
1650 1000 1300 |
2400 1060 1780 |
4100 1060 1780 |
1800 1000 2000 |
Вместимость электролизера, м3 |
0,16 |
0,35 |
0,69 |
1,0 |
0,09 |
Масса электролизера, кг |
1290 |
3305 |
4720 |
7435 |
1300 |
Масса электролизера с комплектующим технологическим оборудованием, кг |
10578 |
22596 |
23390 |
27335 |
2075 |
Для определения энергетических характеристик опасностей электролизных установок получения водорода были выбраны три установки ERREDUE G16, СЭУ 20 и СЭУ40, как наиболее широко распространенные.
Энергетический потенциал взрывоопасности Е (кДж) определяется полной энергией сгорания парогазовой фазы, находящейся в технологическом блоке, с учетом величины работы её адиабатического расширения, а также величины энергии полного сгорания испарившейся жидкости с максимально возможной площади её пролива по формуле [7]
(1)
где – суммарная энергия адиабатического расширения А (кДж) и сгорания парогазовой фазы, находящейся в блоке, кДж;
– энергия сгорания водорода, поступающего к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков), кДж;
– энергия сгорания парогазовой среды, образующейся за счет энергии перегрева жидкой фазы рассматриваемого блока и поступающего от смежных блоков, кДж;
– энергия сгорания парогазовой среды, образующейся из жидкой фазы за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при аварийной разгерметизации, кДж;
– энергия сгорания парогазовой среды, образующейся из жидкой фазы за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж;
– энергия сгорания парогазовой среды, образующейся из пролитой на твердую поверхность жидкой фазы за счет теплообмена с окружающей средой (подстилающей поверхностью и воздухом), кДж.
Расчет для блочной установки ERREDUE G16 показал, что энергетический потенциал взрывоопасности электролизера составляет 20441 кДж.
Общая масса газов взрывоопасного облака m, приведенная к единой удельной энергии сгорания, равной 46000 кДж/кг:
m = Е/46000 = 20441/46000 = 0,444 кг.
Относительный энергетический потенциал взрывоопасности QВ технологического блока рассчитывали по формуле [7]
(2)
По полученной величине QВ = 1,65 была определена категория взрывоопасности электролизного блока как III [7].
Степень пожарной опасности технологического процесса, в котором возможен взрыв газа, оценивается следующими расчетами для различных ситуаций:
– расчет избыточного давления, развиваемого при сгорании газовоздушной смеси в помещении;
– расчет горизонтальных размеров зоны, ограниченной нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР);
– расчет избыточного давления при сгорании газовоздушной смеси в открытом пространстве;
– расчет интенсивности теплового излучения и поражающего воздействия «огненного шара».
Оценка количественных показателей последствий воздействия поражающих факторов взрыва и пожара для различных сценариев позволяет определить их влияние на производственный персонал, попавший в опасную зону.
Для оценки пожарной опасности технологического процесса расчетным путем определяется избыточное давление, развиваемое при сгорании водорода в помещении. По величине избыточного давления определяется возможная степень повреждения здания. Типичные предельно допустимые значения избыточного давления с точки зрения повреждения зданий приведены в табл. 2 [1].
Таблица 2
Типичные предельно допустимые значения избыточного давления с точки зрения повреждения зданий
Степень поражения |
Типичные предельно допустимые значения избыточного давления, кПа |
Полное разрушение зданий |
100,0 |
50 % разрушение зданий |
53,0 |
Средние повреждения зданий |
28,0 |
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.д.) |
12,0 |
Нижний порог повреждения человека волной давления |
5,0 |
Малые повреждения (разбита часть остекления) |
3,0 |
Избыточное давление DР, развиваемое при сгорании водорода в электролизной установке, определяется по формуле [1]
(3)
где Pmax – максимальное давление, развиваемое при сгорании стехиометрической водородовоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа, для водорода Pmax = 730 кПа [4]; Po – начальное давление, кПа, допускается принимать Po = 101 кПа; m – масса горючего газа (водорода), вышедшего в результате расчетной аварии в помещение, m = 0,169 кг; z – коэффициент участия водорода в горении, для водорода z = 1,0 [1]; Vсв – свободный объем помещения, определяемый как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием, допускается принимать условно равным 80 % геометрического объема помещения Vсв = 1160 м2; (для расчетов выбран среднестатистический объем помещения, в котором могут быть размещены установки такого типа) – плотность газов при расчетной температуре tр вычисляется по формуле
(4)
где М – молекулярная масса водорода, М = 2,016 кг/кмоль; Vo – мольный объем, Vo = 22,413 м3/кмоль; tр – расчетная температура воздуха в помещении, tр = 25 °С,,
Сст – стехиометрическая концентрация газа, % (об.), вычисляемая по формуле
(5)
где nс, nн, no, nх – число атомов С, Н, О и галогенов в молекуле горючего газа, в данном случае
Kн – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадибатичность процесса горения, допускается Kн = 3.
Рассчитанное избыточное давление составило ΔР = 1,26 кПа, что означает, что избыточное давление ΔР, развиваемое при сгорании водорода в помещении электролизного зала, может привести к малым повреждениям здания и не превысит нижний порог повреждения человека волной давления.
Определив массу парогазов, участвующих во взрыве [7], рассчитали величину тротилового эквивалента, которая составила 5,27 кг.
Радиус зоны разрушения в общем виде определяется выражением
(6)
где K – безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие взрыва на объект [7].
Результаты расчета приведены в табл. 3
Расчет горизонтальных размеров зон, ограничивающих газовоздушные смеси с концентрацией горючего выше нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР), при авариях поступления горючего газа в открытое пространство выполнен в соответствии с [6].
Горизонтальные размеры зоны RНКПР, ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени (СНКПР = 4,0), вычисляются по формуле
(7)
где mг – масса поступивших в открытое пространство горючих газов в аварийной ситуации; ρг – плотность горючего газа при расчетной температуре tр (tр = 25 °С).
Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания газовоздушной смеси в открытом пространстве RF рассчитывается по формуле [6]
RF = 1,2RНКПР. (8)
При расчете рассматривается случай, когда масса истекающего газа при разгерметизации оборудования и трубопроводов является наибольшей. Величины этих зон составили соответственно 58 и 69,6 м.
Для оценки вероятности поражения человека избыточным давлением при сгорании газовоздушной смеси в открытом пространстве на расстоянии r от эпицентра были рассчитаны избыточное давление и величина пробит-функции. Избыточное давление DР, развиваемое при сгорании газовоздушной смеси, рассчитывается по формуле [6]
(9)
где Ро – атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); r – расстояние от геометрического центра газовоздушного облака, м (принимаем r = 30 м); mпр – приведенная масса газа, кг.
Импульс волны давления i рассчитывается по формуле [6]
(10)
Таблица 3
Зоны разрушения при сгорании водорода в электролизной установке
Класс зоны разрушения |
ΔР, кПа |
Радиус зоны разрушения |
Вероятные последствия, характер повреждений зданий и сооружений |
|
K |
R, м |
|||
1 |
≥ 100 |
3,8 |
0,783 |
Полное разрушение зданий массивными стенами |
2 |
70 |
5,6 |
1,154 |
Разрушение стен кирпичных зданий толщиной в 1,5 кирпича; перемещение цилиндрических резервуаров; разрушение трубопроводных эстакад, зона 50 % разрушений |
3 |
28 |
9,6 |
1,979 |
Разрушение перекрытий промышленных зданий; разрушение промышленных стальных несущих конструкций; деформации трубопроводных эстакад |
4 |
14 |
28 |
5,772 |
Разрушение перегородок и кровли зданий; повреждение стальных конструкций каркасов, ферм |
5 |
≤ 2 |
56 |
11,544 |
Граница зоны повреждений зданий; частичное повреждение остекления |
Для r = 58 м (RНКПР = 58 м) рассчитываем избыточное давление:
По величине избыточного давления DР и импульсу волны давления i согласно методике, приведенной в [6] определяется условная вероятность поражения человека избыточным давлением при сгорании газовоздушной смеси на открытом пространстве на расстоянии r от эпицентра. Исходя из значений ΔР и i вычисляется величина пробит-функции Pr по формулам
Pr = 5 – 0,26ln(V) (11)
(12)
где ΔP – избыточное давление, Па; i – импульс волны давления, Па·с.
Для расстояния r = 30 м:
Pr = 5 – 0,26·ln(3,3·106) = 1,1.
Используя рассчитанное значение пробит-функции Pr по таблице [6] определяется условная вероятность поражения человека, которая для расстояния r = 30 м практически равна нулю, то есть поражение человека маловероятно.
Была определена доза теплового излучения. Для ее оценки провели расчет интенсивности теплового излучения «огненного шара» q по формуле [2]
q = EfFqτ (кВт/м2), (13)
где Ef – среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м2, допускается принимать Ef = 450 кВт/м2; Fq – угловой коэффициент облученности; t – коэффициент пропускания атмосферы.
Время существования «огненного шара» tS:
tS = 0,92m 0,303 = 0,92·20,89 0,303 = 2,3 с. (14)
Коэффициент пропускания атмосферы t для «огненного шара» определяется по формуле [4]
(15)
Интенсивность теплового излучения «огненного шара»:
q = 450·0,0172·0,98 = 7,6 кВт/м2.
Доза теплового излучения Q рассчитывается по формуле [2]
Q = qtS = 7600·2,3 = 1,75·104 Дж/м2. (16)
Ожог 1-й степени у человека имеет место при дозе теплового излучения Q = 1,2·105 = Дж/м2, то есть в данном случае ожоги исключены.
Энергетические характеристики взрыва в электролизном зале при разгерметизации электролизеров различного типа приведены в табл. 4.
Таблица 4
Энергетические характеристики опасностей электролизных установок
Наименование показателя |
Блочная электролизная установка получения водорода и кислорода ERREDUE G16 |
Электролизер типа СЭУ-20 |
Электролизер типа СЭУ-40 |
Производительность по водороду, нм3/ч |
10,66 |
20 |
40 |
Относительный энергетический потенциал взрывоопасности |
1,65 |
4,1 |
4,67 |
Радиус зоны разрушения для 3 класса, м |
2,0 |
11,9 |
15,7 |
Общая масса газов взрывоопасного облака, приведенной к единой удельной энергии сгорания, кг |
0,444 |
6,83 |
9,98 |
Тротиловый эквивалент взрыва |
5,27 |
69,5 |
108,1 |
Избыточное давление взрыва в помещении, кПа |
1,3 |
21,0 |
30,8 |
Объем электролита в установке, м3 |
0,090 |
0,69 |
1,0 |
Следует отметить, что концентрация водорода при поступлении в помещение из установки типа СЭУ может достигнуть 4,3 % (об.) (то есть выше НКПР).
В сравнимых условиях для рассматриваемой блочной электролизной установки этот показатель может достигнуть только 0,17 % (об.).
Заключение
Сравнительный анализ энергетических характеристик опасностей электролизных установок показал, что блочная электролизная установка нового поколения (модульная) является более безопасной в эксплуатации и, следовательно, более перспективной для использования в промышленности.
Библиографическая ссылка
Головин А.Д., Трунова И.Г., Пачурин Г.В. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПАСНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ УСТАНОВОК ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10-1. – С. 50-56;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36277 (дата обращения: 17.08.2024).