高爐噴煤系統(tǒng)煤粉倉(cāng)防爆設(shè)計(jì)探討

鄢 明， 吳建霖， 趙澤文， 馮 飛

（1.廣西華銳鋼鐵工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司， 廣西 柳州 545002；2.柳州鋼鐵股份有限公司， 廣西 柳州 545002）

目前國(guó)內(nèi)高爐噴煤系統(tǒng)煤粉倉(cāng)防爆措施主要采用抑爆和泄爆兩種措施進(jìn)行，因工程投資原因一般不采用抗爆措施。抑爆設(shè)計(jì)主要執(zhí)行《高爐噴吹煙煤系統(tǒng)防爆安全規(guī)程》（GB 16543—2008）“噴吹系統(tǒng)的煤倉(cāng)應(yīng)設(shè)置緊急充氮系統(tǒng)”，但規(guī)范中未明確充氮系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求和參考標(biāo)準(zhǔn)。泄爆設(shè)計(jì)主要執(zhí)行《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50607—2010）“煤粉倉(cāng)設(shè)置單獨(dú)的倉(cāng)頂布袋除塵器，其除塵器風(fēng)機(jī)全壓應(yīng)小于1 kPa；對(duì)于不設(shè)置倉(cāng)頂布袋除塵器的煤粉倉(cāng)應(yīng)設(shè)置泄壓裝置，泄壓氣體應(yīng)通過(guò)引出管引至室外，超壓泄壓門的面積按0.025 m2/m3，額定動(dòng)作壓力按1～10 kPa設(shè)計(jì)”，但規(guī)范中未對(duì)倉(cāng)頂布袋除塵器與防爆之間的關(guān)系進(jìn)行解析，所要求的泄壓比在實(shí)際工程項(xiàng)目中也很難實(shí)施，且額定動(dòng)作壓力要求偏低，生產(chǎn)過(guò)程中常因非爆炸性的壓力波動(dòng)而造成爆破膜破損影響正常生產(chǎn)。

1 煤粉制備系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)

防爆主要分爆炸的預(yù)防和爆炸的防護(hù)兩種方法。前者為避免產(chǎn)生爆炸的條件，使爆炸不能發(fā)生；后者是如果爆炸一旦產(chǎn)生，則采取防護(hù)措施，及時(shí)制止爆炸以減少危害。

1.1 抑爆設(shè)計(jì)

在煤粉倉(cāng)內(nèi)，由于散熱條件差，煤粉緩慢氧化放熱引起自燃。由于燃燒不充分，會(huì)有CO放出，采用CO濃度監(jiān)控可以有效探測(cè)自燃的發(fā)生。然后迅速往煤粉倉(cāng)內(nèi)補(bǔ)充惰性氣體，使自燃受到抑制。生產(chǎn)過(guò)程的惰化是避免形成可爆煤粉氣混合物的有效方法，隨著氧濃度降低，煙煤的最大爆炸壓力上升速率明顯下降，當(dāng)溫度不太高（≤100℃），φ（O2）=12%時(shí)，煙煤粉塵不能發(fā)生爆炸。單一瓦斯與空氣混合時(shí)，空氣中φ（O2）＜12%時(shí)有抑爆作用，煤層自燃，但不會(huì)產(chǎn)生明火，不過(guò)對(duì) CO、CH4等混合氣體 φ（O2）＜9%才能抑爆，當(dāng)φ（O2）＜5%時(shí)可抑止任何爆炸及燃燒[1]。當(dāng)采用氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行滅火或惰化時(shí)，氮?dú)釯G100滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滅火濃度不應(yīng)小于滅火濃度的1.3倍，惰化設(shè)計(jì)濃度不應(yīng)小于滅火濃度的1.1倍[2]。

滅火所需氮?dú)鉂舛劝词剑?）進(jìn)行計(jì)算[3]，φ[O2]取12%，則滅火所需氮?dú)鉂舛菵為42.86%，惰化設(shè)計(jì)濃度為47.15%。

式中：D為滅火所需氮?dú)鉂舛龋?；φ[O2]為用N2-空氣混合氣體測(cè)得的某物質(zhì)維持燃燒的極限氧含量，%。

惰化所需氮?dú)庥昧堪词剑?）進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)流量按式（3）進(jìn)行計(jì)算[3]。如果被保護(hù)凈空間體積為300 m3，氮?dú)饷芏葹?.250 6 kg/m3，噴射設(shè)計(jì)按60 s計(jì)算，則惰化所需氮?dú)庥昧繛?01.66 kg，設(shè)計(jì)流量為6.69 kg/s。

式中：M為氮?dú)庠O(shè)計(jì)用量，kg；D為滅火劑設(shè)計(jì)的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)，%；ρ為滅火劑氮?dú)赓|(zhì)量濃度，kg/m3；V為被保護(hù)空間體積，m3；t為噴射時(shí)間，s。

《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50607—2010）中對(duì)單獨(dú)設(shè)置煤粉倉(cāng)頂布袋除塵器的煤粉倉(cāng)可不設(shè)置泄爆裝置，其依據(jù)是倉(cāng)頂泄壓布袋除塵器安裝在煤粉倉(cāng)頂部，在噴吹罐泄壓時(shí)，將惰化氣體泄入煤粉倉(cāng)內(nèi)再通過(guò)此布袋排至大氣，相當(dāng)于定期（25～50 min）給煤粉倉(cāng)充入惰性氣體，煤粉倉(cāng)在惰化氣氛條件下操作，故不需防爆安全閥。但需對(duì)O2和CO進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和檢測(cè)，若兩者中有一個(gè)達(dá)到預(yù)定值上限，磨煤和干燥系統(tǒng)以及噴吹罐的裝粉等操作將停止，同時(shí)粉倉(cāng)自動(dòng)充入氮?dú)庵敝吝@兩個(gè)測(cè)定值再次恢復(fù)到正常。

1.2 泄爆設(shè)計(jì)

《粉塵爆炸泄壓指南》（GB/T 15605—2008）給出了煤粉倉(cāng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)壓力、泄放裝置面積、泄放系數(shù)等因素之間的關(guān)系，可根據(jù)要求的減低后的最大爆炸壓力、泄放裝置的泄放系數(shù)等因素按式（4）或（5）計(jì)算需要的泄放裝置面積[4]。

采用式（4）和式（5）計(jì)算有效泄壓面積A，m2。

當(dāng)最大泄爆壓力Pred，max＜0.15 MPa 時(shí)，

當(dāng)最大泄爆壓力Pred，max≥0.15 MPa時(shí)，

式中：A為有效泄壓面積，m2；B為泄壓面積，m2；L為容器長(zhǎng)度，m；DE為等效直徑，m。

式中：V為容器容積，0.1 m3≤V≤10 000 m3；Pstat為泄壓裝置的靜開(kāi)啟壓力，0.01 MPa≤Pstat≤0.1 MPa；Pred，max為最大泄爆壓力，0.01MPa≤Pred，max≤0.2MPa；

對(duì)于粉塵爆炸參數(shù)特性值為1 MPa·m·s-1≤Kmax≤30MPa·m·s-1時(shí)，最大爆炸壓力為 0.5MPa≤Pmax≤1MPa，對(duì)于粉塵爆炸參數(shù)特性值為30MPa·m·s-1≤Kmax≤80 MPa·m·s-1時(shí)，最大爆炸壓力為 0.5 MPa≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE≤20；長(zhǎng)徑比L/DE受以下條件限制：不應(yīng)使泄壓面積大于容器或筒倉(cāng)的截面積；

泄壓效率EF=1。如果泄壓效率EF=1，A就是所需的泄壓面積。對(duì)于泄壓效率小于1的泄壓裝置，所需的泄壓面積為A/EF。

以300 m3的煤粉倉(cāng)為例，長(zhǎng)徑比L/DE為1.66，倉(cāng)頂?shù)刃娣eA*為36 m2。煙煤Pmax在0.74～0.8 MPa之間，其Kmax在 11.4～14.9 MPa·m·s-1之間，雖屬于st1級(jí)（≤20 MPa·m·s-1），爆炸猛度低于st2與st3級(jí)，但在st1級(jí)中是較猛烈的[5]。此次計(jì)算煙煤最大爆炸壓力Pmax取0.8 MPa，最大爆炸指數(shù)Kmax取14.9 MPa·s-1m·s-1。假設(shè)泄放裝置的泄壓效率EF為1。若煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力Pred，max按40 kPa設(shè)計(jì)，防爆閥在不同的靜開(kāi)啟壓力Pstat時(shí)的泄壓比如圖1所示。

圖1 防爆閥泄壓比與靜開(kāi)啟壓力的關(guān)系圖

由圖1可知，在煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力一定的情況下，防爆門的靜開(kāi)啟壓力越低，所需要的泄壓面積越小，呈線性分布關(guān)系。若煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力為40 kPa，防爆門靜開(kāi)啟壓力為10 kPa，泄壓比為0.024 7，需要泄壓面積為7.41 m2，相當(dāng)于需要安裝10個(gè)DN1000的防爆閥。當(dāng)防爆門靜開(kāi)啟壓力小于10 kPa時(shí)，泄壓比小于0.024 7，則《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50607—2010）中要求過(guò)于嚴(yán)格。

若煤粉倉(cāng)裝設(shè)防爆閥的靜開(kāi)啟壓力Pstat為10kPa，防爆閥的泄壓比與煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力Pred，max之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 防爆閥泄壓比與煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力的關(guān)系圖

由圖2可知，在防爆門的靜開(kāi)啟壓力一定的情況下，煤粉倉(cāng)最大泄爆壓力越大，所需要的泄壓面積越小，呈雙曲線性分布關(guān)系。當(dāng)最大泄爆壓力大于60 kPa后，再增大最大泄爆壓力，泄壓面積降低不大，但工程投資需增加較多，工程設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮其經(jīng)濟(jì)性。

2 結(jié)論

1）《高爐噴吹煤粉工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50607—2010）對(duì)煤粉倉(cāng)的安全要求屬?gòu)膰?yán)要求，實(shí)際工程項(xiàng)目中很難實(shí)施，也無(wú)必要。

2）高爐噴煤系統(tǒng)一般采用高爐熱風(fēng)爐低溫?zé)煔馀c燃燒高爐煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌隙傻臒煔庾鳛楦稍飫?，磨機(jī)出口含粉煙氣含氧量一般控制在8%左右，故煤粉倉(cāng)在正常運(yùn)行情況下均處于惰性氣氛，煤粉倉(cāng)按惰性氣氛設(shè)計(jì)作為防爆措施是可行的技術(shù)方案，也是目前普遍采用的防爆措施。