煤粉工業(yè)鍋爐的耐壓泄爆倉(cāng)安全設(shè)計(jì)探討

張 鑫

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

隨著近一段時(shí)期國(guó)家對(duì)節(jié)能、環(huán)保的日益重視，煤粉工業(yè)鍋爐自興起以來(lái)得到了較快發(fā)展，也初步得到了用戶與國(guó)家的認(rèn)可。煤粉工業(yè)鍋爐與電站鍋爐最顯著的區(qū)別在于，前者將煤粉制備與燃燒分離，采取煤粉燃料統(tǒng)一加工配送的模式，符合工業(yè)鍋爐容量小、開(kāi)工率低、設(shè)備分散的特點(diǎn)，同時(shí)也為煤粉燃料的質(zhì)量控制創(chuàng)造了有利條件。為保證正常的生產(chǎn)秩序，一般要求煤粉工業(yè)鍋爐應(yīng)配套建設(shè)具有一定存儲(chǔ)容量的煤粉儲(chǔ)倉(cāng)，通常可以滿足2 d～5 d的正常煤粉需求。由煤科院實(shí)施的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)，其粉倉(cāng)容量從上百立方到上千立方不等，一般常用的容量為100 m3～ 500 m3。

煤粉儲(chǔ)倉(cāng)作為易燃易爆粉體的存儲(chǔ)設(shè)施，須在安全方面提出系統(tǒng)的技術(shù)要求[1]。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在煤粉儲(chǔ)倉(cāng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，泄壓防爆設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)在此方面的資料較零散，在電力行業(yè)、水泥行業(yè)、鋼鐵行業(yè)均有關(guān)于煤粉倉(cāng)的設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)。DL 5203《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第4.10條中詳細(xì)說(shuō)明了防爆門(mén)的設(shè)計(jì)與設(shè)置，即煤粉倉(cāng)防爆門(mén)的總有效泄壓面積應(yīng)按泄壓比不小于0.005計(jì)算，且不小于1 m2[2]；GB 50041《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.8條中規(guī)定，防爆門(mén)的面積應(yīng)按煤粉倉(cāng)幾何容積0.002 5 m2/m3計(jì)算，且總面積不得小于0.5 m2。水泥行業(yè)國(guó)外多參照VDI 3673、ATEX指令、NFPA等，國(guó)內(nèi)有些公司采用了按照倉(cāng)體橫截面積的8%進(jìn)行考慮的經(jīng)驗(yàn)算法，但相比VDI 3673中的計(jì)算值小[3]。GB 16543《高爐噴吹煙煤系統(tǒng)防爆安全規(guī)程》第5.5.2條中規(guī)定泄爆應(yīng)按照GB/T 15605設(shè)計(jì)[4]。賈軍[5]等對(duì)非惰化氣氛下運(yùn)行的煤粉倉(cāng)抗暴設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的梳理與分析。

雖上述規(guī)范與研究成果對(duì)煤粉倉(cāng)的防爆設(shè)計(jì)有一定的參考作用，但由于煤粉燃料的特性差異及儲(chǔ)倉(cāng)設(shè)計(jì)中需考量的多方面因素，對(duì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中的煤粉儲(chǔ)倉(cāng)防爆設(shè)計(jì)并未真正起到指導(dǎo)作用，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法仍較混亂。以下重點(diǎn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外規(guī)范及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用于動(dòng)力煤煤粉燃料的儲(chǔ)倉(cāng)防爆安全設(shè)計(jì)提出具體要求和建議，以期達(dá)到規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化的目的。

1 泄壓面積計(jì)算

對(duì)于一般的可燃粉體儲(chǔ)倉(cāng)，需設(shè)置泄壓防爆裝置(防爆門(mén))，其作用是在粉體爆炸的瞬間開(kāi)啟，以降低爆炸產(chǎn)生的高壓對(duì)設(shè)備造成的損壞。防爆裝置的泄壓面積計(jì)算是防爆裝置設(shè)計(jì)的核心。VDI 3673《粉體爆炸泄壓指南》和GB/T 15605《粉塵爆炸泄壓指南》均對(duì)泄壓面積計(jì)算給出了公式，且計(jì)算公式基本一致。參照GB/T 15605—2008，煤粉儲(chǔ)倉(cāng)的泄壓面積計(jì)算公式如下[6-8]，即對(duì)于pred，max<0.15 MPa，按式(1)計(jì)算:

(1)

對(duì)于pred，max≥0.15 MPa，按下式計(jì)算:

A=B

(2)

(3)

C=(-4.305logpred,max-3.547)

(4)

(5)

其中，A是計(jì)算的倉(cāng)體所需的防爆泄壓面積,m2；pred,max指防爆門(mén)泄壓后的最大壓力，即相應(yīng)倉(cāng)體的設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度,MPa；pmax指煤粉的最大爆炸壓力，MPa；Kmax指煤粉的爆炸指數(shù)，MPa·m/s；Pstat指防爆泄壓裝置的開(kāi)啟壓力，MPa；DE指?jìng)}體的當(dāng)量直徑，m；A*指?jìng)}體的橫截面面積,m2。

2 倉(cāng)體抗爆安全設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，滿足安全技術(shù)要求的煤粉倉(cāng)體設(shè)計(jì)總體可分為以下4類:

(1)惰化倉(cāng)設(shè)計(jì)。從安全角度應(yīng)優(yōu)先考慮惰化措施，即倉(cāng)體內(nèi)充入惰性氣體，如N2或CO2。倉(cāng)體可按非耐壓容器設(shè)計(jì)，當(dāng)氧量低于6%時(shí)，煤粉儲(chǔ)倉(cāng)將非常安全。但當(dāng)煤粉需要頻繁進(jìn)出時(shí)，惰性氣體消耗量大，運(yùn)行成本高，因此該設(shè)計(jì)適用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)煤粉的倉(cāng)體[9-11]。

(2)非承壓泄爆倉(cāng)設(shè)計(jì)。非承壓泄爆倉(cāng)體僅需滿足基本強(qiáng)度要求，按上述公式(1)～(5)計(jì)算泄壓面積(小容量倉(cāng)可按照泄壓比經(jīng)驗(yàn)值0.005 m2/m3估算)。對(duì)于容積較小的倉(cāng)體可滿足要求，但對(duì)于容積較大的倉(cāng)體由于所需泄壓面積過(guò)大，從而無(wú)法真正在倉(cāng)體上實(shí)施。例如，對(duì)于直徑4 m、容積100 m3的儲(chǔ)倉(cāng)，頂面面積為12.56 m2，若非承壓則簡(jiǎn)單估算需要的泄壓面積為2.5 m2，由于頂面還需布置除塵器、進(jìn)料口等其它設(shè)施，故勉強(qiáng)可妥善布置；但當(dāng)倉(cāng)體直徑不變而容積變?yōu)?00 m3時(shí)，需要的泄壓面積為5 m2，已很難布置。

(3)承壓泄爆倉(cāng)設(shè)計(jì)。由公式(1)～(5)可知，泄壓面積主要與倉(cāng)體的結(jié)構(gòu)尺寸、倉(cāng)體耐壓強(qiáng)度、泄壓裝置啟動(dòng)壓力、煤粉最大爆炸壓力、煤粉爆炸指數(shù)以及泄壓效率等多方面參數(shù)相關(guān)。其中，泄壓裝置設(shè)計(jì)得當(dāng)，泄壓效率一般取1；最大爆炸壓力、爆炸指數(shù)與煤粉相關(guān)，煤粉確定后，此兩項(xiàng)為常數(shù)。因此，泄壓面積與結(jié)構(gòu)尺寸、泄壓裝置啟動(dòng)壓力呈正相關(guān)關(guān)系，與倉(cāng)體耐壓強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系。即倉(cāng)體容積越大，泄壓裝置開(kāi)啟壓力越大，所需泄壓面積越大；倉(cāng)體耐壓強(qiáng)度越大，需要的泄壓面積越小。

因此，通過(guò)使倉(cāng)體具備一定的耐壓強(qiáng)度，可以降低對(duì)泄壓面積的需求，使大容積的倉(cāng)體在頂面布置泄壓裝置成為可能[12，13]。參照國(guó)外的同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，倉(cāng)體耐壓強(qiáng)度一般設(shè)計(jì)為0.2 MPa。為防止泄壓裝置影響正常生產(chǎn)，一般開(kāi)啟壓力設(shè)計(jì)為10 kPa～30 kPa[14]。此設(shè)計(jì)綜合考慮了安全性與經(jīng)濟(jì)性，是目前較為可行和普遍采用的煤粉儲(chǔ)倉(cāng)設(shè)計(jì)方式。

(4)承壓密閉倉(cāng)設(shè)計(jì)。倉(cāng)體按照煤粉最大爆炸壓力設(shè)計(jì)，可不設(shè)置泄壓裝置，設(shè)計(jì)壓力與物料爆炸特性相關(guān)，但規(guī)范給出了最低設(shè)計(jì)壓力，一般為0.3 MPa～0.35 MPa。德國(guó)承壓密閉褐煤粉儲(chǔ)倉(cāng)即按照褐煤粉的最大爆炸壓力0.9 MPa設(shè)計(jì)。由于倉(cāng)體設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度的提升，造成加工難度及倉(cāng)體鋼耗量大幅增加，雖能實(shí)現(xiàn)安全存儲(chǔ)，但其經(jīng)濟(jì)性較差[15]，因而適用面較窄。

3 實(shí)例驗(yàn)證

以1 000 m3煤粉儲(chǔ)倉(cāng)的設(shè)計(jì)為例。設(shè)計(jì)倉(cāng)體的當(dāng)量直徑為10 m，倉(cāng)體設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度為0.2 MPa，防爆泄壓裝置開(kāi)啟壓力為0.01 MPa。

存儲(chǔ)燃料為陜蒙地區(qū)長(zhǎng)焰煤粉，煤粉樣品粒徑分布如圖1所示，75μm過(guò)篩率大于90%。由東北大學(xué)送檢數(shù)據(jù)，該煤粉最大爆炸壓力為0.75 MPa，爆炸指數(shù)為19.4 MPa·m/s，爆炸壓力和壓力上升速率隨粉塵濃度的變化如圖2所示。則根據(jù)上述公式，計(jì)算可得需要的泄壓面積約為4.56 m2。實(shí)際倉(cāng)頂面積超過(guò)100 m2，因此該設(shè)計(jì)具有可行性。

圖1 煤粉樣品粒度分布

圖2 爆炸壓力和壓力上升速率隨粉塵濃度的變化

若采用非耐壓的倉(cāng)體設(shè)計(jì)，則需要的防爆泄壓面積為108.6 m2，已超過(guò)倉(cāng)頂面積。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可通過(guò)適當(dāng)提高倉(cāng)體耐壓強(qiáng)度或增大泄壓面積以保證設(shè)計(jì)余量，使設(shè)備達(dá)到足夠安全、可靠。

4 防爆區(qū)域劃分

煤粉儲(chǔ)倉(cāng)由于儲(chǔ)存易燃易爆粉體，因此需對(duì)防爆區(qū)域進(jìn)行劃分，以便電氣設(shè)備選型。目前國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)如歐盟的ATEX指令94/9/EC、國(guó)際電工委員會(huì)IEC60079等均對(duì)此有詳細(xì)的界定。GB 3836—2010 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》、GB 12476—2013 《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備》、GB 25286—2010 《爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備》以及GB 50058—2014 《爆炸及火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也大多借鑒了國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[16]。以上標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)有所不同，但本質(zhì)上相同。

根據(jù)GB 12476中對(duì)可燃性粉塵環(huán)境防爆區(qū)域劃分及釋放源的定義，煤粉儲(chǔ)倉(cāng)(塔)設(shè)備可按照以下原則進(jìn)行防爆區(qū)域劃分:儲(chǔ)倉(cāng)或儲(chǔ)罐內(nèi)部，煤粉輸送管內(nèi)部可設(shè)為21區(qū)；儲(chǔ)倉(cāng)或儲(chǔ)罐的外部若為受限空間，則應(yīng)設(shè)為22區(qū)，若為開(kāi)放空間，則二級(jí)釋放源1 m內(nèi)為22區(qū)，之外的區(qū)域?yàn)榉欠辣瑓^(qū)。由此，煤粉儲(chǔ)倉(cāng)附屬設(shè)備基本都劃入了22區(qū)，根據(jù)煤粉導(dǎo)電特性，進(jìn)一步細(xì)化分類為IIIB或IIIC，對(duì)于褐煤及變質(zhì)程度較低的煙煤可歸類為IIIB，對(duì)于變質(zhì)程度較高的煙煤或無(wú)煙煤應(yīng)歸類為IIIC。分類確定后，電機(jī)設(shè)備的保護(hù)級(jí)別(EPL)、防爆結(jié)構(gòu)、防爆形式、防護(hù)等級(jí)等也可依次確定。

除此之外，由于煤粉儲(chǔ)倉(cāng)一般室外布置，其高度較高，根據(jù)GB 50057，還需對(duì)煤粉儲(chǔ)倉(cāng)按照I類建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

5 總 結(jié)

在煤粉儲(chǔ)倉(cāng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)和校核抗爆泄壓面積，以保證設(shè)備及人身安全。

(1)從防爆本質(zhì)安全角度考慮，應(yīng)優(yōu)先采用惰化和全抗爆(耐壓)設(shè)計(jì)。

(2)綜合安全性與經(jīng)濟(jì)性，目前煤粉儲(chǔ)罐宜采用承壓泄爆倉(cāng)設(shè)計(jì)，倉(cāng)體設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度可參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)值及最終泄壓面積計(jì)算，一般為0.2 MPa～0.4 MPa；參照國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范及使用經(jīng)驗(yàn)，泄壓裝置設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力一般為10 kPa～30 kPa。

(3)煤粉儲(chǔ)倉(cāng)附屬電氣設(shè)備一般應(yīng)劃為22區(qū)。

(4)應(yīng)注意規(guī)范煤粉倉(cāng)的設(shè)計(jì)、校核、審批等程序以及過(guò)程資料的整理和存檔。