煤粉制備系統(tǒng)泄漏危險(xiǎn)分析及控制措施

黃子超

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司火災(zāi)爆炸防治研究分院，重慶 400037）

1 煤粉泄漏爆炸危險(xiǎn)分析

煤化工利用煤炭液化或氣化技術(shù)，將煤炭轉(zhuǎn)化液體、氣體燃料等清潔、高效的二次能源?！笆濉睍r(shí)期，我國(guó)以煤制油、煤制烯烴、煤制氣為主的現(xiàn)代煤化工步入快速發(fā)展軌道。然而，在煤粉制備工藝過程中均存在不同程度的煤粉泄漏危險(xiǎn)，煤粉泄漏后在敞開空間遇到火源即會(huì)發(fā)生粉塵燃燒爆炸事故［1-2］，對(duì)煤化工裝置及園區(qū)帶來(lái)災(zāi)難性破壞。

本文結(jié)合煤粉制備、篩選、輸送的工藝過程，分析系統(tǒng)中存在的煤粉爆炸危險(xiǎn)性和泄漏危險(xiǎn)位置。針對(duì)不同位置提出泄漏危險(xiǎn)的計(jì)算評(píng)估方法，提出了泄漏監(jiān)測(cè)及擴(kuò)散防治措施，確保系統(tǒng)工藝的安全運(yùn)行。

1.1 煤粉制備工藝流程

煤化工煤粉制備大多采取 “原煤研磨干燥＋煤粉旋風(fēng)分離收塵＋中間儲(chǔ)倉(cāng)＋加壓輸送”的工藝技術(shù)［3］。煤粉制備工藝包含研磨、干燥、存儲(chǔ)、輸運(yùn)幾個(gè)部分，原煤送入磨煤機(jī)后，受到擠壓和碾磨而被粉碎成煤粉。在來(lái)自熱風(fēng)爐的熱惰性氣體的旋風(fēng)作用下煤粉進(jìn)入干燥空間，進(jìn)行熱風(fēng)干燥和分級(jí)。細(xì)煤粉被加壓并通過載氣處于流態(tài)化狀態(tài)。通過加壓輸送為氣化裝置提供合格的煤粉。見圖1。

圖1 煤粉制備工藝流程示意圖

1.2 煤粉泄漏爆炸危險(xiǎn)分析

煤粉制備系統(tǒng)中設(shè)備眾多、管網(wǎng)復(fù)雜，當(dāng)筒倉(cāng)或收塵系統(tǒng)內(nèi)壓力超限、設(shè)備故障、材料老化、磨損，使得煤粉在內(nèi)部壓力下向外泄漏，形成煤塵云，遇火源則發(fā)生燃燒爆炸危險(xiǎn)［4］。煤化工使用的一般為褐煤，揮發(fā)分高，制備的煤粉粒徑小、流動(dòng)性強(qiáng)、水分含量低。以某煤制油化工企業(yè)為例，粒徑75μm以下的煤粉質(zhì)量＞80%，煤粉發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性要比普通煤粉更高。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)兩種典型的煤制烯烴和煤制油原料煤粉進(jìn)行爆炸特性參數(shù)測(cè)試，得到煤粉爆炸特性參數(shù)如表1中所示。

表1 煤粉爆炸特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 煤粉泄漏爆炸危險(xiǎn)分析

2.1 混合氣體泄漏模型

煤粉制備工藝過程中，除塵器、粉煤倉(cāng)等煤粉系統(tǒng)容器內(nèi)介質(zhì)為循環(huán)氣或惰性氣體與懸浮煤粉的混合物。當(dāng)壁面或頂部的泄爆片或防爆板打開后，泄漏源以卷?yè)P(yáng)細(xì)煤粉的氣體為主。

在采用泄漏模型進(jìn)行計(jì)算之前做如下假設(shè)：氣粉兩相流中固相占混合物的體積忽略不計(jì)，假設(shè)為0。首先，采用氣體泄漏模型進(jìn)行泄漏體積量的計(jì)算，然后根據(jù)細(xì)煤粉的空間密度計(jì)算其泄漏量。煤粉系統(tǒng)容器內(nèi)部氣體的流動(dòng)為亞音速流動(dòng)，泄漏量按公式 （1）、（2）進(jìn)行計(jì)算：

1）煤粉收集器防爆板泄漏

煤粉收集器是原料煤磨煤干燥后合格煤粉的收集容器，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部超壓或設(shè)備故障時(shí)，側(cè)面防爆板打開泄壓，造成煤粉泄漏。泄爆板尺寸為DN500mm，啟動(dòng)壓力5kPa。根據(jù)氣體狀態(tài)方程及煤粉收集器工況條件，計(jì)算得出單個(gè)泄爆板全部打開泄漏的氣體體積流量為：Q＝4.03m3／s。

煤粉收集器中氣體的含塵量為400 g／m3左右，所以得到煤粉收集器單個(gè)泄爆板打開時(shí)煤粉的泄漏量為：Q＝1.61kg／s。

2）粉煤倉(cāng)頂部防爆板泄漏

粉煤倉(cāng)的操作溫度為微正壓，介質(zhì)為細(xì)煤粉、二氧化碳和氮?dú)狻Ｔ趥涿簡(jiǎn)卧勖簜}(cāng)的頂部安設(shè)有3個(gè)重力防爆板，同樣，當(dāng)內(nèi)部壓力增大，防爆板打開引起煤粉泄漏。防爆板的尺寸為DN800mm，啟動(dòng)壓力為5kPa。

粉煤倉(cāng)內(nèi)上部氣體的含塵量為50 g／m3，計(jì)算得出，粉煤倉(cāng)單個(gè)防爆板打開時(shí)，煤粉的泄漏量為：Q＝0.88 kg／s。

2.2 小孔泄漏模型

煤粉系統(tǒng)容器會(huì)都內(nèi)貯存細(xì)煤粉，里面充入熱氮?dú)馄鹆骰饔?，且煤粉粒徑小，流?dòng)性好，因此在泄漏計(jì)算時(shí)將流化狀態(tài)的煤粉理想化為流體。按照管道或儲(chǔ)罐上小孔泄漏模型計(jì)算煤粉泄漏質(zhì)量流率，見公式 （3）。

1）粉煤倉(cāng)錐部橡膠膨脹節(jié)泄漏

為便于設(shè)備或管路上下對(duì)接，減少設(shè)備運(yùn)行或檢修震動(dòng)產(chǎn)生的影響，煤粉制備系統(tǒng)多處安裝有橡膠膨脹節(jié)，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生磨損或者撕裂，造成煤粉泄漏。

粉煤倉(cāng)是大型煤粉倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，底部出口與管路連接處安裝橡膠膨脹節(jié)，膨脹節(jié)尺寸為Φ300mm×230mm，煤粉的堆積密度為570kg／m3。磨損或撕裂小孔面積一般小于1cm2，根據(jù)小孔泄漏模型計(jì)算煤粉泄漏量為 Qm＝0.54 kg／s。

2）輸煤管線磨損泄漏

在煤粉制備、加壓輸送工序存在多處特殊管件，管線在拐彎、連接處易磨損。煤粉加壓輸送系統(tǒng)中煤粉給料線，管徑為DN800mm，內(nèi)部輸送壓力5.02MPa。煤粉氣流在輸送過程中與管路存在摩擦，容易將管壁磨穿，形成小孔，泄漏面積按0.5cm2計(jì)算。由于管路內(nèi)為高壓，會(huì)造成煤粉泄漏，形成煤塵云或造成煤粉堆積。根據(jù)小孔泄漏模型計(jì)算煤粉泄漏量為Qm＝2.27 kg／s。

3）旋轉(zhuǎn)給料閥下方橡膠膨脹節(jié)泄漏

旋轉(zhuǎn)給料閥位于煤粉收集器灰斗與橡膠膨脹節(jié)之間。旋轉(zhuǎn)給料閥有獨(dú)立的設(shè)計(jì)工作能力，為17～18.5t／h，切斷了煤粉儲(chǔ)倉(cāng)與橡膠膨脹節(jié)直接連通，從而泄漏量會(huì)大大降低。橡膠膨脹節(jié)位于旋轉(zhuǎn)給料閥下方1m處，假定橡膠磨損或撕裂小孔的面積為1cm2，根據(jù)泄漏模型計(jì)算，煤粉泄漏量為 Qm＝0.21kg／s。

2.3 煤粉泄漏危險(xiǎn)源分析

通過泄漏模型計(jì)算，對(duì)五個(gè)危險(xiǎn)位置的煤粉泄漏量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。圖2中a、b、c、d、e分別代表了煤粉收集器防爆板泄漏、粉煤倉(cāng)頂部防爆板泄漏、粉煤倉(cāng)錐部橡膠膨脹節(jié)泄漏、輸煤管線泄漏、旋轉(zhuǎn)給料閥下方橡膠膨脹節(jié)泄漏。

通過對(duì)比可知，煤粉收集器防爆板和輸煤管線磨損泄漏要明顯高于其他泄漏源，這是因?yàn)樾孤┌迕娣e大、氣流中煤粉含量高，而輸煤管線內(nèi)部壓力高、介質(zhì)堆密度大。所以，影響煤粉泄漏量的主要因素為內(nèi)部壓力、煤粉密度、泄漏面積等。

3 煤粉泄漏擴(kuò)散防治措施

煤化工企業(yè)煤制油項(xiàng)目泄漏危險(xiǎn)位置較多，且不能完全消除。泄漏的煤粉在局部空間極易形成煤塵云，存在發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，而泄漏堆積的煤粉時(shí)間過長(zhǎng)可能發(fā)生自燃［5］。因此，需要在煤粉泄漏的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并采取一定的措施，將泄漏危險(xiǎn)扼制在初始狀態(tài)。

1）人工清掃

對(duì)于一般泄漏危險(xiǎn)源，如皮帶輸送機(jī)區(qū)域，原煤倉(cāng)區(qū)域、檢修口位置等位置。由于泄漏量不大，或能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成較大危害?？梢栽诎l(fā)生泄漏后及時(shí)將沉積的煤粉清掃干凈，避免形成煤塵云或造成煤粉堆積。針對(duì)泄漏位置采取處置措施，消除隱患。

2）粉塵濃度傳感器監(jiān)測(cè)

由于煤化工系統(tǒng)工藝中存在多個(gè)嚴(yán)重或不可控泄漏危險(xiǎn)點(diǎn)，需要在危險(xiǎn)泄漏位置安設(shè)煤粉濃度傳感器，對(duì)環(huán)境中煤塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。煤塵濃度傳感器能夠全覆蓋所有危險(xiǎn)位置，環(huán)境適用性強(qiáng)，彌補(bǔ)監(jiān)控及人員巡檢的缺失。

粉塵濃度傳感器信號(hào)可以接入監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境中煤塵濃度超限后輸出報(bào)警信號(hào)給監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在第一時(shí)間采取適當(dāng)措施防止煤粉擴(kuò)散。

3）水霧噴淋裝置

水霧噴淋是一般情況煤粉泄漏后防止擴(kuò)散的最有效措施之一，能有效降低煤粉在空氣中的濃度，同時(shí)降低設(shè)備表面溫度，防止附著的煤粉發(fā)生自燃就爆炸事故。

水霧噴淋裝置主要由消防水系統(tǒng)、增壓泵、過濾器、電動(dòng)開關(guān)、壓力表、噴頭等組成。當(dāng)發(fā)生煤粉泄漏后，水霧噴淋裝置在短時(shí)間內(nèi)快速噴灑細(xì)水霧，防止粉塵擴(kuò)散及爆炸危害發(fā)生。水霧噴淋裝置的保護(hù)范圍、供給強(qiáng)度、噴嘴布置依據(jù)GB50219《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)及安裝。

4）定期檢測(cè)及更換

利用超聲波測(cè)厚儀或超聲波探傷儀對(duì)易磨損管線及膨脹節(jié)進(jìn)行磨損、腐蝕檢測(cè)是一種準(zhǔn)確有效的方法。系統(tǒng)中易磨泄漏位置主要包括煤粉輸送管線、磨煤機(jī)落煤管、氣力輸送系統(tǒng)管線、返煤輸送管線、橡膠膨脹節(jié)等?，F(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)管線易磨損位置及管線的彎管處定期進(jìn)行厚度檢測(cè)，對(duì)焊接處定期探傷檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到磨損嚴(yán)重時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行更換。

4 結(jié)語(yǔ)

以煤化工煤粉制備工藝過程為研究對(duì)象，測(cè)試分析了煤化工所用煤粉的爆炸危險(xiǎn)特性，煤粉粒徑小、揮發(fā)分高，更容易發(fā)生自燃或爆炸。采用混合氣體泄漏模型、小孔泄漏模型，對(duì)重要泄漏危險(xiǎn)位置的進(jìn)行了計(jì)算分析。對(duì)系統(tǒng)工藝中存在的煤粉泄漏及擴(kuò)散危險(xiǎn)提出了防治措施，為煤化工煤粉泄漏危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)控制提供了有效措施。