煤直接液化廠煤粉危險分析與風(fēng)險管控

高宇龍 李遜 展宗紅 張安明 吳瓊

(1.中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209；2. 中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266580)

0 引言

為解決目前石油供不應(yīng)求的問題，結(jié)合我國“富煤，少油，有氣”的能源特征，我國發(fā)展了煤制油技術(shù)[1-2]。神華鄂爾多斯煤直接液化項(xiàng)目是我國也是世界上第一個煤炭直接液化商業(yè)性建設(shè)項(xiàng)目，它以煤炭作為原料，通過化學(xué)加工過程，使其轉(zhuǎn)化為分子量比原煤低，H/C原子比原煤高的汽油、柴油、液化石油氣等液態(tài)烴類燃料和高附加值化工產(chǎn)品[3]。在原料煤加工階段，需要將煤塊研磨成煤粉，且在操作過程中極易形成煤粉塵聚集，一旦遇到點(diǎn)火源則會發(fā)生爆炸，造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失與惡劣的社會影響。作者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，針對神華鄂爾多斯煤制油分公司液化先期項(xiàng)目中存在的煤以及煤粉塵危害性進(jìn)行分析和探討，并制定了有針對性的治理措施，以達(dá)到防止煤粉塵發(fā)生燃燒火爆炸的目的。

1 煤直接液化煤粉性質(zhì)

1.1 洗選后精煤和原煤工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析是指包括煤的水分(M)、灰分(A)、揮發(fā)分(V)和固定碳(FC)4個分析項(xiàng)目指標(biāo)檢測的總稱。煤的工業(yè)分析是了解煤質(zhì)特性的主要指標(biāo)，也是評價煤的經(jīng)濟(jì)價值的基本依據(jù)[4]。神華鄂爾多斯煤制油分公司煤液化先期工程煤制油項(xiàng)目主要原料來自神華集團(tuán)神東公司上灣3號煤。項(xiàng)目涉及到煤及煤粉的單元有煤氣化、備煤、催化劑制備3個單元，其中煤氣化裝置主要原料為原煤(高硫煤)，煤液化備煤裝置主要原料為洗選后精煤(煤泥)，催化劑制備裝置主要原料為洗選后精煤(煤泥)。依據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)[5]，對項(xiàng)目所用煤的工業(yè)分析結(jié)果如表1。

表1 原料煤工業(yè)分析 %

1.2 煤粉燃燒及爆炸數(shù)據(jù)分析

1.2.1 煤粉自燃傾向分析

煤自燃也稱煤炭自燃，是煤不經(jīng)過點(diǎn)燃過程、自發(fā)著火的一種現(xiàn)象。煤是一種由多種官能團(tuán)、多種化學(xué)鍵組成的有機(jī)大分子，所有的煤種都有自熱的屬性，當(dāng)自熱積累的熱量超過散失的熱量時，就會發(fā)生自發(fā)燃燒[6]。當(dāng)煤被破碎成細(xì)小顆粒后，表面積大大增加，氧化能力顯著增強(qiáng)，受熱時單位時間內(nèi)能夠吸收更多的熱量，在較低的溫度(300～400 ℃)時，就能放出大量的可燃性氣體，聚集于塵粒的周圍。這類可燃性氣體一經(jīng)與空氣混合便在高溫作用下吸收能量，形成一定數(shù)量的活化中心。如果這時氧化反應(yīng)放出的熱量能夠有效地傳播給附近的煤粉塵，這些煤粉塵也就迅速變熱分解，跟著燃燒起來。此種過程連續(xù)不斷地進(jìn)行，氧化反應(yīng)越來越快，溫度越來越高，活化中心越來越多，達(dá)到一定程度時，便由燃燒發(fā)展為爆炸。

煤的自燃傾向性是指煤在常溫下氧化能力的內(nèi)在屬性，可以通過對煤的吸氧量測定，來判定煤層自燃傾向性的大小[7]。煤自燃發(fā)火期是煤從常溫緩慢氧化、自熱升溫到加速氧化臨界溫度所需的時間，是評價煤體自燃發(fā)火危險性大小的指標(biāo)之一[8]。通過差式掃描量熱法(DSC)測定煤粉塵的比熱、升溫,氧化實(shí)驗(yàn)確定煤樣加速氧化臨界溫度，以升溫氧化實(shí)驗(yàn)中氣體產(chǎn)物的濃度變化計(jì)算煤樣的放熱速率，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型解算實(shí)驗(yàn)煤樣的最短自燃發(fā)火期[9]。

通過對現(xiàn)場煤樣的自燃傾向性測試與最短發(fā)火期實(shí)驗(yàn)，依據(jù)GB/T 20104—2006中自燃傾向分類標(biāo)準(zhǔn)[7]，得到煤泥的吸氧量為0.78 cm3/g，屬于Ⅰ類容易自燃，最短發(fā)火期為39 d；高硫煤的氧吸收量為0.44 cm3/g，屬于Ⅱ類自燃，最短發(fā)火期為67 d，見表2。

表2 煤樣干燥無灰基揮發(fā)分Vd>18%時自燃傾向性分類

1.2.2 煤粉爆炸特性數(shù)分析

煤粉塵爆炸必須具備下列5個條件：①煤粉塵本身具有爆炸性，煤粉塵的爆炸性與揮發(fā)分含量有關(guān)，同樣情況下，揮發(fā)分含量高的煤，爆炸性強(qiáng)；②煤粉塵懸浮于空氣中并達(dá)到一定濃度；③有足夠的氧氣濃度；④有一個能點(diǎn)燃煤粉塵爆炸的高溫?zé)嵩?；⑤處于密閉或半密閉的有限空間內(nèi)[10]。煤粉塵爆炸可放出大量熱能，爆炸火焰溫度高達(dá)1 600～1 900 ℃，使周圍的壓力急劇上升，造成人員傷亡和設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p失。并且煤粉一旦發(fā)生爆炸，環(huán)境氣體中會產(chǎn)生大量的CO，非常容易導(dǎo)致人員CO中毒。

粉塵爆炸的危險性一般通過爆炸特性參數(shù)來表征，描述粉塵爆炸的參數(shù)可分為：①爆炸敏感性參數(shù)：粉塵層最低著火溫度(TIL)、粉塵云最低著火溫度(TIC)、粉塵云最小點(diǎn)火能量(Emin)、粉塵云爆炸下限濃度(Cmin)；②爆炸強(qiáng)度參數(shù)：粉塵云最大爆炸壓力(Pmax)、粉塵云最大爆炸壓力上升速率((dp/dt)max)、爆炸指數(shù)(Kst)[11]。

通過對現(xiàn)場煤樣的爆炸特性參數(shù)分析，所有煤樣的Kst均大于40 (MPa·m)/s，危險等級都屬于Ⅲ級，爆炸非常強(qiáng)烈，見表3。另外，煤粉塵的粒徑大小對爆炸有著很大的影響，由于煤粉塵爆炸的危險性隨粒度的減小而迅速增加，75 μm以下的煤粉塵，特別是30～75 μm的煤粉塵爆炸性最強(qiáng)[12]。液化項(xiàng)目中，煤液化備煤煤粉粒徑小于200 μm，其中d≤100 μm占89%以上；催化劑制備煤粉粒徑小于45 μm占比大于45%；煤氣化煤粉粒徑d≤90 μm占比大于90%。所以煤制油的煤粉爆炸危險性大，其中煤液化催化劑制備單元煤粉中含有納米級水合氧化鐵，煤粉的活性要高于其他煤粉的活性，催化劑制備的煤粉著火爆炸的風(fēng)險是非常巨大的[13]。

表3 煤樣燃燒與爆炸特性參數(shù)測試

2 煤粉生產(chǎn)過程中的危險分析和管控措施

2.1 煤粉系統(tǒng)生產(chǎn)場所

煤液化備煤單元、煤氣化單元兩個單元均采用敞開式框架，在發(fā)生煤粉塵爆炸時有足夠的泄爆空間，達(dá)到危險濃度的幾率較小。煤液化催化劑單元為封閉式框架，在煤粉系統(tǒng)中容易造成煤粉的積聚，煤粉泄漏后不容易擴(kuò)散[14]。若遇見點(diǎn)火源，在局部易發(fā)生著火爆炸，并且發(fā)生爆炸時沒有足夠的泄爆口，極易沖擊框架，容易造成垮塌，所以煤液化廠主要煤粉塵防爆重點(diǎn)為采用封閉框架的煤液化催化劑單元。

在對封閉式框架煤液化催化劑制備單位進(jìn)行危害分析時，發(fā)現(xiàn)煤液化催化劑制備單元的一段干燥及二段干燥布袋收塵器及煤粉倉爆破片均設(shè)置在室內(nèi)，且布袋收塵器爆破片泄爆口也設(shè)置在室內(nèi)。如果布袋收塵器爆破片泄爆或超壓爆開時，將導(dǎo)致布袋收塵器內(nèi)的煤粉擴(kuò)散到室內(nèi)，將煤粉塵爆炸的危險轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，沒有從本質(zhì)上起到煤塵防爆的措施，反而有引起室內(nèi)煤塵爆炸甚至二次爆炸的危險。

針對該項(xiàng)問題，煤液化廠在2009年及2010年將催化劑制備單元所有室內(nèi)爆破片泄爆口接封閉管道引到室外，爆破片一旦爆開泄壓，系統(tǒng)內(nèi)的煤粉將會從泄爆口外接管道排到大氣，降低了煤塵在局部積聚和擴(kuò)散的危害，從本質(zhì)上降低了煤塵爆炸發(fā)生的風(fēng)險。其次在煤液化催化劑制備框架中可能存在有煤粉泄漏的區(qū)域設(shè)置有粉塵分析儀，可以在控制室在線監(jiān)測，如發(fā)生泄漏可以立即監(jiān)控到，由生產(chǎn)人員進(jìn)行控制處理。

2.2 煤粉儲倉

鄂爾多斯煤制油分公司的原煤(精煤)、煤粉主要分布在煤液化備煤單元、煤液化催化劑制備單元、煤制氫、煤液化煤漿配置單元。其中比較大的煤倉有煤液化備煤精煤倉6個(520 m3/個)，催化劑制備干煤粉催化劑儲倉1個(φ7 250 mm×15 000 mm)、催化劑單元干煤粉倉3個(φ7 620 mm×7 620 mm/個)、煤氣化單元碎煤倉 4個(920 m3/個)、煤氣化制氫煤粉倉4個(253 m3/個)、飛灰儲倉2個(387 m3/個)、催化劑儲倉3個(140 m3/個)、催化劑用煤儲倉2個(1 044 m3/個)。

在煤液化原煤倉、精煤倉和煤粉倉頂部均設(shè)有布袋除塵器，布袋除塵器設(shè)備本體設(shè)有爆破片，對原煤、精煤及煤粉進(jìn)倉時產(chǎn)生的飛揚(yáng)煤粉進(jìn)行降塵處理，最大程度減少煤塵飛揚(yáng)，降低空間內(nèi)煤塵濃度，并且整個系統(tǒng)保持氮封狀態(tài)。在正常停車過程中要求倉內(nèi)不存任何煤，在非正常停車時，倉內(nèi)如有積煤，倉內(nèi)設(shè)有的補(bǔ)氮管線，可對倉內(nèi)進(jìn)行惰化處理，防止煤粉自燃。以圖1精煤倉為例，精煤倉煤粉惰化工藝主要涉及3處惰化過程：①洗精煤由皮帶輸出機(jī)進(jìn)入到精煤倉時會有小部分煤粉飄揚(yáng)，為了防止煤粉在煤倉內(nèi)揚(yáng)塵，在精煤倉頂部設(shè)有外濾式布袋除塵器，反吹系統(tǒng)使用1-氮?dú)?0.45 MPa)，在精煤倉內(nèi)維持惰性環(huán)境。②在精煤倉中部設(shè)有消防用6-氮?dú)猓坏┚簜}內(nèi)出現(xiàn)自燃或溫度超限等現(xiàn)象，通入應(yīng)急用氮?dú)膺M(jìn)行惰化保護(hù)。③洗精煤通過稱重給煤機(jī)進(jìn)入到中速磨內(nèi)，稱重給煤機(jī)設(shè)備本體設(shè)有應(yīng)急用7-氮?dú)猓瑢D(zhuǎn)動部分氮封保護(hù)，形成惰性氣氛環(huán)境。

1—氮?dú)獯祾撸?—袋濾器清掃系統(tǒng)；3—排氣；4—精煤；5—精煤倉；6—精煤倉氮?dú)庋a(bǔ)入；7—稱重給煤機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)；8—精煤(268 ℃，3 kPa)圖1 精煤倉惰化工藝示意

另外煤制油廠依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范制定了相應(yīng)的煤及煤粉生產(chǎn)使用儲存安全管理制度：①在煤倉內(nèi)有積煤時，每班8 h/次，對倉頂進(jìn)行CO分析檢測，監(jiān)控倉內(nèi)自燃情況。②在洗精煤和原煤筒倉長時間在對煤倉的防火防爆上采取本安設(shè)計(jì)、在線檢測、工藝控制、加強(qiáng)管理四個方面進(jìn)行管控。

2.3 皮帶輸送系統(tǒng)

皮帶輸送單元共有14條皮帶，原煤及精煤通過皮帶輸送到煤液化單元、煤氣化單元作為原料使用。皮帶輸送系統(tǒng)主要危害為機(jī)械傷害、煤粉自燃及煤塵爆炸。

在消防方面，皮帶輸送系統(tǒng)設(shè)有煙感報(bào)警系統(tǒng)及消防水噴淋系統(tǒng)，在除塵方面每條皮帶均設(shè)有霧化除塵系統(tǒng)，在輸送煤時啟動霧化除塵系統(tǒng)，能有效地對輸送過程中產(chǎn)生的煤粉進(jìn)行降塵。另外皮帶輸送單元專門設(shè)有清理煤粉的外委隊(duì)伍，每日對皮帶廊的煤進(jìn)行清理。2012年分公司將皮帶廊粉塵治理作為集團(tuán)公司級隱患進(jìn)行治理，將皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)的導(dǎo)料槽改為無動力全封閉的導(dǎo)料槽。

2.4 煤粉制備過程設(shè)施

2.4.1 中速磨、球磨機(jī)煤粉制備過程設(shè)施

中速磨、球磨機(jī)均是在熱惰性氣體環(huán)境下對煤塊進(jìn)行研磨，并進(jìn)一步分離出合格煤粉，干燥機(jī)是在熱惰性氣體環(huán)境下對催化劑濾餅進(jìn)行干燥。如圖2所示，由于磨煤干燥系統(tǒng)溫度較高，惰性氣流進(jìn)入磨煤機(jī)的進(jìn)口溫度在300 ℃左右，排出磨機(jī)的溫度為105～130 ℃。在 磨煤機(jī)運(yùn)行時，磨煤過程中可能引起溫度升高，存在潛在煤粉燃爆危險。在煤粉收集器處向設(shè)備泄漏空氣現(xiàn)象時有發(fā)生，如氧濃度過高，煤粉易自燃，屬于潛在燃爆危險源。

1—碎煤倉；2—稱重給煤機(jī)；3—旋轉(zhuǎn)分離器；4—磨煤機(jī)；5—煤粉收集器；6—煤粉旋轉(zhuǎn)給料機(jī)；7—循環(huán)風(fēng)機(jī)；8—熱風(fēng)爐；9—燃燒空氣風(fēng)機(jī)圖2 磨煤干粉系統(tǒng)惰化工藝示意

為了保證該系統(tǒng)安全運(yùn)行，干燥系統(tǒng)使用熱惰性氣體，系統(tǒng)嚴(yán)格控制氧含量(體積分?jǐn)?shù)不超過8%)及一氧化碳含量，并對系統(tǒng)氧含量及一氧化碳進(jìn)行在線監(jiān)測，在熱風(fēng)爐與磨煤機(jī)之間的惰性氣體管道上和煤粉收集器出口管道上設(shè)置一套氧氣監(jiān)測系統(tǒng)，如檢測到氧含量超過控制要求值，即刻開啟補(bǔ)氮管線上流量控制閥，以控制整個磨煤干燥系統(tǒng)的氧濃度在安全允許范圍之內(nèi)。設(shè)備本體或設(shè)備入口處均設(shè)有消防氮?dú)?，在磨機(jī)或干燥機(jī)內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)時可以迅速投入滅火。干燥系統(tǒng)嚴(yán)格控制干燥溫度，溫度設(shè)有報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)。在正常停車時，磨機(jī)及干燥機(jī)內(nèi)積料全部清理干凈，防止煤及煤粉自燃，在非正常停車時，對整個干燥系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)，控制系統(tǒng)氧含量。

2.4.2 煤粉制備過程布袋收塵器設(shè)施

布袋收塵器為外濾型，煤粉過濾在布袋外面，通過脈沖氣流進(jìn)行反吹，使煤粉從布袋外脫離。為防止附著在布袋的煤塵積聚、氧化燃燒，進(jìn)而發(fā)展成爆炸，采取了以下措施：①布袋倉設(shè)有足夠面積的爆破片，當(dāng)布袋倉內(nèi)發(fā)生煤粉爆炸時，有足夠的泄爆面積，將布袋倉內(nèi)壓力泄出，達(dá)到保護(hù)目的；②布袋倉體設(shè)有消防氮?dú)獠⑴cCO含量聯(lián)鎖，當(dāng)布袋倉內(nèi)CO含量高報(bào)警時，消防氮?dú)忾y門自動打開補(bǔ)氮；③布袋倉設(shè)有多個溫度計(jì)，當(dāng)局部出現(xiàn)自燃時，可以及時進(jìn)行監(jiān)控；④布袋收塵器應(yīng)采用抗靜電濾袋，收塵器外殼直接接地；⑤布袋收塵器設(shè)有高料位報(bào)警，防止布袋收塵器倉內(nèi)積聚煤粉。

2.4.3 煤粉制備過程輸送設(shè)施

煤粉在管道高速流動，與管道壁發(fā)生劇烈的、頻繁的摩擦與碰撞，其表面上帶有的靜電量也不斷增多，在適當(dāng)?shù)臈l件下會產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電，從而點(diǎn)燃煤粉引發(fā)爆炸。所以在輸送過程主要以靜電保護(hù)為主。

目前項(xiàng)目中采取的保護(hù)措施有：①在煤粉生產(chǎn)的進(jìn)料處，安裝能除去混入煤中鐵質(zhì)雜物的電磁鐵，防止鐵質(zhì)雜物與設(shè)備碰撞產(chǎn)生火花引燃煤粉；②所有輸粉管道采用金屬或抗靜電材料制成；③輸送管道直接接地，靜電接地電阻應(yīng)不大于100 Ω，輸送管道的接頭之間用導(dǎo)體跨接，輸送設(shè)備與管道均采用金屬波紋管連接；④輸送設(shè)備均設(shè)有保護(hù)氮?dú)?，在設(shè)備內(nèi)形成惰性環(huán)境；⑤氣力輸送系統(tǒng)氣源采用高純度氮?dú)?，在設(shè)備投入運(yùn)行和開工之前對設(shè)備及管道均做氣密實(shí)驗(yàn)，氣密合格后方可投入。

2.5 煤粉制備過程設(shè)施及其他管控措施和主要技術(shù)參數(shù)的確定

在制粉過程中，煤直接液化廠氣化制粉、液化制粉及催化劑一段干燥和二段干燥均為熱惰性氣體干燥，在干燥過程中用燃料氣燃燒加熱與循環(huán)其他混合生成熱惰性氣體，由于干燥和研磨在同一設(shè)備內(nèi)完成，在整個系統(tǒng)保持惰性環(huán)境，控制系統(tǒng)氧體積分?jǐn)?shù)為8%。在布袋收塵器出口設(shè)置一氧化碳分析儀在線監(jiān)測與一氧化碳報(bào)警和聯(lián)鎖控制，當(dāng)一氧化碳到達(dá)聯(lián)鎖值時，系統(tǒng)補(bǔ)氮閥門自動打開，進(jìn)行補(bǔ)氮。

在設(shè)計(jì)上，由于催化劑是用煤來作為載體，納米級羥基氧化鐵附著在表面，因而催化劑煤粉活性要大于其他煤粉。依據(jù)測試報(bào)告，催化劑載體煤粉TIC均要小于煤液化備煤和煤氣化備煤的煤粉，從安全角度考慮對在干燥系統(tǒng)氧含量控制進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為控制系統(tǒng)氧體積分?jǐn)?shù)為6%以下。

針對煤粉管理，鄂爾多斯煤制油分公司制定了《煤及煤粉安全管理規(guī)定》，對煤制油分公司煤及煤粉的生產(chǎn)儲存運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)行安全方面規(guī)定。編制可行的煤粉塵泄漏應(yīng)急處理預(yù)案，在原有的分公司應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前的生產(chǎn)特點(diǎn)修訂了煤粉泄漏應(yīng)急預(yù)案，并進(jìn)行演練，根據(jù)演練情況，驗(yàn)證煤粉塵泄漏應(yīng)急預(yù)案的執(zhí)行性及可操作性，并對應(yīng)急預(yù)案加以完善。

3 結(jié)論

針對煤粉管控，神華鄂爾多斯煤制油分公司對煤及煤粉的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)戎饕h(huán)節(jié)的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行安全技術(shù)及管理等各方面的規(guī)定。根據(jù)大量的測試數(shù)據(jù)和結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際深入的分析研究，神華鄂爾多斯煤制油分公司在煤粉的治理與防范方面取得了一定的成效，對我國煤炭直接液化煤粉著火爆炸管控起到引導(dǎo)作用。