石油焦煅燒生產(chǎn)過程粉塵防爆研究

徐文廣

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

2014 年8 月2 日，江蘇省某金屬制品公司發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，造成人員及財產(chǎn)的巨大損失，社會影響較大[1]。該事故的發(fā)生，讓國內(nèi)涉及粉塵爆炸行業(yè)引起不小震動。為了消除事故隱患，本文選取國內(nèi)碳素行業(yè)較為普遍的石油焦煅燒工藝，對其生產(chǎn)過程產(chǎn)生的粉塵性質(zhì)進(jìn)行研究，以了解其爆炸性能，便于采取有針對性的措施，防止類似事故發(fā)生。

石油焦煅燒工藝是引進(jìn)美國美卓（METSO）煅燒工藝，整個生產(chǎn)過程包括原料輸送系統(tǒng)、煅燒系統(tǒng)、成品輸送系統(tǒng)和成品包裝4 個系統(tǒng)。其中原料輸送系統(tǒng)和成品輸送系統(tǒng)產(chǎn)生粉塵較大，文中將作詳細(xì)介紹。

1 石油焦及煅后焦粉塵爆炸特性

1.1 爆炸性測試結(jié)果

為了研究原料輸送系統(tǒng)和成品輸送系統(tǒng)粉塵爆炸的危險性，分別選取原料和成品輸送皮帶廊中懸浮后又沉降下來的粉塵顆粒作為樣品，用專業(yè)分析設(shè)備進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

1.2 結(jié)果分析

1.2.1 爆炸敏感度分析

1）石油焦爆炸下限較低，和玉米淀粉相當(dāng)，表明該樣品容易形成爆炸性粉塵環(huán)境；煅后焦爆炸下限較高，相對穩(wěn)定。

2）石油焦和煅后焦最小點火能均超過1 000 mJ，大約是煙煤粉塵的10 倍，靜電引燃的敏感性較低。

3）石油焦和煅后焦粉塵云最低著火溫度較高，不易被熱表面引燃；而石油焦粉塵層悶燃溫度較低，為280 ℃，和煙煤接近，表明堆積的石油焦粉塵容易被發(fā)熱表面引燃。煅后焦粉塵層悶燃溫度＞400 ℃，相對較高，不容易被發(fā)熱表面引燃。

1.2.2 爆炸猛度分析

石油焦粉塵的最大爆炸壓力為0.8 MPa（修正后），該值和煙煤、玉米淀粉最大爆炸壓力接近，屬于較猛烈的粉塵，具有很大的破壞性；煅后焦的最大爆炸壓力為0.49 MPa，猛度中等[2]。

2 石油焦生產(chǎn)線粉塵爆炸風(fēng)險分析

本文涉及的粉塵爆炸風(fēng)險分析指的是發(fā)生粉塵爆炸的可能性分析。

2.1 粉塵爆炸發(fā)生的條件

發(fā)生粉塵爆炸必須具備5個條件[3]，即“爆炸五邊形”，包括：

1）可燃粉塵，糧食、煤炭、石油焦粉塵等均屬可燃粉塵。

2）氧氣是助燃性氣體，但氧氣低于支持粉塵爆炸的最低氧濃度“極限氧濃度(LOC)”時，就很難發(fā)生粉塵爆炸了。

3）粉塵呈云狀態(tài)，只有粉塵被揚起呈懸浮狀態(tài)并與空氣充分混合時才能發(fā)生爆炸。石油焦生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生粉塵云的地點很多，比如各皮帶轉(zhuǎn)運落料點、煅前倉、成品倉，各個除塵系統(tǒng)管道及除塵器內(nèi)部等等。

表1 石油焦/煅后焦粉塵參數(shù)及測試結(jié)果

4）點火源，石油焦煅燒生產(chǎn)系統(tǒng)可能的點火源有熱表面、明火、機(jī)械火花、絕熱壓縮、自燃、電弧和靜電放電。

5）空間的相對密閉性。生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部，如全封閉的破碎機(jī)、除塵器、料倉，半封閉的皮帶機(jī)廊道、轉(zhuǎn)運塔也算相對密閉空間。

在石油焦煅燒生產(chǎn)過程中，可燃粉塵和氧氣是一直存在的，粉塵爆炸風(fēng)險分析主要考慮其他3 個條件，即粉塵懸浮、點火源、空間相對密閉同時出現(xiàn)的情況。

為了便于認(rèn)識粉塵爆炸風(fēng)險的大小，根據(jù)爆炸性粉塵云出現(xiàn)的頻率和存在的時間，結(jié)合可能出現(xiàn)的引燃源情況，綜合分析工藝制程的粉塵爆炸風(fēng)險。將風(fēng)險由小到大依次分為：極低、低、一般、較高、高5 個層次，各級別風(fēng)險對應(yīng)的整改措施要求見表2。

2.2 主要工藝設(shè)備風(fēng)險分析

2.2.1 雙輥式破碎機(jī)

石油焦原料經(jīng)過破碎機(jī)破碎為100 mm 以內(nèi)的小塊物料。來料水份含量平均在14%～15%，濕度較大，破碎機(jī)內(nèi)一般不會形成爆炸性粉塵云。但在干燥時，如水份10%以下，機(jī)內(nèi)會形成爆炸性粉塵環(huán)境；破碎機(jī)進(jìn)料口前增設(shè)了電磁除鐵器、金屬探測器等，可以去除大硬度的磁性金屬，有效避免金屬雜物在粉碎機(jī)內(nèi)引起的機(jī)械摩擦、撞擊火花，但對于非磁性金屬、木塊、石塊等雜質(zhì)，無法排除。破碎機(jī)驅(qū)動電機(jī)為非防爆電機(jī)，外殼防護(hù)等級為IP54，可以起到一定的防塵作用，但對設(shè)備表面最高溫度沒有要求，不具備嚴(yán)格的防爆功能。

表2 風(fēng)險級別及響應(yīng)措施

綜上，破碎機(jī)內(nèi)空間體積狹窄，原料濕度大，不易形成爆炸性粉塵云，破碎機(jī)內(nèi)發(fā)生爆炸的風(fēng)險一般。

2.2.2 原料帶式輸送機(jī)

原料輸送系統(tǒng)共有5 條皮帶。其中最短為6.9 m，最長為168.1 m。帶式輸送機(jī)均采用敞開式作業(yè)，沒有封閉空間，不具備發(fā)生粉塵爆炸的必備條件，所以很難形成爆炸性粉塵環(huán)境。但帶式輸送機(jī)的頭部或尾部，會形成大量粉塵堆積，增加了建筑物內(nèi)形成爆炸性粉塵環(huán)境的風(fēng)險。由于皮帶跑偏、過載打滑、托輥軸承失效且報警措施失效的情況下，可能引起皮帶或石油焦粉著火，或許成為下一工序發(fā)生粉塵爆炸的引燃源。

綜上，帶式輸送機(jī)及所在長廊發(fā)生粉塵爆炸的風(fēng)險低。

2.2.3 袋式除塵器

石油焦原料儲運工藝共有袋式除塵器4 臺。袋式除塵器是發(fā)生粉塵爆炸頻率最高的工藝設(shè)備之一。其原因是，專用于收集系統(tǒng)內(nèi)粒徑很小的飄塵，通常是微米級別，爆炸敏感度高；除塵器采用脈沖反吹方式清灰，在噴吹瞬間，布袋上粘結(jié)的大量粉塵會被揚起，甚至將除塵器底部灰斗上積累的粉塵卷揚起來，從而達(dá)到爆炸極限，形成爆炸性粉塵環(huán)境。袋式除塵器里的點火源可能有脈沖反吹產(chǎn)生的靜電放電、粉塵自燃、從生產(chǎn)工藝方向傳播過來的火源等。石油焦輸送系統(tǒng)所有袋式除塵器均未開設(shè)泄爆口，袋式除塵器一旦發(fā)生爆炸，壓力波和火焰會反向傳播至工藝設(shè)備，甚至引發(fā)廠房內(nèi)的系統(tǒng)爆炸。

綜上，石油焦輸送系統(tǒng)袋式除塵器發(fā)生粉塵爆炸的風(fēng)險為較高。

2.3 煅后焦輸送系統(tǒng)粉塵爆炸風(fēng)險分析

石油焦原料經(jīng)回轉(zhuǎn)窯煅燒成熟焦后，揮發(fā)份得以去除，化學(xué)性質(zhì)比煅前生焦穩(wěn)定得多，所以著火敏感性和爆炸猛度都遠(yuǎn)低于石油焦。

從爆炸下限數(shù)據(jù)200 ～250 g/m3來看，只有部分設(shè)備內(nèi)部才會達(dá)到這個濃度，如果遇到1 J 以上的強(qiáng)點火源，有發(fā)生爆炸的可能性，但風(fēng)險極低。

3 防爆措施及建議

通過系統(tǒng)分析石油焦和煅后焦的爆炸特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)石油焦粉塵靜電引燃的敏感度較低，但對熱表面引燃比較敏感，一旦發(fā)生爆炸，最大爆炸壓力具有嚴(yán)重的破壞作用。煅后焦無論是敏感性還是爆炸嚴(yán)重度都遠(yuǎn)低于石油焦，最大爆炸壓力約為石油焦的一半，且煅后焦爆炸下限參數(shù)較高，建筑物內(nèi)很難達(dá)到爆炸濃度水平。

石油焦煅燒生產(chǎn)線粉塵爆炸風(fēng)險主要集中在加工及轉(zhuǎn)運工藝過程。依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)狀況，該生產(chǎn)過程整體粉塵爆炸風(fēng)險水平一般，但部分設(shè)備風(fēng)險較高，主要集中在石油焦輸送和儲存場所，需要改造和加強(qiáng)安全管理。

總體上，以減少事故發(fā)生可能性和降低后果嚴(yán)重度為出發(fā)點，從技術(shù)角度和管理角度進(jìn)行粉塵爆炸防控。

從技術(shù)角度應(yīng)采取的防控措施[4]，需盡可能向本質(zhì)安全靠攏，依據(jù)場所的風(fēng)險高低將破碎樓、煅前倉、石油焦轉(zhuǎn)運站除塵器、包裝樓除塵器等的電氣設(shè)備更換為符合國標(biāo)的電氣設(shè)備，如Ex tDA20、Ex iaD等防爆型式，將原料輸送皮帶頭部周圍1 m 范圍內(nèi)的電氣設(shè)備更換為Ex tDA21、Ex ibD 或以上防爆型式的電氣設(shè)備，其余低風(fēng)險場所的電氣設(shè)備也相應(yīng)改為防塵爆型式，確保涉塵場所的電氣設(shè)備符合GB 12476.2—2010《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第2 部分：選型和安裝》要求的。

從管理角度應(yīng)采取的防控措施[4]，需從點火能量、粉塵云及粉塵層的形成方面入手，比如在高風(fēng)險場所增加紅外線探頭，監(jiān)控火源的進(jìn)入；建立定期清掃制度，有效控制設(shè)備熱表面粉塵云的形成；對除塵設(shè)備定期維護(hù)，確保除塵效果良好，有效抑制粉塵云的形成；定期檢查電氣設(shè)備、接地線路是否正常，防止因電氣設(shè)備防爆失效或靜電導(dǎo)出受阻產(chǎn)生的點火能量，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生；建立粉塵爆炸事故應(yīng)急預(yù)案并定期演練。

此外，可以考慮各建筑物之間通過輸送設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，如原料轉(zhuǎn)運站、破碎樓、破碎后轉(zhuǎn)運站之間的帶式輸送設(shè)備安裝火焰探測器，并與控制系統(tǒng)連鎖，實施報警和緊急停車功能可以有效控制火焰的傳播，防止發(fā)生系統(tǒng)爆炸或火災(zāi)風(fēng)險。

4 結(jié)語

通過對石油焦煅燒工藝生產(chǎn)煅后焦的過程和焦粉的特性分析可知，石油焦煅燒前的煅前倉、破碎樓、除塵器、輸送皮帶頭部等場所粉塵爆炸風(fēng)險較大，其余部位風(fēng)險較低；煅燒后各場所風(fēng)險普遍較低。從風(fēng)險防控措施看，將較高風(fēng)險場所的電氣更換為不低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的粉塵防爆電氣，輔以管理措施，如控制外來點火能量的產(chǎn)生、定期清掃、預(yù)案制定和演練等手段，粉塵爆炸風(fēng)險可以得到有效控制。