煤粉爆炸特性及吸污車消火泄壓技術(shù)研究

楊兵

(中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司 昆明 650215)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)煤鐵路專線上的列車在匯車及進(jìn)出隧道時(shí)產(chǎn)生的氣流會(huì)將車箱內(nèi)的煤粉卷出車廂，散落在鐵道床，煤粉在卷?yè)P(yáng)狀態(tài)下會(huì)遮擋列車駕駛員視線，遇點(diǎn)火源有發(fā)生煤塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

煤塵云在有足夠的點(diǎn)火能量和空氣存在時(shí)，將發(fā)生爆炸事故，造成重大危險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤粉爆炸危險(xiǎn)和預(yù)防、控制措施進(jìn)行了大量研究，肖翠微[1]研究了3種工業(yè)鍋爐典型用煤粉的爆炸特征參量和影響因素進(jìn)行分析；王亞軍等[2]分析了不同煤粉粒徑和質(zhì)量條件下，泡沫金屬抑制爆炸火焰性能的變化。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研究了煤粉等自動(dòng)清理除污技術(shù)和吸污車，法國(guó)研制了VAKTRAK09系列軌道吸污車，采用高速氣流吹、吸相結(jié)合的吸污原理[3]，但部分吹風(fēng)氣流存在逃逸現(xiàn)象；吸污效率不足；PEEL G等[4]采用視覺(jué)處理技術(shù)設(shè)計(jì)了碎片探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)廣泛的吸污測(cè)試提高了吸污車的性能和安全;劉良玉等[5]介紹了一種煤礦井下吸污車的功能及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。昆明中鐵機(jī)械集團(tuán)同樣采用吹吸結(jié)合原理研制了用于吸收鐵道床表面沉積粉塵的吸污車，吸除鐵道床表面的粉塵、碎片、微小石子等，對(duì)粒徑3 mm以下污物吸收率達(dá)到100%，保證了列車高速運(yùn)行的安全性[6]。史天亮[7]對(duì)鐵道床吸污車吸塵機(jī)理進(jìn)行了分析并運(yùn)用計(jì)算流體軟件對(duì)吹吸式吸污車吸塵裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了吸塵性能。網(wǎng)狀金屬材料具有阻隔爆炸火焰的作用，陳鵬、王凱全等[8-9]研究了不同層數(shù)、目數(shù)的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷-空氣爆炸火焰波運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

軌道煤粉吸污車對(duì)運(yùn)煤專線散落的細(xì)煤粉進(jìn)行收集，煤粉通過(guò)吸污車上的除塵系統(tǒng)過(guò)濾收塵。除塵系統(tǒng)內(nèi)煤粉濃度高，處于懸浮狀態(tài)，在摩擦火花或高溫等點(diǎn)火源產(chǎn)生時(shí)極容易發(fā)生粉塵爆炸危險(xiǎn)。本文基于煤粉的爆炸特性，研究運(yùn)煤專線吸污車的泄壓消火技術(shù)，研究了無(wú)火焰消火泄壓裝置，能有效減小煤粉爆炸發(fā)生后的破壞力及對(duì)外部環(huán)境的影響，避免二次爆炸的發(fā)生，為煤粉吸污車安全運(yùn)行，消除煤塵爆炸隱患或降低煤塵爆炸事故損失提供保障。

1 煤粉爆炸特性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

利用20 L粉塵爆炸特性實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鐵路專線隧道現(xiàn)場(chǎng)的煤粉進(jìn)行爆炸特征參數(shù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置主要由爆炸罐體、粉塵倉(cāng)、控制器、電磁閥、真空泵、儲(chǔ)氣倉(cāng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器等組成，實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 爆炸特性試驗(yàn)裝置示意

爆炸罐體為20 L近球形容器，儲(chǔ)氣倉(cāng)容積0.6 L；實(shí)驗(yàn)前在貯粉倉(cāng)內(nèi)放入一定質(zhì)量的細(xì)煤粉，向儲(chǔ)氣倉(cāng)內(nèi)充入2.1 MPa壓力的干燥空氣，使用真空泵將罐體內(nèi)的壓力抽真空至-60 kPa，電磁閥打開后，儲(chǔ)氣倉(cāng)內(nèi)的高壓空氣將煤粉噴撒至罐體內(nèi)，形成常壓條件均勻分布的粉塵云。控制器利用時(shí)序電路控制電磁閥打開和點(diǎn)爆的時(shí)間差，實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms，由爆炸測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器采集點(diǎn)火后罐體內(nèi)的壓力變化曲線。

煤粉爆炸特性實(shí)驗(yàn)材料為運(yùn)煤鐵路專線隧道內(nèi)煤粉，實(shí)驗(yàn)測(cè)試將原始煤樣進(jìn)行研磨、篩分處理，并在65 ℃、常壓條件下干燥5 h，處理后煤樣粒徑小于75 μm。煤粉工業(yè)性分析數(shù)據(jù)如表1所示，其中煤粉干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為35.38%。

表1 煤粉的工業(yè)性分析數(shù)據(jù)

按照GB/T 16426—1996 《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測(cè)定方法》[10]、GB/T 16425—2018《粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法》[11]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法分別進(jìn)行煤粉爆炸壓力特性、爆炸極限等參數(shù)測(cè)試。爆炸壓力實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火能量為10 kJ，爆炸極限實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火能量為2 kJ。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用20 L粉塵爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鐵道床隧道煤樣進(jìn)行了爆炸特性測(cè)試，爆炸下限濃度附近壓力變化曲線如圖2所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，煤粉是否發(fā)生爆炸的判定法則為：在特定質(zhì)量濃度，煤粉爆炸最大壓力值是否大于或等于0.15 MPa[11]。

圖2 爆炸下限濃度附近爆炸圧力曲線

粉塵云爆炸下限濃度C為：

C1

(1)

式中，C1為3次連續(xù)試驗(yàn)壓力均小于0.15 MPa表壓的最高粉塵濃度；C2為3次連續(xù)試驗(yàn)壓力均等于或大于0.15 MPa表壓的最低粉塵濃度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鐵道床實(shí)驗(yàn)煤粉的爆炸下限濃度為20 g/m3

通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了添加0～500 g/m3不同質(zhì)量濃度煤粉時(shí)爆炸圧力特性的變化。由圖3可知，隨著煤粉質(zhì)量濃度增加，爆炸最大壓力、最大壓力上升速率基本呈現(xiàn)出逐漸增加的變化趨勢(shì)，但兩者的最大值并沒(méi)有在同一濃度出現(xiàn)。煤粉的最大爆炸壓力Pmax為0.578 MPa、最大壓力上升速率(dP/dt)max為56.61 MPa/s。通過(guò)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)煤粉的爆炸指數(shù)Kmax為15.37 MPa·m/s。

圖3 爆炸最大壓力和壓力上升速率變化特性

2 煤粉吸污車爆炸危險(xiǎn)分析

煤粉吸污車主要由3節(jié)車組成，從前往后依次為動(dòng)力車、主吸車、側(cè)吸車。主吸車主要對(duì)鐵道床枕木2.6 m范圍內(nèi)煤粉收集、分離、輸送，側(cè)吸車主要負(fù)責(zé)清理鐵路道床枕木外側(cè)、路肩、避險(xiǎn)硐區(qū)域煤粉。收集的煤粉經(jīng)主吸、側(cè)吸除塵系統(tǒng)分離后通過(guò)輸送帶傳輸?shù)轿锪宪嚿?。主吸車、?cè)吸車的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4、圖5所示。

1—機(jī)艙;2—重力除塵器;3—旋風(fēng)除塵器

1—風(fēng)機(jī)室1;2—布袋除塵器;3—旋風(fēng)除塵器;4—重力除塵器;

主吸、側(cè)吸除塵系統(tǒng)均采用“重力沉降室+旋風(fēng)除塵器+布袋除塵器”三級(jí)收塵技術(shù)，能分離≤80 mm的顆粒，排放濃度≤30 mg/m3，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。主吸除塵系統(tǒng)處理風(fēng)量70 000 m3/h，收集煤粉效率110 t/h；側(cè)吸車布置兩套除塵系統(tǒng)，側(cè)吸除塵系統(tǒng)處理風(fēng)量10 000 m3/h，收集煤粉效率100 t/h。吸污車各收塵器內(nèi)均為煤粉爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，在無(wú)爆炸防護(hù)措施時(shí)，煤粉爆炸完全反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的最大壓力可以達(dá)到初始絕對(duì)壓力的7到10倍。除塵裝置在這樣高壓力的作用下具有非常大的危險(xiǎn)性，而且爆炸傳播至相鄰設(shè)備設(shè)施會(huì)對(duì)整機(jī)及周圍環(huán)境造成破壞。

為有效控制煤粉爆炸風(fēng)險(xiǎn)及危害，對(duì)各收塵器采取泄爆處理措施。泄爆技術(shù)是指在爆炸初始擴(kuò)展時(shí)，通過(guò)開啟釋放口將受保護(hù)裝置內(nèi)部的高壓及燃燒火焰釋放的措施，使裝置內(nèi)部的壓力迅速降低，保護(hù)裝置免遭破壞。

為防止爆炸火焰以及可燃物質(zhì)將會(huì)從泄爆口噴出，給外部環(huán)境帶來(lái)安全隱患，引起二次爆炸事故，鐵道床吸污車的除塵系統(tǒng)采取無(wú)火焰消火泄壓技術(shù)措施，在爆炸泄壓時(shí)，通過(guò)消火材料淬熄作用阻止火焰?zhèn)鞑サ酵獠凯h(huán)境中，確保安全。

3 消火泄壓技術(shù)研究

3.1 泄壓開啟機(jī)構(gòu)

泄爆過(guò)程是耦合了湍流運(yùn)動(dòng)和可燃物質(zhì)振蕩燃燒的非定常過(guò)程。系統(tǒng)在泄壓保護(hù)下存在一種“互逆效應(yīng)”，一方面由于可燃物快速燃燒反應(yīng)使裝置內(nèi)壓力急劇升高；另一方面泄壓口釋放出大量物質(zhì)致使壓力驟降[12]。在二者綜合作用下，降低了爆炸泄壓時(shí)的最大壓力與壓力上升速率。

泄爆技術(shù)的核心是選取合適的開啟壓力和泄壓面積，使受保護(hù)裝置在煤粉爆炸時(shí)降壓速率不小于升壓速率，使最大泄爆壓力小于圍包體強(qiáng)度，起到了保護(hù)容器的作用。

泄壓裝置的開啟機(jī)構(gòu)采用爆破片，能夠保證裝置快速泄壓，根據(jù)可燃物爆炸特性和應(yīng)用環(huán)境的不同，爆破片可以標(biāo)定不同的開啟壓力。當(dāng)爆破片兩側(cè)壓力差達(dá)到預(yù)定值時(shí)，爆破片即可動(dòng)作(破裂)，爆炸壓力得以釋放。在運(yùn)煤專線煤粉吸污車除塵系統(tǒng)上，除塵器正常工作運(yùn)行狀態(tài)為負(fù)壓。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，為保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)不被破壞，達(dá)到在壓力上升初期泄放的目的，爆破片的標(biāo)定開啟壓力選擇為10 kPa。

3.2 消火淬熄技術(shù)

消火淬熄是指爆炸火焰進(jìn)入狹縫或細(xì)小通道傳播時(shí)，如果間距或狹縫直徑足夠小，火焰在運(yùn)動(dòng)一段距離后自動(dòng)熄滅的現(xiàn)象[13]?；鹧嬖讵M縫中傳播至完全熄滅的長(zhǎng)度為淬熄距離。消火泄壓裝置采用金屬絲網(wǎng)多孔結(jié)構(gòu)作為消火材料。淬熄距離受金屬絲網(wǎng)的層數(shù)、目數(shù)、絲徑等參數(shù)影響。

網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)因?qū)θ紵ê蛪毫Σň哂休^好的抑制作用[14]。金屬絲網(wǎng)消火淬熄作用體現(xiàn)在熱效應(yīng)、器壁效應(yīng)、火焰擴(kuò)張3個(gè)方面[15]。爆炸火焰進(jìn)入絲網(wǎng)狹縫后，能夠利用金屬材料良好的導(dǎo)熱性降低火焰溫度[16]?；鹧驿h面通過(guò)多層金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞并放出其能量，自由基銷毀，降低燃燒反應(yīng)速率[16-17]。另外，火焰在多層絲網(wǎng)內(nèi)部被撕裂成無(wú)數(shù)小的火焰團(tuán)，火焰鋒面不再連續(xù)，小的火焰團(tuán)在湍流擴(kuò)展作用下熱效應(yīng)和器壁效應(yīng)更加明顯，熄滅層厚度不斷增大，最終導(dǎo)致整個(gè)火焰鋒面的熄滅。

金屬絲網(wǎng)對(duì)淬火性能的影響主要受絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)、絲徑的影響，阻火層厚度可參考下面公式計(jì)算[18]：

(2)

式中，y為阻火層厚度，cm；v為消火層能夠阻止的最大速度，m/s；a為有效面積比(即阻火層實(shí)際面積對(duì)阻火層空隙面積比)；d為絲網(wǎng)孔眼直徑，cm。

3.3 金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)及泄壓面積

消火泄壓技術(shù)的核心性能是泄放壓力和熄滅火焰。爆破片式消火泄壓裝置消火材料采用304不銹鋼金屬絲網(wǎng)。金屬絲網(wǎng)目數(shù)越多、絲徑越粗、層數(shù)越多，阻火效果越好，但另一方面則會(huì)造成孔隙面積低，影響泄壓效果。為保證泄壓效率，不銹鋼絲網(wǎng)目數(shù)為40目，絲徑0.187 mm，孔徑0.455 mm，消火層組裝成網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，厚度大于1.75cm，可以有效熄滅100 m/s的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

為保證泄壓效率及安全性，消火泄壓裝置的消火層做成扇形結(jié)構(gòu)，如圖6所示，一方面增大了有效泄壓面積，另一方面可以改變泄壓方向。裝置爆破片泄壓尺寸410 mm×240 mm、消火材料最外層尺寸580 mm×700 mm，消火層中增加不銹鋼材料的龍骨結(jié)構(gòu)以增加消火結(jié)構(gòu)透氣性。

圖6 消火泄壓裝置消火結(jié)構(gòu)

泄壓面積是鐵道床吸污車除塵系統(tǒng)防爆泄壓技術(shù)的重要參數(shù)，有足夠的泄壓面積，才能有效減小容器內(nèi)最大泄爆壓力，保護(hù)除塵器不被破壞。

泄壓面積是根據(jù)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、有效容積，以及粉塵的類型、爆炸強(qiáng)度、開啟壓力等參數(shù)計(jì)算得出的。被保護(hù)設(shè)備最低泄壓面積的計(jì)算方法，主要參考GB/T 15605—2008 《粉塵爆炸泄壓指南》[19]中計(jì)算公式。采用式(3)和式(4)計(jì)算泄壓面積A,m2。

對(duì)Pred,max<0.15 MPa時(shí)，按下式計(jì)算：

(3)

對(duì)Pred,max≥0.15MPa時(shí)，按下式計(jì)算：

A=B

(4)

(5)

C=(-4.305×lgpred,max-3.547)

(6)

(7)

式(3)—式(7)中各參數(shù)的定含義及適用范圍參見GB/T 15605—2008中規(guī)定。

3.4 消火泄壓技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)運(yùn)煤專線鐵道床煤粉爆炸特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并考慮到國(guó)內(nèi)不同區(qū)域以及各礦區(qū)煤粉差異，不同煤粉爆炸特征參數(shù)存在差異，在計(jì)算除塵系統(tǒng)泄爆面積時(shí)，考慮1.3～1.4倍的安全系數(shù)，最大爆炸壓力取0.8 MPa，爆炸指數(shù)取20 MPa·m/s。因除塵系統(tǒng)內(nèi)正常工作時(shí)為負(fù)壓，為保證及時(shí)泄壓，故開啟壓力設(shè)定為10 kPa；最大泄爆壓力設(shè)定為0.2 MPa。

主吸車、側(cè)吸車除塵系統(tǒng)各除塵器的泄壓面積計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3所示。

表2 主吸除塵系統(tǒng)泄壓面積計(jì)算

表3 側(cè)吸除塵系統(tǒng)泄壓面積計(jì)算

在除塵系統(tǒng)重力沉降室、旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器分別安裝消火泄壓裝置?？紤]到鐵道吸污車日常運(yùn)行專線，設(shè)計(jì)不能超界，消火泄壓裝置不能安裝在吸污車運(yùn)行線的左右兩側(cè)。另外，盡量減少對(duì)外部環(huán)境，尤其是對(duì)人身安全的影響，無(wú)火焰消火泄壓裝置安裝位置選擇在除塵器頂部或側(cè)面。

側(cè)面安裝時(shí)，爆炸火焰有效傳播距離短，可以更快的泄壓，重力除塵器位于除塵系統(tǒng)的端頭，為避免除塵系統(tǒng)爆炸危險(xiǎn)對(duì)相鄰系統(tǒng)的影響，消火泄壓裝置安裝在除塵器的頂部和側(cè)面，如圖7所示。旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器受限于吸污車整體結(jié)構(gòu)及安裝空間的限制，消火泄壓裝置全部安裝在除塵器的頂部，示意如圖8所示。

圖7 重力除塵器泄爆裝置安裝示意

圖8 消火泄壓裝置安裝于除塵器頂部示意

4 結(jié)論

(1)利用20 L爆炸特性實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試了運(yùn)煤專線鐵道床煤粉的爆炸特征參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)煤粉的爆炸下限為20 g/m3

(2)研究了泄壓技術(shù)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)消火淬熄技術(shù)，確定了爆破片式開啟機(jī)構(gòu)和304不銹鋼金屬絲網(wǎng)消火結(jié)構(gòu)，開啟壓力為10 kPa，泄壓面積410 mm×240 mm，消火層為扇形多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)煤粉吸污車的主吸、側(cè)吸除塵系統(tǒng)進(jìn)行了泄壓面積計(jì)算，確定了消火泄壓裝置的應(yīng)用安裝方式，可以有效防止泄爆引起的二次爆炸，保障鐵道床煤粉吸污車的安全運(yùn)行。