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2015年07月01日 17:12:48
谈煤粉仓的爆炸及预防处理措施

申文军1 王广强2 靳军1
(1.淮北矿业相山水泥有限责任公司,安徽淮北235043;2.德州中联大坝水泥有限公司,山东德州 253024)

0 前 言

    针对大多数新型干法线安全生产而言,目前最普遍的棘手问题就是煤粉在制备、使用及存储上如何避免燃烧和爆炸。而多数厂家把燃烧和爆炸的原因分析、监测预防措施仅仅聚焦于单一的一氧化碳(CO)气体上,的确是失之偏颇的。更有甚者,把煤粉仓内的可燃气体(如CO、瓦斯)爆炸与煤尘爆炸混为一谈,而事实上,CO和瓦斯的爆炸与煤尘爆炸是两个完全不同的概念,但又是紧密联系。

1 煤粉爆炸的条件及原因
    众所周知,CO及瓦斯气体的爆炸必须同时具备三个条件 :一是这些可燃气体有足够的浓度;二是要有一定的引火源,而瓦斯的引火温度一般认为是650~750℃;三是有足够浓度的氧气,一般大于12%。

上述条件一提到的“可燃气体”,在煤粉里有很多种,一氧化碳只是在煤粉制备、使用及存储过程中产生的一个主要代表物而已。煤粉中常见几种可燃性气体及它们的爆炸极限见表 1。

    而煤尘爆炸是由于其含有并释放出的可燃性挥发份聚集于尘粒的周围,在一定温度下放出大量的可燃性气体,在点火能的作用下发生爆炸。煤尘的爆炸性由其所含可燃性挥发份的大小决定,如无烟煤不含可燃性挥发份,就没有爆炸性,不会发生爆炸。

    煤尘爆炸也必须同时具备以下三个条件:一是煤尘本身具有爆炸性(当挥发份>14%时,煤尘已经100%具有爆炸性了);二是煤尘在空气中呈悬浮状态,并达到一定的浓度(爆炸上下极限范围内);三是有引爆的高温热源(温度一般为700~800℃,温度愈高愈容易引起爆炸)。

    煤粉中之所以存在一定数量的以甲烷为主的烃类气体———瓦斯,这与煤的结构状态密切相关。煤是一种复杂的孔隙介质,有着十分发达的、各种不同直径的孔隙和裂隙,形成了巨大的自由空间和孔隙表面。因此,煤在形成过程中产生的瓦斯就能以游离和吸附两种状态存在于这些孔隙和裂隙中。而煤粉在制备使用过程中重点要防范的,就是这种被称为吸附在煤的微孔表面和煤的微粒内部的吸附瓦斯。

    煤粉仓的爆炸,就宏观来说,主要是指一氧化碳与氧气发生剧烈的氧化反应;就微观而言,却是由煤粉中存在的多种“活性气体”共同参与的热—链式化学反应。目前国内多数生产线在设计上,对煤粉仓内的监测对象主要是CO,这是因为该项成分便于检测且能反映供氧不足。但我们不能就此妄下结论说:控制了CO浓度指标就不会发生爆炸!因为大量的实验表明,煤粉仓内存在的多种“活性气体”,如 H2、CH4和芳香烃等易燃气体,其易爆性和释放能量明显高于CO。同时,含有CO、瓦斯和空气等混合气体的爆炸界限会因其它可燃气体的混入、煤尘的混入、高温等多种因素的变化而变化。尤其是烟煤煤尘的混入,当温度达300~400℃时就能从煤尘内挥发出可燃性气体,从而使CO和瓦斯等混合气体的爆炸下限降低,爆炸的危险性增加。

2 预防和采取的措施
    综上所述,只要控制好煤粉仓内可燃气体爆炸的三个条件中的任何一条,爆炸便不会发生。所以预防煤粉仓爆炸的措施也主要是从以下三条入手。

2.1 仓内可燃气体浓度的控制措施
    煤粉仓中的瓦斯等烷烃气体是煤粉在升温过程中解析、氧化分解而来;而 CO 的来源有两处:①煤粉在仓内低温氧化产生;②熟料煅烧过程中,由输送给煤磨的热源带入。所以预防的措施至少要有以下几条:(a)完善良好的抽风条件,也即在煤粉仓锥体和顶部产生的高温混合可燃气体能够及时排出,将其浓度控制在报警设定指标以内;(b)保证搅拌设备正常运转以使煤粉在仓内不留死角,不为煤粉提供足够长的氧化时间。

2.2 烘干热源温度的控制措施
    煤磨的供热有一定的温度变化范围,这就要求负压下的热风速度和供给量也要有一个变化范围,所以输送给煤磨的热源必须有一个内锥体设计合理的沉降室(干扰式分离器),使其热风中带火星尘粒能够在其内部旋转并被有效收留,防止火源进入煤磨内。同时,进风管道与沉降室的连接处要偏离沉降室筒体中心线,这有利于热风在沉降室内能够产生较好的旋流状态。至于管道本身,也应设计成带一定角度的“∧”形,进一步防止大颗粒火星料进入煤磨。

    实验数据表明,煤炭在常温下就有 CO 出现,其量随着煤温的升高而急剧上升,一旦超过自热的临界温度(60~80℃),煤温急剧地上升,特别在自燃过程中(烟煤着火点为 320~380℃),CO 产生的量较多、产生的速度较快。所以煤磨出磨风温在(烟)煤质比较干燥、挥发分较高、灰分较低(<30%)的情况下,要小于60℃。实验证明,在CO 呈缓慢增加现象时,说明煤的自热温度还在 100℃以下;如果增加得比较快,那么可能就是 100~160℃之间;如果是急剧上升,那么就可能在 160℃以上了,并且很快就会发展到明火燃烧。

2.3 氧气浓度的控制措施
    在确认煤粉仓热电偶没有故障的情况下,一旦温度超过报警设定(一般为 60℃),并且有上升趋势,应立即启动应急预案,止煤停磨对煤粉仓进行安全处理。处理方案可参考如下:

    第一步:关闭烘干热风阀门,止煤、停煤磨,开始排空煤粉仓工作(此时窑投料量应随煤仓吨位和转子负荷率下降而逐渐减少),无关人员撤离到安全地带;

    第二步:仓内煤粉还剩下正常仓重的 1/3 时,关闭煤仓锥体压缩空气吹风阀,停止向仓内供风,减少氧气浓度,观察各热电偶温度升高情况,并做好记录。

    煤粉仓位下降的过程中,一般仓内温度还将继续升高。当快要达到80℃时,关停煤粉仓小袋收尘器和煤磨系统主排风机,迅速向仓内喷入高压CO2气体,继续观察仓温。如果仓温还在高位或通CO2气体管道表面的凝霜消退,说明 CO2气体量不够,或者前面喷入的气体已用完,此时需要重新继续喷灌,直到煤粉仓温度下降到不超过环境温度10℃以内时,方可重新开启煤磨生产。在这里务必强调一点,即煤粉仓温度虽然在下降,但如果不低于自热临界温度 60℃就重新开磨制备煤粉,以此希望用低温煤粉来降低仓温,可能照样会发生爆炸事故!因开启风机后,可能将喷入仓内的CO2气体排出,同时将新鲜空气带入,煤粉可能重新产生自燃现象,而新制备的煤粉弥漫悬浮于仓内整个空间,极易释放出可燃成份,从而改变了气体发生爆炸的下位界限,一旦同时具备了爆炸的三个条件,爆炸是不可避免的。———相山水泥公司 2008 年 10 月24 日晚的煤粉仓爆炸就是这样一个鲜明有力的佐证!

作者:申文军,王广强,靳军  出处:《四川水泥》2010年第1期  
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