煤粉氣力輸送在銅鎳冶煉廠的應用

羅靜

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

煤粉氣力輸送在銅鎳冶煉廠的應用

羅靜

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

根據(jù)銅鎳冶煉廠煤粉采用正壓氣力輸送的實例，參照相關規(guī)范，采用安全技術，從設計著手排除輸送系統(tǒng)內煤粉靜電起火、自燃起火的物質條件。排除煤粉和氣體混合物點燃能降低的物質條件。從設計上排除煤粉輸送系統(tǒng)爆炸事故發(fā)生的其它物質條件。在使用濃氮作惰化氣流載體時，必須采取防止?jié)獾舷⒑捅Ｗo人身安全的技術措施。針對氣力輸送終端氣固分離的技術環(huán)節(jié)，提出了采用旋風子替代輸送管路“終端箱”的改進設計方案。

氣力輸送;煤粉;粉塵云;粉塵層;點燃能;爆炸;氮氣;旋風子;終端箱

1 引言

銅鎳冶煉廠采用煤粉做燃料的場合越來越多，例如奧斯麥特爐和陽極爐，原因之一是生產的成本比其他的燃料要低。通常煤粉供應系統(tǒng)由煤粉制備、煤粉輸送、煤粉倉、輸煤倉泵和煤粉噴吹等裝置組成。

由煤粉制備車間氣力輸送來的煤粉進入冶煉爐頂部的煤粉目標倉，經煤粉噴吹裝置，被煤粉的輸送載體(壓縮氣體)裹載，進入熔煉爐內作為燃料或還原劑。

由于煤粉輸送過程存在一定的技術難度，本文通過幾個銅鎳冶煉廠煤粉氣力輸送的設計實踐，對煤粉氣力輸送的部分技術問題進行初略的探討。

2 煤粉氣力輸送實例

銅鎳冶煉廠煤粉氣力輸送裝置由機務部分、管道部分、煤粉倉部分、氣源部分、控制系統(tǒng)等組成。機務部分包括輸送倉泵(或螺旋泵)及其組件、管道切換閥及流化裝置等;管道部分包括耐磨彎頭及三通、輸送管道、法蘭等連接附件、管道伸縮節(jié)等;煤粉倉部分包括布袋除塵器、目標倉、氮氣滅火進氣閥組、泄爆閥及關斷閥等;氣源部分包括空壓機(或羅茨風機)、儲氣罐等。控制系統(tǒng)包括PLC柜、上位機系統(tǒng)、就地控制電纜及各種儀表測量元件等。

表1列舉近年幾個銅鎳冶煉廠煤粉氣力輸送的實例。

煤粉氣力輸送的技術優(yōu)勢，是對于物料的適應性強，輸送距離遠;物料在密閉的管道中輸送，周圍環(huán)境比較清潔，不易造成二次污染;輸送線路布置靈活，輸送裝置占地面積少，物料可分散輸送至不同區(qū)域，也可從幾個不同的地方向一處集中;機械傳動部件少，結構簡單，操作管理方便，易損件少，維修費用低;整個輸送系統(tǒng)易于實現(xiàn)自動化控制，并可連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)運行情況(如壓力、物料輸送量、輸送氣量等)。

表1 煤粉氣力輸送裝置主要技術參數(shù)表

3 煤粉和氣體混合物的爆炸條件

煤粉為可燃物質，屬乙類火災危險品。煤粉粒度很小，相對表面積很大，能從其周圍吸附大量空氣，隨時都在進行著氧化，氧化放熱使煤粉溫度升高，氧化加強。如果散熱條件不良，煤粉溫度升高達到一定程度后發(fā)生自燃，并因自燃而引發(fā)爆炸。

揮發(fā)分含量較高的煤粉產生爆炸的可能性大。干燥無灰基揮發(fā)分小于10%的煤粉，通常不會發(fā)生爆炸，而大于19%時會形成易爆混合物。

對于具有可燃性的煤粉，當其在空氣中的濃度很高或者很低時，通常不會發(fā)生爆炸。加之爆炸又是燃燒的一個特例，所以爆炸過程中氧是不可缺少的。另外，爆炸的發(fā)生還需要有足夠的點燃能，對于揮發(fā)分≥10%的煤種，只有當可燃物濃度、氧濃度和點燃能三個條件同時具備時，只要有火源就會發(fā)生爆炸。

3.1 煤粉與氣體混合物中可燃物的爆炸濃度

煤粉與氣體混合物(也稱煤的粉塵云，本文簡稱“煤粉塵云”)中可燃物的爆炸濃度存在上限濃度和下限濃度。其爆炸濃度范圍與煤種、煤粉初溫和初壓等因素有關。

煤粉中可燃氣體的多少，對煤粉的爆炸濃度有很大影響。當給定的煤粉濃度小于爆炸下限時，不可能發(fā)生爆炸。但只要摻入少量的可燃性氣體，就可使煤粉處于爆炸濃度范圍，有機會發(fā)生爆炸。煤粉初溫及初壓的影響在于初溫及初壓越高，煤粉燃燒化學反應活化分子的數(shù)量就越大，而活化分子的多少直接決定了爆炸極限參數(shù)的大小和爆炸的強度。實踐表明，初壓越高，發(fā)生爆炸濃度的范圍越寬。爆炸強度與爆炸力與初壓呈線形關系。初溫越高，煤粉進行放熱反應的速度越快，由于煤具有一定的隔熱性，熱量的釋放可能大于散熱，于是溫度會進一步升高，使煤粉可能達到自燃溫度。隨著溫度的升高，爆炸的下限濃度下降，上限濃度上升，發(fā)生爆炸的濃度范圍變寬。

3.2 煤粉與氣體混合物的點燃能

點燃能就是“最小點火能量”，它也是煤粉與氣體混合物爆炸的一個重要參數(shù)，溫度高于點燃能時煤粉塵云或煤粉塵層才會被點燃，點燃著火是煤粉塵云和煤粉塵層爆炸的前提條件。點燃能的高低還可決定爆炸時產生的壓力等級和爆炸的強度。初溫和初壓對點燃能的影響較明顯，初溫初壓越高，發(fā)生爆炸時所需的最低、最小點燃能就越小。煤粉與氣體混合物的最小、最低可燃的點燃能與很多因素有關。值得注意的是，一般粉塵有兩種點火溫度，一種是粉塵云點火溫度，一種是粉塵層點火溫度。就煤粉而言，煤粉塵云的點燃能和煤粉塵層的點燃能也有著很大的差別。以煙煤為例，煙煤粉塵云的最小點火能量為60MJ;煙煤粉塵層的最小點火能量為560MJ［1］。

3.3 煤粉與氣體混合物中的氧氣濃度

氧氣是可燃物燃燒的化學反應條件之一，也在爆炸過程中起催化劑的作用。如果煤粉與氣體混合物中氧氣濃度不足，即使有很強的點燃能、可燃物的濃度也在爆炸濃度范圍內，也不會發(fā)生爆炸。當輸送煤粉氣流載體中的含氧濃度小于15～16%時，基本上不存在爆炸的危險［2］。吉林某廠設計取氣流載體中的含氧氣氣體體積濃度控制在16%以下，至今生產都很安全。

根據(jù)非正式資料，將前蘇聯(lián)與煤粉塵云爆炸相關的部分臨界參數(shù)列于下表，僅供參考。

表2 煤粉塵云爆炸臨界參數(shù)表

4 煤粉氣力輸送系統(tǒng)的防爆措施

煤粉氣力輸送裝置的安全措施，基本就是針對煤粉爆炸的三項條件進行設計:

4.1 防靜電

目的是防止發(fā)生靜電起火。煤粉輸送按二類防雷保護，所有設備、容器管道均設防靜電和安全接地，接地電阻不大于100Ω。布袋除塵器要采用抗靜電濾袋。所有金屬管道連接處(如法蘭)必須用金屬件跨接［3］。

4.2 防自燃

防止煤粉長期堆積自燃，煤粉倉、布袋除塵器灰斗壁、輸粉管路內壁應光滑，下料錐體壁與水平面夾角應不小于70°［4］;尾氣布袋除塵器底部盡可能采用雙翻板閥替代回轉閥，避免硬物磨擦發(fā)火。

4.3 防火

對無條件實施氣流惰化的煤粉氣力輸送裝置(比如使用壓縮空氣作輸送載體的)，必需嚴格按照國家標準的要求進行防火計。對于實施氣流惰化的煤粉氣力輸送裝置，也必需按國家標準的要求進行防火設計。

4.4 防爆炸

相關的措施從以下幾方面進行:

(1)氣流載體的惰化設計:在自身附產壓縮污氮氣的工廠，適于采用壓縮污氮氣(氮氣中含氧氣量≤8%)輸送載體，如表1中新疆某廠就是利用本廠制氧站副產的污氮氣作為煤粉氣力輸送的氣流載體。在壓縮氮氣源不足的場合，可以摻氮氣調整輸送載體氣流中的氧氣含量＜16%，如表1中吉林某廠的粉煤輸送就是在羅茨風機之前空氣中摻入適量的氮氣，設計控制含氧量在16%以下。

(2)防爆閥的合理設置:一般要求每座煤粉輸送目標倉的頂部都要設計防爆閥。最好在輸送尾氣布袋除塵器殼體也設置有防爆閥。在防爆閥設計選型的過程中，必需充分重視防爆閥膜片開裂壓力的設計。因為外形為矩形的普通布袋除塵器設備殼體的耐壓強度約5000Pa。所以，防爆閥膜片的開裂壓力應設計在4000～4700Pa范圍內。最好要對防爆膜片實物進行開裂壓力實驗，以免購貨差錯對煤粉氣力輸送裝置的生產安全造成潛在危險。

(3)電氣和儀表的防爆設計:按照防爆設計的通常要求，選用符合防爆要求的電氣設備元件，現(xiàn)場儀表全部采用隔爆型，所有的電動機均采用隔爆型;采用兩路獨立電源供電、設檢修用安全電源;所有用電設備均在現(xiàn)場設置操作箱，并將用電設備的運行、故障等信號送DCS系統(tǒng);應設置安全連鎖裝置或遙控裝置，在發(fā)生火災、爆炸時切斷所有電機的電源，實現(xiàn)保護性停車［5］。

5 輸送系統(tǒng)的人身安全措施

當煤粉氣力輸送系統(tǒng)采用高濃度壓縮氮氣作為氣力輸送載體時，在輸送系統(tǒng)排除煤粉爆炸風險的同時，不能忽視高濃度壓縮氮氣泄漏對相關區(qū)域操作人員人身安全的威協(xié)。應采取以下措施:

(1)高壓氮氣貯氣罐必須安置在室外［6］。

(2)輸送倉泵和煤粉目標倉附近要設置氧氣濃度連續(xù)在線檢測的一次儀表，并能及時發(fā)出報警信號。

(3)輸送倉泵和煤粉目標倉附近要設計補氧氣源接口，即壓縮空氣接口。

(4)在檢修人員進入氮氣充壓設備時，必須用壓縮空氣吹掃，置換設備內的高濃度氮氣，防止缺氧事故發(fā)生［7］。

6 煤粉氣力輸送系統(tǒng)的配套設施

6.1 輸送尾氣用布袋除塵器

作為粉煤氣力輸送系統(tǒng)的重要配套設備之一的布袋除塵器是輸送終端氣固分離的主要配套設施。在生產實踐中時常出現(xiàn)布袋過濾面積偏小妨礙輸送系統(tǒng)正常運行的問題。

吉林某廠煤粉氣力輸送系統(tǒng)在試生產時目標倉上的布袋除塵器出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，經分析主要原因是布袋除塵器的過濾面積偏小，直接導致煤粉堆積在濾袋表面無法及時反吹清灰，沉重的煤粉層的重量將濾袋從其固定懸掛點脫落，造成煤粉外逸。布袋除塵器的過濾面積加大以后，解決了布袋除塵器選型過濾面積偏小的問題。

除了過濾面積問題之外，在布袋除塵器設備選型中還可能會涉及:①布袋采用在線清灰振打還是離線清灰振打方式?②殼體和灰斗是否要采取伴熱措施防止煤粉凍結?是采用蒸汽伴熱還是電加熱的方式?這些問題均應根據(jù)工程的具體條件妥善處理。

6.2 用旋風子作為粉料氣力輸送管線“終端箱”

粉料氣力輸送設備供貨廠家的終端箱均采用從水平管線垂直90°向下轉彎的卸料方式，讓高速的高含塵氣流垂直沖進倉內已沉積的粉料中，將原已沉降的煤粉攪動并流態(tài)化，使得進入布袋除塵器的排氣含塵濃度高達2kg/m3左右，這就是氣力輸送管線終端箱普遍存在的技術缺陷。

針對上述情況，在河北某廠和新疆某廠的設計中應用旋風分離的基本原理，將攜帶煤粉的混合氣流的流向從垂直向下改成平面旋轉、呈螺旋狀逐圈向下的形態(tài)。在改變氣流方向的同時，既提高了“終端箱”的氣固分離效率，又可以降低布袋除塵器進氣的含塵濃度，顯著減輕了布袋除塵器的工作負荷。

在粉料氣力輸送終端采用旋風分離工藝的方法有兩種:第一種類方法是將整臺煤粉目標倉加工成圓柱形，氣固混合流體以切線方向進入圓柱形的上部使氣流作為旋轉氣流，實現(xiàn)氣固分離的空間。第二種類方法是在煤粉目標倉的頂蓋上加裝單獨的旋風子作為“終端箱”。第一種類方法適用于目標倉頂部直徑小于?1200mm場合，第二種類方法適用于目標倉頂部直徑大于?1500mm場合。

7 結語

在銅鎳冶煉工藝中，煤粉的輸送至關重要，是全廠的血液，如煤粉輸送出現(xiàn)故障將會影響全廠的正常生產，甚至癱瘓。煤粉輸送在目前以致未來的發(fā)展方向是采用氣力輸送，在煤粉氣力輸送的具體設計中，應考慮到按相關規(guī)范采用安全技術，從設計開始科學地排除煤粉爆炸的可能性。

［1］趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理［M］.北京理工大學出版社，1996:70-138.

［2］葉江明.電廠鍋爐原理及設備［M］.中國電力出版社，2010: 54-56.

［3］中華人民共和國煤炭行業(yè)標準.MT/T714-1997，煤粉生產防爆安全技術規(guī)范［S］.

［4］中華人民共和國國家標準.GB/T15577-2007，粉塵防爆安全規(guī)程［S］.

［5］章頌泰.粉煤制備過程的爆炸事故分析［J］.有色冶金設計與研究，2011(10):141-143.

［6］中華人民共和國國家標準.GB/T16543-2008，高爐噴吹煙煤系統(tǒng)防爆安全規(guī)程［S］.

［7］云正寬，張光烈，郭樂民，高士林，吳維治.冶金工程設計［M］第2冊工藝設計.冶金工業(yè)出版社，2006:172-176.

Application on Pneumatic Conveying of Pulverized Coal in Copper and Nickel Smelter

LUO Jing

(China Nerin Engineering Co.，Ltd，Nanchang，Jiangxi 330031，China)

According to the instance of positive pressure pneumatic conveying of pulverized coal in copper and nickel smelter，consulting with relevant norms，adopting security technologies，the material conditions to cause transport system coal powder electrostatic fire and spontaneous combustion are excluded commenced with design.Pulverized coal and gas mixtures excluding lighting can reduce the material conditions.Pulverized coal conveying system is designed to exclude the other physical conditions to explosion incidents.While working with concentrated nitrogen as inerting air carrier，the technical measures to prevent concentrated nitrogen asphyxia and personal safety must be taken.For the terminal for pneumatic conveying technique for gas-solid separation，substitution of cyclone separator pipeline"terminal box"improvement of the design is proposed in this article.

pneumatic conveying;pulverized coal;dust cloud;dust layer;ignition energy;explosion;nitrogen;cyclone separator;terminal box

TF066.1

B

1009-3842(2012)02-0025-04

2011-12-15

羅靜(1970-)，女，江西南昌人，高級工程師，主要從事有色冶金收塵系統(tǒng)與粉體輸送系統(tǒng)設計。E-mail:luojing@nerin.com