振動床混流干燥系統煤塵爆炸事故后果模擬分析

振動床混流干燥系統煤塵爆炸事故后果模擬分析

吳子科

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

摘要：振動床混流干燥系統由熱風系統、干燥系統和除塵系統組成，用于降低褐煤本身含水量，從而提高褐煤的燃燒熱。振動床混流干燥是一種新型干燥系統，存在煤塵爆炸危險，鑒于此，介紹干燥系統的爆炸條件、爆炸機理、爆炸危險部位，并假定3種狀態——褐煤煤塵中3%的揮發分參與爆炸、褐煤煤塵中5%的揮發分參與爆炸及褐煤煤塵中10%的揮發分參與爆炸進行爆炸后果模擬分析，分別計算3種假定條件下煤塵發生爆炸的事故后果，得出了該干燥系統的爆炸影響范圍，為干燥器安全措施及應急預案的制定提供了一定的理論支持。

關鍵詞：振動床；混流干燥系統；煤塵爆炸事故；后果模擬

收稿日期：2015-08-03

作者簡介：吳子科(1982—)，男，山東濟寧人，碩士，工程師，主要從事煤礦安全的研究與評價工作。

0引言

我國煤炭資源豐富，其中，已探明的褐煤保有儲量達1 300多億t，約占煤炭總儲量的13%。由于褐煤含水量高、熱值較低、易自燃、難以儲存，因此褐煤長距離運輸和利用成本較高，這就降低了褐煤開發和利用的價值。現階段褐煤常被作為低階燃料，在原產地周邊使用。然而，高水分褐煤燃燒后的熱效率低下，且二氧化碳排放量大，因此褐煤直接利用價值不高。

基于此，在國內主要褐煤產區，特別是含水量在30%左右的褐煤產區，針對褐煤進行干燥的裝置大量出現。褐煤干燥的目的在于減少褐煤含水量，提高褐煤燃燒熱，增強褐煤的燃燒利用價值。

本文所研究的振動床混流干燥系統就是諸多褐煤干燥裝置中的一種，但該干燥系統存在諸多安全隱患，例如火災、煤塵爆炸等。該干燥系統主要由干燥器、除塵器與冷卻器等設備組成，生產過程中存在大量的粉塵和空氣，客觀上造成了燃燒爆炸要素的形成，只要存在引燃源，就有可能發生爆炸。在干燥系統實際運行過程中，干燥器最容易發生火災爆炸事故，故對事故后果進行模擬，以分析干燥系統煤塵爆炸影響范圍十分必要。

1干燥系統組成及工藝

振動床混流干燥系統主要由熱風系統、干燥系統、除塵系統3個部分組成，如圖1所示。

圖1　振動床混流干燥系統圖

干燥原料煤經緩沖倉短時存儲后經膠帶機轉運至干燥器，干燥后煨煤和袋式除塵器回收的煤塵進入冷卻系統冷卻后返回519膠帶機上；熱風從熱風爐出來經過兩道攔火柵由熱風機供給干燥器，在干燥器內部熱風與原料煤完成熱交換，煙氣和煤塵進入袋式除塵器，煤塵回收，除塵后的煙氣由引風機排入大氣中。

1.1原料煤準備系統

褐煤經膠帶機轉載后進入干燥系統緩沖倉，物料從緩沖倉底部兩臺給煤機601、602均勻給入603膠帶機，經過607環錘破碎機破碎(破碎機出料粒度0～30 mm)后通過608膠帶機轉載進入干燥器。

1.2干燥器

振動混流干燥器頂部有兩臺給煤機，將集中來煤均布在干燥器內；干燥器由5層振動電機驅動的振動床組成，干燥器下部設有刮板機將煤卸出干燥器外。通過翻轉卸料器實現與外界封閉，確保熱風不外漏。

1.3熱風系統

熱風從熱風爐出來給入干燥器一層，通過控制熱風機風閥開啟程度來控制進入干燥器的熱風量；通過熱風爐出風口的煙氣混合器風閥開啟度控制熱風的溫度，進入干燥器內風流溫度控制在200 ℃以下。

1.4粉煤回收系統

袋式除塵器通過管道與干燥器頂層連接，其作用是將混合氣流中的細顆粒煤粉回收。袋式除塵器頂部有反吹風機和回轉電機，袋式除塵器下部有卸煤機，袋式除塵器回收的粉煤落到刮板機上。其中，引風機是干燥系統通風的動力源，抽取干燥器內尾氣，凈化后排空。

2振動床混流干燥系統爆炸危險性分析

2.1著火機理

破碎后的小粒度褐煤在干燥器內因與干燥器振動篩多次碰撞，顆粒度變得更加細小，造成褐煤分子鏈的斷裂，產生大量自由基，自由基大量存在于褐煤內部新生裂紋表面，為褐煤煤塵自燃氧化創造了條件。褐煤與氧氣發生氧化反應生成過氧化物自由基，氧化反應放出的熱量使得煤塵溫度上升，并使氧化物自由基反應放出大量的可燃氣體，生成的新自由基繼續與氧反應，持續的放熱反應使褐煤溫度升高，高溫使得干燥器內積聚的煤塵自燃著火。

2.2煤塵爆炸條件

煤塵爆炸有3個基本條件：(1) 煤塵本身具有爆炸性；(2) 煤塵呈懸浮狀態(即粉塵云狀態)，其濃度在爆炸極限范圍之內；(3) 點火源。

試驗表明，我國煤塵爆炸下限濃度為30～50 g/m3，爆炸威力最強的煤塵濃度為300～400 g/m3；我國煤塵爆炸的引燃溫度在610～1 050 ℃之間，一般為700～800 ℃；煤塵爆炸的最小點火能為4.5～40 mJ。

振動床混流干燥工藝具有風量大的特點(氧含量大于21%)，褐煤在振動篩的振動下，產生大量煤塵。另外，熱煙氣中存在的火星或煤粒與振動篩之間的摩擦靜電等均可能作為點火源。因此，振動床混流干燥系統具備煤塵爆炸的必要條件。

2.3干燥系統煤塵爆炸危險性

該干燥系統主要由熱風系統、干燥系統、除塵系統等組成。干燥器和除塵器生產過程中存在大量的煤塵和18.3%的氧氣，而且干燥器內溫度最高可達210 ℃，因此干燥器的煤塵爆炸危險性最高。

3振動床混流干燥系統煤塵爆炸事故后果模擬

對事故后果進行模擬以分析干燥系統中干燥器發生煤塵爆炸事故的后果十分必要，為此，本文假定了3種狀態，分別為干燥器內煤塵中3%的揮發分參與爆炸、煤塵中5%的揮發分參與爆炸及煤塵中10%的揮發分參與爆炸。分別計算3種假定條件下煤塵發生爆炸的事故后果，得出振動床混流干燥系統煤塵爆炸事故的影響范圍，從而為干燥器安全措施及應急預案的制定提供一定的理論支持。

3.1煤塵中3%的揮發分參與爆炸時的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中3%的揮發分參與爆炸時的爆炸能量E：

干燥系統運行時取褐煤燃燒熱為5 000 kcal/kg、揮發分為33%左右的煤塵來計算爆炸能量E。當來料煤流量為200 t/h時，干燥器外型尺寸為10.7 m×4 m×27.4 m，容積約為1 172.72 m3，由于干燥器內振動篩和煤的體積影響，取煤塵爆炸容積為1 172.72 m3×0.8≈940 m3，當發生煤塵爆炸時，最大爆炸能量時的濃度為400 g/m3。由此可計算爆炸時的最大煤塵量為940 m3×400 g/m3≈376 kg。1 kg煤塵爆炸能量E1=5 000 kcal/kg×4.18×38.25%×3%(假設3%的揮發分參與了爆炸)≈239.83 kJ/kg。由此可得本干燥器內376 kg煤塵爆炸能量為E=239.83 kJ/kg×376 kg=9.02×104kJ。

(2) 煤塵中3%的揮發分參與爆炸時的爆炸能量換算成TNT當量q：

查相關資料知，1 kg TNT爆炸所放出的爆炸能量qTNT為4 230～4 836 kJ/kg，一般取平均爆炸能量為4 500 kJ/kg，故其TNT當量q的關系式為：

q=E/qTNT

(1)

由此可計算得376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當量q≈20.04 kg。

(3) 煤塵中3%的揮發分參與爆炸時煤塵爆炸的模擬比α：

煤塵爆炸的模擬比α的計算公式為：

α=(q/q0)1/3=(q×1/1 000)1/3=0.1q1/3

(2)

由此可計算煤塵爆炸的模擬比α≈0.272。

(4) 煤塵中3%的揮發分參與爆炸時，在1 000 kg TNT爆炸試驗中的相當距離R0：

根據經驗試驗數據可知，在1 000 kg TNT爆炸試驗中的相當距離R0如表1所示。

表1　1 000 kg TNT爆炸時的沖擊波超壓

根據R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.272，根據R0=R/α，并對照表1可得出376 kg煤塵爆炸時的沖擊波超壓值，如表2所示。

表2　376 kg煤塵參與爆炸時的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中3%的揮發分參與爆炸時的破壞作用：

沖擊波超壓對人體的傷害作用如表3所示，對建筑物的破壞作用如表4所示。

表3　沖擊波超壓對人體的傷害作用

表4　沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

根據表2的沖擊波超壓，對照表3和表4可得：褐煤煤塵中3%的揮發分參與爆炸時沖擊波的人體輕微傷害半徑最大約為15 m。距爆源點的距離為20 m時，建筑物的受壓門窗玻璃大部分破碎。根據泄爆膜設計開啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內煤塵爆炸泄爆膜全部動作時，在距離干燥器爆源點5 m范圍內對人體有輕微傷害。

3.2煤塵中5%的揮發分參與爆炸時的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中5%的揮發分參與爆炸時爆炸能量E：

與3.1的計算過程一樣，褐煤煤塵中5%的揮發分參與爆炸時爆炸能量E1=399.71 kJ/kg。本干燥器內376 kg煤塵爆炸能量為E=399.71 kJ/kg×376 kg=1.5×105kJ。

(2) 煤塵中5%的揮發分參與爆炸時的爆炸能量換算成TNT當量q：

通過計算得出，376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當量q=33.40 kg。

(3) 煤塵中5%的揮發分參與爆炸時煤塵爆炸的模擬比α：

由式(2)計算煤塵爆炸的模擬比α≈0.322。

(4) 煤塵中5%的揮發分參與爆炸時，在1 000 kg TNT爆炸試驗中的相當距離R0：

根據R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.322，根據R0=R/α，并對照表1可得出376 kg煤塵爆炸時的沖擊波超壓值，如表5所示。

表5　376 kg煤塵參與爆炸時的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中5%的揮發分參與爆炸時的破壞作用：

根據表5的沖擊波超壓，對照表3和表4可得：褐煤煤塵中5%的揮發分參與爆炸時沖擊波對人體的輕微傷害半徑最大約為20 m。距爆源點的距離為20 m時，建筑物窗框損壞。根據泄爆膜設計開啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內煤塵爆炸泄爆膜全部動作時，在距離干燥器爆源點5 m范圍內將造成人體內臟嚴重損傷或死亡。

3.3煤塵中10%的揮發分參與爆炸時的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中10%的揮發分參與爆炸時爆炸能量E：

與3.1的計算過程一樣，煤塵中10%的揮發分參與爆炸時爆炸能量E1=799.43 kJ/kg。本干燥器內376 kg煤塵爆炸能量為E=799.43 kJ/kg×376 kg≈3.0×105kJ。

(2) 煤塵中10%的揮發分參與爆炸時的爆炸能量換算成TNT當量q：

通過計算得出376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當量q=66.8 kg。

(3) 煤塵中10%的揮發分參與爆炸時煤塵爆炸的模擬比α：

由式(2)計算煤塵爆炸的模擬比α≈0.406。

(4) 煤塵中10%的揮發分參與爆炸時，在1 000 kg TNT爆炸試驗中的相當距離R0：

根據R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.406，根據R0=R/α，并對照表1可得出376 kg煤塵爆炸時的沖擊波超壓值，如表6所示。

表6　376 kg煤塵參與爆炸時的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中10%的揮發分參與爆炸時的破壞作用：

根據表6的沖擊波超壓，對照表3和4可得：褐煤煤塵中10%的揮發分參與爆炸時沖擊波對人體的輕微傷害半徑最大約為23 m。距爆源點的距離為20 m時，建筑物的大型鋼架結構破壞。根據泄爆膜設計開啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內煤塵爆炸泄爆膜全部動作時，在距離干燥器爆源點5 m范圍內大部分人員死亡，6 m范圍內將造成人體內臟嚴重損傷或死亡。

4結論

通過數值模擬分析，得出如下結論：

(1) 干燥器內煤塵中3%的揮發分參與爆炸時沖擊波的人體輕微傷害半徑最大約為15 m；煤塵中5%的揮發分參與爆炸時沖擊波對人體的輕微傷害半徑最大約為20 m；煤塵中10%的揮發分參與爆炸時沖擊波對人體的輕微傷害半徑最大約為23 m。

(2) 隨著煤塵揮發分的提高，爆炸沖擊波的范圍擴大。

(3) 干燥系統未設置泄爆膜時，安全防護距離約為23 m。設置泄爆膜而且全部動作時，安全防護距離為8 m。

綜上所述，本文通過介紹干燥系統的爆炸條件、爆炸機理、爆炸危險部位，并對煤塵爆炸后果進行模擬分析，得出了該干燥系統的安全防護距離，為干燥器安全措施及應急預案的制定提供了一定的理論支持。

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