水泥廠電石渣圓庫安全設施設計的探討

吳東業

水泥廠電石渣圓庫安全設施設計的探討

Study on Safety Facilities Design of Carbide Slag Circular Silo in Cement Plant

吳東業

俄羅斯ACP水泥廠

在水泥廠電石渣圓庫安全設施設計過程中，需要對電石渣的危害有足夠的認識。文中對電石渣圓庫結構強度、通風量及泄壓面積提出了設計思路和參考的計算依據，同時建議了具體的實施方案，并強調嚴把原料質量關，對不符合安全要求的電石渣，應考慮電石的水化消解場，達到安全要求的電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

水泥廠；電石渣；圓庫；安全設計

利用電石渣生產水泥是電石渣資源化最成熟、最經濟的方法，既可節約水泥生產所用的天然石灰石資源，又可減少二氧化碳排放和廢物堆存造成的污染，符合發展循環經濟的要求。在電石渣作為水泥原料使用時，對其安全性能應充分認識，安全設施設計應更加嚴格。現就電石渣圓庫的安全設施設計探討分析如下。

1 關于電石渣原料

電石渣是電石（CaC2）水解獲取乙炔（C2H2）氣體后產生的以氫氧化鈣[Ca（OH）2]為主要成分的廢渣。電石渣內殘留微量的電石，仍會水化產生乙炔，構成一定的危險。

《國家發展改革委辦公廳關于鼓勵利用電石渣生產水泥有關問題的通知》（發改辦環資[2008]第981號）明確電石渣為替代天然石灰石的水泥原料，鼓勵水泥行業使用。國家標準GB12268-2012《危險貨物品名表》、國家安全生產監督管理總局等10部門聯合發布的《危險化學品目錄（2015年版）》（公告[2015]第5號）、環境保護部聯合國家發展改革委和公安部發布的《國家危險廢物名錄（2016版）》（環境保護部令[2016]第39號），電石渣均未列入，但其危險性仍不容忽視。

目前，電石法生產乙炔的工藝有濕法和干法。采用濕法制乙炔的生產過程中，耗水量較大，并產生大量電石渣漿，使用時需脫水和烘干，耗費大量能源。干法制乙炔是采用略多于理論量的水以霧態噴在電石粉上使之分解，產生的電石渣為含水量為4%～10%的干粉末，節能、節水效果顯著，可實現乙炔的連續生產。依據干法制乙炔生產工藝設計資料，乙炔裝置的運行指標：排渣機出口處電石渣水解率為99.5%～99.85%，即電石渣中電石殘留＜0.5%。即使電石渣中電石殘留微量，遇水氣仍會產生乙炔，當乙炔積聚到一定量時會造成爆炸危險。在設計過程中一定要嚴把原料質量關，對不符合安全要求的電石渣（建議電石殘留≯1%）應在場外考慮電石的水化消解場，待達到安全要求后，電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

2 關于乙炔的危險性

乙炔又稱電石氣，結構式H-C≡C-H，分子式C2H2，分子量26.04，熔點-80.8℃，沸點-83.8℃，蒸氣密度[1]1.16kg/m3（相對蒸氣密度0.90），在空氣中爆炸濃度下限2.5%、上限80%，自燃溫度305℃，最小點火能[2]0.02mJ。乙炔是高度易燃而不穩定的氣體，易燃燒爆炸；能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸范圍非常寬；遇明火、高熱和氧化劑，有燃燒、爆炸危險。

（1）自燃溫度低

乙炔與空氣混合的自燃溫度比較低，在常溫常壓下的空氣中自燃溫度305℃，氧氣中為296℃，當乙炔中含有磷化氫（PH3）時自燃點更低，當PH3量達200ppm時，在空氣中的自燃點低至200℃以下。乙炔的自燃溫度隨著濃度和壓力的變化而變化，濃度越高，壓力越大，自燃溫度越低。根據GB50058-2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》，易燃氣體按引燃溫度高低分為6組，乙炔屬T2組。

（2）火焰溫度高

乙炔對于氧化劑的反應很靈敏，常見的乙炔氧化反應就是乙炔在空氣或氧氣中燃燒。乙炔的熱值[3]：高位熱值Qgr為57.99MJ/m3，低位熱值Qnet為56.03MJ/m3，乙炔在空氣中燃燒溫度2 350℃左右，在氧氣中燃燒可達3 600℃，火焰傳播速度13.5m/s。

（3）點火能量低

可燃氣體在空氣中，給一定的能量，即可點火燃燒，能引起點火的最小點火能量稱為最小點火能。乙炔最小點火能為0.02mJ，與氫氣基本相同，約為一般易燃氣體的1/10。

乙炔的點火能量低，乙炔與空氣的混合氣體，在常壓下其濃度為7.73%時，最小點火能量是0.02mJ，乙炔的點火能量在各級危險物品中也是最小的。乙炔的點火能與其濃度關系較大，在燃燒下限附近時需要較大的點火能，濃度80%以上的乙炔點火能則為約100J（見圖1），所以在濃度為7.73%附近時應特別注意防火。

（4）爆炸極限寬

乙炔的爆炸極限很寬，在空氣中的爆炸極限為2.5%～80%，7%～13%時爆炸威力最強；在純氧中的爆炸極限為2.3%～93%，30%時爆炸威力最強，是各類危險品中爆炸極限最寬的一種，其危險度高。

圖1 乙炔濃度對點火能量的影響

（5）傳爆能力強

傳爆能力指爆炸性混合氣體傳播爆炸的能力。傳爆能力按最大試驗安全間隙（MESG）來衡量。傳爆間隙是通過長25mm的間隙連通爆炸性混合氣體，當一側燃爆時能引起另一側燃爆的最大間隙。

根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》，易燃氣體按最大試驗安全間隙（MESG）將爆炸性混合氣體的傳爆能力按其弱強分為3級，乙炔的最大試驗安全間隙[4]，在其濃度為8.5%時最大試驗安全間隙（MESG）為0.37mm，g100～g0值為0.01mm，屬第IIC級，所以乙炔的傳爆能力很強。

（6）燃燒速度快

由于燃燒是復雜的物理化學過程，燃燒速度的快慢，取決于可燃物的化學反應速度和物理混合速度，燃燒速度的快慢也反映可燃物的傳爆能力，根據美國國家防火協會提供的資料[5]，乙炔氣體的基本燃燒速度為166cm/s，高于其他可燃氣體。

（7）約束空間的燃爆壓力

為了研究乙炔在約束空間燃爆時對構筑物的影響，有必要了解其燃爆壓力，設置合適的泄壓裝置。根據美國國家防火協會提供的有關數據[5]，乙炔混合物在密閉體中爆燃產生的最大壓力Pmax為10.6bar（1.06MPa），氣云爆燃指數KG為1 415bar· m/s（141.5MPa·m/s）；據國內有關研究[6]表明，乙炔—空氣混合氣體隨乙炔體積分數增大，最大爆炸壓力逐漸升高，在乙炔體積分數為10%～55%范圍內，其最大爆炸壓力恒定在1.7MPa，乙炔體積分數為10%時取得最大爆炸指數78.14MPa·m/s（試驗結果是在20L爆炸球形罐內取得），其試驗結果見圖2。

圖2 初壓0.1MPa條件下可燃氣體爆炸壓力

3 關于電石渣圓庫的結構設計

通常電石渣圓庫的結構形式采用鋼筋混凝土圓庫，其結構按GB50077-2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》設計，結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，防雷保護設計為第二類；建筑防火按GB50295-2008《水泥工廠設計規范》設計，鋼筋混凝土圓庫火災危險性為戊類，耐火等級二級。在正常的結構強度計算之外，應進行爆燃施加的反作用力驗算。

根據NFPA 68-2013《爆燃的泄壓與通風導則》第6.3.5條和《爆燃安全泄放標準》第6.3.5.2條，封閉體支撐結構的設計，應當能夠承受由泄放產生的反作用力，包括施力速率的動態效應，用DLF表示，以式（1）確定封閉體上施加的反作用力。

其中：

Fr——爆燃泄放所產生的最大反作用力，kN

a——單位轉換量，取100

DLF——動載荷因子，取1.2

Av——泄放面積，m2

Pred——泄放過程中的最大壓力（MPa），該值為實驗測得，不同的實驗裝置和實驗條件得出的結果不同，建議取值1.06

4 關于電石渣圓庫的通風設計

為了電石渣圓庫的安全，庫內乙炔殘留濃度必須控制在其空氣中的爆炸極限下限之下，一般應控制＜1%。由于乙炔氣體密度與空氣氣體密度較為接近，圓庫內的乙炔氣體不易散發，容易在庫內積聚，靠自然通風或開排氣孔降低庫內乙炔濃度不能有效達到目的，因此必須采用強制通風的方法，在通風系統的布置上，還要充分考慮通風系統的氣流組織，不留通風死角，排出的氣體經防爆型除塵設備凈化后排入大氣。

強制通風量的計算可用化學反應法進行計算，即根據電石渣使用量及電石渣內的電石殘留量，在其與物料中或空氣中的水分發生完全水化反應，單位時間內生成的乙炔量，采用強制通風的方法將其稀釋至爆炸極限下限之下，其化學反應方程為：

CaC2（電石）+2H2O（水）＝Ca（OH）2（電石渣）+ C2H2（乙炔）↑

風量計算目前未找到有關標準的計算公式，本人根據實際工作總結，建議使用以下計算方法。

殘留電石水化后產生的乙炔氣體量：將乙炔氣體稀析至乙炔燃爆濃度之下（1%）時需要的強制通風量：

式（2）、（3）中：

Q——強制通風量，m（3標）/h

GCa（OH）2——干電石渣使用量，kg/h

22.4 ——摩爾體積，L/mol

26、74——C2H（2乙炔）和Ca（OH）（2電石渣）的分子量

1%——通風稀釋后空氣中的乙炔濃度

5 電石渣圓庫泄壓裝置的選擇

由于在電石渣圓庫內可能產生乙炔氣體，根據乙炔爆燃時產生的燃爆壓力，應及時將其壓力釋放，以保證主體結構的安全。根據美國國家防火協會和國內有關研究的數據，乙炔在約束空間的最大燃爆壓力在1.06～1.7MPa之間，由于電石渣圓庫的空間較大，庫內氣體具有一定的壓縮性，在選擇泄壓裝置時應考慮此特性，爆破片的選擇還應考慮確保泄放過程中的泄放壓力小于封閉體的結構屈服強度，選擇與之相適應的爆破片爆破壓力；在泄壓裝置的選擇時建議同時考慮泄壓閥和事故泄壓區域。

當發生小型燃爆事故時，可利用設置在庫頂的泄壓閥進行泄壓，關于泄壓閥的泄壓面積，目前還沒有查到用于電石渣圓庫的相關規定及計算方法，若參照GB50295-2008《水泥工廠設計規范》，對煤粉倉的防爆閥總面積按每立方容積0.01m2計算，對于較大庫容量的鋼筋混凝土圓庫來說，仍需較大的泄壓面積，建議有條件的相關研究機構進行深入研究，可從乙炔爆燃產生的氣體量增量，來決定選擇泄壓閥的規格和數量。當發生較大型燃爆事故時，靠泄壓閥進行泄壓的泄壓面積遠遠達不到要求，因而需要在庫頂留出較大的區域作為事故泄壓區域，事故泄壓區域可考慮采用輕型庫頂板的形式，設計可參考GB50016-2014《建筑設計防火規范》，其泄壓面積可根據乙炔的泄壓比規定值0.2m2/m3計算。

根據NFPA68-2013《爆燃的泄壓與通風導則》第7.2條和《爆燃安全泄放標準》第7.2.2條，低強度封閉體內氣體的爆燃泄放，其所需求的最小泄放面積可由式（4）計算。

其中：

Av——泄放面積，m2

C——泄放常數，C=1.57×10-5·(Su)2+1.57×10-4(Su)+0.010 9

As——封閉體內表面積，m2

Pred——泄放過程中產生的最大壓力，MPa

Su——燃燒速率，cm/s

6 安全設施設計工藝措施

根據電石渣的特性，容易吸收空氣中水分結成分子團，造成物料在庫內板結、起拱和掛料等，在工藝設計上應考慮強制卸料，如在庫底使用筒倉卸料器強制卸料防止庫內物料起拱或堵塞，減少人工清堵作業；庫內壁鋪貼隔熱、防火、防粘結的高分子材料，防止庫壁粘料；庫外設置循環倒庫系統，用于生產線短期非正常停產、庫內仍存有電石渣時，預防庫內電石渣因久存粘庫、粉料板結或因此產生乙炔氣體富集，避免形成爆炸隱患。

7 安全設施設計電氣措施

由于電石渣含有微量電石，遇水氣后易產生乙炔，有存在爆炸性氣體環境的可能，因此，電氣設計應按不同的區域區分其危險程度，在電石渣庫的室外和露天部分可按常規設計，庫頂的室內電氣設計應考慮使用防爆電器，按GB50058-2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》的規定，爆炸性氣體環境危險區域劃分為2區，爆炸性氣體混合物為IIC級，引燃溫度為T2組；設計的相應電氣設備保護級別（EPL）應達到Ga、Gb或Gc級，防爆電氣的類別應滿足IIC類要求，電氣設備允許最高表面溫度＜300℃；電氣線路的設計宜采用絕緣銅芯電纜并滿足截面要求；接地設計的保護接零系統應采用TN-S系統。電石渣圓庫內設置乙炔氣體濃度監測儀，監測數據納入水泥工廠操作系統和上游化工廠操作系統，讓雙方系統操作人員隨時掌握庫內乙炔氣體濃度，乙炔氣體濃度達到1%時，及時報警并由化工廠操作人員調整操作參數，當乙炔氣體濃度無法降低時，應采取措施進行事故外排或止料。

8 結語

以上是在實際設計過程中曾經遇到和探討過的問題，也有在生產過程中的反饋和總結，在此提出探討，以期對今后的電石渣圓庫安全設施設計有所幫助。需要特別提醒的是：在設計過程中一定要嚴把原料質量關，對不符合安全要求的電石渣，應考慮電石的水化消解場，達到安全要求的電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

[1]GB 50493-2009，石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范[S].附錄A.

[2]安監總廳管三〔2011〕142號，首批重點監管的危險化學品安全措施和事故應急處置原則[S].

[3]JCT 730-2007，水泥回轉窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法[S].附錄C.

[4]GB 3836.11-2008，爆炸性環境（第11部分）：最大試驗安全間隙測定方法[S].

[5]NFPA 68-2013，Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting[S].

[6]王犇，等.乙炔燃爆特性的研究[J].安全與環境學報，2012，12（3）.■

天津水泥工業設計研究院有限公司設計的土耳其SIVAS項目主體車間通過考核

土耳其SIVAS項目是由天津院有限公司設計和供貨的4 500t/d熟料項目，包含了從石灰石破碎到水泥散裝的一條完整水泥生產線，從簽訂合同到按時點火，歷時25個月。

6月8日，隨著業主廠長Mr.Yusuf在考核報告上簽字，土耳其SIVAS項目燒成系統考核順利完成。至此，除了石灰石破碎系統及氮氧化物排放等少量考核項目，項目主體車間全部達到合同指標并通過考核。

自5月9日石油焦粉磨系統考核開始，項目便進入了緊張的考核階段。項目部克服雨季原材料水分大、礦山原料成分波動大等不利因素，反復與業主和公司技術部門溝通，確保各項考核符合條件并順利展開，同時對具體考核細節進行周密部署。由于項目人員緊張，自點火以來工作只能采取兩班倒模式，但全體項目人員無怨無悔，堅決服從項目部安排。經過一個月的艱苦奮戰，先后完成了石油焦磨系統、粘土破碎系統、水泥磨系統、原料磨系統以及燒成系統的考核工作。通過這次集中考核，一方面以考核為契機，督促各方完成了相關的整改工作；另一方面通過考核優化了系統參數、檢驗了系統穩定性，為后續生產積累了大量寶貴經驗。

TQ172.44

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1001-6171（2017）04-0031-05

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川成都610051；

2016-11-18；編輯：張志紅