煤粉制備系統泄漏危險分析及控制措施

黃子超

（中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸防治研究分院，重慶 400037）

1 煤粉泄漏爆炸危險分析

煤化工利用煤炭液化或氣化技術，將煤炭轉化液體、氣體燃料等清潔、高效的二次能源。“十二五”時期，我國以煤制油、煤制烯烴、煤制氣為主的現代煤化工步入快速發展軌道。然而，在煤粉制備工藝過程中均存在不同程度的煤粉泄漏危險，煤粉泄漏后在敞開空間遇到火源即會發生粉塵燃燒爆炸事故［1-2］，對煤化工裝置及園區帶來災難性破壞。

本文結合煤粉制備、篩選、輸送的工藝過程，分析系統中存在的煤粉爆炸危險性和泄漏危險位置。針對不同位置提出泄漏危險的計算評估方法，提出了泄漏監測及擴散防治措施，確保系統工藝的安全運行。

1.1 煤粉制備工藝流程

煤化工煤粉制備大多采取 “原煤研磨干燥＋煤粉旋風分離收塵＋中間儲倉＋加壓輸送”的工藝技術［3］。煤粉制備工藝包含研磨、干燥、存儲、輸運幾個部分，原煤送入磨煤機后，受到擠壓和碾磨而被粉碎成煤粉。在來自熱風爐的熱惰性氣體的旋風作用下煤粉進入干燥空間，進行熱風干燥和分級。細煤粉被加壓并通過載氣處于流態化狀態。通過加壓輸送為氣化裝置提供合格的煤粉。見圖1。

圖1 煤粉制備工藝流程示意圖

1.2 煤粉泄漏爆炸危險分析

煤粉制備系統中設備眾多、管網復雜，當筒倉或收塵系統內壓力超限、設備故障、材料老化、磨損，使得煤粉在內部壓力下向外泄漏，形成煤塵云，遇火源則發生燃燒爆炸危險［4］。煤化工使用的一般為褐煤，揮發分高，制備的煤粉粒徑小、流動性強、水分含量低。以某煤制油化工企業為例，粒徑75μm以下的煤粉質量＞80%，煤粉發生火災爆炸的危險性要比普通煤粉更高。

按照標準規定的實驗方法對兩種典型的煤制烯烴和煤制油原料煤粉進行爆炸特性參數測試，得到煤粉爆炸特性參數如表1中所示。

表1 煤粉爆炸特性參數測試結果

2 煤粉泄漏爆炸危險分析

2.1 混合氣體泄漏模型

煤粉制備工藝過程中，除塵器、粉煤倉等煤粉系統容器內介質為循環氣或惰性氣體與懸浮煤粉的混合物。當壁面或頂部的泄爆片或防爆板打開后，泄漏源以卷揚細煤粉的氣體為主。

在采用泄漏模型進行計算之前做如下假設：氣粉兩相流中固相占混合物的體積忽略不計，假設為0。首先，采用氣體泄漏模型進行泄漏體積量的計算，然后根據細煤粉的空間密度計算其泄漏量。煤粉系統容器內部氣體的流動為亞音速流動，泄漏量按公式 （1）、（2）進行計算：

1）煤粉收集器防爆板泄漏

煤粉收集器是原料煤磨煤干燥后合格煤粉的收集容器，當出現內部超壓或設備故障時，側面防爆板打開泄壓，造成煤粉泄漏。泄爆板尺寸為DN500mm，啟動壓力5kPa。根據氣體狀態方程及煤粉收集器工況條件，計算得出單個泄爆板全部打開泄漏的氣體體積流量為：Q＝4.03m3／s。

煤粉收集器中氣體的含塵量為400 g／m3左右，所以得到煤粉收集器單個泄爆板打開時煤粉的泄漏量為：Q＝1.61kg／s。

2）粉煤倉頂部防爆板泄漏

粉煤倉的操作溫度為微正壓，介質為細煤粉、二氧化碳和氮氣。在備煤單元粉煤倉的頂部安設有3個重力防爆板，同樣，當內部壓力增大，防爆板打開引起煤粉泄漏。防爆板的尺寸為DN800mm，啟動壓力為5kPa。

粉煤倉內上部氣體的含塵量為50 g／m3，計算得出，粉煤倉單個防爆板打開時，煤粉的泄漏量為：Q＝0.88 kg／s。

2.2 小孔泄漏模型

煤粉系統容器會都內貯存細煤粉，里面充入熱氮氣起流化作用，且煤粉粒徑小，流動性好，因此在泄漏計算時將流化狀態的煤粉理想化為流體。按照管道或儲罐上小孔泄漏模型計算煤粉泄漏質量流率，見公式 （3）。

1）粉煤倉錐部橡膠膨脹節泄漏

為便于設備或管路上下對接，減少設備運行或檢修震動產生的影響，煤粉制備系統多處安裝有橡膠膨脹節，在長時間運行中會產生磨損或者撕裂，造成煤粉泄漏。

粉煤倉是大型煤粉倉儲結構，底部出口與管路連接處安裝橡膠膨脹節，膨脹節尺寸為Φ300mm×230mm，煤粉的堆積密度為570kg／m3。磨損或撕裂小孔面積一般小于1cm2，根據小孔泄漏模型計算煤粉泄漏量為 Qm＝0.54 kg／s。

2）輸煤管線磨損泄漏

在煤粉制備、加壓輸送工序存在多處特殊管件，管線在拐彎、連接處易磨損。煤粉加壓輸送系統中煤粉給料線，管徑為DN800mm，內部輸送壓力5.02MPa。煤粉氣流在輸送過程中與管路存在摩擦，容易將管壁磨穿，形成小孔，泄漏面積按0.5cm2計算。由于管路內為高壓，會造成煤粉泄漏，形成煤塵云或造成煤粉堆積。根據小孔泄漏模型計算煤粉泄漏量為Qm＝2.27 kg／s。

3）旋轉給料閥下方橡膠膨脹節泄漏

旋轉給料閥位于煤粉收集器灰斗與橡膠膨脹節之間。旋轉給料閥有獨立的設計工作能力，為17～18.5t／h，切斷了煤粉儲倉與橡膠膨脹節直接連通，從而泄漏量會大大降低。橡膠膨脹節位于旋轉給料閥下方1m處，假定橡膠磨損或撕裂小孔的面積為1cm2，根據泄漏模型計算，煤粉泄漏量為 Qm＝0.21kg／s。

2.3 煤粉泄漏危險源分析

通過泄漏模型計算，對五個危險位置的煤粉泄漏量進行對比分析，如圖2所示。圖2中a、b、c、d、e分別代表了煤粉收集器防爆板泄漏、粉煤倉頂部防爆板泄漏、粉煤倉錐部橡膠膨脹節泄漏、輸煤管線泄漏、旋轉給料閥下方橡膠膨脹節泄漏。

通過對比可知，煤粉收集器防爆板和輸煤管線磨損泄漏要明顯高于其他泄漏源，這是因為泄漏板面積大、氣流中煤粉含量高，而輸煤管線內部壓力高、介質堆密度大。所以，影響煤粉泄漏量的主要因素為內部壓力、煤粉密度、泄漏面積等。

3 煤粉泄漏擴散防治措施

煤化工企業煤制油項目泄漏危險位置較多，且不能完全消除。泄漏的煤粉在局部空間極易形成煤塵云，存在發生爆炸危險，而泄漏堆積的煤粉時間過長可能發生自燃［5］。因此，需要在煤粉泄漏的第一時間發現危險并采取一定的措施，將泄漏危險扼制在初始狀態。

1）人工清掃

對于一般泄漏危險源，如皮帶輸送機區域，原煤倉區域、檢修口位置等位置。由于泄漏量不大，或能夠在第一時間發現，不會在短時間內造成較大危害。可以在發生泄漏后及時將沉積的煤粉清掃干凈，避免形成煤塵云或造成煤粉堆積。針對泄漏位置采取處置措施，消除隱患。

2）粉塵濃度傳感器監測

由于煤化工系統工藝中存在多個嚴重或不可控泄漏危險點，需要在危險泄漏位置安設煤粉濃度傳感器，對環境中煤塵濃度進行監測。煤塵濃度傳感器能夠全覆蓋所有危險位置，環境適用性強，彌補監控及人員巡檢的缺失。

粉塵濃度傳感器信號可以接入監測監控系統，當環境中煤塵濃度超限后輸出報警信號給監控系統，能夠在第一時間采取適當措施防止煤粉擴散。

3）水霧噴淋裝置

水霧噴淋是一般情況煤粉泄漏后防止擴散的最有效措施之一，能有效降低煤粉在空氣中的濃度，同時降低設備表面溫度，防止附著的煤粉發生自燃就爆炸事故。

水霧噴淋裝置主要由消防水系統、增壓泵、過濾器、電動開關、壓力表、噴頭等組成。當發生煤粉泄漏后，水霧噴淋裝置在短時間內快速噴灑細水霧，防止粉塵擴散及爆炸危害發生。水霧噴淋裝置的保護范圍、供給強度、噴嘴布置依據GB50219《水噴霧滅火系統設計規范》標準中的要求進行設計及安裝。

4）定期檢測及更換

利用超聲波測厚儀或超聲波探傷儀對易磨損管線及膨脹節進行磨損、腐蝕檢測是一種準確有效的方法。系統中易磨泄漏位置主要包括煤粉輸送管線、磨煤機落煤管、氣力輸送系統管線、返煤輸送管線、橡膠膨脹節等。現場人員對管線易磨損位置及管線的彎管處定期進行厚度檢測，對焊接處定期探傷檢測，當檢測到磨損嚴重時應立即進行更換。

4 結語

以煤化工煤粉制備工藝過程為研究對象，測試分析了煤化工所用煤粉的爆炸危險特性，煤粉粒徑小、揮發分高，更容易發生自燃或爆炸。采用混合氣體泄漏模型、小孔泄漏模型，對重要泄漏危險位置的進行了計算分析。對系統工藝中存在的煤粉泄漏及擴散危險提出了防治措施，為煤化工煤粉泄漏危險的監測、危險控制提供了有效措施。