石油焦煅燒生產過程粉塵防爆研究

徐文廣

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

2014 年8 月2 日，江蘇省某金屬制品公司發生特別重大鋁粉塵爆炸事故，造成人員及財產的巨大損失，社會影響較大[1]。該事故的發生，讓國內涉及粉塵爆炸行業引起不小震動。為了消除事故隱患，本文選取國內碳素行業較為普遍的石油焦煅燒工藝，對其生產過程產生的粉塵性質進行研究，以了解其爆炸性能，便于采取有針對性的措施，防止類似事故發生。

石油焦煅燒工藝是引進美國美卓（METSO）煅燒工藝，整個生產過程包括原料輸送系統、煅燒系統、成品輸送系統和成品包裝4 個系統。其中原料輸送系統和成品輸送系統產生粉塵較大，文中將作詳細介紹。

1 石油焦及煅后焦粉塵爆炸特性

1.1 爆炸性測試結果

為了研究原料輸送系統和成品輸送系統粉塵爆炸的危險性，分別選取原料和成品輸送皮帶廊中懸浮后又沉降下來的粉塵顆粒作為樣品，用專業分析設備進行測試，測試結果見表1。

1.2 結果分析

1.2.1 爆炸敏感度分析

1）石油焦爆炸下限較低，和玉米淀粉相當，表明該樣品容易形成爆炸性粉塵環境；煅后焦爆炸下限較高，相對穩定。

2）石油焦和煅后焦最小點火能均超過1 000 mJ，大約是煙煤粉塵的10 倍，靜電引燃的敏感性較低。

3）石油焦和煅后焦粉塵云最低著火溫度較高，不易被熱表面引燃；而石油焦粉塵層悶燃溫度較低，為280 ℃，和煙煤接近，表明堆積的石油焦粉塵容易被發熱表面引燃。煅后焦粉塵層悶燃溫度＞400 ℃，相對較高，不容易被發熱表面引燃。

1.2.2 爆炸猛度分析

石油焦粉塵的最大爆炸壓力為0.8 MPa（修正后），該值和煙煤、玉米淀粉最大爆炸壓力接近，屬于較猛烈的粉塵，具有很大的破壞性；煅后焦的最大爆炸壓力為0.49 MPa，猛度中等[2]。

2 石油焦生產線粉塵爆炸風險分析

本文涉及的粉塵爆炸風險分析指的是發生粉塵爆炸的可能性分析。

2.1 粉塵爆炸發生的條件

發生粉塵爆炸必須具備5個條件[3]，即“爆炸五邊形”，包括：

1）可燃粉塵，糧食、煤炭、石油焦粉塵等均屬可燃粉塵。

2）氧氣是助燃性氣體，但氧氣低于支持粉塵爆炸的最低氧濃度“極限氧濃度(LOC)”時，就很難發生粉塵爆炸了。

3）粉塵呈云狀態，只有粉塵被揚起呈懸浮狀態并與空氣充分混合時才能發生爆炸。石油焦生產系統產生粉塵云的地點很多，比如各皮帶轉運落料點、煅前倉、成品倉，各個除塵系統管道及除塵器內部等等。

表1 石油焦/煅后焦粉塵參數及測試結果

4）點火源，石油焦煅燒生產系統可能的點火源有熱表面、明火、機械火花、絕熱壓縮、自燃、電弧和靜電放電。

5）空間的相對密閉性。生產設備內部，如全封閉的破碎機、除塵器、料倉，半封閉的皮帶機廊道、轉運塔也算相對密閉空間。

在石油焦煅燒生產過程中，可燃粉塵和氧氣是一直存在的，粉塵爆炸風險分析主要考慮其他3 個條件，即粉塵懸浮、點火源、空間相對密閉同時出現的情況。

為了便于認識粉塵爆炸風險的大小，根據爆炸性粉塵云出現的頻率和存在的時間，結合可能出現的引燃源情況，綜合分析工藝制程的粉塵爆炸風險。將風險由小到大依次分為：極低、低、一般、較高、高5 個層次，各級別風險對應的整改措施要求見表2。

2.2 主要工藝設備風險分析

2.2.1 雙輥式破碎機

石油焦原料經過破碎機破碎為100 mm 以內的小塊物料。來料水份含量平均在14%～15%，濕度較大，破碎機內一般不會形成爆炸性粉塵云。但在干燥時，如水份10%以下，機內會形成爆炸性粉塵環境；破碎機進料口前增設了電磁除鐵器、金屬探測器等，可以去除大硬度的磁性金屬，有效避免金屬雜物在粉碎機內引起的機械摩擦、撞擊火花，但對于非磁性金屬、木塊、石塊等雜質，無法排除。破碎機驅動電機為非防爆電機，外殼防護等級為IP54，可以起到一定的防塵作用，但對設備表面最高溫度沒有要求，不具備嚴格的防爆功能。

表2 風險級別及響應措施

綜上，破碎機內空間體積狹窄，原料濕度大，不易形成爆炸性粉塵云，破碎機內發生爆炸的風險一般。

2.2.2 原料帶式輸送機

原料輸送系統共有5 條皮帶。其中最短為6.9 m，最長為168.1 m。帶式輸送機均采用敞開式作業，沒有封閉空間，不具備發生粉塵爆炸的必備條件，所以很難形成爆炸性粉塵環境。但帶式輸送機的頭部或尾部，會形成大量粉塵堆積，增加了建筑物內形成爆炸性粉塵環境的風險。由于皮帶跑偏、過載打滑、托輥軸承失效且報警措施失效的情況下，可能引起皮帶或石油焦粉著火，或許成為下一工序發生粉塵爆炸的引燃源。

綜上，帶式輸送機及所在長廊發生粉塵爆炸的風險低。

2.2.3 袋式除塵器

石油焦原料儲運工藝共有袋式除塵器4 臺。袋式除塵器是發生粉塵爆炸頻率最高的工藝設備之一。其原因是，專用于收集系統內粒徑很小的飄塵，通常是微米級別，爆炸敏感度高；除塵器采用脈沖反吹方式清灰，在噴吹瞬間，布袋上粘結的大量粉塵會被揚起，甚至將除塵器底部灰斗上積累的粉塵卷揚起來，從而達到爆炸極限，形成爆炸性粉塵環境。袋式除塵器里的點火源可能有脈沖反吹產生的靜電放電、粉塵自燃、從生產工藝方向傳播過來的火源等。石油焦輸送系統所有袋式除塵器均未開設泄爆口，袋式除塵器一旦發生爆炸，壓力波和火焰會反向傳播至工藝設備，甚至引發廠房內的系統爆炸。

綜上，石油焦輸送系統袋式除塵器發生粉塵爆炸的風險為較高。

2.3 煅后焦輸送系統粉塵爆炸風險分析

石油焦原料經回轉窯煅燒成熟焦后，揮發份得以去除，化學性質比煅前生焦穩定得多，所以著火敏感性和爆炸猛度都遠低于石油焦。

從爆炸下限數據200 ～250 g/m3來看，只有部分設備內部才會達到這個濃度，如果遇到1 J 以上的強點火源，有發生爆炸的可能性，但風險極低。

3 防爆措施及建議

通過系統分析石油焦和煅后焦的爆炸特性參數，發現石油焦粉塵靜電引燃的敏感度較低，但對熱表面引燃比較敏感，一旦發生爆炸，最大爆炸壓力具有嚴重的破壞作用。煅后焦無論是敏感性還是爆炸嚴重度都遠低于石油焦，最大爆炸壓力約為石油焦的一半，且煅后焦爆炸下限參數較高，建筑物內很難達到爆炸濃度水平。

石油焦煅燒生產線粉塵爆炸風險主要集中在加工及轉運工藝過程。依據現有生產狀況，該生產過程整體粉塵爆炸風險水平一般，但部分設備風險較高，主要集中在石油焦輸送和儲存場所，需要改造和加強安全管理。

總體上，以減少事故發生可能性和降低后果嚴重度為出發點，從技術角度和管理角度進行粉塵爆炸防控。

從技術角度應采取的防控措施[4]，需盡可能向本質安全靠攏，依據場所的風險高低將破碎樓、煅前倉、石油焦轉運站除塵器、包裝樓除塵器等的電氣設備更換為符合國標的電氣設備，如Ex tDA20、Ex iaD等防爆型式，將原料輸送皮帶頭部周圍1 m 范圍內的電氣設備更換為Ex tDA21、Ex ibD 或以上防爆型式的電氣設備，其余低風險場所的電氣設備也相應改為防塵爆型式，確保涉塵場所的電氣設備符合GB 12476.2—2010《可燃性粉塵環境用電氣設備 第2 部分：選型和安裝》要求的。

從管理角度應采取的防控措施[4]，需從點火能量、粉塵云及粉塵層的形成方面入手，比如在高風險場所增加紅外線探頭，監控火源的進入；建立定期清掃制度，有效控制設備熱表面粉塵云的形成；對除塵設備定期維護，確保除塵效果良好，有效抑制粉塵云的形成；定期檢查電氣設備、接地線路是否正常，防止因電氣設備防爆失效或靜電導出受阻產生的點火能量，進而導致事故的發生；建立粉塵爆炸事故應急預案并定期演練。

此外，可以考慮各建筑物之間通過輸送設備構成網絡，如原料轉運站、破碎樓、破碎后轉運站之間的帶式輸送設備安裝火焰探測器，并與控制系統連鎖，實施報警和緊急停車功能可以有效控制火焰的傳播，防止發生系統爆炸或火災風險。

4 結語

通過對石油焦煅燒工藝生產煅后焦的過程和焦粉的特性分析可知，石油焦煅燒前的煅前倉、破碎樓、除塵器、輸送皮帶頭部等場所粉塵爆炸風險較大，其余部位風險較低；煅燒后各場所風險普遍較低。從風險防控措施看，將較高風險場所的電氣更換為不低于規范標準要求的粉塵防爆電氣，輔以管理措施，如控制外來點火能量的產生、定期清掃、預案制定和演練等手段，粉塵爆炸風險可以得到有效控制。