細(xì)水霧特性及煤粉制備系統(tǒng)抑塵抑爆技術(shù)研究

黃子超，薛少謙

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

現(xiàn)代煤化工利用煤炭液化或氣化技術(shù)，將煤粉轉(zhuǎn)化為液體燃料、氣體燃料等清潔、高效的二次能源。“十三五”期間，我國以煤制油、煤制烯烴、煤制氣為主的現(xiàn)代煤化工快速發(fā)展，2019年，煤化工行業(yè)實現(xiàn)煤炭年轉(zhuǎn)化能力3.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右。然而，在煤化工煤粉制備系統(tǒng)中存在煤粉泄漏危險，泄漏的煤粉遇到火源在一定條件下即會發(fā)生燃燒爆炸事故，對煤粉制備系統(tǒng)甚至園區(qū)造成災(zāi)難性破壞。

細(xì)水霧被廣泛應(yīng)用于煤礦開采、掘進(jìn)、輸送等工藝過程的降塵，以改善作業(yè)環(huán)境、防止可燃粉塵爆炸。徐阿猛[1]、黃妍清[2]等利用流體動力學(xué)相關(guān)理論分析了細(xì)水霧的捕塵、降塵機理，以及與降塵效率相關(guān)的影響因素等；張小濤[3]對不同噴霧壓力和噴霧角條件下的細(xì)水霧擴散和沉降分布進(jìn)行了統(tǒng)計分析；曹廣遠(yuǎn)[4]、李樸[5]等研究得出微米級細(xì)水霧在工作面回風(fēng)巷、掘進(jìn)工作面相對于普通噴淋水幕具有更好的降塵效果。噴嘴結(jié)構(gòu)直接影響了細(xì)水霧的霧場特性，伍毅等[6]通過實驗測試得到噴頭流量系數(shù)對細(xì)水霧粒徑分布、霧化角、霧場強度的影響；WANG Pengfei等[7]研究了氣—液兩相內(nèi)混式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化特性和降塵性能的影響。為提高細(xì)水霧的降塵、抑爆效果，閆晶晶[8]、徐永亮[9]等從理論或?qū)嶒炇覘l件研究了旋轉(zhuǎn)細(xì)水霧、荷電噴霧等技術(shù)。

細(xì)水霧獲取方便、比熱容高，對易燃易爆性氣體粉塵爆炸的抑制具有良好效果，國內(nèi)外學(xué)者們通過物理裝置模型和數(shù)值仿真對其進(jìn)行了大量實驗分析。YANG Wenhua等[10]利用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究了火焰結(jié)構(gòu)與細(xì)水霧之間的作用機制；CAO[11]、NAKAHARA[12]等采用數(shù)值模擬的方法分析了細(xì)水霧和爆炸火焰之間的傳熱過程，得出了細(xì)水霧對甲烷、丙烷等可燃?xì)獗ㄌ卣鲄⒘康囊种谱饔茫皇┑萚13]建立細(xì)水霧發(fā)生裝置，通過實驗?zāi)M了巷道火災(zāi)事故中，細(xì)水霧對有毒有害氣體生產(chǎn)的抑制作用；裴蓓等[14]通過實驗從爆炸壓力、火焰速度和火焰結(jié)構(gòu)3個角度分析了CO2—超細(xì)水霧對瓦斯/煤塵復(fù)合爆炸的抑制特性。

細(xì)水霧抑塵抑爆技術(shù)在煤礦井下煤塵控制、可燃?xì)怏w爆炸防治方向得到了推廣應(yīng)用。但由于煤化工在我國起步較晚，目前針對煤化工煤粉制備系統(tǒng)中抑塵抑爆的研究并未廣泛、系統(tǒng)地進(jìn)行，而且對于煤粉泄漏和爆炸危險控制也尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還沒形成有效的、普適性的解決方法。

筆者基于細(xì)水霧的抑塵、抑爆的作用機制，結(jié)合煤化工煤粉制備系統(tǒng)工藝，考察不同壓力下實心錐形噴嘴的流量特性、粒徑分布等參數(shù)；對煤粉制備系統(tǒng)中粉煤倉等泄漏爆炸危險源進(jìn)行抑塵抑爆設(shè)計，以期為傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化和利用提供安全保障。

1 細(xì)水霧抑塵抑爆機理

細(xì)水霧抑塵技術(shù)是目前治理粉塵粒子泄漏、擴散的重要技術(shù)途徑。細(xì)水霧利用初始動能在空間內(nèi)快速擴散或懸浮在空中，形成潤濕作用，并通過攔截、凝并、布朗擴散作用實現(xiàn)對粉塵粒子的捕集，從而使粉塵粒子“增重”，達(dá)到降塵的目的。細(xì)水霧的攔截，降低了粉塵粒子的運動速度，阻止泄漏的粉塵向四周擴散。

高壓細(xì)水霧因其飽和水汽與粉塵粒子凝結(jié)效率高，具有更好的降塵效果。在較高壓力條件下，水霧粒徑更小，對粉塵粒子捕集能力更強；而且高壓水噴霧在碰撞、凝聚捕塵作用的基礎(chǔ)上，還會使細(xì)水霧粒子帶正負(fù)電荷，從而使水霧單顆粒發(fā)揮更積極的降塵作用，提高了對細(xì)粉塵的捕集效率。

細(xì)水霧是應(yīng)用廣泛的滅火介質(zhì)，對爆炸火焰具有明顯的抑制作用。首先，水比熱容高，具有吸熱、冷卻作用，能降低燃燒反應(yīng)區(qū)的溫度；其次，細(xì)水霧粒徑小、比表面積大，氣化后體積擴大約1 700倍[15]，水蒸氣可以起到隔絕氧氣、稀釋反應(yīng)物組分濃度的作用。另外，細(xì)水霧對火焰結(jié)構(gòu)具有拉伸破壞作用，屏蔽燃燒區(qū)與未燃物，從而使熱量快速衰減，降低了反應(yīng)進(jìn)程的熱反饋。另外，在爆炸鏈反應(yīng)機理中，水分子作為第三體與O、OH、CH3、CO等自由基發(fā)生碰撞，能消耗中間鏈載體，使活化分子濃度降低，終止鏈反應(yīng)，抑制爆炸反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

2 細(xì)水霧特性實驗測試

2.1 實驗系統(tǒng)

霧化是液體分散成微小液滴的過程，細(xì)水霧的工作壓力、粒徑、流量等霧場特性參數(shù)直接影響其降塵及抑制煤塵爆炸的性能。通過搭建實驗平臺，對不同條件下水介質(zhì)的霧化、流場等特性開展研究。細(xì)水霧實驗測試系統(tǒng)主要由400 mm×400 mm×1 200 mm方形透明管道、實心錐形噴嘴、供水設(shè)施、壓力表、流量計、粒度分析儀、測試軟件、攝像儀等組成。實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

在透明管道一側(cè)法蘭中間安裝噴嘴，向管道內(nèi)空間噴射細(xì)水霧。細(xì)水霧噴射采用實心錐形噴嘴，由外殼、導(dǎo)水芯及噴孔組成，孔徑1.25 mm，在液體壓力和氣動力作用下水流經(jīng)噴孔噴出，形成水霧。

通過調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力，測試噴嘴的霧化特性變化，記錄水流量變化，并攝像觀察、分析細(xì)水霧的霧化狀態(tài)。基于激光光束透過細(xì)水霧的衍射現(xiàn)象，采用馬爾文粒度分析儀測量不同壓力條件下細(xì)水霧的粒徑分布變化。

2.2 細(xì)水霧噴射霧化角

細(xì)水霧由噴嘴噴灑后形成近似錐體的霧化形態(tài)，細(xì)水霧錐體兩條邊緣的夾角稱為噴射霧化角。基于細(xì)水霧霧化狀態(tài)，利用反余切函數(shù)計算得出噴射霧化角，如公式(1)所示。錐形噴嘴安裝在管道法蘭中點，實驗中分別記錄錐形細(xì)水霧與透明管道上、下兩個面的交點，并測量兩個交點至噴嘴安裝位置的水平距離L。

(1)

式中：θ為條件霧化角；l為方形透明管道的內(nèi)邊長；L1、L2為錐形細(xì)水霧與管道上、下面交點分別至噴嘴的水平距離。

實驗中，細(xì)水霧噴射的工作壓力為0.7～2.5 MPa。通過測量計算，細(xì)水霧的噴射霧化角為108°，隨著實驗壓力逐漸增高，霧化角無明顯增大。

2.3 細(xì)水霧流量變化特性

細(xì)水霧流量是抑制煤塵燃燒爆炸、撲滅火焰的關(guān)鍵參數(shù)。在實心錐形噴嘴的前端管路上安裝電子流量計，直接測量不同壓力條件下細(xì)水霧的流量，當(dāng)流量穩(wěn)定后直接讀取數(shù)據(jù)。實驗測試了0.7、1.2、1.6、2.0、2.5 MPa噴霧壓力下噴嘴細(xì)水霧的流量，多次測量求其平均值，結(jié)果見表1。

表1 不同噴霧壓力下的平均細(xì)水霧流量

由表1可以看出：在實驗壓力范圍內(nèi)，隨著噴霧壓力的增加，細(xì)水霧流量呈線性增加。壓力增加，水流在管路中流速加快，這是造成霧化流量增加的主要原因。當(dāng)噴霧壓力由0.7 MPa增加至2.5 MPa時，細(xì)水霧噴射流量由11.37 L/min增加至21.78 L/min，增加了91.6%。根據(jù)實驗測試結(jié)果變化趨勢進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖2所示。揭示實驗范圍內(nèi)細(xì)水霧流量隨噴霧壓力的定量關(guān)系，擬合函數(shù)如式(2)所示，其相關(guān)參數(shù)值如表2所示。

圖2 水霧流量與噴霧壓力關(guān)系曲線Y=Y0+kX (0.7 MPa≤X≤2.5 MPa)

(2)

式中：Y為細(xì)水霧噴射流量，L/min；Y0、k為常數(shù)；X為噴霧壓力，MPa。

表2 細(xì)水霧流量擬合函數(shù)相關(guān)參數(shù)

2.4 細(xì)水霧粒徑變化特性

粒徑是影響細(xì)水霧抑塵抑爆效果的重要特性參數(shù)之一，實驗測試了5種不同噴霧壓力下霧化效果的水霧粒徑。為了對比分析不同實驗壓力下的水霧粒徑，使用細(xì)水霧的中值粒徑d50(累計分布達(dá)50%的粒徑)進(jìn)行衡量。不同噴霧壓力條件下的粒徑測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同噴霧壓力條件下的細(xì)水霧噴霧粒徑

根據(jù)測試結(jié)果可知，不同壓力條件下噴嘴噴射出的水霧粒徑是不一致的，在實驗條件下細(xì)水霧粒徑隨噴霧壓力的增大而減小。這是因為在較高的壓力條件下，外力作用大，噴射速度更快，能獲得比低壓力條件下更細(xì)微的水霧液滴。

在較高壓力條件下，水霧粒徑不僅足夠小，粒徑分布也相對更集中。2.0 MPa噴霧壓力下細(xì)水霧粒度分布頻率直方圖如圖3所示。直方框代表了某粒徑所占的數(shù)量百分比，曲線為水霧粒徑的累計百分比。該壓力條件下細(xì)水霧中值粒徑d50為146.3 μm、90%粒徑d90為353.7 μm。

圖3 2.0 MPa噴霧壓力條件下水霧粒度分布圖

由于著火區(qū)浮力羽流作用，細(xì)水霧的抑爆滅火效果受粒徑、生存時間等多因素影響。郭明[16]采用仿真計算，得出范圍為100～250 μm，直徑150 μm細(xì)水霧滅火效果最好。因此，在對煤粉泄漏爆炸危險抑塵抑爆系統(tǒng)設(shè)計計算時，采用細(xì)水霧工作壓力2.0 MPa工況，此時能達(dá)到更好的熄焰效果。

3 煤粉制備系統(tǒng)抑塵抑爆設(shè)計

3.1 煤粉泄漏爆炸危險分析

煤化工煤粉制備系統(tǒng)可為下游工序單元提供合格的煤粉，其工藝流程如圖4所示。以某煤制油公司為例，煤粉制備系統(tǒng)將原煤倉的塊煤送入磨煤機，經(jīng)過研磨后，利用熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱循環(huán)惰性氣體進(jìn)行干燥后發(fā)送至煤粉收集器，進(jìn)行煤粉與惰性氣體分離。煤粉經(jīng)過進(jìn)一步纖維分離進(jìn)入煤粉倉，采用正壓密相氣流輸送方式將細(xì)煤粉送入氣化爐。系統(tǒng)的熱惰性氣體可以循環(huán)重復(fù)利用。

圖4 煤粉制備系統(tǒng)工藝流程示意圖

煤化工煤粉的原料一般為褐煤，由于褐煤煤粉相比普通煤粉水分含量低、粒徑小、揮發(fā)分高，其粉塵層和粉塵云的引燃溫度低、點火能量小，易引起煤塵自燃；而且其爆炸下限濃度低，更容易發(fā)生爆炸，發(fā)生爆炸后最大爆炸壓力及爆炸壓力上升速率高，破壞力更強。煤粉制備系統(tǒng)工藝中常伴隨有高溫、高壓條件，一旦發(fā)生煤粉爆炸事故將會造成災(zāi)難性的后果。因此，褐煤在煤粉制備系統(tǒng)中煤粉的生產(chǎn)、儲存、輸送工序中發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險性要比普通煤粉更高。

煤粉制備系統(tǒng)中存在著多處防爆板/泄爆片、檢修孔、插板閥、橡膠膨脹節(jié)、管路磨損等泄漏危險源。在管路磨損、設(shè)備失當(dāng)、操作失誤、工況條件改變或系統(tǒng)異常條件下極有可能發(fā)生煤粉泄漏，在空間內(nèi)快速形成一定濃度的煤塵云，遇到明火或者局部高溫時，會發(fā)生粉塵燃燒爆炸現(xiàn)象，引發(fā)設(shè)備破壞、財產(chǎn)損失，甚至人員傷亡的嚴(yán)重事故。

3.2 細(xì)水霧抑塵抑爆系統(tǒng)設(shè)計

細(xì)水霧抑塵抑爆系統(tǒng)主要由消防水系統(tǒng)、穩(wěn)壓泵、壓力表、過濾器、電磁閥、噴頭及供水管網(wǎng)組成，如圖5所示。

圖5 細(xì)水霧抑塵抑爆系統(tǒng)組成示意圖

消防水系統(tǒng)連接消防水，在消防水系統(tǒng)后端安設(shè)穩(wěn)壓泵，彌補消防水壓力不高、不穩(wěn)定的缺點。抑爆系統(tǒng)連接至監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生煤粉泄漏爆炸危險時，電動閥門打開，高壓消防水增壓后由實心錐形噴嘴分散成細(xì)水霧，保護(hù)危險區(qū)域或局部設(shè)備，達(dá)到降塵、抑制爆炸的目的。

根據(jù)細(xì)水霧流量、粒徑等參數(shù)變化分布的實驗結(jié)果，為使消防水系統(tǒng)達(dá)到有效的抑塵抑爆效果，噴頭工作壓力按照2 MPa設(shè)計，并滿足GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[17]要求。

噴頭細(xì)水霧流量采用在工作壓力條件下實際測試結(jié)果，當(dāng)工作壓力為2.0 MPa時，水霧流量Q為19.62 L/min。抑塵抑爆系統(tǒng)細(xì)水霧實際工作流量在設(shè)計供給流量的基礎(chǔ)上乘以1個k=1.1安全系數(shù)。

保護(hù)對象所需水霧噴頭的數(shù)量按公式(3)計算：

(3)

式中:N為保護(hù)對象水霧噴頭的數(shù)量，只；k為安全系數(shù)；S為被保護(hù)面積，m2；W為保護(hù)對象的設(shè)計供給強度，L/ (min·m2)。

煤化工煤粉制備系統(tǒng)按照不同防護(hù)區(qū)域和泄漏爆炸危險性，選擇不同的水霧供給強度、保護(hù)應(yīng)用方式等。

1)帶式輸送機

煤粉制備系統(tǒng)在每個備煤區(qū)分布有2條帶式輸送機，抑塵抑爆系統(tǒng)的保護(hù)范圍包括機頭、機尾和上行膠帶的上表面面積。現(xiàn)場輸送機的膠帶寬1.4 m、整體長85 m。根據(jù)規(guī)范要求輸送機膠帶防護(hù)需要的供給強度為0.9 L/(min·m2)。

根據(jù)式(3)計算得出，帶式輸送機的被保護(hù)面積S=249.2 m2，細(xì)水霧噴頭的數(shù)量N=12。

2)煤粉收集器錐部空間區(qū)域

煤粉收集器錐部空間區(qū)域分布有4套煤粉灰斗、旋轉(zhuǎn)給料閥等，由橡膠膨脹節(jié)、人孔、插板閥等部件組成，存在煤粉泄漏、發(fā)生燃燒爆炸的危險性[18]。該區(qū)域危險源多且分散，細(xì)水霧系統(tǒng)采用全淹沒的應(yīng)用方式。以單個灰斗作為一個保護(hù)區(qū)域進(jìn)行計算，保護(hù)面積為煤粉收集器灰斗的投影面積，尺寸為6 500 mm×5 170 mm。該區(qū)域抑塵抑爆需要的細(xì)水霧供給強度為2 L/(min·m2)。

根據(jù)式(3)計算，單個灰斗區(qū)域的被保護(hù)面積S=33.61 m2，細(xì)水霧噴頭的數(shù)量N=4。所以，煤粉收集器錐部整個空間區(qū)域的水霧噴頭數(shù)量為16個。

3)粉煤倉頂部區(qū)域

在粉煤倉頂部區(qū)域存在有2處橡膠軟連接，3個泄壓防爆板，如有老化磨損、內(nèi)部超壓等情況，容易發(fā)生煤粉泄漏，遇外部火源則會發(fā)生燃燒爆炸危險事故。為此，該區(qū)域采用全淹沒的應(yīng)用保護(hù)方式，以粉煤倉頂部的面積作為被保護(hù)面積S=28.26 m2(頂部直徑為6 m)。該區(qū)域抑塵抑爆需要的細(xì)水霧供給強度為2 L/(min·m2)。經(jīng)計算，該區(qū)域抑塵抑爆系統(tǒng)細(xì)水霧噴頭數(shù)量N=4。

4)粉煤倉錐部橡膠膨脹節(jié)

粉煤倉錐部區(qū)域存在橡膠膨脹節(jié)等部件，非金屬材質(zhì)易發(fā)生老化、磨損，存在泄漏危險。該區(qū)域為單點危險源，可采取局部應(yīng)用保護(hù)方式。以橡膠膨脹節(jié)的外表面作為保護(hù)面積。膨脹節(jié)尺寸為DN300 mm×230 mm，抑塵抑爆需要的細(xì)水霧供給強度為2 L/(min·m2)。按照式(3)計算，滿足細(xì)水霧能覆蓋橡膠膨脹節(jié)全部外表面的要求，該危險源細(xì)水霧抑塵抑爆系統(tǒng)噴頭數(shù)量N=2。

3.3 水霧噴頭的布置方式

噴頭的布置方式是影響細(xì)水霧抑塵、抑爆效果的重要因素之一。噴頭與煤塵源一定距離時，細(xì)水霧對全塵的抑塵效率更高[19]。為完全包絡(luò)或覆蓋保護(hù)部位，且考慮到細(xì)水霧系統(tǒng)的啟動時間，對于采取局部保護(hù)方式的抑塵抑爆系統(tǒng)，水霧噴頭與危險源的距離應(yīng)大于0.5 m；對于采用全淹沒的保護(hù)應(yīng)用方式，細(xì)水霧噴頭布置在保護(hù)對象的頂部周圍，均衡布置，保證細(xì)水霧屏障噴灑均勻，包圍整個保護(hù)區(qū)域。帶式輸送機采用線性方式布置噴頭，細(xì)水霧噴灑時能夠包絡(luò)整個輸送機的機頭、機尾及上行膠帶上表面。

煤粉制備系統(tǒng)的泄漏爆炸保護(hù)區(qū)域按照平面處理，細(xì)水霧噴頭的布置方式為矩形或三角形(菱形)，如圖6所示。細(xì)水霧噴灑能夠完全遮蔽或包絡(luò)被保護(hù)區(qū)域或?qū)ο蟆．?dāng)有遮擋物對水霧噴撒效果產(chǎn)生不利影響時，需采取局部加強措施。

圖6 水霧噴頭布置方式示意圖

4 結(jié)論

1)采用搭建的細(xì)水霧噴射霧化實驗系統(tǒng)，測試了一種實心錐形噴嘴噴射霧化角、流量、粒徑等特征參數(shù)，得出隨工作壓力的增加，霧化角無明顯增加，而水霧流量呈現(xiàn)線性增加，水霧粒徑呈逐漸減小的變化趨勢。

2)在實驗條件下，噴頭工作壓力為2.0 MPa時，水流能夠被分散成粒徑足夠小的細(xì)水霧，粒徑分布相對集中，細(xì)水霧流量為19.62 L/min，中值粒徑為146.3 μm。

3)基于細(xì)水霧的降塵、滅火抑爆機理，針對煤化工煤粉制備系統(tǒng)的煤粉泄漏危險性，設(shè)計了細(xì)水霧抑塵抑爆系統(tǒng)，對帶式輸送機、煤粉收集器錐部空間、粉煤倉頂部區(qū)域、粉煤倉錐部橡膠膨脹節(jié)的水霧供給流量、噴頭數(shù)量進(jìn)行了計算分析，并分析了水霧噴頭的安裝布置方式，為煤粉制備系統(tǒng)的安全運行提供了可靠保障。