水泥企业煤粉制备系统燃爆预防与控制探讨

添加时间:2023/5/19 15:13:21

摘要:水泥行业对安全生产日益重视,然而在日常生产中煤磨系统燃爆事故每年仍然时有发生,造成的直接和间接经济损失预估达上千万元。

为从根本上预防燃爆事故的发生,本文从煤粉的燃爆的理论原因出发,分析得出对于水泥企业煤磨系统防爆重点应当放在控制点燃源和氧气浓度上,并结合国内外的标准和要求,对煤粉制备系统防爆电机选择、煤磨入口温度、煤磨出口温度以及煤磨氧气浓度的具体控制预防进行了进一步梳理,对实际操作层面提出了具体的建议,供水泥行业从业人员参考。

关键字:煤磨安全、防爆分区、防爆设备选型、工艺参数、燃爆预防。

Coal Mill Explosion Prevention and Intervention Discussion in Cement Industry  

( Zhejiang South Cement Company Li Bingming Li Liang ZhanJie 

Deqing South Cement Company Cai Jiqing

Abstract: The cement industry pays more and more attention to safety production. However, combustion and explosion accidents of middling coal Mill system still occur every year in daily production, resulting in direct and indirect economic losses estimated at tens of millions of RMB.

In order to fundamentally prevent the occurrence of combustion and explosion accidents, this article starts from the theoretical reasons for the combustion and explosion of coal powder, and analyzes the key of explosion for prevention the coal mill system of cement enterprises should be on controlling the ignition source and oxygen concentration. Combined with domestic and foreign standards and requirements, the specific control and prevention of explosion-proof motor selection, coal mill inlet temperature, coal mill outlet temperature, and coal mill oxygen concentration in the coal mill preparation system have been further sorted out, Specific suggestions have been put forward for practical operation, for reference by practitioners in the cement industry.

Keywords: Coal mill safety、 Explosion zone、Explosion-proof equipment selection、process parameters、explosion prevention.

进入新世纪以来,国家对工贸行业中的涉尘涉爆企业的安全生产日益重视,不断出台各种法规法规和规章制度,并严格的把煤磨安全管理防控要点列入水泥企业安全生产标准化的等级评审判定标准中,以预防和减少粉尘爆炸事故、保障从业人员的生命安全。

然而,每年煤磨系统燃爆事故依然时有发生,造成的设备损毁和人员伤亡事件也多有耳闻,直接和间接经济损失估计达上千万元。这时刻提醒着煤磨燃爆的事故预防与控制依然需要警钟长鸣,安全防范措施依然要从严从实抓起。

鉴于此,系统的梳理煤粉制备系统燃爆预防的重点和难点,科学的制定控制的装备和工艺措施,便成为本文着墨之处。

1 煤粉燃爆理论分析

为有效的确保煤粉制备系统的安全,相关人员必须充分意识和领会到煤粉燃爆的基本原理,这样才能从根本上采取恰当的措施从根本上消除掉煤粉爆炸因素。

应对系统发生燃烧或爆炸的第一要务就是预防:要对以下燃烧三角或爆炸五角中的任一因素或者多因素进行切断。

上图中的燃烧三角形和爆炸五边形揭示了导致燃烧或爆燃的基本因素。消除或者最小化上面其中任一一项的因素就暗含了预防控制策略。因为爆炸环境中的粉尘发生爆炸是当且仅当特定条件下爆炸因素在同一时间和同一地点同时发生,具体分析如下:

(1)可燃物粉尘 

煤粉制备工艺中需要对煤粉进行粉磨,因此这种可燃性粉尘总会在系统中存在而且也不可能用其他非可燃材料替代。一种折中策略是采用一种燃爆的煤种替代高燃爆活性煤种。

在生产实际中存在的问题是,随着节能降耗的压力上升,企业愈加倾向于采用高热值和高挥发性煤种而实现生产环节的高产低耗,这就意味着原煤的更高的燃爆活性。

(2)煤粉悬浮于封闭空间

煤粉制备工艺中需要使用热风进行烘干和粉磨,因此这些易爆粉尘悬浮于生产设备中,而且粉尘浓度一直处于爆炸上下限之间。

磨机粉尘浓度:一般煤粉浓度位于600g/m3-1000g/m3;

磨机到袋收尘出口的粉尘管道:典型的浓度范围300g/m3-500g/m3;

袋收尘含尘浓度侧:典型的浓度范围300g/m3-500g/m3;

煤粉输送设备至煤管出口:典型的煤粉浓度4000g/m3-6000g/m3;

煤粉仓、袋收尘和煤粉仓之前的设备、煤粉称等;

煤磨车间区域:卫生状况差时,煤粉层会在车间内部沉积。

(3)氧气浓度

降低氧气浓度会显著的降低粉尘爆炸的危险性。对于煤磨来说存在一个支持爆炸发生的最小浓度。因此将氧气浓度保持在最小的浓度以下是预防燃爆的重要措施。

对于那些煤磨烘干热风从预热器系统取风的来说,氧气含量一般位于2-4%之间。因此这种系统在正常操作时便将煤磨至于安全的烘干气氛下,甚至在煤磨启停期间,煤磨安全风险也随之降低。

对于煤磨系统来说,应尽可能将煤磨系统的氧含量降低到最低,哪怕氧浓度早已低于爆炸氧气下限。因为尽管此时氧气浓度不足于支持爆炸发生,但是煤粉焖燃风险依然存在。

(4)点火源

有很多潜在的点燃源存在足够的能量点燃悬浮的粉尘并导致爆炸。

电气设备产生火花或者设备短路过热;

机械设备撞击产生的电火花;

损坏的轴承导致表面过热;

烘干热风;

管道高温表面;

焖燃的煤粉;

外界带来的偶发性点火源:堆焊、切割设备作业、火苗及烟头等;

以上种种因素,均可以通过稳定的工艺操作、细致到位的车间巡视检查和严格的遵守操作程序进行预防。

(5)静电荷积聚

为了避免静电荷积聚导致的燃爆风险,所有的相关设备均应该进行接地以便及时导走随时产生的静电荷。接地线和跨接线必须采用柔软但具有一定硬度的金属编织带。

需要接地的系统包括:主机设备、收尘器的袋笼、卡箍、膨胀节和法兰等。生产管理中,必须将接电线的定期检测作为管理的一项刚性制度来执行,及时修理和更换损坏的接地系统。

经以上分析可看出,对于煤粉制备系统燃爆预防,控制点火源和氧气浓度(只适用于预热器取风系统)是预防燃爆事故唯二的关键环节。因此以上两个环节的实际管理控制情况便预示着车间煤磨燃爆预防控制的整体水平。

2 煤粉制备防爆区域划分

经上节的分析可以看出,对绝大多数水泥企业意外点火源是防范煤磨燃爆的工作重点。其中煤磨车间中的防范电气设备意外火花是电机设备选型和实现本质安全的要点。

按欧洲ATEX和美国NFPA防爆安全标准,对煤磨车间区域和设备安全防范进行了专业划分,这种专业划分的核心目的是对不同燃爆防范风险的区域强制性的选择符合标准电气设备,可以防范点火源的意外燃爆风险。

对于煤粉,防爆区域的划分如下:

(1)20区:空气中爆炸性环境以可燃性粉尘云的连续出现、长时间存在或频繁出现的场所。

(2)21区:在正常操作过程中,空气中爆炸环境以可燃性粉尘云的状态下可能出现或者偶尔出现的场所。

(3)22区:在正常操作过程中,空气中爆炸环境以可燃性粉尘云的状态下不可能出现的场所,如果出现仅是短时间存在的场所。

根据以上标准,煤磨车间防爆区域划分如下图所示:

从以下区域选型可以看出,煤粉车间大部分设备内部处于21区,车间外部处于22区。车间电气设备防爆选型应至少以满足21区防爆要求为主。

3 煤粉车间防爆电气设备选型

对煤磨车间的防爆区域进行划分之后,各区域的电气设备应该按照要求进行,参照气体防爆区域的电机划分如下:

对于20区的电气设备:禁止使用电机;

对于21区的电气设备:可以使用隔爆型电机和正压外壳型电机;

对于22区的电气设备:可以使用增安型电机、无火花型电机和复合型防爆电机。

以上电机的防爆原理如下:

隔爆型电机:外壳可以承受由结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸后而不损坏,并且不会引起外部爆炸性气体环境的点燃。

正压外壳型电机:在设备的外壳内部通入一定压力的惰性气体,使周围的可燃性粉尘不能进入外壳内部,从而阻止点燃源与爆炸性粉尘接触,达到防止爆炸的目的。

增安型电机:对正常条件下不会产生电弧、火花或可能点燃燃爆型混合物的高温设备上,采取措施提高安全程度,以避免在正常和认可的过载条件下出现异常火花。

无火花型电机;在正常情况下不会产生火花,不能点燃周围的爆炸性的气体环境。

复合防爆型电机:采用两种或两种以上的防爆形式的电机。

新建生产线煤磨车间防爆电机实际选型列表如下:

设备名称

工序设备名称 

规格型号

原煤堆料机

隔爆型永磁同步直驱变频电动机

DYT-YCF37

原煤皮带输送机

隔爆型永磁同步直驱变频电动机

DYT-YCF55

密封喂料器

隔爆型三相异步电动机

YBX3-132M-4

原煤接料输送机

隔爆型三相异步电动机

YBX3-100L2-4

原煤螺旋输送机

隔爆型三相异步电动机

YBX4-160M-4

煤粉选粉机

隔爆型永磁同步直驱变频电动机

DYT-YCF55

煤粉旋转下料器

隔爆型三相异步电动机

YBX4-100L2-4

煤粉旋转输送机

隔爆型三相异步电动机

YBX4-160L-4

由上选型可看出,煤粉制备车间外部设备大部分处于22区和21区,以上电机防爆实际选型选择了21区设备,属于从高选择。

4 煤磨系统工艺防爆管控

煤粉制备系统中选用相应的防爆电器之后,对煤磨系统存在的点燃源控制的重点便放到了的煤磨车间的工艺管控上。

4.1 原煤的特性检测

原煤的特性是确定煤磨车间的安全设计的基础,它关系到车间设备抗爆炸压力的选型以及煤磨车间一系列重要操作规则的确立。当原煤从普通煤转换到高挥发份煤种时,必要的原煤特性检测更加重要。

(1)尘云最小点燃温度:可以导致粉尘云点燃的最小热表面温度。

常见燃料典型温度如下:无烟煤690-750℃;烟煤20-590℃;褐煤430-460℃。

(2)粉尘层最小点燃温度:可以导致粉尘层点燃的最小热表面温度(出现焖燃)。

常见燃料典型温度如下:无烟煤300-450℃;烟煤190-280℃;褐煤180-260℃。

(3)最小氧气浓度:支持粉尘云发生爆炸的最小氧气浓度。值得注意的是即使氧气浓度

低于粉尘云发生爆炸的最小氧气浓度,焖燃现象仍然有可能发生。

常见燃料典型最小氧气浓度如下:无烟煤17%;烟煤11-13%;褐煤10-11%;

(4)最大爆炸压力:最大爆炸压力是通过不同燃料浓度下进行试验得到的压力,这是用于确定泄爆面积的重要参数。

一般来说,煤粉的爆炸压力在10bar左右。

(5)最大压升速率:最大压升速率取决于与煤粉的特性有关,是在1m3的容器中压力上升速率,该值也是通过一些列的粉尘浓度实验获得。

对于大部分煤粉来说,压力上升速率低于200Bar.m/s。

4.2 煤粉制备系统温度控制

选取的煤种经过以上的原煤特性检测之后,煤粉制备系统中的温度控制参数便可以确定下来,用于消除高温气体和高温表面产生的点燃源。

(1)理想温度设定原则

对于选取的煤种如果已知最小粉尘云点燃温度和最小粉尘层点燃温度,可以根据以下原则确定制备车间设备的表面温度控制原则。

A:最大设备温度=最小粉尘云点燃温度的三分之二;

B:最大设备温度=最小粉尘层点燃温度-75℃;

设置温度控制限值时,为保持一定的安全限值,实际取值要远远低于以上限值。

(2)煤磨入口温度最高限值(跳停值)

如原煤特性未做检测,因挥发份对于原煤的的燃爆活性影响很大,因此可以用于煤粉制备系统的温度设定选取。一般情况下建议选取值如下:

A:煤粉挥发份<15%时:< 275℃;

B:煤粉挥发份15%-35%时:< 250℃;

C:煤粉挥发份>35%时:< 220℃。

实际中可以按以上建议值的正负5℃进行选择。

(3)煤磨出口温度最高限值(跳停值)

煤粉的内水含量往往决定了磨机出口温度控制,一般情况下建议选取值如下

A:煤粉挥发份<15%时:<100℃;

B:煤粉挥发份15%-35%时:< 90℃;

C:煤粉挥发份>35%时:< 80℃。

实际中可以按以上建议值的正负5℃进行选择。未避免过渡烘干煤粉,造成煤粉重新吸水放热自燃,建议煤粉控制水分不得低于内水的1%。

4.3 煤粉制备系统氧气浓度控制

上文中提到,对于一般燃料的最小氧气浓度,实际磨机操作过程中一般要将磨机控制到最小氧气浓度的2%以下。

常见燃料典型最小氧气浓度如下:无烟煤16%;烟煤10-12%;褐煤9-10%。   

4.4 煤粉制备系统其他意外点燃源

除以上点燃源外,煤磨系统也经常存在一些偶发性的意外点燃源,如积聚的煤粉等。这可以通过优化磨机安全操作规程以便及时清理掉开停磨期间的积存的煤粉,对煤磨车间进行定期巡检发现设备异常等出现煤粉沉积,降低这种意外发生的概率。

建议企业组织专业人员对煤磨车间进行以季度为单位的安全现场审计,确保系统各项措施完善、完整以及可靠运行。

每年停窑大修期间可以安排专人对系统内部进行检查,寻找外部未发现的积煤点,及时消除各种偶发隐患。

5 总结

综合以上分析,水泥企业煤粉制备防控的重点应该放在点燃源的控制和氧气浓度控制上。因此在对煤粉制备系统防爆电机防爆形式选择、煤磨入口温度、煤磨出口温度以及煤磨氧气浓度方面可借鉴本文给出的建议范围,并且进一步从企业实际使用原煤情况和设备状况出发,做出更加适用于企业实际的选择预防煤磨车间防爆事件的放生。

来源:李丙明 李亮 詹杰 蔡继涛