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煤粉塵爆炸風險

2021-05-09

世界上有很多工廠需要處理煤炭,比如制劑廠。很多其它工廠以煤炭為生產原料,如水泥廠和石灰石廠。雖然煤炭能安全的處理并有效的燃燒,但隨著煤炭顆粒尺寸的減小,存在爆炸的危險在增大。顆粒尺寸的原煤可以燃燒并導致連鎖性爆炸,爆炸經常出現在熱干燥系統,旋風除塵系統,庫房和粉狀燃料系統系統,磨機和其它工藝或輸送設備中。


本文主要討論暴炸是如何在這些工廠中發生的。

 

燃燒三要素和爆炸五邊形(要素)

 

需要以下三個要素同時存在才能導致燃燒:燃料,熱和氧的存在,這些元素形成了燃燒三角型的三個邊。如果去掉任何一個因素,燃燒是不可能發生的。


舉個例子,如果不存在氧氣或者只有很少氧氣存在,無論熱量有多大,有多少燃料,都不會燃燒。同樣的,如果沒有充足的熱量,沒有一定濃度的燃料和氧氣也無法燃燒。

 

另一方面,對于爆炸現象的出現,需要以下5個因素同時存在:當燃料,熱和氧氣,懸浮,并且在密閉空間中,形成了爆炸五邊型(要素)。就像三角型一樣,取除任何一個所需要因素,都可以阻止爆炸的傳播(發生)舉個例子,如果燃料,熱源和氧氣在密閉空間中,處在一個合適的范圍內,但并不是懸浮狀態,則不會發生爆炸,但是在該情形下,會發生燃燒。


如果燃燒的燃料被陣風吹起懸浮起來,則同時滿足了爆炸五邊型所需的所有條件,爆炸即將發生。

 

在工廠阻止爆炸的發生,就需要牢記燃燒三要素(燃料,熱,氧氣)和爆炸五要素(燃料,熱,氧氣,懸浮,密閉空間)。

 

燃料

 

煤,作為一種主要燃料,需要滿足幾個條件才會發生爆炸。這些條件是揮發份,顆粒尺寸和數量,前美國礦業局在實驗性煤礦為評估煤的爆炸性能進行了大規模的實驗,證明了揮發份是很有價值的(參數)。


為了計算揮發率,需要在實驗室先對煤樣做一個初步的分析。該分析確定了煤中揮發性物質和固定炭含量,包括水份和灰份,揮發份定義是由煤中揮發性物質除揮發性物質和固定炭之和。

 

該計算模式提供了一個獨立于煤炭自然特性或煤中附加不可燃成分的有價值數據,已經證明了,若煤粉中揮發份超過0.12,存在爆炸風險。所有的煙煤都屬于此類,既然無煙煤通過確認,揮發份不大于0.12,它們不存在爆炸風險。非常值得注意的是,煙煤和無煙煤都會引起燃燒,但只有煙煤會導致爆炸。


另一個重要的條件是粒度,實驗已經證明了若煙煤的粒度小于美國標準20目篩則參與煤粉爆炸(則參與爆炸反應)20目篩子可以保證顆粒通過841微米,大約0.03英寸,這是能對爆炸產生左右的最大尺寸。(大于20目的顆粒,不會發生爆炸)

 

隨著顆粒尺寸的縮小,爆炸危險會增加。通常在磨粉系統中,煤的顆粒尺寸通常有85%以上通過美標200目篩子,小于74微米,或0.003英寸。

 

點燃這些煤塵的所需要的能量更少,溫度更低;既然在小顆粒中,熱傳遞速度更快,那么爆炸產生的壓力和產生速度加快了。(爆炸速度和強度增加)

 

第三個與爆炸有關的是煤粉能達到的濃度。以知最低爆炸濃度(MEC),在該最低懸浮濃度煤粉會傳播爆炸(連鎖燃燒,爆炸),且產生具有破壞性的壓力。 

煙煤的最低煤粉爆炸濃度大約是0.10盎司/立方英尺,或者100g/立方米。

 

當煤粉濃度在入口處到達最低爆炸濃度時,在被驅散的煤塵之前無法看到在煤塵中10米遠帶燈罩的路燈。同樣,人在MEC濃度的空氣中無法呼吸。該數量相當與一個普通8小時輪班礦工可吸入粉塵濃度的25000倍。

 

在賓西法尼亞布魯斯頓的煤礦實驗室中,MEC濃度的煤粉沉降到地板上厚度是0.005英寸厚。該厚度幾乎無法觀察到,換句話說,如果在工廠的地板上或墻上看到了腳印,那么現場的煤粉濃度足以引發爆炸。 

 

爆炸濃度的上限并沒有完美的測定;實驗表明,3.8盎司/立方英尺的煤塵濃度會引發低強度的爆炸,5.0盎司/立方英尺的濃度會將在點燃處10遠的距離熄滅(距離燃火中心外10米處熄滅)。其它可燃性灰塵和氣體可導致煤的MEC值降低,在另一方面,如果增加灰份的含量,巖石粉,惰性氣體和其它惰性材料可降低爆炸風險。

 

 

滿足燃燒三要素和爆炸五邊型所需的熱通常以溫度和能量的形式表現出來。煤塵的點燃溫度隨著煤揮發性的升高而降低,在高揮發份時,煤粉的點燃溫度接近極440度的限溫度(華氏824),匹斯堡煤層煤粉的粒度在180微米以下時點燃溫度幾乎是個常數,隨著顆粒尺寸的增加,需要更高的煤粉的點燃溫度。隨著顆粒尺寸的縮小,煤粉更加容易點燃。

 

煤粉層的點燃溫度隨著揮發份的升高而降低。,在高揮發份時,煤粉層的點燃溫度接近與極限溫度160C,當煤粉聚集在熱表面上時,最低點燃溫度隨著煤粉沉集厚度的增加迅速降低。這實際上是由于較厚的粉塵可吸收和儲存了熱量更迅速。

 

舉個例說明不同的煤種,煤粉霧的最低點燃溫度歸類如下    

煤等級或種類               最低點燃溫度

波卡洪塔思 煤層煙煤        610 

匹斯堡  煤層煙煤           525-5607 

次煙煤 混合煤(收到基)    475 

次煙煤 混合煤(干基)      455 

褐煤  (收到基)           450-600 

褐煤   (干基)            425-555 

 

從視覺上來說,溫度大約537度時,(1000華氏度)當在黑暗的房間里可以看到暗紅色。一些控制器里的電阻或者其它電器部件可能超過該溫度。同樣的,200瓦百熾燈可以達到250度,1500瓦白熾燈的最高溫度可超過300度。

 

以下還有幾個不同煤種的最低點燃溫度

 

煤等級或種類               最低點燃溫度

 匹斯堡煤層                170 

羅得島(克蘭斯敦)無煙煤   520

 伊利挪死 7號煙煤          160

 波卡洪塔斯煤層煙煤        220

 

電和摩擦火花同樣能提供點燃火焰和爆炸所需的熱源,實驗已經證明了煤粉可以在沒有甲烷的環境里直接被磨擦火花點燃,無煙煤和次煙煤的粉塵霧可以被0.03焦能量點燃。


從肯塔基和實驗煤礦(匹斯堡)布魯斯通賓西法尼亞來的煤粉“霧”最少分別需要0.030和0.060焦能量。當水分含量在5%~8%之下,并沒有有效的匹斯堡煤粉爆炸參數,當水分含量超過8%時,爆炸所需的最小能量急劇增加,當水分含量超過15%的時候,(爆炸)需要超過10倍以上的能量。

 

同樣的,在含氧的空氣中,煤粉爆炸的最低能量,揮發份含量和通過美標200目的篩的細煤粉(74微米)含量,隨著氧含量,揮發份含量,洗煤含量的增加爆炸危險性增大。然而,無論如何不同煤種仍然存在最低爆炸能量。所有被暴露在維護不好的機器產生的火花下,或者密閉在堅實機器中的煤粉都應當被認為是具有爆炸性的。對煤粉和易燃氣體混合物來說,關鍵的最低爆炸能量主要受氣體確定,當被點燃時,氣體釋放的能量足以使煤粉懸浮并點燃煤粉。

 

氧氣

 

隨著煤炭揮發性含量的增加,完成燃燒三要素及爆炸五邊型的氧氣量減少,半無煙煤有非常低的揮發份含量,褐煤的揮發份含量同高揮發份的煙煤一樣,然而,在室溫度下,在強火源存在的條件下,氧氣含量必須減少到13%以下來阻止煙煤被點燃。

 

懸浮

 

對燃燒來說,懸浮并不是必須的條件,但是完成爆炸的傳播,需要燃料處在懸浮狀態。

煤粉處在懸浮狀態下非常危險,因為在大多數環境中,僅僅需要熱源就能引起爆炸。 

如果煤粉層在地面上悶燒,如果煤粉層不知何顧被置到懸浮狀態,爆炸即將來臨。在這種情況下,著火三要素和爆炸五邊型所需的熱都滿足了。

 

爆炸中有一定速率和持久性的移動空氣(氣流)可以吹起地板,墻上,高空支架和設備上的煤塵,當(爆炸)產生的颶風速率達到150~200公里/小時(230~290米/秒)可以引起附帶的損害。

 

大多數煤粉引起的爆炸風速都超過了200公里/小時。通常情況下,如果煤粉爆炸產生的風速低于100公里/小時(150米/秒)爆炸會有可能會熄滅(不引起連鎖爆炸)。

 

匹斯堡煤層煤煤最大的爆炸壓力磅/平方英寸,最大匹斯堡煤產生的壓力速率為2000磅/平方英寸。該參數對預測煤粉在懸浮情況下被點燃爆炸產生的強度和破壞性非常重要。既然最大壓力為90磅/平方英寸,爆炸壓力產生速率為2000磅/秒,那么就非常容易估算達到最大壓力所需的時間僅有0.045秒。匹斯堡煤層和設計需要堅持50磅/平方英寸,排風口必須要在0.025秒內破裂。否則,壓力超限,系統中設備會被損壞。

 

在一個工廠里,好的管理經驗非常重要,因為工藝設備并不總是能抵御住由爆炸產生的內部壓力。爆炸火焰和壓力從密閉空間中爆發出來,蔓延到工廠中;附加(其它的)粉塵很有可能被爆炸產生的氣流吹起而為第二波爆炸提供原料(引起第二次爆炸)當一個好的管理者清除了工廠中的煤粉后,就不會有其它使爆炸連續發生的燃料存在了。大多數工廠遭到破壞的主要原因就是二次爆炸引起的。同樣,二次爆炸的出現造成了很多傷亡和人身傷害。

 

密閉空間

 

密閉空間并不是燃燒三要素之一,但卻是爆炸五邊型的組成部分 最基本的,密閉空間使懸浮的煤粉顆粒彼此接近。沒有充分的接觸(密度)熱傳遞速率不可能達到產生爆炸的要求。沒有密閉空間爆炸傳播也不太可能,有可能的只是一個大的沒有什么破壞力的火球。


如果爆炸是連接到工廠之外的大氣中,且并不密閉,那么僅會有一點煤會沖出通風口,并會燃燒。也會有部分未燃燒的煤沉降在地面上。因為懸浮是爆炸五邊型存在所需要的,如果密閉條件不存在了,(爆炸產生的)空氣流速將會降低,其它的煤粉塵也就不會處在懸浮狀態,爆炸將會停止。

 

設備條件

 

知識同樣可以用在煤預處理廠的大噸位煤處理工藝中。煤一處煤炭處理環節和工藝中每一臺設備都處在獨立的風險中(都有單獨發生爆炸的可能)有些區域和設備將在以下部分進行討論。

 

然而,如果充分了解了爆炸的參數,這種事故應該是可以避免的。 于磨粉系統相聯的很多設備都存在爆炸的風險。

 

原煤儲存

 

磨粉系統前附帶的原煤儲存系統通常會接收約2英寸或小于2英寸下的不同的煤種,這些原煤通常露天儲存在運輸工具周圍與其有關的爆炸風險通常僅限于自發性燃燒。灼熱的材料永遠不容許接近磨粉系統,瞬間同時滿足爆炸五邊型所有條件的可能是明確存在的。推薦將這些熱的物品遠離煤堆,并分散放置,直到其冷卻為止。

 

原煤儲倉

 

如果在煤中沒有發熱物品,前端的裝載機會將原煤裝載到傳送皮帶上,進入煤粉儲倉。這些儲倉中通常裝配有器械或電子傳感器來測定貯煤的高度或低度。若煤倉內部存在問題,同樣需緊急(專用)斜槽來放空煤倉。煤在煤倉中有自燃傾向,然而發生該現象,需要一些空氣氣流來提供燃燒發熱所需的氧氣。


然而,有時利用在煤倉中間來放制熱電偶來提供燃燒報警,但是對初期的燃燒來說,采用二氧化碳探測器要可靠的多。從煤粉倉倒空的原煤進入秤中,重量秤是一個小的皮帶傳輸機,監控到磨煤機中原煤的加料速率。如果檢測到系統存在任何問題,磨機的加料系統將完全停車。

 

磨機

 

在通常的操作情況下(工況),在進入磨機前,煤從秤上直接進入一個旋轉的氣密倉中(氣塞?氣閘?)。 

 

氣閘保證原煤和內水進入磨粉機,但阻止其它外部空氣進入系統。 通常情況下,外部空氣的氧含量大于循環系統中氣體的氧氣含量。 這部分氧含量會滿足爆炸五邊型,并產生潛在的危害 煤經過氣密倉后回進入到磨機內部的磨碗上。 

 

根據煤加入速率和尺寸不同,磨機的磨臺尺寸是不同的。 原煤在輥和旋轉的磨碗上磨粉,并在離心力的作用下甩向外部 。

 

舉個列子,CE的443雷蒙磨磨機尺寸44英寸,有三個磨輥;根據報道,磨機能力可以達到25噸每小時(原煤)。

 

這種常用的磨機可保證85~97%的煤粉通過200目美標篩網。煤粉越細,爆炸風險越大。在磨粉過程中,熱空氣從磨機底部通入,穿過整個磨機。這些熱空氣用來干燥和運輸。這些熱風來自熟料冷卻風或轉爐罩,燃而,來自熟料冷卻風的溫度在400華氏度左右,相對的,來自轉爐罩的熱風溫度在900~1200華氏度左右。這些提高的溫度可以加熱任何單獨沉積在內表面上的煤。磨機爆炸的風險主要來自開停車過程。


當系統從運行到停車時,所有懸浮狀態的煤粉都沉降下來。 在提高溫度的條件下,在內表面的幾乎是瞬間發生了燃燒。 如果再不知道系統內部狀況的情況下重新啟動,當熱的顆粒被懸浮起來,爆炸就會出現。

 

主風扇

 

如果風扇沒有單獨的電機,磨機的驅動電機可同時提供磨機和主風扇的動力。有一個優點就是使用單個電機比較經濟。這會導致在磨機中發生自發性燃燒,并使機器重動產生爆炸風險。


在重起前,必須證明在系統中不存在發生爆炸的危險情況。主要的缺點是,在磨機停機的情況下,無法充氣將原煤從磨機中清理出來,因為此時間主風扇也停機了。


主風扇強制將煤粉輸送到轉爐中,如果該風扇在磨機下流物流(抽氣?)那么磨機中存在負壓或抽吸作用;磨機外部壓力相對較高,通常沒有漏出物,有少許空氣會進入,缺陷就是如下所述的實際上粉化后的煤炭會穿過主風扇旋轉的葉片。這并不存在什么問題,除非葉片上存在火源。


在另一方面,如果主風扇在磨機上流物流中,磨機中存在正壓。這樣的話就會有細小的煤粉顆粒從磨機上任何小的裂縫和破碎之處或從磨機部件中的焊接不良的焊縫中出來。這會導致煤粉在工廠內沉積,如果爆炸使磨機破裂,那么會導致這些(沉積)的煤粉發生二次爆炸。

 

旋風除塵器

 

當煤粉被研磨到足夠的洗度,循環空氣將其從頂部帶出,并進入一個分離器中。當細煤粉顆粒通過分離器后,將通過管道被輸送到一個旋風除塵器中。帶者煤粉的空氣流進入旋風除塵器后,將同循環空氣分離,空氣完成(再次利用?)旋粉除塵器設計煤粉落入除塵器底部,干凈的循環空氣容許從除塵器頂部離開。


然而,旋風除塵器只能除掉循環風中95%的煤塵,其它5%的煤風會通過循環除塵器頂部并且繼續通過系統風扇。 在短時間內會有一定數量限的煤粉儲存在旋風除塵器的基礎之上,旋轉閥然后將煤粉加入到主空風扇的空氣流中。接著,煤粉被吹入轉爐中。 

 

據操作者報道,在任何時候在半直接的(間歇式?)旋風除塵系統中只有25磅細煤粉。(除塵器中幾乎沒有煤粉沉積,連續運轉),在系統中沒有任何煤粉聚集,磨粉機的停車既可停止向轉爐中加煤。

 

系統風扇

 

旋風除塵器頂部流出干凈的空氣經過系統風扇。主要的,系統風扇提供了將煤從磨機傳送到除塵器所需的空氣流?;旧?,循環空氣在一個包含系統風扇,磨機旋風除塵機及連接管道組成的圈內循環??諝庥上到y風扇提供,進入磨機,但是只有通過主風扇的空際進入轉爐。


就象前面描述的,磨好的煤粉不經過任何開放式風扇的葉片,實際上(保持)系統風扇干凈是一個優點,然而當討論到旋風除塵器,需要提及那5%的煤粉沒有被去除。這就意味著在密閉循環中存在煤粉聚集的可能性,包括系統風扇在內。


在這些地方有充足的氧氣和燃料,只需要一個熱源(點燃源)就可以發生燃燒或爆炸。在該條生產線上,開車和停車是關鍵時刻。在停車過程中,會發生燜燒并導致自燃。如果在下次啟動前沒有發現該現象,燜燒中的煤很有可能被系統風扇吹起,滿足爆炸五邊形所需。

 

袋式除塵器

 

從旋風除塵器頂部經過的氣流包含5%的煤塵,該部分被輸送到袋式除塵器中,該除塵器有許多垂直過濾袋組成,可以除去循環空氣中殘留的煤粉。在袋式除塵器中,所有的煤塵被捕捉在帶中,循環空氣被系統風扇排放到大氣中。 

 

明顯的優點是雙重的;首先,所有煤塵都可以作為燃料利用;其次,排放到大氣中的空氣水分含量較高,并不能在系統中循環利用。因此需要來自轉爐罩和冷渣機的熱的干燥的氣體同空氣混合后進入磨粉機。該部分氣體的水份含量要比從袋式除塵器而來的氣體要低,直到氣體進入磨粉機。

 

轉爐(窯爐)

 

在帶有煤粉的主氣流通過主風扇后,通過燃燒管直接吹入窯爐中。 該溫度和火焰的長度直接和物料的揮發份及水份有關。


爐窯的的傾斜角度使燃料向轉爐較低的底部移動,那里是燃燒區。 在將原料輸送到冷渣機前,工藝發生的工藝溫度在2800華氏度左右。 

燃燒管是個長管,可以延伸到35米或更長,進入窯爐,但是通常限制長度10~15米。

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