煤粉气力输送在铜镍冶炼厂的应用

罗静

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

煤粉气力输送在铜镍冶炼厂的应用

罗静

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

根据铜镍冶炼厂煤粉采用正压气力输送的实例，参照相关规范，采用安全技术，从设计着手排除输送系统内煤粉静电起火、自燃起火的物质条件。排除煤粉和气体混合物点燃能降低的物质条件。从设计上排除煤粉输送系统爆炸事故发生的其它物质条件。在使用浓氮作惰化气流载体时，必须采取防止浓氮窒息和保护人身安全的技术措施。针对气力输送终端气固分离的技术环节，提出了采用旋风子替代输送管路“终端箱”的改进设计方案。

气力输送;煤粉;粉尘云;粉尘层;点燃能;爆炸;氮气;旋风子;终端箱

1 引言

铜镍冶炼厂采用煤粉做燃料的场合越来越多，例如奥斯麦特炉和阳极炉，原因之一是生产的成本比其他的燃料要低。通常煤粉供应系统由煤粉制备、煤粉输送、煤粉仓、输煤仓泵和煤粉喷吹等装置组成。

由煤粉制备车间气力输送来的煤粉进入冶炼炉顶部的煤粉目标仓，经煤粉喷吹装置，被煤粉的输送载体(压缩气体)裹载，进入熔炼炉内作为燃料或还原剂。

由于煤粉输送过程存在一定的技术难度，本文通过几个铜镍冶炼厂煤粉气力输送的设计实践，对煤粉气力输送的部分技术问题进行初略的探讨。

2 煤粉气力输送实例

铜镍冶炼厂煤粉气力输送装置由机务部分、管道部分、煤粉仓部分、气源部分、控制系统等组成。机务部分包括输送仓泵(或螺旋泵)及其组件、管道切换阀及流化装置等;管道部分包括耐磨弯头及三通、输送管道、法兰等连接附件、管道伸缩节等;煤粉仓部分包括布袋除尘器、目标仓、氮气灭火进气阀组、泄爆阀及关断阀等;气源部分包括空压机(或罗茨风机)、储气罐等。控制系统包括PLC柜、上位机系统、就地控制电缆及各种仪表测量元件等。

表1列举近年几个铜镍冶炼厂煤粉气力输送的实例。

煤粉气力输送的技术优势，是对于物料的适应性强，输送距离远;物料在密闭的管道中输送，周围环境比较清洁，不易造成二次污染;输送线路布置灵活，输送装置占地面积少，物料可分散输送至不同区域，也可从几个不同的地方向一处集中;机械传动部件少，结构简单，操作管理方便，易损件少，维修费用低;整个输送系统易于实现自动化控制，并可连续监测系统运行情况(如压力、物料输送量、输送气量等)。

表1 煤粉气力输送装置主要技术参数表

3 煤粉和气体混合物的爆炸条件

煤粉为可燃物质，属乙类火灾危险品。煤粉粒度很小，相对表面积很大，能从其周围吸附大量空气，随时都在进行着氧化，氧化放热使煤粉温度升高，氧化加强。如果散热条件不良，煤粉温度升高达到一定程度后发生自燃，并因自燃而引发爆炸。

挥发分含量较高的煤粉产生爆炸的可能性大。干燥无灰基挥发分小于10%的煤粉，通常不会发生爆炸，而大于19%时会形成易爆混合物。

对于具有可燃性的煤粉，当其在空气中的浓度很高或者很低时，通常不会发生爆炸。加之爆炸又是燃烧的一个特例，所以爆炸过程中氧是不可缺少的。另外，爆炸的发生还需要有足够的点燃能，对于挥发分≥10%的煤种，只有当可燃物浓度、氧浓度和点燃能三个条件同时具备时，只要有火源就会发生爆炸。

3.1 煤粉与气体混合物中可燃物的爆炸浓度

煤粉与气体混合物(也称煤的粉尘云，本文简称“煤粉尘云”)中可燃物的爆炸浓度存在上限浓度和下限浓度。其爆炸浓度范围与煤种、煤粉初温和初压等因素有关。

煤粉中可燃气体的多少，对煤粉的爆炸浓度有很大影响。当给定的煤粉浓度小于爆炸下限时，不可能发生爆炸。但只要掺入少量的可燃性气体，就可使煤粉处于爆炸浓度范围，有机会发生爆炸。煤粉初温及初压的影响在于初温及初压越高，煤粉燃烧化学反应活化分子的数量就越大，而活化分子的多少直接决定了爆炸极限参数的大小和爆炸的强度。实践表明，初压越高，发生爆炸浓度的范围越宽。爆炸强度与爆炸力与初压呈线形关系。初温越高，煤粉进行放热反应的速度越快，由于煤具有一定的隔热性，热量的释放可能大于散热，于是温度会进一步升高，使煤粉可能达到自燃温度。随着温度的升高，爆炸的下限浓度下降，上限浓度上升，发生爆炸的浓度范围变宽。

3.2 煤粉与气体混合物的点燃能

点燃能就是“最小点火能量”，它也是煤粉与气体混合物爆炸的一个重要参数，温度高于点燃能时煤粉尘云或煤粉尘层才会被点燃，点燃着火是煤粉尘云和煤粉尘层爆炸的前提条件。点燃能的高低还可决定爆炸时产生的压力等级和爆炸的强度。初温和初压对点燃能的影响较明显，初温初压越高，发生爆炸时所需的最低、最小点燃能就越小。煤粉与气体混合物的最小、最低可燃的点燃能与很多因素有关。值得注意的是，一般粉尘有两种点火温度，一种是粉尘云点火温度，一种是粉尘层点火温度。就煤粉而言，煤粉尘云的点燃能和煤粉尘层的点燃能也有着很大的差别。以烟煤为例，烟煤粉尘云的最小点火能量为60MJ;烟煤粉尘层的最小点火能量为560MJ［1］。

3.3 煤粉与气体混合物中的氧气浓度

氧气是可燃物燃烧的化学反应条件之一，也在爆炸过程中起催化剂的作用。如果煤粉与气体混合物中氧气浓度不足，即使有很强的点燃能、可燃物的浓度也在爆炸浓度范围内，也不会发生爆炸。当输送煤粉气流载体中的含氧浓度小于15～16%时，基本上不存在爆炸的危险［2］。吉林某厂设计取气流载体中的含氧气气体体积浓度控制在16%以下，至今生产都很安全。

根据非正式资料，将前苏联与煤粉尘云爆炸相关的部分临界参数列于下表，仅供参考。

表2 煤粉尘云爆炸临界参数表

4 煤粉气力输送系统的防爆措施

煤粉气力输送装置的安全措施，基本就是针对煤粉爆炸的三项条件进行设计:

4.1 防静电

目的是防止发生静电起火。煤粉输送按二类防雷保护，所有设备、容器管道均设防静电和安全接地，接地电阻不大于100Ω。布袋除尘器要采用抗静电滤袋。所有金属管道连接处(如法兰)必须用金属件跨接［3］。

4.2 防自燃

防止煤粉长期堆积自燃，煤粉仓、布袋除尘器灰斗壁、输粉管路内壁应光滑，下料锥体壁与水平面夹角应不小于70°［4］;尾气布袋除尘器底部尽可能采用双翻板阀替代回转阀，避免硬物磨擦发火。

4.3 防火

对无条件实施气流惰化的煤粉气力输送装置(比如使用压缩空气作输送载体的)，必需严格按照国家标准的要求进行防火计。对于实施气流惰化的煤粉气力输送装置，也必需按国家标准的要求进行防火设计。

4.4 防爆炸

相关的措施从以下几方面进行:

(1)气流载体的惰化设计:在自身附产压缩污氮气的工厂，适于采用压缩污氮气(氮气中含氧气量≤8%)输送载体，如表1中新疆某厂就是利用本厂制氧站副产的污氮气作为煤粉气力输送的气流载体。在压缩氮气源不足的场合，可以掺氮气调整输送载体气流中的氧气含量＜16%，如表1中吉林某厂的粉煤输送就是在罗茨风机之前空气中掺入适量的氮气，设计控制含氧量在16%以下。

(2)防爆阀的合理设置:一般要求每座煤粉输送目标仓的顶部都要设计防爆阀。最好在输送尾气布袋除尘器壳体也设置有防爆阀。在防爆阀设计选型的过程中，必需充分重视防爆阀膜片开裂压力的设计。因为外形为矩形的普通布袋除尘器设备壳体的耐压强度约5000Pa。所以，防爆阀膜片的开裂压力应设计在4000～4700Pa范围内。最好要对防爆膜片实物进行开裂压力实验，以免购货差错对煤粉气力输送装置的生产安全造成潜在危险。

(3)电气和仪表的防爆设计:按照防爆设计的通常要求，选用符合防爆要求的电气设备元件，现场仪表全部采用隔爆型，所有的电动机均采用隔爆型;采用两路独立电源供电、设检修用安全电源;所有用电设备均在现场设置操作箱，并将用电设备的运行、故障等信号送DCS系统;应设置安全连锁装置或遥控装置，在发生火灾、爆炸时切断所有电机的电源，实现保护性停车［5］。

5 输送系统的人身安全措施

当煤粉气力输送系统采用高浓度压缩氮气作为气力输送载体时，在输送系统排除煤粉爆炸风险的同时，不能忽视高浓度压缩氮气泄漏对相关区域操作人员人身安全的威协。应采取以下措施:

(1)高压氮气贮气罐必须安置在室外［6］。

(2)输送仓泵和煤粉目标仓附近要设置氧气浓度连续在线检测的一次仪表，并能及时发出报警信号。

(3)输送仓泵和煤粉目标仓附近要设计补氧气源接口，即压缩空气接口。

(4)在检修人员进入氮气充压设备时，必须用压缩空气吹扫，置换设备内的高浓度氮气，防止缺氧事故发生［7］。

6 煤粉气力输送系统的配套设施

6.1 输送尾气用布袋除尘器

作为粉煤气力输送系统的重要配套设备之一的布袋除尘器是输送终端气固分离的主要配套设施。在生产实践中时常出现布袋过滤面积偏小妨碍输送系统正常运行的问题。

吉林某厂煤粉气力输送系统在试生产时目标仓上的布袋除尘器出现冒黑烟现象，经分析主要原因是布袋除尘器的过滤面积偏小，直接导致煤粉堆积在滤袋表面无法及时反吹清灰，沉重的煤粉层的重量将滤袋从其固定悬挂点脱落，造成煤粉外逸。布袋除尘器的过滤面积加大以后，解决了布袋除尘器选型过滤面积偏小的问题。

除了过滤面积问题之外，在布袋除尘器设备选型中还可能会涉及:①布袋采用在线清灰振打还是离线清灰振打方式?②壳体和灰斗是否要采取伴热措施防止煤粉冻结?是采用蒸汽伴热还是电加热的方式?这些问题均应根据工程的具体条件妥善处理。

6.2 用旋风子作为粉料气力输送管线“终端箱”

粉料气力输送设备供货厂家的终端箱均采用从水平管线垂直90°向下转弯的卸料方式，让高速的高含尘气流垂直冲进仓内已沉积的粉料中，将原已沉降的煤粉搅动并流态化，使得进入布袋除尘器的排气含尘浓度高达2kg/m3左右，这就是气力输送管线终端箱普遍存在的技术缺陷。

针对上述情况，在河北某厂和新疆某厂的设计中应用旋风分离的基本原理，将携带煤粉的混合气流的流向从垂直向下改成平面旋转、呈螺旋状逐圈向下的形态。在改变气流方向的同时，既提高了“终端箱”的气固分离效率，又可以降低布袋除尘器进气的含尘浓度，显著减轻了布袋除尘器的工作负荷。

在粉料气力输送终端采用旋风分离工艺的方法有两种:第一种类方法是将整台煤粉目标仓加工成圆柱形，气固混合流体以切线方向进入圆柱形的上部使气流作为旋转气流，实现气固分离的空间。第二种类方法是在煤粉目标仓的顶盖上加装单独的旋风子作为“终端箱”。第一种类方法适用于目标仓顶部直径小于Ø1200mm场合，第二种类方法适用于目标仓顶部直径大于Ø1500mm场合。

7 结语

在铜镍冶炼工艺中，煤粉的输送至关重要，是全厂的血液，如煤粉输送出现故障将会影响全厂的正常生产，甚至瘫痪。煤粉输送在目前以致未来的发展方向是采用气力输送，在煤粉气力输送的具体设计中，应考虑到按相关规范采用安全技术，从设计开始科学地排除煤粉爆炸的可能性。

［1］赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理［M］.北京理工大学出版社，1996:70-138.

［2］叶江明.电厂锅炉原理及设备［M］.中国电力出版社，2010: 54-56.

［3］中华人民共和国煤炭行业标准.MT/T714-1997，煤粉生产防爆安全技术规范［S］.

［4］中华人民共和国国家标准.GB/T15577-2007，粉尘防爆安全规程［S］.

［5］章颂泰.粉煤制备过程的爆炸事故分析［J］.有色冶金设计与研究，2011(10):141-143.

［6］中华人民共和国国家标准.GB/T16543-2008，高炉喷吹烟煤系统防爆安全规程［S］.

［7］云正宽，张光烈，郭乐民，高士林，吴维治.冶金工程设计［M］第2册工艺设计.冶金工业出版社，2006:172-176.

Application on Pneumatic Conveying of Pulverized Coal in Copper and Nickel Smelter

LUO Jing

(China Nerin Engineering Co.，Ltd，Nanchang，Jiangxi 330031，China)

According to the instance of positive pressure pneumatic conveying of pulverized coal in copper and nickel smelter，consulting with relevant norms，adopting security technologies，the material conditions to cause transport system coal powder electrostatic fire and spontaneous combustion are excluded commenced with design.Pulverized coal and gas mixtures excluding lighting can reduce the material conditions.Pulverized coal conveying system is designed to exclude the other physical conditions to explosion incidents.While working with concentrated nitrogen as inerting air carrier，the technical measures to prevent concentrated nitrogen asphyxia and personal safety must be taken.For the terminal for pneumatic conveying technique for gas-solid separation，substitution of cyclone separator pipeline"terminal box"improvement of the design is proposed in this article.

pneumatic conveying;pulverized coal;dust cloud;dust layer;ignition energy;explosion;nitrogen;cyclone separator;terminal box

TF066.1

B

1009-3842(2012)02-0025-04

2011-12-15

罗静(1970-)，女，江西南昌人，高级工程师，主要从事有色冶金收尘系统与粉体输送系统设计。E-mail:luojing@nerin.com