水泥厂电石渣圆库安全设施设计的探讨

吴东业

水泥厂电石渣圆库安全设施设计的探讨

Study on Safety Facilities Design of Carbide Slag Circular Silo in Cement Plant

吴东业

俄罗斯ACP水泥厂

在水泥厂电石渣圆库安全设施设计过程中，需要对电石渣的危害有足够的认识。文中对电石渣圆库结构强度、通风量及泄压面积提出了设计思路和参考的计算依据，同时建议了具体的实施方案，并强调严把原料质量关，对不符合安全要求的电石渣，应考虑电石的水化消解场，达到安全要求的电石渣才能储存到钢筋混凝土圆库。

水泥厂；电石渣；圆库；安全设计

利用电石渣生产水泥是电石渣资源化最成熟、最经济的方法，既可节约水泥生产所用的天然石灰石资源，又可减少二氧化碳排放和废物堆存造成的污染，符合发展循环经济的要求。在电石渣作为水泥原料使用时，对其安全性能应充分认识，安全设施设计应更加严格。现就电石渣圆库的安全设施设计探讨分析如下。

1 关于电石渣原料

电石渣是电石（CaC2）水解获取乙炔（C2H2）气体后产生的以氢氧化钙[Ca（OH）2]为主要成分的废渣。电石渣内残留微量的电石，仍会水化产生乙炔，构成一定的危险。

《国家发展改革委办公厅关于鼓励利用电石渣生产水泥有关问题的通知》（发改办环资[2008]第981号）明确电石渣为替代天然石灰石的水泥原料，鼓励水泥行业使用。国家标准GB12268-2012《危险货物品名表》、国家安全生产监督管理总局等10部门联合发布的《危险化学品目录（2015年版）》（公告[2015]第5号）、环境保护部联合国家发展改革委和公安部发布的《国家危险废物名录（2016版）》（环境保护部令[2016]第39号），电石渣均未列入，但其危险性仍不容忽视。

目前，电石法生产乙炔的工艺有湿法和干法。采用湿法制乙炔的生产过程中，耗水量较大，并产生大量电石渣浆，使用时需脱水和烘干，耗费大量能源。干法制乙炔是采用略多于理论量的水以雾态喷在电石粉上使之分解，产生的电石渣为含水量为4%～10%的干粉末，节能、节水效果显著，可实现乙炔的连续生产。依据干法制乙炔生产工艺设计资料，乙炔装置的运行指标：排渣机出口处电石渣水解率为99.5%～99.85%，即电石渣中电石残留＜0.5%。即使电石渣中电石残留微量，遇水气仍会产生乙炔，当乙炔积聚到一定量时会造成爆炸危险。在设计过程中一定要严把原料质量关，对不符合安全要求的电石渣（建议电石残留≯1%）应在场外考虑电石的水化消解场，待达到安全要求后，电石渣才能储存到钢筋混凝土圆库。

2 关于乙炔的危险性

乙炔又称电石气，结构式H-C≡C-H，分子式C2H2，分子量26.04，熔点-80.8℃，沸点-83.8℃，蒸气密度[1]1.16kg/m3（相对蒸气密度0.90），在空气中爆炸浓度下限2.5%、上限80%，自燃温度305℃，最小点火能[2]0.02mJ。乙炔是高度易燃而不稳定的气体，易燃烧爆炸；能与空气形成爆炸性混合物，爆炸范围非常宽；遇明火、高热和氧化剂，有燃烧、爆炸危险。

（1）自燃温度低

乙炔与空气混合的自燃温度比较低，在常温常压下的空气中自燃温度305℃，氧气中为296℃，当乙炔中含有磷化氢（PH3）时自燃点更低，当PH3量达200ppm时，在空气中的自燃点低至200℃以下。乙炔的自燃温度随着浓度和压力的变化而变化，浓度越高，压力越大，自燃温度越低。根据GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》，易燃气体按引燃温度高低分为6组，乙炔属T2组。

（2）火焰温度高

乙炔对于氧化剂的反应很灵敏，常见的乙炔氧化反应就是乙炔在空气或氧气中燃烧。乙炔的热值[3]：高位热值Qgr为57.99MJ/m3，低位热值Qnet为56.03MJ/m3，乙炔在空气中燃烧温度2 350℃左右，在氧气中燃烧可达3 600℃，火焰传播速度13.5m/s。

（3）点火能量低

可燃气体在空气中，给一定的能量，即可点火燃烧，能引起点火的最小点火能量称为最小点火能。乙炔最小点火能为0.02mJ，与氢气基本相同，约为一般易燃气体的1/10。

乙炔的点火能量低，乙炔与空气的混合气体，在常压下其浓度为7.73%时，最小点火能量是0.02mJ，乙炔的点火能量在各级危险物品中也是最小的。乙炔的点火能与其浓度关系较大，在燃烧下限附近时需要较大的点火能，浓度80%以上的乙炔点火能则为约100J（见图1），所以在浓度为7.73%附近时应特别注意防火。

（4）爆炸极限宽

乙炔的爆炸极限很宽，在空气中的爆炸极限为2.5%～80%，7%～13%时爆炸威力最强；在纯氧中的爆炸极限为2.3%～93%，30%时爆炸威力最强，是各类危险品中爆炸极限最宽的一种，其危险度高。

图1 乙炔浓度对点火能量的影响

（5）传爆能力强

传爆能力指爆炸性混合气体传播爆炸的能力。传爆能力按最大试验安全间隙（MESG）来衡量。传爆间隙是通过长25mm的间隙连通爆炸性混合气体，当一侧燃爆时能引起另一侧燃爆的最大间隙。

根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》，易燃气体按最大试验安全间隙（MESG）将爆炸性混合气体的传爆能力按其弱强分为3级，乙炔的最大试验安全间隙[4]，在其浓度为8.5%时最大试验安全间隙（MESG）为0.37mm，g100～g0值为0.01mm，属第IIC级，所以乙炔的传爆能力很强。

（6）燃烧速度快

由于燃烧是复杂的物理化学过程，燃烧速度的快慢，取决于可燃物的化学反应速度和物理混合速度，燃烧速度的快慢也反映可燃物的传爆能力，根据美国国家防火协会提供的资料[5]，乙炔气体的基本燃烧速度为166cm/s，高于其他可燃气体。

（7）约束空间的燃爆压力

为了研究乙炔在约束空间燃爆时对构筑物的影响，有必要了解其燃爆压力，设置合适的泄压装置。根据美国国家防火协会提供的有关数据[5]，乙炔混合物在密闭体中爆燃产生的最大压力Pmax为10.6bar（1.06MPa），气云爆燃指数KG为1 415bar· m/s（141.5MPa·m/s）；据国内有关研究[6]表明，乙炔—空气混合气体随乙炔体积分数增大，最大爆炸压力逐渐升高，在乙炔体积分数为10%～55%范围内，其最大爆炸压力恒定在1.7MPa，乙炔体积分数为10%时取得最大爆炸指数78.14MPa·m/s（试验结果是在20L爆炸球形罐内取得），其试验结果见图2。

图2 初压0.1MPa条件下可燃气体爆炸压力

3 关于电石渣圆库的结构设计

通常电石渣圆库的结构形式采用钢筋混凝土圆库，其结构按GB50077-2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》设计，结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，防雷保护设计为第二类；建筑防火按GB50295-2008《水泥工厂设计规范》设计，钢筋混凝土圆库火灾危险性为戊类，耐火等级二级。在正常的结构强度计算之外，应进行爆燃施加的反作用力验算。

根据NFPA 68-2013《爆燃的泄压与通风导则》第6.3.5条和《爆燃安全泄放标准》第6.3.5.2条，封闭体支撑结构的设计，应当能够承受由泄放产生的反作用力，包括施力速率的动态效应，用DLF表示，以式（1）确定封闭体上施加的反作用力。

其中：

Fr——爆燃泄放所产生的最大反作用力，kN

a——单位转换量，取100

DLF——动载荷因子，取1.2

Av——泄放面积，m2

Pred——泄放过程中的最大压力（MPa），该值为实验测得，不同的实验装置和实验条件得出的结果不同，建议取值1.06

4 关于电石渣圆库的通风设计

为了电石渣圆库的安全，库内乙炔残留浓度必须控制在其空气中的爆炸极限下限之下，一般应控制＜1%。由于乙炔气体密度与空气气体密度较为接近，圆库内的乙炔气体不易散发，容易在库内积聚，靠自然通风或开排气孔降低库内乙炔浓度不能有效达到目的，因此必须采用强制通风的方法，在通风系统的布置上，还要充分考虑通风系统的气流组织，不留通风死角，排出的气体经防爆型除尘设备净化后排入大气。

强制通风量的计算可用化学反应法进行计算，即根据电石渣使用量及电石渣内的电石残留量，在其与物料中或空气中的水分发生完全水化反应，单位时间内生成的乙炔量，采用强制通风的方法将其稀释至爆炸极限下限之下，其化学反应方程为：

CaC2（电石）+2H2O（水）＝Ca（OH）2（电石渣）+ C2H2（乙炔）↑

风量计算目前未找到有关标准的计算公式，本人根据实际工作总结，建议使用以下计算方法。

残留电石水化后产生的乙炔气体量：将乙炔气体稀析至乙炔燃爆浓度之下（1%）时需要的强制通风量：

式（2）、（3）中：

Q——强制通风量，m（3标）/h

GCa（OH）2——干电石渣使用量，kg/h

22.4 ——摩尔体积，L/mol

26、74——C2H（2乙炔）和Ca（OH）（2电石渣）的分子量

1%——通风稀释后空气中的乙炔浓度

5 电石渣圆库泄压装置的选择

由于在电石渣圆库内可能产生乙炔气体，根据乙炔爆燃时产生的燃爆压力，应及时将其压力释放，以保证主体结构的安全。根据美国国家防火协会和国内有关研究的数据，乙炔在约束空间的最大燃爆压力在1.06～1.7MPa之间，由于电石渣圆库的空间较大，库内气体具有一定的压缩性，在选择泄压装置时应考虑此特性，爆破片的选择还应考虑确保泄放过程中的泄放压力小于封闭体的结构屈服强度，选择与之相适应的爆破片爆破压力；在泄压装置的选择时建议同时考虑泄压阀和事故泄压区域。

当发生小型燃爆事故时，可利用设置在库顶的泄压阀进行泄压，关于泄压阀的泄压面积，目前还没有查到用于电石渣圆库的相关规定及计算方法，若参照GB50295-2008《水泥工厂设计规范》，对煤粉仓的防爆阀总面积按每立方容积0.01m2计算，对于较大库容量的钢筋混凝土圆库来说，仍需较大的泄压面积，建议有条件的相关研究机构进行深入研究，可从乙炔爆燃产生的气体量增量，来决定选择泄压阀的规格和数量。当发生较大型燃爆事故时，靠泄压阀进行泄压的泄压面积远远达不到要求，因而需要在库顶留出较大的区域作为事故泄压区域，事故泄压区域可考虑采用轻型库顶板的形式，设计可参考GB50016-2014《建筑设计防火规范》，其泄压面积可根据乙炔的泄压比规定值0.2m2/m3计算。

根据NFPA68-2013《爆燃的泄压与通风导则》第7.2条和《爆燃安全泄放标准》第7.2.2条，低强度封闭体内气体的爆燃泄放，其所需求的最小泄放面积可由式（4）计算。

其中：

Av——泄放面积，m2

C——泄放常数，C=1.57×10-5·(Su)2+1.57×10-4(Su)+0.010 9

As——封闭体内表面积，m2

Pred——泄放过程中产生的最大压力，MPa

Su——燃烧速率，cm/s

6 安全设施设计工艺措施

根据电石渣的特性，容易吸收空气中水分结成分子团，造成物料在库内板结、起拱和挂料等，在工艺设计上应考虑强制卸料，如在库底使用筒仓卸料器强制卸料防止库内物料起拱或堵塞，减少人工清堵作业；库内壁铺贴隔热、防火、防粘结的高分子材料，防止库壁粘料；库外设置循环倒库系统，用于生产线短期非正常停产、库内仍存有电石渣时，预防库内电石渣因久存粘库、粉料板结或因此产生乙炔气体富集，避免形成爆炸隐患。

7 安全设施设计电气措施

由于电石渣含有微量电石，遇水气后易产生乙炔，有存在爆炸性气体环境的可能，因此，电气设计应按不同的区域区分其危险程度，在电石渣库的室外和露天部分可按常规设计，库顶的室内电气设计应考虑使用防爆电器，按GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》的规定，爆炸性气体环境危险区域划分为2区，爆炸性气体混合物为IIC级，引燃温度为T2组；设计的相应电气设备保护级别（EPL）应达到Ga、Gb或Gc级，防爆电气的类别应满足IIC类要求，电气设备允许最高表面温度＜300℃；电气线路的设计宜采用绝缘铜芯电缆并满足截面要求；接地设计的保护接零系统应采用TN-S系统。电石渣圆库内设置乙炔气体浓度监测仪，监测数据纳入水泥工厂操作系统和上游化工厂操作系统，让双方系统操作人员随时掌握库内乙炔气体浓度，乙炔气体浓度达到1%时，及时报警并由化工厂操作人员调整操作参数，当乙炔气体浓度无法降低时，应采取措施进行事故外排或止料。

8 结语

以上是在实际设计过程中曾经遇到和探讨过的问题，也有在生产过程中的反馈和总结，在此提出探讨，以期对今后的电石渣圆库安全设施设计有所帮助。需要特别提醒的是：在设计过程中一定要严把原料质量关，对不符合安全要求的电石渣，应考虑电石的水化消解场，达到安全要求的电石渣才能储存到钢筋混凝土圆库。

[1]GB 50493-2009，石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].附录A.

[2]安监总厅管三〔2011〕142号，首批重点监管的危险化学品安全措施和事故应急处置原则[S].

[3]JCT 730-2007，水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法[S].附录C.

[4]GB 3836.11-2008，爆炸性环境（第11部分）：最大试验安全间隙测定方法[S].

[5]NFPA 68-2013，Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting[S].

[6]王犇，等.乙炔燃爆特性的研究[J].安全与环境学报，2012，12（3）.■

天津水泥工业设计研究院有限公司设计的土耳其SIVAS项目主体车间通过考核

土耳其SIVAS项目是由天津院有限公司设计和供货的4 500t/d熟料项目，包含了从石灰石破碎到水泥散装的一条完整水泥生产线，从签订合同到按时点火，历时25个月。

6月8日，随着业主厂长Mr.Yusuf在考核报告上签字，土耳其SIVAS项目烧成系统考核顺利完成。至此，除了石灰石破碎系统及氮氧化物排放等少量考核项目，项目主体车间全部达到合同指标并通过考核。

自5月9日石油焦粉磨系统考核开始，项目便进入了紧张的考核阶段。项目部克服雨季原材料水分大、矿山原料成分波动大等不利因素，反复与业主和公司技术部门沟通，确保各项考核符合条件并顺利展开，同时对具体考核细节进行周密部署。由于项目人员紧张，自点火以来工作只能采取两班倒模式，但全体项目人员无怨无悔，坚决服从项目部安排。经过一个月的艰苦奋战，先后完成了石油焦磨系统、粘土破碎系统、水泥磨系统、原料磨系统以及烧成系统的考核工作。通过这次集中考核，一方面以考核为契机，督促各方完成了相关的整改工作；另一方面通过考核优化了系统参数、检验了系统稳定性，为后续生产积累了大量宝贵经验。

TQ172.44

A

1001-6171（2017）04-0031-05

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川成都610051；

2016-11-18；编辑：张志红