高炉喷煤系统煤粉仓防爆设计探讨

2019-04-26吴建霖赵泽文

山西冶金 2019年1期

鄢明，吴建霖，赵泽文，冯飞

（1.广西华锐钢铁工程设计咨询有限责任公司，广西柳州 545002；2.柳州钢铁股份有限公司，广西柳州 545002）

目前国内高炉喷煤系统煤粉仓防爆措施主要采用抑爆和泄爆两种措施进行，因工程投资原因一般不采用抗爆措施。抑爆设计主要执行《高炉喷吹烟煤系统防爆安全规程》（GB 16543—2008）“喷吹系统的煤仓应设置紧急充氮系统”，但规范中未明确充氮系统的相关设计要求和参考标准。泄爆设计主要执行《高炉喷吹煤粉工程设计规范》（GB 50607—2010）“煤粉仓设置单独的仓顶布袋除尘器，其除尘器风机全压应小于1 kPa；对于不设置仓顶布袋除尘器的煤粉仓应设置泄压装置，泄压气体应通过引出管引至室外，超压泄压门的面积按0.025 m2/m3，额定动作压力按1～10 kPa设计”，但规范中未对仓顶布袋除尘器与防爆之间的关系进行解析，所要求的泄压比在实际工程项目中也很难实施，且额定动作压力要求偏低，生产过程中常因非爆炸性的压力波动而造成爆破膜破损影响正常生产。

1 煤粉制备系统防爆设计

防爆主要分爆炸的预防和爆炸的防护两种方法。前者为避免产生爆炸的条件，使爆炸不能发生；后者是如果爆炸一旦产生，则采取防护措施，及时制止爆炸以减少危害。

1.1 抑爆设计

在煤粉仓内，由于散热条件差，煤粉缓慢氧化放热引起自燃。由于燃烧不充分，会有CO放出，采用CO浓度监控可以有效探测自燃的发生。然后迅速往煤粉仓内补充惰性气体，使自燃受到抑制。生产过程的惰化是避免形成可爆煤粉气混合物的有效方法，随着氧浓度降低，烟煤的最大爆炸压力上升速率明显下降，当温度不太高（≤100℃），φ（O2）=12%时，烟煤粉尘不能发生爆炸。单一瓦斯与空气混合时，空气中φ（O2）＜12%时有抑爆作用，煤层自燃，但不会产生明火，不过对 CO、CH4等混合气体 φ（O2）＜9%才能抑爆，当φ（O2）＜5%时可抑止任何爆炸及燃烧[1]。当采用氮气系统进行灭火或惰化时，氮气IG100灭火系统的设计灭火浓度不应小于灭火浓度的1.3倍，惰化设计浓度不应小于灭火浓度的1.1倍[2]。

灭火所需氮气浓度按式（1）进行计算[3]，φ[O2]取12%，则灭火所需氮气浓度D为42.86%，惰化设计浓度为47.15%。

式中：D为灭火所需氮气浓度，%；φ[O2]为用N2-空气混合气体测得的某物质维持燃烧的极限氧含量，%。

惰化所需氮气用量按式（2）进行计算，设计流量按式（3）进行计算[3]。如果被保护净空间体积为300 m3，氮气密度为1.250 6 kg/m3，喷射设计按60 s计算，则惰化所需氮气用量为401.66 kg，设计流量为6.69 kg/s。

式中：M为氮气设计用量，kg；D为灭火剂设计的氮气体积分数，%；ρ为灭火剂氮气质量浓度，kg/m3；V为被保护空间体积，m3；t为喷射时间，s。

《高炉喷吹煤粉工程设计规范》（GB 50607—2010）中对单独设置煤粉仓顶布袋除尘器的煤粉仓可不设置泄爆装置，其依据是仓顶泄压布袋除尘器安装在煤粉仓顶部，在喷吹罐泄压时，将惰化气体泄入煤粉仓内再通过此布袋排至大气，相当于定期（25～50 min）给煤粉仓充入惰性气体，煤粉仓在惰化气氛条件下操作，故不需防爆安全阀。但需对O2和CO进行连续监视和检测，若两者中有一个达到预定值上限，磨煤和干燥系统以及喷吹罐的装粉等操作将停止，同时粉仓自动充入氮气直至这两个测定值再次恢复到正常。

1.2 泄爆设计

《粉尘爆炸泄压指南》（GB/T 15605—2008）给出了煤粉仓强度设计压力、泄放装置面积、泄放系数等因素之间的关系，可根据要求的减低后的最大爆炸压力、泄放装置的泄放系数等因素按式（4）或（5）计算需要的泄放装置面积[4]。

采用式（4）和式（5）计算有效泄压面积A，m2。

当最大泄爆压力Pred，max＜0.15 MPa 时，

当最大泄爆压力Pred，max≥0.15 MPa时，

式中：A为有效泄压面积，m2；B为泄压面积，m2；L为容器长度，m；DE为等效直径，m。

式中：V为容器容积，0.1 m3≤V≤10 000 m3；Pstat为泄压装置的静开启压力，0.01 MPa≤Pstat≤0.1 MPa；Pred，max为最大泄爆压力，0.01MPa≤Pred，max≤0.2MPa；

对于粉尘爆炸参数特性值为1 MPa·m·s-1≤Kmax≤30MPa·m·s-1时，最大爆炸压力为 0.5MPa≤Pmax≤1MPa，对于粉尘爆炸参数特性值为30MPa·m·s-1≤Kmax≤80 MPa·m·s-1时，最大爆炸压力为 0.5 MPa≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE≤20；长径比L/DE受以下条件限制：不应使泄压面积大于容器或筒仓的截面积；

泄压效率EF=1。如果泄压效率EF=1，A就是所需的泄压面积。对于泄压效率小于1的泄压装置，所需的泄压面积为A/EF。

以300 m3的煤粉仓为例，长径比L/DE为1.66，仓顶等效面积A*为36 m2。烟煤Pmax在0.74～0.8 MPa之间，其Kmax在 11.4～14.9 MPa·m·s-1之间，虽属于st1级（≤20 MPa·m·s-1），爆炸猛度低于st2与st3级，但在st1级中是较猛烈的[5]。此次计算烟煤最大爆炸压力Pmax取0.8 MPa，最大爆炸指数Kmax取14.9 MPa·s-1m·s-1。假设泄放装置的泄压效率EF为1。若煤粉仓最大泄爆压力Pred，max按40 kPa设计，防爆阀在不同的静开启压力Pstat时的泄压比如图1所示。

图1 防爆阀泄压比与静开启压力的关系图

由图1可知，在煤粉仓最大泄爆压力一定的情况下，防爆门的静开启压力越低，所需要的泄压面积越小，呈线性分布关系。若煤粉仓最大泄爆压力为40 kPa，防爆门静开启压力为10 kPa，泄压比为0.024 7，需要泄压面积为7.41 m2，相当于需要安装10个DN1000的防爆阀。当防爆门静开启压力小于10 kPa时，泄压比小于0.024 7，则《高炉喷吹煤粉工程设计规范》（GB 50607—2010）中要求过于严格。

若煤粉仓装设防爆阀的静开启压力Pstat为10kPa，防爆阀的泄压比与煤粉仓最大泄爆压力Pred，max之间的关系如图2所示。