石油焦煅烧生产过程粉尘防爆研究

徐文广

（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

0 引言

2014 年8 月2 日，江苏省某金属制品公司发生特别重大铝粉尘爆炸事故，造成人员及财产的巨大损失，社会影响较大[1]。该事故的发生，让国内涉及粉尘爆炸行业引起不小震动。为了消除事故隐患，本文选取国内碳素行业较为普遍的石油焦煅烧工艺，对其生产过程产生的粉尘性质进行研究，以了解其爆炸性能，便于采取有针对性的措施，防止类似事故发生。

石油焦煅烧工艺是引进美国美卓（METSO）煅烧工艺，整个生产过程包括原料输送系统、煅烧系统、成品输送系统和成品包装4 个系统。其中原料输送系统和成品输送系统产生粉尘较大，文中将作详细介绍。

1 石油焦及煅后焦粉尘爆炸特性

1.1 爆炸性测试结果

为了研究原料输送系统和成品输送系统粉尘爆炸的危险性，分别选取原料和成品输送皮带廊中悬浮后又沉降下来的粉尘颗粒作为样品，用专业分析设备进行测试，测试结果见表1。

1.2 结果分析

1.2.1 爆炸敏感度分析

1）石油焦爆炸下限较低，和玉米淀粉相当，表明该样品容易形成爆炸性粉尘环境；煅后焦爆炸下限较高，相对稳定。

2）石油焦和煅后焦最小点火能均超过1 000 mJ，大约是烟煤粉尘的10 倍，静电引燃的敏感性较低。

3）石油焦和煅后焦粉尘云最低着火温度较高，不易被热表面引燃；而石油焦粉尘层闷燃温度较低，为280 ℃，和烟煤接近，表明堆积的石油焦粉尘容易被发热表面引燃。煅后焦粉尘层闷燃温度＞400 ℃，相对较高，不容易被发热表面引燃。

1.2.2 爆炸猛度分析

石油焦粉尘的最大爆炸压力为0.8 MPa（修正后），该值和烟煤、玉米淀粉最大爆炸压力接近，属于较猛烈的粉尘，具有很大的破坏性；煅后焦的最大爆炸压力为0.49 MPa，猛度中等[2]。

2 石油焦生产线粉尘爆炸风险分析

本文涉及的粉尘爆炸风险分析指的是发生粉尘爆炸的可能性分析。

2.1 粉尘爆炸发生的条件

发生粉尘爆炸必须具备5个条件[3]，即“爆炸五边形”，包括：

1）可燃粉尘，粮食、煤炭、石油焦粉尘等均属可燃粉尘。

2）氧气是助燃性气体，但氧气低于支持粉尘爆炸的最低氧浓度“极限氧浓度(LOC)”时，就很难发生粉尘爆炸了。

3）粉尘呈云状态，只有粉尘被扬起呈悬浮状态并与空气充分混合时才能发生爆炸。石油焦生产系统产生粉尘云的地点很多，比如各皮带转运落料点、煅前仓、成品仓，各个除尘系统管道及除尘器内部等等。

表1 石油焦/煅后焦粉尘参数及测试结果

4）点火源，石油焦煅烧生产系统可能的点火源有热表面、明火、机械火花、绝热压缩、自燃、电弧和静电放电。

5）空间的相对密闭性。生产设备内部，如全封闭的破碎机、除尘器、料仓，半封闭的皮带机廊道、转运塔也算相对密闭空间。

在石油焦煅烧生产过程中，可燃粉尘和氧气是一直存在的，粉尘爆炸风险分析主要考虑其他3 个条件，即粉尘悬浮、点火源、空间相对密闭同时出现的情况。

为了便于认识粉尘爆炸风险的大小，根据爆炸性粉尘云出现的频率和存在的时间，结合可能出现的引燃源情况，综合分析工艺制程的粉尘爆炸风险。将风险由小到大依次分为：极低、低、一般、较高、高5 个层次，各级别风险对应的整改措施要求见表2。

2.2 主要工艺设备风险分析

2.2.1 双辊式破碎机

石油焦原料经过破碎机破碎为100 mm 以内的小块物料。来料水份含量平均在14%～15%，湿度较大，破碎机内一般不会形成爆炸性粉尘云。但在干燥时，如水份10%以下，机内会形成爆炸性粉尘环境；破碎机进料口前增设了电磁除铁器、金属探测器等，可以去除大硬度的磁性金属，有效避免金属杂物在粉碎机内引起的机械摩擦、撞击火花，但对于非磁性金属、木块、石块等杂质，无法排除。破碎机驱动电机为非防爆电机，外壳防护等级为IP54，可以起到一定的防尘作用，但对设备表面最高温度没有要求，不具备严格的防爆功能。

表2 风险级别及响应措施

综上，破碎机内空间体积狭窄，原料湿度大，不易形成爆炸性粉尘云，破碎机内发生爆炸的风险一般。

2.2.2 原料带式输送机

原料输送系统共有5 条皮带。其中最短为6.9 m，最长为168.1 m。带式输送机均采用敞开式作业，没有封闭空间，不具备发生粉尘爆炸的必备条件，所以很难形成爆炸性粉尘环境。但带式输送机的头部或尾部，会形成大量粉尘堆积，增加了建筑物内形成爆炸性粉尘环境的风险。由于皮带跑偏、过载打滑、托辊轴承失效且报警措施失效的情况下，可能引起皮带或石油焦粉着火，或许成为下一工序发生粉尘爆炸的引燃源。

综上，带式输送机及所在长廊发生粉尘爆炸的风险低。

2.2.3 袋式除尘器

石油焦原料储运工艺共有袋式除尘器4 台。袋式除尘器是发生粉尘爆炸频率最高的工艺设备之一。其原因是，专用于收集系统内粒径很小的飘尘，通常是微米级别，爆炸敏感度高；除尘器采用脉冲反吹方式清灰，在喷吹瞬间，布袋上粘结的大量粉尘会被扬起，甚至将除尘器底部灰斗上积累的粉尘卷扬起来，从而达到爆炸极限，形成爆炸性粉尘环境。袋式除尘器里的点火源可能有脉冲反吹产生的静电放电、粉尘自燃、从生产工艺方向传播过来的火源等。石油焦输送系统所有袋式除尘器均未开设泄爆口，袋式除尘器一旦发生爆炸，压力波和火焰会反向传播至工艺设备，甚至引发厂房内的系统爆炸。

综上，石油焦输送系统袋式除尘器发生粉尘爆炸的风险为较高。

2.3 煅后焦输送系统粉尘爆炸风险分析

石油焦原料经回转窑煅烧成熟焦后，挥发份得以去除，化学性质比煅前生焦稳定得多，所以着火敏感性和爆炸猛度都远低于石油焦。

从爆炸下限数据200 ～250 g/m3来看，只有部分设备内部才会达到这个浓度，如果遇到1 J 以上的强点火源，有发生爆炸的可能性，但风险极低。

3 防爆措施及建议

通过系统分析石油焦和煅后焦的爆炸特性参数，发现石油焦粉尘静电引燃的敏感度较低，但对热表面引燃比较敏感，一旦发生爆炸，最大爆炸压力具有严重的破坏作用。煅后焦无论是敏感性还是爆炸严重度都远低于石油焦，最大爆炸压力约为石油焦的一半，且煅后焦爆炸下限参数较高，建筑物内很难达到爆炸浓度水平。

石油焦煅烧生产线粉尘爆炸风险主要集中在加工及转运工艺过程。依据现有生产状况，该生产过程整体粉尘爆炸风险水平一般，但部分设备风险较高，主要集中在石油焦输送和储存场所，需要改造和加强安全管理。

总体上，以减少事故发生可能性和降低后果严重度为出发点，从技术角度和管理角度进行粉尘爆炸防控。

从技术角度应采取的防控措施[4]，需尽可能向本质安全靠拢，依据场所的风险高低将破碎楼、煅前仓、石油焦转运站除尘器、包装楼除尘器等的电气设备更换为符合国标的电气设备，如Ex tDA20、Ex iaD等防爆型式，将原料输送皮带头部周围1 m 范围内的电气设备更换为Ex tDA21、Ex ibD 或以上防爆型式的电气设备，其余低风险场所的电气设备也相应改为防尘爆型式，确保涉尘场所的电气设备符合GB 12476.2—2010《可燃性粉尘环境用电气设备 第2 部分：选型和安装》要求的。

从管理角度应采取的防控措施[4]，需从点火能量、粉尘云及粉尘层的形成方面入手，比如在高风险场所增加红外线探头，监控火源的进入；建立定期清扫制度，有效控制设备热表面粉尘云的形成；对除尘设备定期维护，确保除尘效果良好，有效抑制粉尘云的形成；定期检查电气设备、接地线路是否正常，防止因电气设备防爆失效或静电导出受阻产生的点火能量，进而导致事故的发生；建立粉尘爆炸事故应急预案并定期演练。

此外，可以考虑各建筑物之间通过输送设备构成网络，如原料转运站、破碎楼、破碎后转运站之间的带式输送设备安装火焰探测器，并与控制系统连锁，实施报警和紧急停车功能可以有效控制火焰的传播，防止发生系统爆炸或火灾风险。

4 结语

通过对石油焦煅烧工艺生产煅后焦的过程和焦粉的特性分析可知，石油焦煅烧前的煅前仓、破碎楼、除尘器、输送皮带头部等场所粉尘爆炸风险较大，其余部位风险较低；煅烧后各场所风险普遍较低。从风险防控措施看，将较高风险场所的电气更换为不低于规范标准要求的粉尘防爆电气，辅以管理措施，如控制外来点火能量的产生、定期清扫、预案制定和演练等手段，粉尘爆炸风险可以得到有效控制。