细水雾特性及煤粉制备系统抑尘抑爆技术研究

2023-01-11黄子超薛少谦

矿业安全与环保 2022年6期

黄子超，薛少谦

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

现代煤化工利用煤炭液化或气化技术，将煤粉转化为液体燃料、气体燃料等清洁、高效的二次能源。“十三五”期间，我国以煤制油、煤制烯烃、煤制气为主的现代煤化工快速发展，2019年，煤化工行业实现煤炭年转化能力3.1亿t标准煤左右。然而，在煤化工煤粉制备系统中存在煤粉泄漏危险，泄漏的煤粉遇到火源在一定条件下即会发生燃烧爆炸事故，对煤粉制备系统甚至园区造成灾难性破坏。

细水雾被广泛应用于煤矿开采、掘进、输送等工艺过程的降尘，以改善作业环境、防止可燃粉尘爆炸。徐阿猛[1]、黄妍清[2]等利用流体动力学相关理论分析了细水雾的捕尘、降尘机理，以及与降尘效率相关的影响因素等；张小涛[3]对不同喷雾压力和喷雾角条件下的细水雾扩散和沉降分布进行了统计分析；曹广远[4]、李朴[5]等研究得出微米级细水雾在工作面回风巷、掘进工作面相对于普通喷淋水幕具有更好的降尘效果。喷嘴结构直接影响了细水雾的雾场特性，伍毅等[6]通过实验测试得到喷头流量系数对细水雾粒径分布、雾化角、雾场强度的影响；WANG Pengfei等[7]研究了气—液两相内混式空气雾化喷嘴结构参数对雾化特性和降尘性能的影响。为提高细水雾的降尘、抑爆效果，闫晶晶[8]、徐永亮[9]等从理论或实验室条件研究了旋转细水雾、荷电喷雾等技术。

细水雾获取方便、比热容高，对易燃易爆性气体粉尘爆炸的抑制具有良好效果，国内外学者们通过物理装置模型和数值仿真对其进行了大量实验分析。YANG Wenhua等[10]利用化学反应动力学研究了火焰结构与细水雾之间的作用机制；CAO[11]、NAKAHARA[12]等采用数值模拟的方法分析了细水雾和爆炸火焰之间的传热过程，得出了细水雾对甲烷、丙烷等可燃气爆炸特征参量的抑制作用；石晶泰等[13]建立细水雾发生装置，通过实验模拟了巷道火灾事故中，细水雾对有毒有害气体生产的抑制作用；裴蓓等[14]通过实验从爆炸压力、火焰速度和火焰结构3个角度分析了CO2—超细水雾对瓦斯/煤尘复合爆炸的抑制特性。

细水雾抑尘抑爆技术在煤矿井下煤尘控制、可燃气体爆炸防治方向得到了推广应用。但由于煤化工在我国起步较晚，目前针对煤化工煤粉制备系统中抑尘抑爆的研究并未广泛、系统地进行，而且对于煤粉泄漏和爆炸危险控制也尚无统一标准，还没形成有效的、普适性的解决方法。

笔者基于细水雾的抑尘、抑爆的作用机制，结合煤化工煤粉制备系统工艺，考察不同压力下实心锥形喷嘴的流量特性、粒径分布等参数；对煤粉制备系统中粉煤仓等泄漏爆炸危险源进行抑尘抑爆设计，以期为传统能源转化和利用提供安全保障。

1 细水雾抑尘抑爆机理

细水雾抑尘技术是目前治理粉尘粒子泄漏、扩散的重要技术途径。细水雾利用初始动能在空间内快速扩散或悬浮在空中，形成润湿作用，并通过拦截、凝并、布朗扩散作用实现对粉尘粒子的捕集，从而使粉尘粒子“增重”，达到降尘的目的。细水雾的拦截，降低了粉尘粒子的运动速度，阻止泄漏的粉尘向四周扩散。

高压细水雾因其饱和水汽与粉尘粒子凝结效率高，具有更好的降尘效果。在较高压力条件下，水雾粒径更小，对粉尘粒子捕集能力更强；而且高压水喷雾在碰撞、凝聚捕尘作用的基础上，还会使细水雾粒子带正负电荷，从而使水雾单颗粒发挥更积极的降尘作用，提高了对细粉尘的捕集效率。

细水雾是应用广泛的灭火介质，对爆炸火焰具有明显的抑制作用。首先，水比热容高，具有吸热、冷却作用，能降低燃烧反应区的温度；其次，细水雾粒径小、比表面积大，气化后体积扩大约1 700倍[15]，水蒸气可以起到隔绝氧气、稀释反应物组分浓度的作用。另外，细水雾对火焰结构具有拉伸破坏作用，屏蔽燃烧区与未燃物，从而使热量快速衰减，降低了反应进程的热反馈。另外，在爆炸链反应机理中，水分子作为第三体与O、OH、CH3、CO等自由基发生碰撞，能消耗中间链载体，使活化分子浓度降低，终止链反应，抑制爆炸反应的持续进行。

2 细水雾特性实验测试

2.1 实验系统

雾化是液体分散成微小液滴的过程，细水雾的工作压力、粒径、流量等雾场特性参数直接影响其降尘及抑制煤尘爆炸的性能。通过搭建实验平台，对不同条件下水介质的雾化、流场等特性开展研究。细水雾实验测试系统主要由400 mm×400 mm×1 200 mm方形透明管道、实心锥形喷嘴、供水设施、压力表、流量计、粒度分析仪、测试软件、摄像仪等组成。实验系统如图1所示。

图1 实验系统示意图

在透明管道一侧法兰中间安装喷嘴，向管道内空间喷射细水雾。细水雾喷射采用实心锥形喷嘴，由外壳、导水芯及喷孔组成，孔径1.25 mm，在液体压力和气动力作用下水流经喷孔喷出，形成水雾。

通过调节供水系统的压力，测试喷嘴的雾化特性变化，记录水流量变化，并摄像观察、分析细水雾的雾化状态。基于激光光束透过细水雾的衍射现象，采用马尔文粒度分析仪测量不同压力条件下细水雾的粒径分布变化。

2.2 细水雾喷射雾化角

细水雾由喷嘴喷洒后形成近似锥体的雾化形态，细水雾锥体两条边缘的夹角称为喷射雾化角。基于细水雾雾化状态，利用反余切函数计算得出喷射雾化角，如公式(1)所示。锥形喷嘴安装在管道法兰中点，实验中分别记录锥形细水雾与透明管道上、下两个面的交点，并测量两个交点至喷嘴安装位置的水平距离L。

(1)

式中：θ为条件雾化角；l为方形透明管道的内边长；L1、L2为锥形细水雾与管道上、下面交点分别至喷嘴的水平距离。

实验中，细水雾喷射的工作压力为0.7～2.5 MPa。通过测量计算，细水雾的喷射雾化角为108°，随着实验压力逐渐增高，雾化角无明显增大。

2.3 细水雾流量变化特性

细水雾流量是抑制煤尘燃烧爆炸、扑灭火焰的关键参数。在实心锥形喷嘴的前端管路上安装电子流量计，直接测量不同压力条件下细水雾的流量，当流量稳定后直接读取数据。实验测试了0.7、1.2、1.6、2.0、2.5 MPa喷雾压力下喷嘴细水雾的流量，多次测量求其平均值，结果见表1。

表1 不同喷雾压力下的平均细水雾流量

由表1可以看出：在实验压力范围内，随着喷雾压力的增加，细水雾流量呈线性增加。压力增加，水流在管路中流速加快，这是造成雾化流量增加的主要原因。当喷雾压力由0.7 MPa增加至2.5 MPa时，细水雾喷射流量由11.37 L/min增加至21.78 L/min，增加了91.6%。根据实验测试结果变化趋势进行数据拟合，如图2所示。揭示实验范围内细水雾流量随喷雾压力的定量关系，拟合函数如式(2)所示，其相关参数值如表2所示。

图2 水雾流量与喷雾压力关系曲线Y=Y0+kX (0.7 MPa≤X≤2.5 MPa)

(2)

式中：Y为细水雾喷射流量，L/min；Y0、k为常数；X为喷雾压力，MPa。

表2 细水雾流量拟合函数相关参数

2.4 细水雾粒径变化特性

粒径是影响细水雾抑尘抑爆效果的重要特性参数之一，实验测试了5种不同喷雾压力下雾化效果的水雾粒径。为了对比分析不同实验压力下的水雾粒径，使用细水雾的中值粒径d50(累计分布达50%的粒径)进行衡量。不同喷雾压力条件下的粒径测试结果如表3所示。

表3 不同喷雾压力条件下的细水雾喷雾粒径

根据测试结果可知，不同压力条件下喷嘴喷射出的水雾粒径是不一致的，在实验条件下细水雾粒径随喷雾压力的增大而减小。这是因为在较高的压力条件下，外力作用大，喷射速度更快，能获得比低压力条件下更细微的水雾液滴。

在较高压力条件下，水雾粒径不仅足够小，粒径分布也相对更集中。2.0 MPa喷雾压力下细水雾粒度分布频率直方图如图3所示。直方框代表了某粒径所占的数量百分比，曲线为水雾粒径的累计百分比。该压力条件下细水雾中值粒径d50为146.3 μm、90%粒径d90为353.7 μm。

图3 2.0 MPa喷雾压力条件下水雾粒度分布图

由于着火区浮力羽流作用，细水雾的抑爆灭火效果受粒径、生存时间等多因素影响。郭明[16]采用仿真计算，得出范围为100～250 μm，直径150 μm细水雾灭火效果最好。因此，在对煤粉泄漏爆炸危险抑尘抑爆系统设计计算时，采用细水雾工作压力2.0 MPa工况，此时能达到更好的熄焰效果。

3 煤粉制备系统抑尘抑爆设计

3.1 煤粉泄漏爆炸危险分析

煤化工煤粉制备系统可为下游工序单元提供合格的煤粉，其工艺流程如图4所示。以某煤制油公司为例，煤粉制备系统将原煤仓的块煤送入磨煤机，经过研磨后，利用热风炉产生的热循环惰性气体进行干燥后发送至煤粉收集器，进行煤粉与惰性气体分离。煤粉经过进一步纤维分离进入煤粉仓，采用正压密相气流输送方式将细煤粉送入气化炉。系统的热惰性气体可以循环重复利用。

图4 煤粉制备系统工艺流程示意图

煤化工煤粉的原料一般为褐煤，由于褐煤煤粉相比普通煤粉水分含量低、粒径小、挥发分高，其粉尘层和粉尘云的引燃温度低、点火能量小，易引起煤尘自燃；而且其爆炸下限浓度低，更容易发生爆炸，发生爆炸后最大爆炸压力及爆炸压力上升速率高，破坏力更强。煤粉制备系统工艺中常伴随有高温、高压条件，一旦发生煤粉爆炸事故将会造成灾难性的后果。因此，褐煤在煤粉制备系统中煤粉的生产、储存、输送工序中发生火灾爆炸的危险性要比普通煤粉更高。

煤粉制备系统中存在着多处防爆板/泄爆片、检修孔、插板阀、橡胶膨胀节、管路磨损等泄漏危险源。在管路磨损、设备失当、操作失误、工况条件改变或系统异常条件下极有可能发生煤粉泄漏，在空间内快速形成一定浓度的煤尘云，遇到明火或者局部高温时，会发生粉尘燃烧爆炸现象，引发设备破坏、财产损失，甚至人员伤亡的严重事故。

3.2 细水雾抑尘抑爆系统设计

细水雾抑尘抑爆系统主要由消防水系统、稳压泵、压力表、过滤器、电磁阀、喷头及供水管网组成，如图5所示。

图5 细水雾抑尘抑爆系统组成示意图

消防水系统连接消防水，在消防水系统后端安设稳压泵，弥补消防水压力不高、不稳定的缺点。抑爆系统连接至监控系统，当发生煤粉泄漏爆炸危险时，电动阀门打开，高压消防水增压后由实心锥形喷嘴分散成细水雾，保护危险区域或局部设备，达到降尘、抑制爆炸的目的。

根据细水雾流量、粒径等参数变化分布的实验结果，为使消防水系统达到有效的抑尘抑爆效果，喷头工作压力按照2 MPa设计，并满足GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》[17]要求。

喷头细水雾流量采用在工作压力条件下实际测试结果，当工作压力为2.0 MPa时，水雾流量Q为19.62 L/min。抑尘抑爆系统细水雾实际工作流量在设计供给流量的基础上乘以1个k=1.1安全系数。

保护对象所需水雾喷头的数量按公式(3)计算：

(3)

式中:N为保护对象水雾喷头的数量，只；k为安全系数；S为被保护面积，m2；W为保护对象的设计供给强度，L/ (min·m2)。

煤化工煤粉制备系统按照不同防护区域和泄漏爆炸危险性，选择不同的水雾供给强度、保护应用方式等。

1)带式输送机

煤粉制备系统在每个备煤区分布有2条带式输送机，抑尘抑爆系统的保护范围包括机头、机尾和上行胶带的上表面面积。现场输送机的胶带宽1.4 m、整体长85 m。根据规范要求输送机胶带防护需要的供给强度为0.9 L/(min·m2)。

根据式(3)计算得出，带式输送机的被保护面积S=249.2 m2，细水雾喷头的数量N=12。

2)煤粉收集器锥部空间区域

煤粉收集器锥部空间区域分布有4套煤粉灰斗、旋转给料阀等，由橡胶膨胀节、人孔、插板阀等部件组成，存在煤粉泄漏、发生燃烧爆炸的危险性[18]。该区域危险源多且分散，细水雾系统采用全淹没的应用方式。以单个灰斗作为一个保护区域进行计算，保护面积为煤粉收集器灰斗的投影面积，尺寸为6 500 mm×5 170 mm。该区域抑尘抑爆需要的细水雾供给强度为2 L/(min·m2)。

根据式(3)计算，单个灰斗区域的被保护面积S=33.61 m2，细水雾喷头的数量N=4。所以，煤粉收集器锥部整个空间区域的水雾喷头数量为16个。

3)粉煤仓顶部区域

在粉煤仓顶部区域存在有2处橡胶软连接，3个泄压防爆板，如有老化磨损、内部超压等情况，容易发生煤粉泄漏，遇外部火源则会发生燃烧爆炸危险事故。为此，该区域采用全淹没的应用保护方式，以粉煤仓顶部的面积作为被保护面积S=28.26 m2(顶部直径为6 m)。该区域抑尘抑爆需要的细水雾供给强度为2 L/(min·m2)。经计算，该区域抑尘抑爆系统细水雾喷头数量N=4。

4)粉煤仓锥部橡胶膨胀节

粉煤仓锥部区域存在橡胶膨胀节等部件，非金属材质易发生老化、磨损，存在泄漏危险。该区域为单点危险源，可采取局部应用保护方式。以橡胶膨胀节的外表面作为保护面积。膨胀节尺寸为DN300 mm×230 mm，抑尘抑爆需要的细水雾供给强度为2 L/(min·m2)。按照式(3)计算，满足细水雾能覆盖橡胶膨胀节全部外表面的要求，该危险源细水雾抑尘抑爆系统喷头数量N=2。

3.3 水雾喷头的布置方式

喷头的布置方式是影响细水雾抑尘、抑爆效果的重要因素之一。喷头与煤尘源一定距离时，细水雾对全尘的抑尘效率更高[19]。为完全包络或覆盖保护部位，且考虑到细水雾系统的启动时间，对于采取局部保护方式的抑尘抑爆系统，水雾喷头与危险源的距离应大于0.5 m；对于采用全淹没的保护应用方式，细水雾喷头布置在保护对象的顶部周围，均衡布置，保证细水雾屏障喷洒均匀，包围整个保护区域。带式输送机采用线性方式布置喷头，细水雾喷洒时能够包络整个输送机的机头、机尾及上行胶带上表面。

煤粉制备系统的泄漏爆炸保护区域按照平面处理，细水雾喷头的布置方式为矩形或三角形(菱形)，如图6所示。细水雾喷洒能够完全遮蔽或包络被保护区域或对象。当有遮挡物对水雾喷撒效果产生不利影响时，需采取局部加强措施。