高爐噴煤系統煤粉倉防爆設計探討

鄢 明， 吳建霖， 趙澤文， 馮 飛

（1.廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司， 廣西 柳州 545002；2.柳州鋼鐵股份有限公司， 廣西 柳州 545002）

目前國內高爐噴煤系統煤粉倉防爆措施主要采用抑爆和泄爆兩種措施進行，因工程投資原因一般不采用抗爆措施。抑爆設計主要執行《高爐噴吹煙煤系統防爆安全規程》（GB 16543—2008）“噴吹系統的煤倉應設置緊急充氮系統”，但規范中未明確充氮系統的相關設計要求和參考標準。泄爆設計主要執行《高爐噴吹煤粉工程設計規范》（GB 50607—2010）“煤粉倉設置單獨的倉頂布袋除塵器，其除塵器風機全壓應小于1 kPa；對于不設置倉頂布袋除塵器的煤粉倉應設置泄壓裝置，泄壓氣體應通過引出管引至室外，超壓泄壓門的面積按0.025 m2/m3，額定動作壓力按1～10 kPa設計”，但規范中未對倉頂布袋除塵器與防爆之間的關系進行解析，所要求的泄壓比在實際工程項目中也很難實施，且額定動作壓力要求偏低，生產過程中常因非爆炸性的壓力波動而造成爆破膜破損影響正常生產。

1 煤粉制備系統防爆設計

防爆主要分爆炸的預防和爆炸的防護兩種方法。前者為避免產生爆炸的條件，使爆炸不能發生；后者是如果爆炸一旦產生，則采取防護措施，及時制止爆炸以減少危害。

1.1 抑爆設計

在煤粉倉內，由于散熱條件差，煤粉緩慢氧化放熱引起自燃。由于燃燒不充分，會有CO放出，采用CO濃度監控可以有效探測自燃的發生。然后迅速往煤粉倉內補充惰性氣體，使自燃受到抑制。生產過程的惰化是避免形成可爆煤粉氣混合物的有效方法，隨著氧濃度降低，煙煤的最大爆炸壓力上升速率明顯下降，當溫度不太高（≤100℃），φ（O2）=12%時，煙煤粉塵不能發生爆炸。單一瓦斯與空氣混合時，空氣中φ（O2）＜12%時有抑爆作用，煤層自燃，但不會產生明火，不過對 CO、CH4等混合氣體 φ（O2）＜9%才能抑爆，當φ（O2）＜5%時可抑止任何爆炸及燃燒[1]。當采用氮氣系統進行滅火或惰化時，氮氣IG100滅火系統的設計滅火濃度不應小于滅火濃度的1.3倍，惰化設計濃度不應小于滅火濃度的1.1倍[2]。

滅火所需氮氣濃度按式（1）進行計算[3]，φ[O2]取12%，則滅火所需氮氣濃度D為42.86%，惰化設計濃度為47.15%。

式中：D為滅火所需氮氣濃度，%；φ[O2]為用N2-空氣混合氣體測得的某物質維持燃燒的極限氧含量，%。

惰化所需氮氣用量按式（2）進行計算，設計流量按式（3）進行計算[3]。如果被保護凈空間體積為300 m3，氮氣密度為1.250 6 kg/m3，噴射設計按60 s計算，則惰化所需氮氣用量為401.66 kg，設計流量為6.69 kg/s。

式中：M為氮氣設計用量，kg；D為滅火劑設計的氮氣體積分數，%；ρ為滅火劑氮氣質量濃度，kg/m3；V為被保護空間體積，m3；t為噴射時間，s。

《高爐噴吹煤粉工程設計規范》（GB 50607—2010）中對單獨設置煤粉倉頂布袋除塵器的煤粉倉可不設置泄爆裝置，其依據是倉頂泄壓布袋除塵器安裝在煤粉倉頂部，在噴吹罐泄壓時，將惰化氣體泄入煤粉倉內再通過此布袋排至大氣，相當于定期（25～50 min）給煤粉倉充入惰性氣體，煤粉倉在惰化氣氛條件下操作，故不需防爆安全閥。但需對O2和CO進行連續監視和檢測，若兩者中有一個達到預定值上限，磨煤和干燥系統以及噴吹罐的裝粉等操作將停止，同時粉倉自動充入氮氣直至這兩個測定值再次恢復到正常。

1.2 泄爆設計

《粉塵爆炸泄壓指南》（GB/T 15605—2008）給出了煤粉倉強度設計壓力、泄放裝置面積、泄放系數等因素之間的關系，可根據要求的減低后的最大爆炸壓力、泄放裝置的泄放系數等因素按式（4）或（5）計算需要的泄放裝置面積[4]。

采用式（4）和式（5）計算有效泄壓面積A，m2。

當最大泄爆壓力Pred，max＜0.15 MPa 時，

當最大泄爆壓力Pred，max≥0.15 MPa時，

式中：A為有效泄壓面積，m2；B為泄壓面積，m2；L為容器長度，m；DE為等效直徑，m。

式中：V為容器容積，0.1 m3≤V≤10 000 m3；Pstat為泄壓裝置的靜開啟壓力，0.01 MPa≤Pstat≤0.1 MPa；Pred，max為最大泄爆壓力，0.01MPa≤Pred，max≤0.2MPa；

對于粉塵爆炸參數特性值為1 MPa·m·s-1≤Kmax≤30MPa·m·s-1時，最大爆炸壓力為 0.5MPa≤Pmax≤1MPa，對于粉塵爆炸參數特性值為30MPa·m·s-1≤Kmax≤80 MPa·m·s-1時，最大爆炸壓力為 0.5 MPa≤Pmax≤1.2 MPa；

L/DE≤20；長徑比L/DE受以下條件限制：不應使泄壓面積大于容器或筒倉的截面積；

泄壓效率EF=1。如果泄壓效率EF=1，A就是所需的泄壓面積。對于泄壓效率小于1的泄壓裝置，所需的泄壓面積為A/EF。

以300 m3的煤粉倉為例，長徑比L/DE為1.66，倉頂等效面積A*為36 m2。煙煤Pmax在0.74～0.8 MPa之間，其Kmax在 11.4～14.9 MPa·m·s-1之間，雖屬于st1級（≤20 MPa·m·s-1），爆炸猛度低于st2與st3級，但在st1級中是較猛烈的[5]。此次計算煙煤最大爆炸壓力Pmax取0.8 MPa，最大爆炸指數Kmax取14.9 MPa·s-1m·s-1。假設泄放裝置的泄壓效率EF為1。若煤粉倉最大泄爆壓力Pred，max按40 kPa設計，防爆閥在不同的靜開啟壓力Pstat時的泄壓比如圖1所示。

圖1 防爆閥泄壓比與靜開啟壓力的關系圖

由圖1可知，在煤粉倉最大泄爆壓力一定的情況下，防爆門的靜開啟壓力越低，所需要的泄壓面積越小，呈線性分布關系。若煤粉倉最大泄爆壓力為40 kPa，防爆門靜開啟壓力為10 kPa，泄壓比為0.024 7，需要泄壓面積為7.41 m2，相當于需要安裝10個DN1000的防爆閥。當防爆門靜開啟壓力小于10 kPa時，泄壓比小于0.024 7，則《高爐噴吹煤粉工程設計規范》（GB 50607—2010）中要求過于嚴格。

若煤粉倉裝設防爆閥的靜開啟壓力Pstat為10kPa，防爆閥的泄壓比與煤粉倉最大泄爆壓力Pred，max之間的關系如圖2所示。

圖2 防爆閥泄壓比與煤粉倉最大泄爆壓力的關系圖

由圖2可知，在防爆門的靜開啟壓力一定的情況下，煤粉倉最大泄爆壓力越大，所需要的泄壓面積越小，呈雙曲線性分布關系。當最大泄爆壓力大于60 kPa后，再增大最大泄爆壓力，泄壓面積降低不大，但工程投資需增加較多，工程設計時需充分考慮其經濟性。

2 結論

1）《高爐噴吹煤粉工程設計規范》（GB 50607—2010）對煤粉倉的安全要求屬從嚴要求，實際工程項目中很難實施，也無必要。

2）高爐噴煤系統一般采用高爐熱風爐低溫煙氣與燃燒高爐煤氣產生的高溫煙氣混合而成的煙氣作為干燥劑，磨機出口含粉煙氣含氧量一般控制在8%左右，故煤粉倉在正常運行情況下均處于惰性氣氛，煤粉倉按惰性氣氛設計作為防爆措施是可行的技術方案，也是目前普遍采用的防爆措施。