振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)煤塵爆炸事故后果模擬分析

吳子科

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

摘要：振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)由熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)組成，用于降低褐煤本身含水量，從而提高褐煤的燃燒熱。振動(dòng)床混流干燥是一種新型干燥系統(tǒng)，存在煤塵爆炸危險(xiǎn)，鑒于此，介紹干燥系統(tǒng)的爆炸條件、爆炸機(jī)理、爆炸危險(xiǎn)部位，并假定3種狀態(tài)——褐煤煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸、褐煤煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸及褐煤煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸進(jìn)行爆炸后果模擬分析，分別計(jì)算3種假定條件下煤塵發(fā)生爆炸的事故后果，得出了該干燥系統(tǒng)的爆炸影響范圍，為干燥器安全措施及應(yīng)急預(yù)案的制定提供了一定的理論支持。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)床；混流干燥系統(tǒng)；煤塵爆炸事故；后果模擬

收稿日期：2015-08-03

作者簡(jiǎn)介：吳子科(1982—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士，工程師，主要從事煤礦安全的研究與評(píng)價(jià)工作。

0引言

我國(guó)煤炭資源豐富，其中，已探明的褐煤保有儲(chǔ)量達(dá)1 300多億t，約占煤炭總儲(chǔ)量的13%。由于褐煤含水量高、熱值較低、易自燃、難以?xún)?chǔ)存，因此褐煤長(zhǎng)距離運(yùn)輸和利用成本較高，這就降低了褐煤開(kāi)發(fā)和利用的價(jià)值。現(xiàn)階段褐煤常被作為低階燃料，在原產(chǎn)地周邊使用。然而，高水分褐煤燃燒后的熱效率低下，且二氧化碳排放量大，因此褐煤直接利用價(jià)值不高。

基于此，在國(guó)內(nèi)主要褐煤產(chǎn)區(qū)，特別是含水量在30%左右的褐煤產(chǎn)區(qū)，針對(duì)褐煤進(jìn)行干燥的裝置大量出現(xiàn)。褐煤干燥的目的在于減少褐煤含水量，提高褐煤燃燒熱，增強(qiáng)褐煤的燃燒利用價(jià)值。

本文所研究的振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)就是諸多褐煤干燥裝置中的一種，但該干燥系統(tǒng)存在諸多安全隱患，例如火災(zāi)、煤塵爆炸等。該干燥系統(tǒng)主要由干燥器、除塵器與冷卻器等設(shè)備組成，生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的粉塵和空氣，客觀上造成了燃燒爆炸要素的形成，只要存在引燃源，就有可能發(fā)生爆炸。在干燥系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，干燥器最容易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，故對(duì)事故后果進(jìn)行模擬，以分析干燥系統(tǒng)煤塵爆炸影響范圍十分必要。

1干燥系統(tǒng)組成及工藝

振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)主要由熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1　振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)圖

干燥原料煤經(jīng)緩沖倉(cāng)短時(shí)存儲(chǔ)后經(jīng)膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至干燥器，干燥后煨煤和袋式除塵器回收的煤塵進(jìn)入冷卻系統(tǒng)冷卻后返回519膠帶機(jī)上；熱風(fēng)從熱風(fēng)爐出來(lái)經(jīng)過(guò)兩道攔火柵由熱風(fēng)機(jī)供給干燥器，在干燥器內(nèi)部熱風(fēng)與原料煤完成熱交換，煙氣和煤塵進(jìn)入袋式除塵器，煤塵回收，除塵后的煙氣由引風(fēng)機(jī)排入大氣中。

1.1原料煤準(zhǔn)備系統(tǒng)

褐煤經(jīng)膠帶機(jī)轉(zhuǎn)載后進(jìn)入干燥系統(tǒng)緩沖倉(cāng)，物料從緩沖倉(cāng)底部?jī)膳_(tái)給煤機(jī)601、602均勻給入603膠帶機(jī)，經(jīng)過(guò)607環(huán)錘破碎機(jī)破碎(破碎機(jī)出料粒度0～30 mm)后通過(guò)608膠帶機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入干燥器。

1.2干燥器

振動(dòng)混流干燥器頂部有兩臺(tái)給煤機(jī)，將集中來(lái)煤均布在干燥器內(nèi)；干燥器由5層振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)床組成，干燥器下部設(shè)有刮板機(jī)將煤卸出干燥器外。通過(guò)翻轉(zhuǎn)卸料器實(shí)現(xiàn)與外界封閉，確保熱風(fēng)不外漏。

1.3熱風(fēng)系統(tǒng)

熱風(fēng)從熱風(fēng)爐出來(lái)給入干燥器一層，通過(guò)控制熱風(fēng)機(jī)風(fēng)閥開(kāi)啟程度來(lái)控制進(jìn)入干燥器的熱風(fēng)量；通過(guò)熱風(fēng)爐出風(fēng)口的煙氣混合器風(fēng)閥開(kāi)啟度控制熱風(fēng)的溫度，進(jìn)入干燥器內(nèi)風(fēng)流溫度控制在200 ℃以下。

1.4粉煤回收系統(tǒng)

袋式除塵器通過(guò)管道與干燥器頂層連接，其作用是將混合氣流中的細(xì)顆粒煤粉回收。袋式除塵器頂部有反吹風(fēng)機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)，袋式除塵器下部有卸煤機(jī)，袋式除塵器回收的粉煤落到刮板機(jī)上。其中，引風(fēng)機(jī)是干燥系統(tǒng)通風(fēng)的動(dòng)力源，抽取干燥器內(nèi)尾氣，凈化后排空。

2振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)爆炸危險(xiǎn)性分析

2.1著火機(jī)理

破碎后的小粒度褐煤在干燥器內(nèi)因與干燥器振動(dòng)篩多次碰撞，顆粒度變得更加細(xì)小，造成褐煤分子鏈的斷裂，產(chǎn)生大量自由基，自由基大量存在于褐煤內(nèi)部新生裂紋表面，為褐煤煤塵自燃氧化創(chuàng)造了條件。褐煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成過(guò)氧化物自由基，氧化反應(yīng)放出的熱量使得煤塵溫度上升，并使氧化物自由基反應(yīng)放出大量的可燃?xì)怏w，生成的新自由基繼續(xù)與氧反應(yīng)，持續(xù)的放熱反應(yīng)使褐煤溫度升高，高溫使得干燥器內(nèi)積聚的煤塵自燃著火。

2.2煤塵爆炸條件

煤塵爆炸有3個(gè)基本條件：(1) 煤塵本身具有爆炸性；(2) 煤塵呈懸浮狀態(tài)(即粉塵云狀態(tài))，其濃度在爆炸極限范圍之內(nèi)；(3) 點(diǎn)火源。

試驗(yàn)表明，我國(guó)煤塵爆炸下限濃度為30～50 g/m3，爆炸威力最強(qiáng)的煤塵濃度為300～400 g/m3；我國(guó)煤塵爆炸的引燃溫度在610～1 050 ℃之間，一般為700～800 ℃；煤塵爆炸的最小點(diǎn)火能為4.5～40 mJ。

振動(dòng)床混流干燥工藝具有風(fēng)量大的特點(diǎn)(氧含量大于21%)，褐煤在振動(dòng)篩的振動(dòng)下，產(chǎn)生大量煤塵。另外，熱煙氣中存在的火星或煤粒與振動(dòng)篩之間的摩擦靜電等均可能作為點(diǎn)火源。因此，振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)具備煤塵爆炸的必要條件。

2.3干燥系統(tǒng)煤塵爆炸危險(xiǎn)性

該干燥系統(tǒng)主要由熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等組成。干燥器和除塵器生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的煤塵和18.3%的氧氣，而且干燥器內(nèi)溫度最高可達(dá)210 ℃，因此干燥器的煤塵爆炸危險(xiǎn)性最高。

3振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)煤塵爆炸事故后果模擬

對(duì)事故后果進(jìn)行模擬以分析干燥系統(tǒng)中干燥器發(fā)生煤塵爆炸事故的后果十分必要，為此，本文假定了3種狀態(tài)，分別為干燥器內(nèi)煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸、煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸及煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸。分別計(jì)算3種假定條件下煤塵發(fā)生爆炸的事故后果，得出振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)煤塵爆炸事故的影響范圍，從而為干燥器安全措施及應(yīng)急預(yù)案的制定提供一定的理論支持。

3.1煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的爆炸能量E：

干燥系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)取褐煤燃燒熱為5 000 kcal/kg、揮發(fā)分為33%左右的煤塵來(lái)計(jì)算爆炸能量E。當(dāng)來(lái)料煤流量為200 t/h時(shí)，干燥器外型尺寸為10.7 m×4 m×27.4 m，容積約為1 172.72 m3，由于干燥器內(nèi)振動(dòng)篩和煤的體積影響，取煤塵爆炸容積為1 172.72 m3×0.8≈940 m3，當(dāng)發(fā)生煤塵爆炸時(shí)，最大爆炸能量時(shí)的濃度為400 g/m3。由此可計(jì)算爆炸時(shí)的最大煤塵量為940 m3×400 g/m3≈376 kg。1 kg煤塵爆炸能量E1=5 000 kcal/kg×4.18×38.25%×3%(假設(shè)3%的揮發(fā)分參與了爆炸)≈239.83 kJ/kg。由此可得本干燥器內(nèi)376 kg煤塵爆炸能量為E=239.83 kJ/kg×376 kg=9.02×104kJ。

(2) 煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q：

查相關(guān)資料知，1 kg TNT爆炸所放出的爆炸能量qTNT為4 230～4 836 kJ/kg，一般取平均爆炸能量為4 500 kJ/kg，故其TNT當(dāng)量q的關(guān)系式為：

q=E/qTNT

(1)

由此可計(jì)算得376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q≈20.04 kg。

(3) 煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)煤塵爆炸的模擬比α：

煤塵爆炸的模擬比α的計(jì)算公式為：

α=(q/q0)1/3=(q×1/1 000)1/3=0.1q1/3

(2)

由此可計(jì)算煤塵爆炸的模擬比α≈0.272。

(4) 煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)，在1 000 kg TNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在1 000 kg TNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0如表1所示。

表1　1 000 kg TNT爆炸時(shí)的沖擊波超壓

根據(jù)R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.272，根據(jù)R0=R/α，并對(duì)照表1可得出376 kg煤塵爆炸時(shí)的沖擊波超壓值，如表2所示。

表2　376 kg煤塵參與爆炸時(shí)的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的破壞作用：

沖擊波超壓對(duì)人體的傷害作用如表3所示，對(duì)建筑物的破壞作用如表4所示。

表3　沖擊波超壓對(duì)人體的傷害作用

表4　沖擊波超壓對(duì)建筑物的破壞作用

根據(jù)表2的沖擊波超壓，對(duì)照表3和表4可得：褐煤煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波的人體輕微傷害半徑最大約為15 m。距爆源點(diǎn)的距離為20 m時(shí)，建筑物的受壓門(mén)窗玻璃大部分破碎。根據(jù)泄爆膜設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內(nèi)煤塵爆炸泄爆膜全部動(dòng)作時(shí)，在距離干燥器爆源點(diǎn)5 m范圍內(nèi)對(duì)人體有輕微傷害。

3.2煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)爆炸能量E：

與3.1的計(jì)算過(guò)程一樣，褐煤煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)爆炸能量E1=399.71 kJ/kg。本干燥器內(nèi)376 kg煤塵爆炸能量為E=399.71 kJ/kg×376 kg=1.5×105kJ。

(2) 煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q：

通過(guò)計(jì)算得出，376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q=33.40 kg。

(3) 煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)煤塵爆炸的模擬比α：

由式(2)計(jì)算煤塵爆炸的模擬比α≈0.322。

(4) 煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)，在1 000 kg TNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0：

根據(jù)R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.322，根據(jù)R0=R/α，并對(duì)照表1可得出376 kg煤塵爆炸時(shí)的沖擊波超壓值，如表5所示。

表5　376 kg煤塵參與爆炸時(shí)的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的破壞作用：

根據(jù)表5的沖擊波超壓，對(duì)照表3和表4可得：褐煤煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波對(duì)人體的輕微傷害半徑最大約為20 m。距爆源點(diǎn)的距離為20 m時(shí)，建筑物窗框損壞。根據(jù)泄爆膜設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內(nèi)煤塵爆炸泄爆膜全部動(dòng)作時(shí)，在距離干燥器爆源點(diǎn)5 m范圍內(nèi)將造成人體內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡。

3.3煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的事故后果模擬分析

(1) 煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)爆炸能量E：

與3.1的計(jì)算過(guò)程一樣，煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)爆炸能量E1=799.43 kJ/kg。本干燥器內(nèi)376 kg煤塵爆炸能量為E=799.43 kJ/kg×376 kg≈3.0×105kJ。

(2) 煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q：

通過(guò)計(jì)算得出376 kg煤塵爆炸能量換算成TNT當(dāng)量q=66.8 kg。

(3) 煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)煤塵爆炸的模擬比α：

由式(2)計(jì)算煤塵爆炸的模擬比α≈0.406。

(4) 煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)，在1 000 kg TNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0：

根據(jù)R0值在表1中找出距離為R0處的超壓ΔP0，由煤塵爆炸模擬比α≈0.406，根據(jù)R0=R/α，并對(duì)照表1可得出376 kg煤塵爆炸時(shí)的沖擊波超壓值，如表6所示。

表6　376 kg煤塵參與爆炸時(shí)的沖擊波超壓值

(5) 煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)的破壞作用：

根據(jù)表6的沖擊波超壓，對(duì)照表3和4可得：褐煤煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波對(duì)人體的輕微傷害半徑最大約為23 m。距爆源點(diǎn)的距離為20 m時(shí)，建筑物的大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)泄爆膜設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為0.2 MPa可知，在干燥器內(nèi)煤塵爆炸泄爆膜全部動(dòng)作時(shí)，在距離干燥器爆源點(diǎn)5 m范圍內(nèi)大部分人員死亡，6 m范圍內(nèi)將造成人體內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡。

4結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論：

(1) 干燥器內(nèi)煤塵中3%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波的人體輕微傷害半徑最大約為15 m；煤塵中5%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波對(duì)人體的輕微傷害半徑最大約為20 m；煤塵中10%的揮發(fā)分參與爆炸時(shí)沖擊波對(duì)人體的輕微傷害半徑最大約為23 m。

(2) 隨著煤塵揮發(fā)分的提高，爆炸沖擊波的范圍擴(kuò)大。

(3) 干燥系統(tǒng)未設(shè)置泄爆膜時(shí)，安全防護(hù)距離約為23 m。設(shè)置泄爆膜而且全部動(dòng)作時(shí)，安全防護(hù)距離為8 m。

綜上所述，本文通過(guò)介紹干燥系統(tǒng)的爆炸條件、爆炸機(jī)理、爆炸危險(xiǎn)部位，并對(duì)煤塵爆炸后果進(jìn)行模擬分析，得出了該干燥系統(tǒng)的安全防護(hù)距離，為干燥器安全措施及應(yīng)急預(yù)案的制定提供了一定的理論支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊鵬，周成軍，張健.神東礦區(qū)煨煤干燥提質(zhì)工藝及成套技術(shù)裝備研究[J].陜西煤炭，2010，29(4)：52-55.

[2]蔣兆桂.褐煤提質(zhì)技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].煤炭加工與綜合利用，2012(6)：47-51.

[3]曾在春.褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)淺談[J].化工設(shè)計(jì)，2011，21(1)：3-5.

[4]趙衛(wèi)東，劉建忠，周俊虎，等.褐煤等溫脫水熱重分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(14)：74-79.

[5]吳占松，馬潤(rùn)田，趙滿(mǎn)成.煤炭清潔有效利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：3-13.

[6]屈進(jìn)州，陶秀祥，劉金艷，等.褐煤提質(zhì)技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(11)：121-125.

[7]呂舜，邸傳耕.神東礦區(qū)金烽煤低溫干燥脫水的研究[J].煤質(zhì)技術(shù)，2008(4)：4-6.

[8]陳鵬，崔文權(quán)，許紅英，等.低溫干燥對(duì)神華金烽礦煤結(jié)構(gòu)和自燃性的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(10)：118-121.

[9]吳子科.振動(dòng)床混流干燥系統(tǒng)熱效率研究[J].潔凈煤技術(shù)，2013，19(6)：109-112.

[10]趙衡陽(yáng).氣體和粉塵爆炸原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[11]紀(jì)磊，張安明，田勇.振動(dòng)床逆流低溫富氧褐煤干燥系統(tǒng)煤粉著火爆炸危險(xiǎn)性分析及其控制技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(6)：90-93.