吳東業(yè)

水泥廠電石渣圓庫安全設(shè)施設(shè)計的探討

Study on Safety Facilities Design of Carbide Slag Circular Silo in Cement Plant

吳東業(yè)

俄羅斯ACP水泥廠

在水泥廠電石渣圓庫安全設(shè)施設(shè)計過程中，需要對電石渣的危害有足夠的認識。文中對電石渣圓庫結(jié)構(gòu)強度、通風量及泄壓面積提出了設(shè)計思路和參考的計算依據(jù)，同時建議了具體的實施方案，并強調(diào)嚴把原料質(zhì)量關(guān)，對不符合安全要求的電石渣，應(yīng)考慮電石的水化消解場，達到安全要求的電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

水泥廠；電石渣；圓庫；安全設(shè)計

利用電石渣生產(chǎn)水泥是電石渣資源化最成熟、最經(jīng)濟的方法，既可節(jié)約水泥生產(chǎn)所用的天然石灰石資源，又可減少二氧化碳排放和廢物堆存造成的污染，符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的要求。在電石渣作為水泥原料使用時，對其安全性能應(yīng)充分認識，安全設(shè)施設(shè)計應(yīng)更加嚴格。現(xiàn)就電石渣圓庫的安全設(shè)施設(shè)計探討分析如下。

1 關(guān)于電石渣原料

電石渣是電石（CaC2）水解獲取乙炔（C2H2）氣體后產(chǎn)生的以氫氧化鈣[Ca（OH）2]為主要成分的廢渣。電石渣內(nèi)殘留微量的電石，仍會水化產(chǎn)生乙炔，構(gòu)成一定的危險。

《國家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于鼓勵利用電石渣生產(chǎn)水泥有關(guān)問題的通知》（發(fā)改辦環(huán)資[2008]第981號）明確電石渣為替代天然石灰石的水泥原料，鼓勵水泥行業(yè)使用。國家標準GB12268-2012《危險貨物品名表》、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局等10部門聯(lián)合發(fā)布的《危險化學品目錄（2015年版）》（公告[2015]第5號）、環(huán)境保護部聯(lián)合國家發(fā)展改革委和公安部發(fā)布的《國家危險廢物名錄（2016版）》（環(huán)境保護部令[2016]第39號），電石渣均未列入，但其危險性仍不容忽視。

目前，電石法生產(chǎn)乙炔的工藝有濕法和干法。采用濕法制乙炔的生產(chǎn)過程中，耗水量較大，并產(chǎn)生大量電石渣漿，使用時需脫水和烘干，耗費大量能源。干法制乙炔是采用略多于理論量的水以霧態(tài)噴在電石粉上使之分解，產(chǎn)生的電石渣為含水量為4%～10%的干粉末，節(jié)能、節(jié)水效果顯著，可實現(xiàn)乙炔的連續(xù)生產(chǎn)。依據(jù)干法制乙炔生產(chǎn)工藝設(shè)計資料，乙炔裝置的運行指標：排渣機出口處電石渣水解率為99.5%～99.85%，即電石渣中電石殘留＜0.5%。即使電石渣中電石殘留微量，遇水氣仍會產(chǎn)生乙炔，當乙炔積聚到一定量時會造成爆炸危險。在設(shè)計過程中一定要嚴把原料質(zhì)量關(guān)，對不符合安全要求的電石渣（建議電石殘留≯1%）應(yīng)在場外考慮電石的水化消解場，待達到安全要求后，電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

2 關(guān)于乙炔的危險性

乙炔又稱電石氣，結(jié)構(gòu)式H-C≡C-H，分子式C2H2，分子量26.04，熔點-80.8℃，沸點-83.8℃，蒸氣密度[1]1.16kg/m3（相對蒸氣密度0.90），在空氣中爆炸濃度下限2.5%、上限80%，自燃溫度305℃，最小點火能[2]0.02mJ。乙炔是高度易燃而不穩(wěn)定的氣體，易燃燒爆炸；能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸范圍非常寬；遇明火、高熱和氧化劑，有燃燒、爆炸危險。

（1）自燃溫度低

乙炔與空氣混合的自燃溫度比較低，在常溫常壓下的空氣中自燃溫度305℃，氧氣中為296℃，當乙炔中含有磷化氫（PH3）時自燃點更低，當PH3量達200ppm時，在空氣中的自燃點低至200℃以下。乙炔的自燃溫度隨著濃度和壓力的變化而變化，濃度越高，壓力越大，自燃溫度越低。根據(jù)GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，易燃氣體按引燃溫度高低分為6組，乙炔屬T2組。

（2）火焰溫度高

乙炔對于氧化劑的反應(yīng)很靈敏，常見的乙炔氧化反應(yīng)就是乙炔在空氣或氧氣中燃燒。乙炔的熱值[3]：高位熱值Qgr為57.99MJ/m3，低位熱值Qnet為56.03MJ/m3，乙炔在空氣中燃燒溫度2 350℃左右，在氧氣中燃燒可達3 600℃，火焰?zhèn)鞑ニ俣?3.5m/s。

（3）點火能量低

可燃氣體在空氣中，給一定的能量，即可點火燃燒，能引起點火的最小點火能量稱為最小點火能。乙炔最小點火能為0.02mJ，與氫氣基本相同，約為一般易燃氣體的1/10。

乙炔的點火能量低，乙炔與空氣的混合氣體，在常壓下其濃度為7.73%時，最小點火能量是0.02mJ，乙炔的點火能量在各級危險物品中也是最小的。乙炔的點火能與其濃度關(guān)系較大，在燃燒下限附近時需要較大的點火能，濃度80%以上的乙炔點火能則為約100J（見圖1），所以在濃度為7.73%附近時應(yīng)特別注意防火。

（4）爆炸極限寬

乙炔的爆炸極限很寬，在空氣中的爆炸極限為2.5%～80%，7%～13%時爆炸威力最強；在純氧中的爆炸極限為2.3%～93%，30%時爆炸威力最強，是各類危險品中爆炸極限最寬的一種，其危險度高。

圖1 乙炔濃度對點火能量的影響

（5）傳爆能力強

傳爆能力指爆炸性混合氣體傳播爆炸的能力。傳爆能力按最大試驗安全間隙（MESG）來衡量。傳爆間隙是通過長25mm的間隙連通爆炸性混合氣體，當一側(cè)燃爆時能引起另一側(cè)燃爆的最大間隙。

根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，易燃氣體按最大試驗安全間隙（MESG）將爆炸性混合氣體的傳爆能力按其弱強分為3級，乙炔的最大試驗安全間隙[4]，在其濃度為8.5%時最大試驗安全間隙（MESG）為0.37mm，g100～g0值為0.01mm，屬第IIC級，所以乙炔的傳爆能力很強。

（6）燃燒速度快

由于燃燒是復(fù)雜的物理化學過程，燃燒速度的快慢，取決于可燃物的化學反應(yīng)速度和物理混合速度，燃燒速度的快慢也反映可燃物的傳爆能力，根據(jù)美國國家防火協(xié)會提供的資料[5]，乙炔氣體的基本燃燒速度為166cm/s，高于其他可燃氣體。

（7）約束空間的燃爆壓力

為了研究乙炔在約束空間燃爆時對構(gòu)筑物的影響，有必要了解其燃爆壓力，設(shè)置合適的泄壓裝置。根據(jù)美國國家防火協(xié)會提供的有關(guān)數(shù)據(jù)[5]，乙炔混合物在密閉體中爆燃產(chǎn)生的最大壓力Pmax為10.6bar（1.06MPa），氣云爆燃指數(shù)KG為1 415bar· m/s（141.5MPa·m/s）；據(jù)國內(nèi)有關(guān)研究[6]表明，乙炔—空氣混合氣體隨乙炔體積分數(shù)增大，最大爆炸壓力逐漸升高，在乙炔體積分數(shù)為10%～55%范圍內(nèi)，其最大爆炸壓力恒定在1.7MPa，乙炔體積分數(shù)為10%時取得最大爆炸指數(shù)78.14MPa·m/s（試驗結(jié)果是在20L爆炸球形罐內(nèi)取得），其試驗結(jié)果見圖2。

圖2 初壓0.1MPa條件下可燃氣體爆炸壓力

3 關(guān)于電石渣圓庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常電石渣圓庫的結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土圓庫，其結(jié)構(gòu)按GB50077-2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，防雷保護設(shè)計為第二類；建筑防火按GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，鋼筋混凝土圓庫火災(zāi)危險性為戊類，耐火等級二級。在正常的結(jié)構(gòu)強度計算之外，應(yīng)進行爆燃施加的反作用力驗算。

根據(jù)NFPA 68-2013《爆燃的泄壓與通風導(dǎo)則》第6.3.5條和《爆燃安全泄放標準》第6.3.5.2條，封閉體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)當能夠承受由泄放產(chǎn)生的反作用力，包括施力速率的動態(tài)效應(yīng)，用DLF表示，以式（1）確定封閉體上施加的反作用力。

其中：

Fr——爆燃泄放所產(chǎn)生的最大反作用力，kN

a——單位轉(zhuǎn)換量，取100

DLF——動載荷因子，取1.2

Av——泄放面積，m2

Pred——泄放過程中的最大壓力（MPa），該值為實驗測得，不同的實驗裝置和實驗條件得出的結(jié)果不同，建議取值1.06

4 關(guān)于電石渣圓庫的通風設(shè)計

為了電石渣圓庫的安全，庫內(nèi)乙炔殘留濃度必須控制在其空氣中的爆炸極限下限之下，一般應(yīng)控制＜1%。由于乙炔氣體密度與空氣氣體密度較為接近，圓庫內(nèi)的乙炔氣體不易散發(fā)，容易在庫內(nèi)積聚，靠自然通風或開排氣孔降低庫內(nèi)乙炔濃度不能有效達到目的，因此必須采用強制通風的方法，在通風系統(tǒng)的布置上，還要充分考慮通風系統(tǒng)的氣流組織，不留通風死角，排出的氣體經(jīng)防爆型除塵設(shè)備凈化后排入大氣。

強制通風量的計算可用化學反應(yīng)法進行計算，即根據(jù)電石渣使用量及電石渣內(nèi)的電石殘留量，在其與物料中或空氣中的水分發(fā)生完全水化反應(yīng)，單位時間內(nèi)生成的乙炔量，采用強制通風的方法將其稀釋至爆炸極限下限之下，其化學反應(yīng)方程為：

CaC2（電石）+2H2O（水）＝Ca（OH）2（電石渣）+ C2H2（乙炔）↑

風量計算目前未找到有關(guān)標準的計算公式，本人根據(jù)實際工作總結(jié)，建議使用以下計算方法。

殘留電石水化后產(chǎn)生的乙炔氣體量：將乙炔氣體稀析至乙炔燃爆濃度之下（1%）時需要的強制通風量：

式（2）、（3）中：

Q——強制通風量，m（3標）/h

GCa（OH）2——干電石渣使用量，kg/h

22.4 ——摩爾體積，L/mol

26、74——C2H（2乙炔）和Ca（OH）（2電石渣）的分子量

1%——通風稀釋后空氣中的乙炔濃度

5 電石渣圓庫泄壓裝置的選擇

由于在電石渣圓庫內(nèi)可能產(chǎn)生乙炔氣體，根據(jù)乙炔爆燃時產(chǎn)生的燃爆壓力，應(yīng)及時將其壓力釋放，以保證主體結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)美國國家防火協(xié)會和國內(nèi)有關(guān)研究的數(shù)據(jù)，乙炔在約束空間的最大燃爆壓力在1.06～1.7MPa之間，由于電石渣圓庫的空間較大，庫內(nèi)氣體具有一定的壓縮性，在選擇泄壓裝置時應(yīng)考慮此特性，爆破片的選擇還應(yīng)考慮確保泄放過程中的泄放壓力小于封閉體的結(jié)構(gòu)屈服強度，選擇與之相適應(yīng)的爆破片爆破壓力；在泄壓裝置的選擇時建議同時考慮泄壓閥和事故泄壓區(qū)域。

當發(fā)生小型燃爆事故時，可利用設(shè)置在庫頂?shù)男箟洪y進行泄壓，關(guān)于泄壓閥的泄壓面積，目前還沒有查到用于電石渣圓庫的相關(guān)規(guī)定及計算方法，若參照GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計規(guī)范》，對煤粉倉的防爆閥總面積按每立方容積0.01m2計算，對于較大庫容量的鋼筋混凝土圓庫來說，仍需較大的泄壓面積，建議有條件的相關(guān)研究機構(gòu)進行深入研究，可從乙炔爆燃產(chǎn)生的氣體量增量，來決定選擇泄壓閥的規(guī)格和數(shù)量。當發(fā)生較大型燃爆事故時，靠泄壓閥進行泄壓的泄壓面積遠遠達不到要求，因而需要在庫頂留出較大的區(qū)域作為事故泄壓區(qū)域，事故泄壓區(qū)域可考慮采用輕型庫頂板的形式，設(shè)計可參考GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，其泄壓面積可根據(jù)乙炔的泄壓比規(guī)定值0.2m2/m3計算。

根據(jù)NFPA68-2013《爆燃的泄壓與通風導(dǎo)則》第7.2條和《爆燃安全泄放標準》第7.2.2條，低強度封閉體內(nèi)氣體的爆燃泄放，其所需求的最小泄放面積可由式（4）計算。

其中：

Av——泄放面積，m2

C——泄放常數(shù)，C=1.57×10-5·(Su)2+1.57×10-4(Su)+0.010 9

As——封閉體內(nèi)表面積，m2

Pred——泄放過程中產(chǎn)生的最大壓力，MPa

Su——燃燒速率，cm/s

6 安全設(shè)施設(shè)計工藝措施

根據(jù)電石渣的特性，容易吸收空氣中水分結(jié)成分子團，造成物料在庫內(nèi)板結(jié)、起拱和掛料等，在工藝設(shè)計上應(yīng)考慮強制卸料，如在庫底使用筒倉卸料器強制卸料防止庫內(nèi)物料起拱或堵塞，減少人工清堵作業(yè)；庫內(nèi)壁鋪貼隔熱、防火、防粘結(jié)的高分子材料，防止庫壁粘料；庫外設(shè)置循環(huán)倒庫系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線短期非正常停產(chǎn)、庫內(nèi)仍存有電石渣時，預(yù)防庫內(nèi)電石渣因久存粘庫、粉料板結(jié)或因此產(chǎn)生乙炔氣體富集，避免形成爆炸隱患。

7 安全設(shè)施設(shè)計電氣措施

由于電石渣含有微量電石，遇水氣后易產(chǎn)生乙炔，有存在爆炸性氣體環(huán)境的可能，因此，電氣設(shè)計應(yīng)按不同的區(qū)域區(qū)分其危險程度，在電石渣庫的室外和露天部分可按常規(guī)設(shè)計，庫頂?shù)氖覂?nèi)電氣設(shè)計應(yīng)考慮使用防爆電器，按GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域劃分為2區(qū)，爆炸性氣體混合物為IIC級，引燃溫度為T2組；設(shè)計的相應(yīng)電氣設(shè)備保護級別（EPL）應(yīng)達到Ga、Gb或Gc級，防爆電氣的類別應(yīng)滿足IIC類要求，電氣設(shè)備允許最高表面溫度＜300℃；電氣線路的設(shè)計宜采用絕緣銅芯電纜并滿足截面要求；接地設(shè)計的保護接零系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。電石渣圓庫內(nèi)設(shè)置乙炔氣體濃度監(jiān)測儀，監(jiān)測數(shù)據(jù)納入水泥工廠操作系統(tǒng)和上游化工廠操作系統(tǒng)，讓雙方系統(tǒng)操作人員隨時掌握庫內(nèi)乙炔氣體濃度，乙炔氣體濃度達到1%時，及時報警并由化工廠操作人員調(diào)整操作參數(shù)，當乙炔氣體濃度無法降低時，應(yīng)采取措施進行事故外排或止料。

8 結(jié)語

以上是在實際設(shè)計過程中曾經(jīng)遇到和探討過的問題，也有在生產(chǎn)過程中的反饋和總結(jié)，在此提出探討，以期對今后的電石渣圓庫安全設(shè)施設(shè)計有所幫助。需要特別提醒的是：在設(shè)計過程中一定要嚴把原料質(zhì)量關(guān)，對不符合安全要求的電石渣，應(yīng)考慮電石的水化消解場，達到安全要求的電石渣才能儲存到鋼筋混凝土圓庫。

[1]GB 50493-2009，石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].附錄A.

[2]安監(jiān)總廳管三〔2011〕142號，首批重點監(jiān)管的危險化學品安全措施和事故應(yīng)急處置原則[S].

[3]JCT 730-2007，水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法[S].附錄C.

[4]GB 3836.11-2008，爆炸性環(huán)境（第11部分）：最大試驗安全間隙測定方法[S].

[5]NFPA 68-2013，Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting[S].

[6]王犇，等.乙炔燃爆特性的研究[J].安全與環(huán)境學報，2012，12（3）.■

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司設(shè)計的土耳其SIVAS項目主體車間通過考核

土耳其SIVAS項目是由天津院有限公司設(shè)計和供貨的4 500t/d熟料項目，包含了從石灰石破碎到水泥散裝的一條完整水泥生產(chǎn)線，從簽訂合同到按時點火，歷時25個月。

6月8日，隨著業(yè)主廠長Mr.Yusuf在考核報告上簽字，土耳其SIVAS項目燒成系統(tǒng)考核順利完成。至此，除了石灰石破碎系統(tǒng)及氮氧化物排放等少量考核項目，項目主體車間全部達到合同指標并通過考核。

自5月9日石油焦粉磨系統(tǒng)考核開始，項目便進入了緊張的考核階段。項目部克服雨季原材料水分大、礦山原料成分波動大等不利因素，反復(fù)與業(yè)主和公司技術(shù)部門溝通，確保各項考核符合條件并順利展開，同時對具體考核細節(jié)進行周密部署。由于項目人員緊張，自點火以來工作只能采取兩班倒模式，但全體項目人員無怨無悔，堅決服從項目部安排。經(jīng)過一個月的艱苦奮戰(zhàn)，先后完成了石油焦磨系統(tǒng)、粘土破碎系統(tǒng)、水泥磨系統(tǒng)、原料磨系統(tǒng)以及燒成系統(tǒng)的考核工作。通過這次集中考核，一方面以考核為契機，督促各方完成了相關(guān)的整改工作；另一方面通過考核優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)、檢驗了系統(tǒng)穩(wěn)定性，為后續(xù)生產(chǎn)積累了大量寶貴經(jīng)驗。

TQ172.44

A

1001-6171（2017）04-0031-05

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川成都610051；

2016-11-18；編輯：張志紅