煤粉特性及煤磨車間的安全設計
0前言
無論水泥、冶金還是電力工業，都要消耗大量的燃煤作為燃料，隨著煤粉制粉工藝技術的發展，煤粉制粉系統已由傳統的兩級收塵改為一級收塵，粉磨設備也由傳統的球磨機改為效率更高的立式磨，收塵器也成為了主要的工藝設備之一。但由于煤粉其自身存在的易燃易爆特性，因此安全問題就顯得至關重要。
1煤粉及煤粉制備系統的廢氣特性
1.1煤粉的自燃與爆炸特性
積存的煤粉與空氣中的氧氣長期接觸氧化時會發熱使溫度升高，溫度升高又會加劇煤粉的進一步氧化，在散熱不良時會使氧化過程不斷加劇，最后使溫度達到煤的燃點而引起煤粉的自燃。在煤粉制粉系統中，煤粉是由輸送煤粉的氣體和煤粉混合成的云霧狀的混合物，它一旦遇到火花就會使火源擴大而產生數倍大氣壓的大氣壓力，從而造成煤粉的爆炸。
影響煤粉爆炸的因素很多，如揮發份含量、煤粉細度、氣體混合物的濃度、溫度、濕度、輸送煤粉的氣體中氧的成分比例等。
(1)一般認為，揮發份大于l0％，其值越大，越易爆炸，揮發份大于25％的煤粉(如煙煤)，很容易自燃，爆炸的可能性大大增加。
(2)煤粉越細越容易自燃和爆炸，粒徑小于80μm的易于燃爆。
(3)煤粉濃度是影響煤粉爆炸的重要因素。煤粉濃度大于3～4kg/m3(空氣)或小于0.32～0.47㎏/m3(空氣)時不容易爆炸。因為煤粉濃度太高，氧濃度太小；而煤粉濃度太低，缺少可燃物。新型煤粉制粉系統采用立式磨，煤粉濃度在0.50～1.0kg/m3(空氣)之間，發生爆炸的可能性非常大。
(4)煤粉的著火溫度：500～530℃，自燃溫度：140～350℃。
1.2煤粉制粉系統廢氣特性
在新的煤粉制備系統中，收塵器已不僅是一臺環保設備，而是一臺重要的工藝設備，一般煤粉制備系統的廢氣具有以下特點：
(1)含塵濃度較高，不管是立式磨還是風掃磨，廢氣濃度一般都在爆炸范圍內；
(2)煤粉成品的粒度細，粒度小于80μm的占80％；
(3)煙氣中氧氣含量視烘干熱風來源不同而有差異，以水泥廠來自窯頭篦冷機或窯尾預熱器的熱風作烘干介質，熱風的成分與空氣相近，含氧量兩種熱源不等，煤磨廢氣的氧氣含量自然也有差異。
1.3煤粉制粉系統火源隱患
在帶烘干粉磨的煤粉制備系統中，存在以下幾種火源隱患：
(1)來自烘干熱風氣流帶來的火源；
(2)系統中某些地方長期堆積的煤粉氧化后使局部溫度升高而自燃起火；
(3)系統因靜電積累引起的火花；
(4)其它外部火源。
(1)影響煤粉爆炸的因素中，一個很重要的因素是輸送煤粉的氣體中氧的成分比例，只要很好的控制氧的比例，就能有效的降低爆炸的可能。通常情況下，煤粉烘干熱源有兩個地方，一是窯頭篦冷機，二是窯尾。兩種熱源的氧含量相差很大。經分析，篦冷機廢氣中O2體積含量達21％，與空氣中比例相近，而出磨后輸送煤粉廢氣的比例仍高達約17％，尾廢氣的O2含量僅有4.5％，而出磨后輸送煤粉廢氣的比例約7％，這樣比例的氣體，對爆炸能夠起到很好的制約作用。因此設計中烘干用熱風建議從窯尾高溫風機后垂直風管上抽取。
(2)在控制進磨風溫的環節上，有兩種選擇，一種是摻冷風，通過電動調節閥摻入新鮮空氣，可以很好地控制進磨熱源風溫，但熱源的O2含量將會隨之增加。第二種選擇是摻入循環風，以控制進磨熱風的溫度，循環風管的廢氣中O2含量約為7.5％。遠遠小于空氣中的比例。循環風從出煤粉主風機管道上抽取。這樣就減少了O2的富集，降低了燃燒的可能性。流程見圖1所示，煤磨系統中所用熱風及所摻冷風的O2比例見表1所示。
表1各種廢氣的氧氣含量 ％
窯尾廢氣
篦冷機廢氣
新鮮空氣
循環風管廢氣
～4.50
～21.00
～20.94
～7.5
(3)為防止煤磨系統發生意外爆炸及自燃，增設CO2滅火系統是非常必要的。在原煤倉、煤粉倉、袋收塵器及煤磨出風管上都考慮了CO2滅火。原煤倉設置了CO分析儀及測溫裝置，在煤粉倉、袋收塵器上安裝了CO+O2氣體分析儀以及測溫裝置。滅火系統的控制方式為自動啟動，半自動啟動，機械啟動(應急手動啟動)，即在有人工作或值班時采用半自動啟動，在無人的情況下應采用自動啟動。并向中控室提供正常運行、報警、動作三個信號，故障信號采用聲音報警。根據火災產生的原因及其特點，對報警滅火區域采用管狀溫度探測儀(Pt100)進行探測報警，根據CO分析儀提供的常開和常閉觸點信號進行自動探測和報警。當得到報警信號，在規定時間內，一定濃度的CO2噴出滅火，從而保護了設備。CO2滅火分布圖見圖2所示。
(4)一旦爆炸發生，為了使損失降低到最大限度，因此設計時在原煤倉、煤粉倉上安裝了返回式卸壓閥，煤粉上升管道上安裝了爆破轉向器。
(5)設計時煤粉倉最好設置為兩個，即分別設置窯頭煤粉倉和窯尾煤粉倉，兩倉互不通連，進倉煤粉溜管用氣動閘板閥隔開。當一套系統發生意外，而不影響另一套系統。在煤磨袋收塵的兩端安裝快速截斷蝶閥，以避免收塵器前的火種帶入收塵器或收塵器的火種帶入下一級設備。
(6)為了防止煤粉的自燃及爆炸，在煤磨車間內設置一個2～3噸容量的小倉，倉內加干燥石灰石粉，當試運行和大修時，石灰石粉撒入煤磨或覆蓋倉頂，避免煤粉和空氣的直接接觸，從而能夠有效避免煤粉的自燃。
(7)煤粉制備車間的混凝土樓梯設計在車間建筑物的外面，以防一旦發生爆炸時，人員能夠安全的從樓梯撤離。
(8)當煤磨袋收塵器內的煤粉發生燃燒時，會放出大量的氣體及熱量。為了讓損失降低到最低限度，收塵器本體設置了防爆裝置。防爆裝置的作用就是在收塵器內氣體發生燃燒爆炸時，釋放爆炸所產生的壓力，以防止收塵器結構的損壞。根據所要設計的收塵器的容積以及所收集煤粉的特性計算出所必需的卸壓面積，再根據卸壓面積合理的計算，得出防爆閥的大小及數量。一旦爆炸時，防爆閥炸開，保護了收塵器本體，有效的降低了損失。
