張 鑫

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著近一段時期國家對節(jié)能、環(huán)保的日益重視，煤粉工業(yè)鍋爐自興起以來得到了較快發(fā)展，也初步得到了用戶與國家的認(rèn)可。煤粉工業(yè)鍋爐與電站鍋爐最顯著的區(qū)別在于，前者將煤粉制備與燃燒分離，采取煤粉燃料統(tǒng)一加工配送的模式，符合工業(yè)鍋爐容量小、開工率低、設(shè)備分散的特點，同時也為煤粉燃料的質(zhì)量控制創(chuàng)造了有利條件。為保證正常的生產(chǎn)秩序，一般要求煤粉工業(yè)鍋爐應(yīng)配套建設(shè)具有一定存儲容量的煤粉儲倉，通常可以滿足2 d～5 d的正常煤粉需求。由煤科院實施的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)，其粉倉容量從上百立方到上千立方不等，一般常用的容量為100 m3～ 500 m3。

煤粉儲倉作為易燃易爆粉體的存儲設(shè)施，須在安全方面提出系統(tǒng)的技術(shù)要求[1]。通過實踐發(fā)現(xiàn)，在煤粉儲倉的設(shè)計過程中，泄壓防爆設(shè)計是關(guān)鍵。目前國內(nèi)在此方面的資料較零散，在電力行業(yè)、水泥行業(yè)、鋼鐵行業(yè)均有關(guān)于煤粉倉的設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)。DL 5203《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程》第4.10條中詳細(xì)說明了防爆門的設(shè)計與設(shè)置，即煤粉倉防爆門的總有效泄壓面積應(yīng)按泄壓比不小于0.005計算，且不小于1 m2[2]；GB 50041《鍋爐房設(shè)計規(guī)范》第5.1.8條中規(guī)定，防爆門的面積應(yīng)按煤粉倉幾何容積0.002 5 m2/m3計算，且總面積不得小于0.5 m2。水泥行業(yè)國外多參照VDI 3673、ATEX指令、NFPA等，國內(nèi)有些公司采用了按照倉體橫截面積的8%進(jìn)行考慮的經(jīng)驗算法，但相比VDI 3673中的計算值小[3]。GB 16543《高爐噴吹煙煤系統(tǒng)防爆安全規(guī)程》第5.5.2條中規(guī)定泄爆應(yīng)按照GB/T 15605設(shè)計[4]。賈軍[5]等對非惰化氣氛下運行的煤粉倉抗暴設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的梳理與分析。

雖上述規(guī)范與研究成果對煤粉倉的防爆設(shè)計有一定的參考作用，但由于煤粉燃料的特性差異及儲倉設(shè)計中需考量的多方面因素，對工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中的煤粉儲倉防爆設(shè)計并未真正起到指導(dǎo)作用，導(dǎo)致其設(shè)計思路及設(shè)計方法仍較混亂。以下重點結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對用于動力煤煤粉燃料的儲倉防爆安全設(shè)計提出具體要求和建議，以期達(dá)到規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化的目的。

1 泄壓面積計算

對于一般的可燃粉體儲倉，需設(shè)置泄壓防爆裝置(防爆門)，其作用是在粉體爆炸的瞬間開啟，以降低爆炸產(chǎn)生的高壓對設(shè)備造成的損壞。防爆裝置的泄壓面積計算是防爆裝置設(shè)計的核心。VDI 3673《粉體爆炸泄壓指南》和GB/T 15605《粉塵爆炸泄壓指南》均對泄壓面積計算給出了公式，且計算公式基本一致。參照GB/T 15605—2008，煤粉儲倉的泄壓面積計算公式如下[6-8]，即對于pred，max<0.15 MPa，按式(1)計算:

(1)

對于pred，max≥0.15 MPa，按下式計算:

A=B

(2)

(3)

C=(-4.305logpred,max-3.547)

(4)

(5)

其中，A是計算的倉體所需的防爆泄壓面積,m2；pred,max指防爆門泄壓后的最大壓力，即相應(yīng)倉體的設(shè)計耐壓強度,MPa；pmax指煤粉的最大爆炸壓力，MPa；Kmax指煤粉的爆炸指數(shù)，MPa·m/s；Pstat指防爆泄壓裝置的開啟壓力，MPa；DE指倉體的當(dāng)量直徑，m；A*指倉體的橫截面面積,m2。

2 倉體抗爆安全設(shè)計

根據(jù)對相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，滿足安全技術(shù)要求的煤粉倉體設(shè)計總體可分為以下4類:

(1)惰化倉設(shè)計。從安全角度應(yīng)優(yōu)先考慮惰化措施，即倉體內(nèi)充入惰性氣體，如N2或CO2。倉體可按非耐壓容器設(shè)計，當(dāng)氧量低于6%時，煤粉儲倉將非常安全。但當(dāng)煤粉需要頻繁進(jìn)出時，惰性氣體消耗量大，運行成本高，因此該設(shè)計適用于長期存儲煤粉的倉體[9-11]。

(2)非承壓泄爆倉設(shè)計。非承壓泄爆倉體僅需滿足基本強度要求，按上述公式(1)～(5)計算泄壓面積(小容量倉可按照泄壓比經(jīng)驗值0.005 m2/m3估算)。對于容積較小的倉體可滿足要求，但對于容積較大的倉體由于所需泄壓面積過大，從而無法真正在倉體上實施。例如，對于直徑4 m、容積100 m3的儲倉，頂面面積為12.56 m2，若非承壓則簡單估算需要的泄壓面積為2.5 m2，由于頂面還需布置除塵器、進(jìn)料口等其它設(shè)施，故勉強可妥善布置；但當(dāng)倉體直徑不變而容積變?yōu)?00 m3時，需要的泄壓面積為5 m2，已很難布置。

(3)承壓泄爆倉設(shè)計。由公式(1)～(5)可知，泄壓面積主要與倉體的結(jié)構(gòu)尺寸、倉體耐壓強度、泄壓裝置啟動壓力、煤粉最大爆炸壓力、煤粉爆炸指數(shù)以及泄壓效率等多方面參數(shù)相關(guān)。其中，泄壓裝置設(shè)計得當(dāng)，泄壓效率一般取1；最大爆炸壓力、爆炸指數(shù)與煤粉相關(guān)，煤粉確定后，此兩項為常數(shù)。因此，泄壓面積與結(jié)構(gòu)尺寸、泄壓裝置啟動壓力呈正相關(guān)關(guān)系，與倉體耐壓強度呈反相關(guān)關(guān)系。即倉體容積越大，泄壓裝置開啟壓力越大，所需泄壓面積越大；倉體耐壓強度越大，需要的泄壓面積越小。

因此，通過使倉體具備一定的耐壓強度，可以降低對泄壓面積的需求，使大容積的倉體在頂面布置泄壓裝置成為可能[12，13]。參照國外的同類產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，倉體耐壓強度一般設(shè)計為0.2 MPa。為防止泄壓裝置影響正常生產(chǎn)，一般開啟壓力設(shè)計為10 kPa～30 kPa[14]。此設(shè)計綜合考慮了安全性與經(jīng)濟性，是目前較為可行和普遍采用的煤粉儲倉設(shè)計方式。

(4)承壓密閉倉設(shè)計。倉體按照煤粉最大爆炸壓力設(shè)計，可不設(shè)置泄壓裝置，設(shè)計壓力與物料爆炸特性相關(guān)，但規(guī)范給出了最低設(shè)計壓力，一般為0.3 MPa～0.35 MPa。德國承壓密閉褐煤粉儲倉即按照褐煤粉的最大爆炸壓力0.9 MPa設(shè)計。由于倉體設(shè)計耐壓強度的提升，造成加工難度及倉體鋼耗量大幅增加，雖能實現(xiàn)安全存儲，但其經(jīng)濟性較差[15]，因而適用面較窄。

3 實例驗證

以1 000 m3煤粉儲倉的設(shè)計為例。設(shè)計倉體的當(dāng)量直徑為10 m，倉體設(shè)計耐壓強度為0.2 MPa，防爆泄壓裝置開啟壓力為0.01 MPa。

存儲燃料為陜蒙地區(qū)長焰煤粉，煤粉樣品粒徑分布如圖1所示，75μm過篩率大于90%。由東北大學(xué)送檢數(shù)據(jù)，該煤粉最大爆炸壓力為0.75 MPa，爆炸指數(shù)為19.4 MPa·m/s，爆炸壓力和壓力上升速率隨粉塵濃度的變化如圖2所示。則根據(jù)上述公式，計算可得需要的泄壓面積約為4.56 m2。實際倉頂面積超過100 m2，因此該設(shè)計具有可行性。

圖1 煤粉樣品粒度分布

圖2 爆炸壓力和壓力上升速率隨粉塵濃度的變化

若采用非耐壓的倉體設(shè)計，則需要的防爆泄壓面積為108.6 m2，已超過倉頂面積。

實際工程設(shè)計中，可通過適當(dāng)提高倉體耐壓強度或增大泄壓面積以保證設(shè)計余量，使設(shè)備達(dá)到足夠安全、可靠。

4 防爆區(qū)域劃分

煤粉儲倉由于儲存易燃易爆粉體，因此需對防爆區(qū)域進(jìn)行劃分，以便電氣設(shè)備選型。目前國外標(biāo)準(zhǔn)如歐盟的ATEX指令94/9/EC、國際電工委員會IEC60079等均對此有詳細(xì)的界定。GB 3836—2010 《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》、GB 12476—2013 《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備》、GB 25286—2010 《爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備》以及GB 50058—2014 《爆炸及火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》等國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也大多借鑒了國外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[16]。以上標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點有所不同，但本質(zhì)上相同。

根據(jù)GB 12476中對可燃性粉塵環(huán)境防爆區(qū)域劃分及釋放源的定義，煤粉儲倉(塔)設(shè)備可按照以下原則進(jìn)行防爆區(qū)域劃分:儲倉或儲罐內(nèi)部，煤粉輸送管內(nèi)部可設(shè)為21區(qū)；儲倉或儲罐的外部若為受限空間，則應(yīng)設(shè)為22區(qū)，若為開放空間，則二級釋放源1 m內(nèi)為22區(qū)，之外的區(qū)域為非防爆區(qū)。由此，煤粉儲倉附屬設(shè)備基本都劃入了22區(qū)，根據(jù)煤粉導(dǎo)電特性，進(jìn)一步細(xì)化分類為IIIB或IIIC，對于褐煤及變質(zhì)程度較低的煙煤可歸類為IIIB，對于變質(zhì)程度較高的煙煤或無煙煤應(yīng)歸類為IIIC。分類確定后，電機設(shè)備的保護級別(EPL)、防爆結(jié)構(gòu)、防爆形式、防護等級等也可依次確定。

除此之外，由于煤粉儲倉一般室外布置，其高度較高，根據(jù)GB 50057，還需對煤粉儲倉按照I類建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計。

5 總 結(jié)

在煤粉儲倉的設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計和校核抗爆泄壓面積，以保證設(shè)備及人身安全。

(1)從防爆本質(zhì)安全角度考慮，應(yīng)優(yōu)先采用惰化和全抗爆(耐壓)設(shè)計。

(2)綜合安全性與經(jīng)濟性，目前煤粉儲罐宜采用承壓泄爆倉設(shè)計，倉體設(shè)計耐壓強度可參照國外經(jīng)驗值及最終泄壓面積計算，一般為0.2 MPa～0.4 MPa；參照國內(nèi)相關(guān)規(guī)范及使用經(jīng)驗，泄壓裝置設(shè)計開啟壓力一般為10 kPa～30 kPa。

(3)煤粉儲倉附屬電氣設(shè)備一般應(yīng)劃為22區(qū)。

(4)應(yīng)注意規(guī)范煤粉倉的設(shè)計、校核、審批等程序以及過程資料的整理和存檔。