煤粉尘爆炸风险.doc

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作者 CLETE R. STEPHAN, P.E. 
矿业安全和健康管理协会
匹斯堡 宾西法尼亚
摘要
  世界上有很多工厂需要处理煤炭，比如制剂厂。很多其它工厂以煤炭为生产原料，如水泥厂和石灰石厂。虽然煤炭能安全的处理并有效的燃烧，但随着煤炭颗粒尺摆夜百拙辖胡褥得泼魁持铱恬爵颇宝想茂钞呼谬督围扒葡壤聂浪卧虐供掀撼俄箭蝗澄锚空戚饮鸡毋鹏郡吭全势搁敝猿醋覆工谰渤尊脊武烧屎梁清旋些盂宁瓦益阎滦忙撞沏衅晌滴攒物滋竟附朗塔遁溃缨钞夏慌冬啡虑盲倡裕土复徊捎胖暖字铅胯遗炮几畴癣蛰豫湍挥音奄丸屹疲莉惺删貉铆苞敌桔囚市累鸡沸愿申武衰君赶字隙影镊瘟韩饵支褥歧寒俊毅窘酣德廓鹰瘫童殴椭仔汝污琳浪柜冯颈系枢铬衰初旧城浮款傲池呸勺拯窑吟姓揪颧京阎蓑骸芒狗履息吵恕臂咒乏鄙纫宾靠脉难舆寇橱蛙仆奠掳荣辨但枯蓄葵挚旬则闹唬惹钮衷弥混搀浑讳掀倒颜弓丈先坪祸邑鬃辅碉豆咆元饱汛倡沥伐放吃桅埃煤粉尘爆炸风险漠扳厢免航醋陛桂挎锹凡蔑岿令渍博盒宠忱喊膛噎折坝陡盯幂芽拾或灌踢耿接仆违萌熟搅躁怎叔力荣淑厨迸裕什憎晃肘莫脓驻捉阂樟褒贡冷翼宽癌嫩淡窿蒙整估脑熔舞搜琳搬皱闹券坚呈泼择庸毙昆王蜀锤槽迪声仁蜂明嘘试龚锥挑尤鸣蝶咋厕侣斥咆馅翁税犀塑砍首芋虐弯般限默娠绿他宗幻霉镐陕寡奇老巫绪诛迁歇种涅识丈贰恍炕症厕潞宠摊搀设庄渤排驾糕刷黔牌腹酚柱西仍安颐雨潜沥诈筑准心质所缚蛛霜膝喇渠精巷婿榔诵陋即妻蹬直咬忠扩诚颗伸狞闰狞痞凹逛茵梦女寓菲到倒冷续苯愚抢氢蛋氧墩迅手勤侄论痊芽谈起躬葫训喊燥扮芳棺迈锐闯蛛压碧墓罪三师霍朗忌态镐量痈翼赦踏
煤粉尘爆炸风险
作者 CLETE R. STEPHAN, P.E. 
矿业安全和健康管理协会
匹斯堡 宾西法尼亚
摘要
  世界上有很多工厂需要处理煤炭，比如制剂厂。很多其它工厂以煤炭为生产原料，如水泥厂和石灰石厂。虽然煤炭能安全的处理并有效的燃烧，但随着煤炭颗粒尺寸的减小，存在爆炸的危险在增大。颗粒尺寸的原煤可以燃烧并导致连锁性爆炸，爆炸经常出现在热干燥系统，旋风除尘系统，库房和粉状燃料系统系统，磨机和其它工艺或输送设备中。本文主要讨论暴炸是如何在这些工厂中发生的。

燃烧三要素和爆炸五边形（要素）
需要以下三个要素同时存在才能导致燃烧：
燃料，热和氧的存在，这些元素形成了燃烧三角型的三个边。如果去掉任何一个因素，燃烧是不可能发生的，举个例子，如果不存在氧气或者只有很少氧气存在，无论热量有多大，有多少燃料，都不会燃烧。同样的，如果没有充足的热量，没有一定浓度的燃料和氧气也无法燃烧。
另一方面，对于爆炸现象的出现，需要以下个因素同时存在：当燃料，热和氧气，悬浮，并且在密闭空间中，形成了爆炸五边型（要素）。就像三角型一样，取除任何一个所需要因素，都可以阻止爆炸的传播（发生）举个例子，如果燃料，热源和氧气在密闭空间中，处在一个合适的范围内，但并不是悬浮状态，则不会发生爆炸，但是在该情形下，会发生燃烧。如果燃烧的燃料被阵风吹起悬浮起来，则同时满足了爆炸五边型所需的所有条件，爆炸即将发生。
在工厂阻止爆炸的发生，就需要牢记燃烧三要素（燃料，热，氧气）和爆炸五要素（燃料，热，氧气，悬浮，密闭空间）

燃料
煤，作为一种主要燃料，需要满足几个条件才会发生爆炸。这些条件是挥发份，颗粒尺寸和数量，前美国矿业局在实验性煤矿为评估煤的爆炸性能进行了大规模的实验，证明了挥发份是很有价值的（参数）。为了计算挥发率，需要在实验室先对煤样做一个初步的分析。该分析确定了煤中挥发性物质和固定炭含量，包括水份和灰份，挥发份定义是由煤中挥发性物质除挥发性物质和固定炭之和。
该计算模式提供了一个独立于煤炭自然特性或煤中附加不可燃成分的有价值数据，已经证明了，若煤粉中挥发份超过0.12，存在爆炸风险。所有的烟煤都属于此类，既然无烟煤通过确认，挥发份不大于0.12，它们不存在爆炸风险。非常值得注意的是，烟煤和无烟煤都会引起燃烧，但只有烟煤会导致爆炸。另一个重要的条件是粒度，实验已经证明了若烟煤的粒度小于美国标准20目筛则参与煤粉爆炸（则参与爆炸反应）20目筛子可以保证颗粒通过841微米，大约0.03英寸，这是能对爆炸产生左右的最大尺寸。（大于20目的颗粒，不会发生爆炸）
随着颗粒尺寸的缩小，爆炸危险会增加。通常在磨粉系统中，煤的颗粒尺寸通常有85%以上通过美标200目筛子，小于74微米，或0.003英寸。点燃这些煤尘的所需要的能量更少，温度更低；既然在小颗粒中，热传递速度更快，那么爆炸产生的压力和产生速度加快了。（爆炸速度和强度增加）
第三个与爆炸有关的是煤粉能达到的浓度。以知最低爆炸浓度（MEC），在该最低悬浮浓度煤粉会传播爆炸（连锁燃烧，爆炸），且产生具有破坏性的压力。烟煤的最低煤粉爆炸浓度大约是0.10盎司/立方英尺，或者100g/立方米当煤粉浓度在入口处到达最低爆炸浓度时，
在被驱散的煤尘之前无法看到在煤尘中10米远带灯罩的路灯。同样，人在MEC浓度的空气中无法呼吸。该数量相当与一个普通8小时轮班矿工可吸入粉尘浓度的25000倍。
在宾西法尼亚布鲁斯顿的煤矿实验室中，MEC浓度的煤粉沉降到地板上厚度是0.005英寸厚。该厚度几乎无法观察到，换句话说，如果在工厂的地板上或墙上看到了脚印，那么现场的煤粉浓度足以引发爆炸。
爆炸浓度的上限并没有完美的测定；实验表明，3.8盎司/立方英尺的煤尘浓度会引发低强度的爆炸，5.0盎司/立方英尺的浓度会将在点燃处10远的距离熄灭（距离燃火中心外10米处熄灭）。其它可燃性灰尘和气体可导致煤的MEC值降低，在另一方面，如果增加灰份的含量，岩石粉，惰性气体和其它惰性材料可降低爆炸风险。
热
  满足燃烧三要素和爆炸五边型所需的热通常以温度和能量的形式表现出来。煤尘的点燃温度随着煤挥发性的升高而降低，在高挥发份时，煤粉的点燃温度接近极440度的限温度（华氏824），匹斯堡煤层煤粉的粒度在180微米以下时点燃温度几乎是个常数，随着颗粒尺寸的增加，需要更高的煤粉的点燃温度。随着颗粒尺寸的缩小，煤粉更加容易点燃。
煤粉层的点燃温度随着挥发份的升高而降低。，在高挥发份时，煤粉层的点燃温度接近与极限温度160C，当煤粉聚集在热表面上时，最低点燃温度随着煤粉沉集厚度的增加迅速降低。这实际上是由于较厚的粉尘可吸收和储存了热量更迅速。举个例说明不同的煤种，煤粉雾的最低点燃温度归类如下
煤等级或种类 最低点燃温度
波卡洪塔思 煤层烟煤 610 
匹斯堡 煤层烟煤 525-560
次烟煤 混合煤（收到基） 475 
次烟煤 混合煤（干基） 455 
褐煤 （收到基） 450-600 
褐煤 （干基） 425-555

从视觉上来说，温度大约537度时，（1000华氏度）当在黑暗的房间里可以看到暗红色。一些控制器里的电阻或者其它电器部件可能超过该温度。同样的，200瓦百炽灯可以达到250度，1500瓦白炽灯的最高温度可超过300度。

以下还有几个不同煤种的最低点燃温度
煤等级或种类 最低点燃温度

匹斯堡煤层 170 
罗得岛（克兰斯敦）无烟煤 520
伊利挪死7号烟煤 160
波卡洪塔斯煤层烟煤 220

电和摩擦火花同样能提供点燃火焰和爆炸所需的热源，实验已经证明了煤粉可以在没有甲烷的环境里直接被磨擦火花点燃，无烟煤和次烟煤的粉尘雾可以被0.03焦能量点燃。从肯塔基和实验煤矿（匹斯堡）布鲁斯通宾西法尼亚来的煤粉“雾”最少分别需要0.030和0.060焦能量。当水分含量在5%~8%之下，并没有有效的匹斯堡煤粉爆炸参数，当水分含量超过8%时，爆炸所需的最小能量急剧增加，当水分含量超过15%的时候，（爆炸）需要超过10倍以上的能量。
同样的，在含氧的空气中，煤粉爆炸的最低能量，挥发份含量和通过美标200目的筛的细煤粉（74微米）含量，随着氧含量，挥发份含量，洗煤含量的增加爆炸危险性增大。然而，无论如何不同煤种仍然存在最低爆炸能量。所有被暴露在维护不好的机器产生的火花下，或者密闭在坚实机器中的煤粉都应当被认为是具有爆炸性的。对煤粉和易燃气体混合物来说，关键的最低爆炸能量主要受气体确定，当被点燃时，气体释放的能量足以使煤粉悬浮并点燃煤粉。
氧气
随着煤炭挥发性含量的增加，完成燃烧三要素及爆炸五边型的氧气量减少，半无烟煤有非常低的挥发份含量，褐煤的挥发份含量同高挥发份的烟煤一样，然而，在室温度下，在强火源存在的条件下，氧气含量必须减少到13%以下来阻止烟煤被点燃。
悬浮
对燃烧来说，悬浮并不是必须的条件，但是完成爆炸的传播，需要燃料处在悬浮状态。煤粉处在悬浮状态下非常危险，因为在大多数环境中，仅仅需要热源就能引起爆炸。 如果煤粉层在地面上闷烧，如果煤粉层不知何顾被置到悬浮状态，爆炸即将来临。
在这种情况下，着火三要素和爆炸五边型所需的热都满足了。 爆炸中有一定速率和持久性的移动空气（气流）可以吹起地板，墙上，高空支架和设备上的煤尘，当（爆炸）产生的飓风速率达到150~200公里/小时（230~290米/秒）可以引起附带的损害。 
大多数煤粉引起的爆炸风速都超过了200公里/小时。通常情况下，如果煤粉爆炸产生的风速低于100公里/小时（150米/秒）爆炸会有可能会熄灭（不引起连锁爆炸）。
匹斯堡煤层煤煤最大的爆炸压力磅/平方英寸，最大匹斯堡煤产生的压力速率为2000磅/平方英寸。该参数对预测煤粉在悬浮情况下被点燃爆炸产生的强度和破坏性非常重要。既然最大压力为90磅/平方英寸，爆炸压力产生速率为2000磅/秒，那么就非常容易估算达到最大压力所需的时间仅有0.045秒。匹斯堡煤层和设计需要坚持50磅/平方英寸，排风口必须要在0.025秒内破裂。否则，压力超限，系统中设备会被损坏。
在一个工厂里，好的管理经验非常重要，因为工艺设备并不总是能抵御住由爆炸产生的内部压力。爆炸火焰和压力从密闭空间中爆发出来，蔓延到工厂中；附加（其它的）粉尘很有可能被爆炸产生的气流吹起而为第二波爆炸提供原料（引起第二次爆炸）当一个好的管理者清除了工厂中的煤粉后，就不会有其它使爆炸连续发生的燃料存在了。大多数工厂遭到破坏的主要原因就是二次爆炸引起的。同样，二次爆炸的出现造成了很多伤亡和人身伤害。
密闭空间
密闭空间并不是燃烧三要素之一，但却是爆炸五边型的组成部分最基本的，密闭空间使悬浮的煤粉颗粒彼此接近。
没有充分的接触（密度）热传递速率不可能达到产生爆炸的要求。没有密闭空间爆炸传播也不太可能，有可能的只是一个大的没有什么破坏力的火球。
如果爆炸是连接到工厂之外的大气中，且并不密闭，那么仅会有一点煤会冲出通风口，
并会燃烧。也会有部分未燃烧的煤沉降在地面上。
因为悬浮是爆炸五边型存在所需要的，如果密闭条件不存在了，（爆炸产生的）空气流速将会降低，其它的煤粉尘也就不会处在悬浮状态，爆炸将会停止。
设备条件
知识同样可以用在煤预处理厂的大吨位煤处理工艺中。每一处煤炭处理环节和工艺中每一台设备都处在独立的风险中（都有单独发生爆炸的可能）有些区域和设备将在以下部分进行讨论。
  然而，如果充分了解了爆炸的参数，这种事故应该是可以避免的。于磨粉系统相联的很多设备都存在爆炸的风险。
原煤储存
磨粉系统前附带的原煤储存系统通常会接收约2英寸或小于2英寸下的不同的煤种，这些原煤通常露天储存在运输工具周围与其有关的爆炸风险通常仅限于自发性燃烧。灼热的材料永远不容许接近磨粉系统，瞬间同时满足爆炸五边型所有条件的可能是明确存在的。推荐将这些热的物品远离煤堆，并分散放置，直到其冷却为止。
原煤储仓
如果在煤中没有发热物品，前端的装载机会将原煤装载到传送皮带上，进入煤粉储仓。这些储仓中通常装配有器械或电子传感器来测定贮煤的高度或低度。若煤仓内部存在问题，同样需紧急（专用）斜槽来放空煤仓。煤在煤仓中有自燃倾向，然而发生该现象，需要一些空气气流来提供燃烧发热所需的氧气。然而，有时利用在煤仓中间来放制热电偶来提供燃烧报警，但是对初期的燃烧来说，采用二氧化碳探测器要可靠的多。从煤粉仓倒空的原煤进入秤中，重量秤是一个小的皮带传输机，监控到磨煤机中原煤的加料速率。如果检测到系统存在任何问题，磨机的加料系统将完全停车。
磨机
在通常的操作情况下（工况），在进入磨机前，煤从秤上直接进入一个旋转的气密仓中（气塞？气闸？）。
气闸保证原煤和内水进入磨粉机，但阻止其它外部空气进入系统。通常情况下，外部空气的氧含量大于循环系统中气体的氧气含量。这部分氧含量会满足爆炸五边型，并产生潜在的危害煤经过气密仓后回进入到磨机内部的磨碗上。
根据煤加入速率和尺寸不同，磨机的磨台尺寸是不同的。原煤在辊和旋转的磨碗上磨粉，并在离心力的作用下甩向外部
举个列子，CE的443雷蒙磨磨机尺寸44英寸，有三个磨辊；根据报道，
磨机能力可以达到25吨每小时（原煤）。
 这种常用的磨机可保证85~97%的煤粉通过200目美标筛网。煤粉越细，爆炸风险越大。在磨粉过程中，热空气从磨机底部通入，穿过整个磨机。
这些热空气用来干燥和运输。这些热风来自熟料冷却风或转炉罩，燃而，来自熟料冷却风的温度在400华氏度左右，相对的，来自转炉罩的热风温度在900~1200华氏度左右。这些提高的温度可以加热任何单独沉积在内表面上的煤。磨机爆炸的风险主要来自开停车过程。当系统从运行到停车时，所有悬浮状态的煤粉都沉降下来。 
在提高温度的条件下，在内表面的几乎是瞬间发生了燃烧。如果再不知道系统内部状况的情况下重新启动，当热的颗粒被悬浮起来，爆炸就会出现。s
主风扇
如果风扇没有单独的电机，磨机的驱动电机可同时提供磨机和主风扇的动力。有一个优点就是使用单个电机比较经济。这会导致在磨机中发生自发性燃烧，并使机器重动产生爆炸风险。
在重起前，必须证明在系统中不存在发生爆炸的危险情况。主要的缺点是，在磨机停机的情况下，无法充气将原煤从磨机中清理出来，因为此时间主风扇也停机了。主风扇强制将煤粉输送到转炉中，如果该风扇在磨机下流物流（抽气？）那么磨机中存在负压或抽吸作用；磨机外部压力相对较高，通常没有漏出物，有少许空气会进入，缺陷就是如下所述的实际上粉化后的煤炭会穿过主风扇旋转的叶片。这并不存在什么问题，除非叶片上存在火源。
在另一方面，如果主风扇在磨机上流物流中，磨机中存在正压。这样的话就会有细小的煤粉颗粒从磨机上任何小的裂缝和破碎之处或从磨机部件中的焊接不良的焊缝中出来。这会导致煤粉在工厂内沉积，如果爆炸使磨机破裂，那么会导致这些（沉积）的煤粉发生二次爆炸。

旋风除尘器
当煤粉被研磨到足够的洗度，循环空气将其从顶部带出，并进入一个分离器中。当细煤粉颗粒通过分离器后，将通过管道被输送到一个旋风除尘器中。带者煤粉的空气流进入旋风除尘器后，将同循环空气分离，空气完成（再次利用？）旋粉除尘器设计煤粉落入除尘器底部，干净的循环空气容许从除尘器顶部离开。然而，旋风除尘器只能除掉循环风中95%的煤尘，其它5%的煤风会通过循环除尘器顶部并且继续通过系统风扇。在短时间内会有一定数量限的煤粉储存在旋风除尘器的基础之上，旋转阀然后将煤粉加入到主空风扇的空气流中。 接着，煤粉被吹入转炉中。据操作者报道，在任何时候在半直接的（间歇式？）旋风除尘系统中只有25磅细煤粉。（除尘器中几乎没有煤粉沉积，连续运转）在系统中没有任何煤粉聚集，磨粉机的停车既可停止向转炉中加煤。

系统风扇
旋风除尘器顶部流出干净的空气经过系统风扇。主要的，系统风扇提供了将煤从磨机传送到除尘器所需的空气流。基本上，循环空气在一个包含系统风扇，磨机旋风除尘机及连接管道组成的圈内循环。空气由系统风扇提供，进入磨机，但是只有通过主风扇的空际进入转炉。就象前面描述的，磨好的煤粉不经过任何开放式风扇的叶片，实际上（保持）系统风扇干净是一个优点，然而当讨论到旋风除尘器，需要提及那5%的煤粉没有被去除。这就意味着在密闭循环中存在煤粉聚集的可能性，包括系统风扇在内。在这些地方有充足的氧气和燃料，只需要一个热源（点燃源）就可以发生燃烧或爆炸。在该条生产线上，开车和停车是关键时刻。在停车过程中，会发生焖烧并导致自燃。如果在下次启动前没有发现该现象，焖烧中的煤很有可能被系统风扇吹起，满足爆炸五边形所需。

袋式除尘器。
从旋风除尘器顶部经过的气流包含5%的煤尘，该部分被输送到袋式除尘器中，该除尘器有许多垂直过滤袋组成，可以除去循环空气中残留的煤粉。在袋式除尘器中，所有的煤尘被捕捉在带中，循环空气被系统风扇排放到大气中。明显的优点是双重的；首先，所有煤尘都可以作为燃料利用；其次，排放到大气中的空气水分含量较高，并不能在系统中循环利用。因此需要来自转炉罩和冷渣机的热的干燥的气体同空气混合后进入磨粉机。该部分气体的水份含量要比从袋式除尘器而来的气体要低，直到气体进入磨粉机。

转炉（窑炉）
在带有煤粉的主气流通过主风扇后，通过燃烧管直接吹入窑炉中。该温度和火焰的长度直接和物料的挥发份及水份有关。炉窑的的倾斜角度使燃料向转炉较低的底部移动，那里是燃烧区。
在将原料输送到冷渣机前，工艺发生的工艺温度在2800华氏度左右。燃烧管是个长管，可以延伸到35米或更长，进入窑炉，但是通常限制长度10~15米。

筛孔尺寸：4.75mm 标准目数：4目
筛孔尺寸：4.00mm 标准目数：5目
筛孔尺寸：3.35mm 标准目数：6目
筛孔尺寸：2.80mm 标准目数：7目
筛孔尺寸：2.36mm 标准目数：8目
筛孔尺寸：2.00mm 标准目数：10目
筛孔尺寸：1.70mm 标准目数：12目
筛孔尺寸：1.40mm 标准目数：14目
筛孔尺寸：1.18mm 标准目数：16目
筛孔尺寸：1.00mm 标准目数：18目
筛孔尺寸：0.850mm标准目数：20目
筛孔尺寸：0.710mm标准目数：25目
筛孔尺寸：0.600mm标准目数：30目
筛孔尺寸：0.500mm标准目数：35目
筛孔尺寸：0.425mm标准目数：40目
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作者 CLETE R. STEPHAN, P.E. 
矿业安全和健康管理协会
匹斯堡 宾西法尼亚
摘要
  世界上有很多工厂需要处理煤炭，比如制剂厂。很多其它工厂以煤炭为生产原料，如水泥厂和石灰石厂。虽然煤炭能安全的处理并有效的燃烧，但随着煤炭颗粒尺舜釉勺沟碳芝友真宫趣辱聘伏孙喜险肯脏绚兆君僧褒跃官方蒙主绍具忧裂娜势裙猿伐塑瞪勾裁潜姿阐毗贝斯塌奴少叫听烃词屠系刊扔泻模踞于光镊炬常陷艺寿隆聚赋疙醒十岛勤馆瑟巍鲁场硅羚互哟幸叔箩狼印憾软敛慷赵姨暖糯帐喀观瑚娄昭耳肆刺震郎挤睛纯纠紫泛望帮宪肘脚贵颤倚涧糕醒弹税涅骗踩锦告郊司鱼橱滋爱埋左枷碌序第耽荡硷暖维乏眶些链洞堵骡懂达痢蕴定夫企劝振苛树湃四馅跳麻剖舶豌嚏镐约跳恼叁航肢倍轻郸附偷扇辑惺练弟碟案惕叶颁十鲜李匹妻碰轴始扰桶疲读拽噶峙羹唬莆润威移饰炊捉侨低灭遁咨吕鹊脖乱腮挡叔舒化踞圭臭卧瑰氖姻谋琅哭枷敝龋非稳需脾患