吳東業(yè)
水泥廠電石渣圓庫(kù)安全設(shè)施設(shè)計(jì)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(kù)安全設(shè)施設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)電石渣的危害有足夠的認(rèn)識(shí)。文中對(duì)電石渣圓庫(kù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、通風(fēng)量及泄壓面積提出了設(shè)計(jì)思路和參考的計(jì)算依據(jù),同時(shí)建議了具體的實(shí)施方案,并強(qiáng)調(diào)嚴(yán)把原料質(zhì)量關(guān),對(duì)不符合安全要求的電石渣,應(yīng)考慮電石的水化消解場(chǎng),達(dá)到安全要求的電石渣才能儲(chǔ)存到鋼筋混凝土圓庫(kù)。
水泥廠;電石渣;圓庫(kù);安全設(shè)計(jì)
利用電石渣生產(chǎn)水泥是電石渣資源化最成熟、最經(jīng)濟(jì)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(jì)的要求。在電石渣作為水泥原料使用時(shí),對(duì)其安全性能應(yīng)充分認(rèn)識(shí),安全設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)更加嚴(yán)格?,F(xiàn)就電石渣圓庫(kù)的安全設(shè)施設(shè)計(jì)探討分析如下。
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(huì)水化產(chǎn)生乙炔,構(gòu)成一定的危險(xiǎn)。
《國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于鼓勵(lì)利用電石渣生產(chǎn)水泥有關(guān)問(wèn)題的通知》(發(fā)改辦環(huán)資[2008]第981號(hào))明確電石渣為替代天然石灰石的水泥原料,鼓勵(lì)水泥行業(yè)使用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12268-2012《危險(xiǎn)貨物品名表》、國(guó)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(xiǎn)化學(xué)品目錄(2015年版)》(公告[2015]第5號(hào))、環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委和公安部發(fā)布的《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄(2016版)》(環(huán)境保護(hù)部令[2016]第39號(hào)),電石渣均未列入,但其危險(xiǎn)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(guò)程中,耗水量較大,并產(chǎn)生大量電石渣漿,使用時(shí)需脫水和烘干,耗費(fèi)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(shí)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(jì)資料,乙炔裝置的運(yùn)行指標(biāo):排渣機(jī)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(huì)產(chǎn)生乙炔,當(dāng)乙炔積聚到一定量時(shí)會(huì)造成爆炸危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要嚴(yán)把原料質(zhì)量關(guān),對(duì)不符合安全要求的電石渣(建議電石殘留≯1%)應(yīng)在場(chǎng)外考慮電石的水化消解場(chǎng),待達(dá)到安全要求后,電石渣才能儲(chǔ)存到鋼筋混凝土圓庫(kù)。
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(diǎn)-80.8℃,沸點(diǎn)-83.8℃,蒸氣密度[1]1.16kg/m3(相對(duì)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(diǎn)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(xiǎn)。
(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(dāng)乙炔中含有磷化氫(PH3)時(shí)自燃點(diǎn)更低,當(dāng)PH3量達(dá)200ppm時(shí),在空氣中的自燃點(diǎn)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(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》,易燃?xì)怏w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(duì)于氧化劑的反應(yīng)很靈敏,常見(jiàn)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(dá)3 600℃,火焰?zhèn)鞑ニ俣?3.5m/s。
(3)點(diǎn)火能量低
可燃?xì)怏w在空氣中,給一定的能量,即可點(diǎn)火燃燒,能引起點(diǎn)火的最小點(diǎn)火能量稱為最小點(diǎn)火能。乙炔最小點(diǎn)火能為0.02mJ,與氫氣基本相同,約為一般易燃?xì)怏w的1/10。
乙炔的點(diǎn)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(shí),最小點(diǎn)火能量是0.02mJ,乙炔的點(diǎn)火能量在各級(jí)危險(xiǎn)物品中也是最小的。乙炔的點(diǎn)火能與其濃度關(guān)系較大,在燃燒下限附近時(shí)需要較大的點(diǎn)火能,濃度80%以上的乙炔點(diǎn)火能則為約100J(見(jiàn)圖1),所以在濃度為7.73%附近時(shí)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(shí)爆炸威力最強(qiáng);在純氧中的爆炸極限為2.3%~93%,30%時(shí)爆炸威力最強(qiáng),是各類危險(xiǎn)品中爆炸極限最寬的一種,其危險(xiǎn)度高。
圖1 乙炔濃度對(duì)點(diǎn)火能量的影響
(5)傳爆能力強(qiáng)
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(yàn)安全間隙(MESG)來(lái)衡量。傳爆間隙是通過(guò)長(zhǎng)25mm的間隙連通爆炸性混合氣體,當(dāng)一側(cè)燃爆時(shí)能引起另一側(cè)燃爆的最大間隙。
根據(jù)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》,易燃?xì)怏w按最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)將爆炸性混合氣體的傳爆能力按其弱強(qiáng)分為3級(jí),乙炔的最大試驗(yàn)安全間隙[4],在其濃度為8.5%時(shí)最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)為0.37mm,g100~g0值為0.01mm,屬第IIC級(jí),所以乙炔的傳爆能力很強(qiáng)。
(6)燃燒速度快
由于燃燒是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,燃燒速度的快慢,取決于可燃物的化學(xué)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(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)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?xì)怏w。
(7)約束空間的燃爆壓力
為了研究乙炔在約束空間燃爆時(shí)對(duì)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(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)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(guó)內(nèi)有關(guān)研究[6]表明,乙炔—空氣混合氣體隨乙炔體積分?jǐn)?shù)增大,最大爆炸壓力逐漸升高,在乙炔體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為10%時(shí)取得最大爆炸指數(shù)78.14MPa·m/s(試驗(yàn)結(jié)果是在20L爆炸球形罐內(nèi)取得),其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 初壓0.1MPa條件下可燃?xì)怏w爆炸壓力
通常電石渣圓庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土圓庫(kù),其結(jié)構(gòu)按GB50077-2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,防雷保護(hù)設(shè)計(jì)為第二類;建筑防火按GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì),鋼筋混凝土圓庫(kù)火災(zāi)危險(xiǎn)性為戊類,耐火等級(jí)二級(jí)。在正常的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算之外,應(yīng)進(jìn)行爆燃施加的反作用力驗(yàn)算。
根據(jù)NFPA 68-2013《爆燃的泄壓與通風(fēng)導(dǎo)則》第6.3.5條和《爆燃安全泄放標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.5.2條,封閉體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)能夠承受由泄放產(chǎn)生的反作用力,包括施力速率的動(dòng)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——?jiǎng)虞d荷因子,取1.2
Av——泄放面積,m2
Pred——泄放過(guò)程中的最大壓力(MPa),該值為實(shí)驗(yàn)測(cè)得,不同的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件得出的結(jié)果不同,建議取值1.06
為了電石渣圓庫(kù)的安全,庫(kù)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(kù)內(nèi)的乙炔氣體不易散發(fā),容易在庫(kù)內(nèi)積聚,靠自然通風(fēng)或開(kāi)排氣孔降低庫(kù)內(nèi)乙炔濃度不能有效達(dá)到目的,因此必須采用強(qiáng)制通風(fēng)的方法,在通風(fēng)系統(tǒng)的布置上,還要充分考慮通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織,不留通風(fēng)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(qiáng)制通風(fēng)量的計(jì)算可用化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行計(jì)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(shí)間內(nèi)生成的乙炔量,采用強(qiáng)制通風(fēng)的方法將其稀釋至爆炸極限下限之下,其化學(xué)反應(yīng)方程為:
CaC2(電石)+2H2O(水)=Ca(OH)2(電石渣)+ C2H2(乙炔)↑
風(fēng)量計(jì)算目前未找到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式,本人根據(jù)實(shí)際工作總結(jié),建議使用以下計(jì)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(shí)需要的強(qiáng)制通風(fēng)量:
式(2)、(3)中:
Q——強(qiáng)制通風(fēng)量,m(3標(biāo))/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(fēng)稀釋后空氣中的乙炔濃度
由于在電石渣圓庫(kù)內(nèi)可能產(chǎn)生乙炔氣體,根據(jù)乙炔爆燃時(shí)產(chǎn)生的燃爆壓力,應(yīng)及時(shí)將其壓力釋放,以保證主體結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)和國(guó)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(kù)的空間較大,庫(kù)內(nèi)氣體具有一定的壓縮性,在選擇泄壓裝置時(shí)應(yīng)考慮此特性,爆破片的選擇還應(yīng)考慮確保泄放過(guò)程中的泄放壓力小于封閉體的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)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(shí)建議同時(shí)考慮泄壓閥和事故泄壓區(qū)域。
當(dāng)發(fā)生小型燃爆事故時(shí),可利用設(shè)置在庫(kù)頂?shù)男箟洪y進(jìn)行泄壓,關(guān)于泄壓閥的泄壓面積,目前還沒(méi)有查到用于電石渣圓庫(kù)的相關(guān)規(guī)定及計(jì)算方法,若參照GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)煤粉倉(cāng)的防爆閥總面積按每立方容積0.01m2計(jì)算,對(duì)于較大庫(kù)容量的鋼筋混凝土圓庫(kù)來(lái)說(shuō),仍需較大的泄壓面積,建議有條件的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究,可從乙炔爆燃產(chǎn)生的氣體量增量,來(lái)決定選擇泄壓閥的規(guī)格和數(shù)量。當(dāng)發(fā)生較大型燃爆事故時(shí),靠泄壓閥進(jìn)行泄壓的泄壓面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求,因而需要在庫(kù)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(kù)頂板的形式,設(shè)計(jì)可參考GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)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(jì)算。
根據(jù)NFPA68-2013《爆燃的泄壓與通風(fēng)導(dǎo)則》第7.2條和《爆燃安全泄放標(biāo)準(zhǔn)》第7.2.2條,低強(qiáng)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(jì)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(guò)程中產(chǎn)生的最大壓力,MPa
Su——燃燒速率,cm/s
根據(jù)電石渣的特性,容易吸收空氣中水分結(jié)成分子團(tuán),造成物料在庫(kù)內(nèi)板結(jié)、起拱和掛料等,在工藝設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮強(qiáng)制卸料,如在庫(kù)底使用筒倉(cāng)卸料器強(qiáng)制卸料防止庫(kù)內(nèi)物料起拱或堵塞,減少人工清堵作業(yè);庫(kù)內(nèi)壁鋪貼隔熱、防火、防粘結(jié)的高分子材料,防止庫(kù)壁粘料;庫(kù)外設(shè)置循環(huán)倒庫(kù)系統(tǒng),用于生產(chǎn)線短期非正常停產(chǎn)、庫(kù)內(nèi)仍存有電石渣時(shí),預(yù)防庫(kù)內(nèi)電石渣因久存粘庫(kù)、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。
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(jì)應(yīng)按不同的區(qū)域區(qū)分其危險(xiǎn)程度,在電石渣庫(kù)的室外和露天部分可按常規(guī)設(shè)計(jì),庫(kù)頂?shù)氖覂?nèi)電氣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮使用防爆電器,按GB50058-2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分為2區(qū),爆炸性氣體混合物為IIC級(jí),引燃溫度為T2組;設(shè)計(jì)的相應(yīng)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別(EPL)應(yīng)達(dá)到Ga、Gb或Gc級(jí),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(jì)宜采用絕緣銅芯電纜并滿足截面要求;接地設(shè)計(jì)的保護(hù)接零系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。電石渣圓庫(kù)內(nèi)設(shè)置乙炔氣體濃度監(jiān)測(cè)儀,監(jiān)測(cè)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(shí)掌握庫(kù)內(nèi)乙炔氣體濃度,乙炔氣體濃度達(dá)到1%時(shí),及時(shí)報(bào)警并由化工廠操作人員調(diào)整操作參數(shù),當(dāng)乙炔氣體濃度無(wú)法降低時(shí),應(yīng)采取措施進(jìn)行事故外排或止料。
以上是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中曾經(jīng)遇到和探討過(guò)的問(wèn)題,也有在生產(chǎn)過(guò)程中的反饋和總結(jié),在此提出探討,以期對(duì)今后的電石渣圓庫(kù)安全設(shè)施設(shè)計(jì)有所幫助。需要特別提醒的是:在設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要嚴(yán)把原料質(zhì)量關(guān),對(duì)不符合安全要求的電石渣,應(yīng)考慮電石的水化消解場(chǎng),達(dá)到安全要求的電石渣才能儲(chǔ)存到鋼筋混凝土圓庫(kù)。
[1]GB 50493-2009,石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S].附錄A.
[2]安監(jiān)總廳管三〔2011〕142號(hào),首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)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(jì)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(yàn)安全間隙測(cè)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(xué)報(bào),2012,12(3).■
天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)的土耳其SIVAS項(xiàng)目主體車間通過(guò)考核
土耳其SIVAS項(xiàng)目是由天津院有限公司設(shè)計(jì)和供貨的4 500t/d熟料項(xiàng)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(shí)點(diǎn)火,歷時(shí)25個(gè)月。
6月8日,隨著業(yè)主廠長(zhǎng)Mr.Yusuf在考核報(bào)告上簽字,土耳其SIVAS項(xiàng)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(xiàng)目,項(xiàng)目主體車間全部達(dá)到合同指標(biāo)并通過(guò)考核。
自5月9日石油焦粉磨系統(tǒng)考核開(kāi)始,項(xiàng)目便進(jìn)入了緊張的考核階段。項(xiàng)目部克服雨季原材料水分大、礦山原料成分波動(dòng)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(xiàng)考核符合條件并順利展開(kāi),同時(shí)對(duì)具體考核細(xì)節(jié)進(jìn)行周密部署。由于項(xiàng)目人員緊張,自點(diǎn)火以來(lái)工作只能采取兩班倒模式,但全體項(xiàng)目人員無(wú)怨無(wú)悔,堅(jiān)決服從項(xiàng)目部安排。經(jīng)過(guò)一個(gè)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(guò)這次集中考核,一方面以考核為契機(jī),督促各方完成了相關(guān)的整改工作;另一方面通過(guò)考核優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)、檢驗(yàn)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(yàn)。
TQ172.44
A
1001-6171(2017)04-0031-05
成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610051;
2016-11-18;編輯:張志紅