煤粉鎖斗泄漏安全事故分析及對(duì)策

楊鋒，黃銘科

（1. 中國(guó)石化煉油事業(yè)部，北京 100728；2. 神華工程技術(shù)有限公司，北京 100012）

1 事故概況

粉煤氣化工藝是煤氣化技術(shù)的主要工藝，是將煤粉、氧氣置于氣化爐內(nèi)，在極為短暫的時(shí)間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過(guò)程[1]，產(chǎn)生以H2和CO 為主的粗合成氣。

某煤氣化裝置氣化框架煤粉鎖斗檢維修作業(yè)，在拆除鎖斗底部通氣錐以檢查其內(nèi)部笛管是否完好過(guò)程中，發(fā)生煤粉泄漏，并引起煤粉著火傷人事故。

本次事故是在檢維修過(guò)程中鎖斗內(nèi)的煤粉未置換干凈，煤粉遇空氣過(guò)度氧化，引發(fā)著火。該起事故表明作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)薄弱，過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制不到位，技術(shù)方案不完善以及對(duì)煤粉特性了解不深入。

筆者從技術(shù)方案對(duì)事故進(jìn)行分析，從本質(zhì)安全設(shè)計(jì)出發(fā)，消除煤粉泄漏自燃事故隱患，筑牢安全生產(chǎn)防線，希望能對(duì)粉煤氣化工藝的煤粉鎖斗檢維修作業(yè)提供參考。

2 工藝設(shè)備描述

煤氣化裝置由煤粉制備單元、煤粉加壓輸送單元、氣化單元、除渣單元、濕洗單元、灰水處理單元及公用工程單元組成[2]。

本次發(fā)生事故的地點(diǎn)為煤粉加壓及輸送單元。本單元的主要設(shè)備包括煤粉倉(cāng)裝料袋濾器、煤粉儲(chǔ)倉(cāng)、鎖斗、煤粉給料倉(cāng)等，其工藝流程見(jiàn)圖1。該單元的工藝目的主要是通過(guò)鎖斗的順控循環(huán)，把煤粉送至氣化爐的燒嘴進(jìn)行氣化反應(yīng)。

圖1 煤粉加壓及輸送系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal powder pressing and delivery system

經(jīng)過(guò)磨煤?jiǎn)卧ズ玫拿悍郏ê?%的煤粉）通過(guò)螺旋輸送機(jī)送入常壓煤粉儲(chǔ)倉(cāng)；煤粉儲(chǔ)倉(cāng)中的煤粉通過(guò)重力作用定時(shí)定量地加入位于其下方的煤粉鎖斗；煤粉鎖斗填裝好煤粉達(dá)到一定液位后關(guān)閉下料和排氣管路閥門(mén)并開(kāi)始升壓，升壓通過(guò)通氣錐和笛管通入高壓N2或CO2，直至與其下方的煤粉給料倉(cāng)壓力相接近（ 一般略高） 時(shí)，停止升壓并將煤粉加入煤粉給料倉(cāng)，最后通過(guò)粉煤管線輸送到氣化爐燒嘴。

2.1 鎖斗

煤粉鎖斗是煤粉加壓輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)加壓和泄壓，向上連通常壓煤粉儲(chǔ)倉(cāng)，向下連通高壓煤粉給料倉(cāng)[3]，實(shí)現(xiàn)把低壓的煤粉轉(zhuǎn)變成高壓的煤粉[4]，進(jìn)而進(jìn)入高壓的煤氣化爐內(nèi)。煤粉鎖斗承受復(fù)雜疲勞負(fù)荷交變應(yīng)力工況，實(shí)現(xiàn)煤粉的連續(xù)、穩(wěn)定下料。煤粉鎖斗的充壓吹掃主要零部件包括笛管和通氣錐。煤粉鎖斗的規(guī)格尺寸和操作條件見(jiàn)表1，鎖斗內(nèi)部的通氣錐和笛管充壓吹掃流程見(jiàn)圖2。

表1 煤粉鎖斗設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Pulverized coal lock hopper design parameters

圖2 鎖斗內(nèi)部的笛管和通氣錐充壓吹掃Fig.2 Purge of the flute tube and gas cone inner lock hopper

2.2 通氣錐

通氣錐是用燒結(jié)金屬粉末或多孔板做成的錐狀漏斗，高壓氣體通過(guò)金屬粒子間的縫隙或多孔板小孔進(jìn)入鎖斗內(nèi)，既用于底部煤粉的流化，又用于鎖斗的充壓，在通氣錐的內(nèi)表面形成一層氣膜，防止煤粉堵 塞。

2.3 笛管

笛管是環(huán)繞布置在鎖斗內(nèi)部的充壓流化部件，其帶有多孔材料膜片，高壓N2或CO2通過(guò)笛管膜片對(duì)鎖斗內(nèi)部進(jìn)行充壓吹掃，使鎖斗內(nèi)部煤粉處于懸浮沸騰狀態(tài)，可有效避免煤粉的結(jié)塊、架橋，保證其連續(xù)、穩(wěn)定的下料。笛管在使用過(guò)程中，出現(xiàn)的問(wèn)題主要有笛管折彎、笛管連接法蘭磨蝕、笛管阻礙煤粉下料、笛管過(guò)濾膜片破損、鼓包或脫落等[5]。

3 煤粉性質(zhì)

煤粉鎖斗在下料過(guò)程中，易出現(xiàn)因煤粉架橋?qū)е碌南铝喜粫硢?wèn)題，影響裝置的安全運(yùn)行。煤粉是煤塊通過(guò)磨煤?jiǎn)卧M(jìn)行破碎研磨后獲得的不規(guī)則粉狀顆粒，具有粉體架橋特性和易氧化自燃特性。

煤粉作為一種粉體物料，尤其是細(xì)顆粒煤粉，流動(dòng)性較差，水含量較高時(shí)易團(tuán)聚、結(jié)塊，致使在鎖斗中形成架橋、搭拱，造成進(jìn)料不穩(wěn)定[4]。

壓縮性反映粉體的可壓縮程度、團(tuán)聚性及流動(dòng)性，與粒徑、濕含量有一定的關(guān)系。相同濕含量下，單位質(zhì)量的煤粉顆粒表面積隨著煤粉粒徑的減小而增加，顆粒表面的附著力增加，顆粒間易團(tuán)聚、架橋以及拱橋，使煤粉顆粒的壓縮性增大[6]。

休止角是衡量、評(píng)價(jià)煤粉流動(dòng)性能的重要指標(biāo)。休止角越小，煤粉的摩擦系數(shù)越小，粉體易流動(dòng)，且隨著粒徑的減小而增大，隨著濕含量的增加而增大[7]。煤粉的空隙率在一定程度上影響休止角，空隙率越大，則休止角越大。

煤粉在與其所吸附的空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，而氧化反應(yīng)導(dǎo)致煤粉溫度升高，溫度升高又加劇了氧化反應(yīng)，當(dāng)氧化反應(yīng)使溫度升高到自燃點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生自燃，自燃后隨著溫度、氧量的突然增加將立即著火。煤粉的這種特性對(duì)揮發(fā)分含量較高的煤粉更為顯著[8]。

煤粉的自燃特性是在本次事故中拆除煤粉鎖斗通氣錐后煤粉泄漏遇空氣過(guò)度氧化發(fā)生自燃著火燒傷作業(yè)人員的直接原因。

4 事故原因分析

從技術(shù)方案角度，本次事故的原因分析應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注煤粉的泄漏和自燃，分析在拆除底部通氣錐時(shí)煤粉發(fā)生泄漏現(xiàn)象的原因以及泄漏的煤粉引起的自燃。

事故過(guò)程中，檢維修作業(yè)經(jīng)歷了系統(tǒng)泄壓、置換、盲板隔離等程序。涉及事故發(fā)生單元的煤粉給料系統(tǒng)已返料完畢，盲板也已全部倒盲。按程序，煤粉鎖斗具備了解體檢查條件。

當(dāng)作業(yè)人員拆除通氣錐進(jìn)行移位時(shí)，發(fā)現(xiàn)法蘭處有煤粉泄漏，作業(yè)人員隨后停止作業(yè)并用鐵絲綁住塑料袋進(jìn)行排粉作業(yè)，在排粉過(guò)程中煤粉自燃。

煤粉的泄漏收集是從16: 00開(kāi)始，到發(fā)生自燃事故，僅用了35 min。煤粉自燃并最終引起燒傷事故的發(fā)生，火勢(shì)應(yīng)該達(dá)到了一定“不可控”的程度，因此泄漏的煤粉應(yīng)該是達(dá)到了一定的量。同時(shí)用塑料袋收集，為煤粉的集聚提供了空間，可能會(huì)形成局部高溫，再者塑料袋也屬于易燃品，當(dāng)塑料袋內(nèi)的煤粉燃燒時(shí)，會(huì)點(diǎn)燃燒毀塑料袋，從而導(dǎo)致袋內(nèi)的煤粉散落，增加了不可控性，加劇了燃燒。

從事故經(jīng)過(guò)中，我們可以分析得到，即使經(jīng)過(guò)了系統(tǒng)泄壓、置換工序，鎖斗內(nèi)仍然存在一定量的煤粉，煤粉沒(méi)有被充分置換。鎖斗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部笛管和通氣錐內(nèi)件長(zhǎng)期工作在充壓泄壓狀態(tài)，極易產(chǎn)生疲勞破壞；同時(shí)煤粉也對(duì)笛管和通氣錐進(jìn)行高壓沖刷。笛管或通氣錐破壞也將導(dǎo)致煤粉倒流，發(fā)生泄漏事故。

從事故經(jīng)過(guò)中，我們可以分析得到，經(jīng)過(guò)置換的煤粉輸送系統(tǒng)，煤粉鎖斗內(nèi)存在“死角”空間，且置換過(guò)程中煤粉可能處在懸浮狀態(tài)，待停止置換后，煤粉靜置在鎖斗內(nèi)壁，當(dāng)拆除通氣錐時(shí)，煤粉泄漏流出。說(shuō)明了，僅僅通過(guò)置換工序，可能無(wú)法保證內(nèi)部的殘存煤粉被置換干凈。

5 建議

結(jié)合對(duì)此次事故的原因分析， 針對(duì)煤粉自燃特性、煤粉鎖斗笛管和通氣錐結(jié)構(gòu)、煤粉加壓和輸送單元的特點(diǎn)， 對(duì)粉煤氣化工藝煤化工裝置在建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中的鎖斗內(nèi)件檢維修提出如下建議：

（1）在發(fā)生煤粉泄漏時(shí)，應(yīng)及時(shí)研判煤粉泄漏體積，當(dāng)發(fā)生大量泄漏時(shí)，應(yīng)停止作業(yè)，回裝重新置換返料；當(dāng)發(fā)生少量泄漏時(shí)，應(yīng)采用不可燃器具進(jìn)行收集，可采用桶接，并做好降溫。

（2）在系統(tǒng)置換清料過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行真空抽濾，將鎖斗內(nèi)煤粉進(jìn)行抽真空清除，并確保煤粉干燥不潮濕黏結(jié)。

（3）工作狀態(tài)，應(yīng)常開(kāi)通氣錐和笛管反吹氣流，防止煤粉反串，減少通氣錐和笛管的煤粉沖刷，提高壽命。

（4）在充氣錐內(nèi)部焊接帶孔洞鋼板，提高充氣錐燒結(jié)金屬支撐強(qiáng)度。

（5）在系統(tǒng)吹掃置換下游或鎖斗抽真空除塵下游設(shè)置取樣口，進(jìn)行白布檢查。