吴子科
（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）
摘要：振动床混流干燥系统由热风系统、干燥系统和除尘系统组成，用于降低褐煤本身含水量，从而提高褐煤的燃烧热。振动床混流干燥是一种新型干燥系统，存在煤尘爆炸危险，鉴于此，介绍干燥系统的爆炸条件、爆炸机理、爆炸危险部位，并假定3种状态——褐煤煤尘中3%的挥发分参与爆炸、褐煤煤尘中5%的挥发分参与爆炸及褐煤煤尘中10%的挥发分参与爆炸进行爆炸后果模拟分析，分别计算3种假定条件下煤尘发生爆炸的事故后果，得出了该干燥系统的爆炸影响范围，为干燥器安全措施及应急预案的制定提供了一定的理论支持。
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关键词 ：振动床；混流干燥系统；煤尘爆炸事故；后果模拟
0引言
我国煤炭资源丰富，其中，已探明的褐煤保有储量达1300多亿t，约占煤炭总储量的13%。由于褐煤含水量高、热值较低、易自燃、难以储存，因此褐煤长距离运输和利用成本较高，这就降低了褐煤开发和利用的价值。现阶段褐煤常被作为低阶燃料，在原产地周边使用。然而，高水分褐煤燃烧后的热效率低下，且二氧化碳排放量大，因此褐煤直接利用价值不高。
基于此，在国内主要褐煤产区，特别是含水量在30%左右的褐煤产区，针对褐煤进行干燥的装置大量出现。褐煤干燥的目的在于减少褐煤含水量，提高褐煤燃烧热，增强褐煤的燃烧利用价值。
本文所研究的振动床混流干燥系统就是诸多褐煤干燥装置中的一种，但该干燥系统存在诸多安全隐患，例如火灾、煤尘爆炸等。该干燥系统主要由干燥器、除尘器与冷却器等设备组成，生产过程中存在大量的粉尘和空气，客观上造成了燃烧爆炸要素的形成，只要存在引燃源，就有可能发生爆炸。在干燥系统实际运行过程中，干燥器最容易发生火灾爆炸事故，故对事故后果进行模拟，以分析干燥系统煤尘爆炸影响范围十分必要。
1干燥系统组成及工艺
振动床混流干燥系统主要由热风系统、干燥系统、除尘系统3个部分组成，如图1所示。
干燥原料煤经缓冲仓短时存储后经胶带机转运至干燥器，干燥后煨煤和袋式除尘器回收的煤尘进入冷却系统冷却后返回519胶带机上；热风从热风炉出来经过两道拦火栅由热风机供给干燥器，在干燥器内部热风与原料煤完成热交换，烟气和煤尘进入袋式除尘器，煤尘回收，除尘后的烟气由引风机排入大气中。
1.1原料煤准备系统
褐煤经胶带机转载后进入干燥系统缓冲仓，物料从缓冲仓底部两台给煤机601、602均匀给入603胶带机，经过607环锤破碎机破碎（破碎机出料粒度0～30mm）后通过608胶带机转载进入干燥器。
1.2干燥器
振动混流干燥器顶部有两台给煤机，将集中来煤均布在干燥器内；干燥器由5层振动电机驱动的振动床组成，干燥器下部设有刮板机将煤卸出干燥器外。通过翻转卸料器实现与外界封闭，确保热风不外漏。
1.3热风系统
热风从热风炉出来给入干燥器一层，通过控制热风机风阀开启程度来控制进入干燥器的热风量；通过热风炉出风口的烟气混合器风阀开启度控制热风的温度，进入干燥器内风流温度控制在200℃以下。
1.4粉煤回收系统
袋式除尘器通过管道与干燥器顶层连接，其作用是将混合气流中的细颗粒煤粉回收。袋式除尘器顶部有反吹风机和回转电机，袋式除尘器下部有卸煤机，袋式除尘器回收的粉煤落到刮板机上。其中，引风机是干燥系统通风的动力源，抽取干燥器内尾气，净化后排空。
2振动床混流干燥系统爆炸危险性分析
2.1着火机理
破碎后的小粒度褐煤在干燥器内因与干燥器振动筛多次碰撞，颗粒度变得更加细小，造成褐煤分子链的断裂，产生大量自由基，自由基大量存在于褐煤内部新生裂纹表面，为褐煤煤尘自燃氧化创造了条件。褐煤与氧气发生氧化反应生成过氧化物自由基，氧化反应放出的热量使得煤尘温度上升，并使氧化物自由基反应放出大量的可燃气体，生成的新自由基继续与氧反应，持续的放热反应使褐煤温度升高，高温使得干燥器内积聚的煤尘自燃着火。
2.2煤尘爆炸条件
煤尘爆炸有3个基本条件：（1）煤尘本身具有爆炸性；（2）煤尘呈悬浮状态（即粉尘云状态），其浓度在爆炸极限范围之内；（3）点火源。
试验表明，我国煤尘爆炸下限浓度为30～50g/m3，爆炸威力最强的煤尘浓度为300～400g/m3；我国煤尘爆炸的引燃温度在610～1050℃之间，一般为700～800℃；煤尘爆炸的最小点火能为4.5～40mJ。
振动床混流干燥工艺具有风量大的特点（氧含量大于21%），褐煤在振动筛的振动下，产生大量煤尘。另外，热烟气中存在的火星或煤粒与振动筛之间的摩擦静电等均可能作为点火源。因此，振动床混流干燥系统具备煤尘爆炸的必要条件。
2.3干燥系统煤尘爆炸危险性
该干燥系统主要由热风系统、干燥系统、除尘系统等组成。干燥器和除尘器生产过程中存在大量的煤尘和18.3%的氧气，而且干燥器内温度最高可达210℃，因此干燥器的煤尘爆炸危险性最高。
3振动床混流干燥系统煤尘爆炸事故后果模拟
对事故后果进行模拟以分析干燥系统中干燥器发生煤尘爆炸事故的后果十分必要，为此，本文假定了3种状态，分别为干燥器内煤尘中3%的挥发分参与爆炸、煤尘中5%的挥发分参与爆炸及煤尘中10%的挥发分参与爆炸。分别计算3种假定条件下煤尘发生爆炸的事故后果，得出振动床混流干燥系统煤尘爆炸事故的影响范围，从而为干燥器安全措施及应急预案的制定提供一定的理论支持。
3.1煤尘中3%的挥发分参与爆炸时的事故后果模拟分析
（1）煤尘中3%的挥发分参与爆炸时的爆炸能量E：
干燥系统运行时取褐煤燃烧热为5000kcal/kg、挥发分为33%左右的煤尘来计算爆炸能量E。当来料煤流量为200t/h时，干燥器外型尺寸为10.7m×4m×27.4m，容积约为1172.72m3，由于干燥器内振动筛和煤的体积影响，取煤尘爆炸容积为1172.72m3×0.8≈940m3，当发生煤尘爆炸时，最大爆炸能量时的浓度为400g/m3。由此可计算爆炸时的最大煤尘量为940m3×400g/m3≈376kg。1kg煤尘爆炸能量E1=5000kcal/kg×4.18×38.25%×3%（假设3%的挥发分参与了爆炸）≈239.83kJ/kg。由此可得本干燥器内376kg煤尘爆炸能量为E=239.83kJ/kg×376kg=9.02×104kJ。
（2）煤尘中3%的挥发分参与爆炸时的爆炸能量换算成TNT当量q：
查相关资料知，1kgTNT爆炸所放出的爆炸能量qTNT为4230～4836kJ/kg，一般取平均爆炸能量为4500kJ/kg，故其TNT当量q的关系式为：
q=E/qTNT（1）
由此可计算得376kg煤尘爆炸能量换算成TNT当量q≈20.04kg。
（3）煤尘中3%的挥发分参与爆炸时煤尘爆炸的模拟比α：
煤尘爆炸的模拟比α的计算公式为：
α=（q/q0）1/3=（q×1/1000）1/3=0.1q1/3（2）
由此可计算煤尘爆炸的模拟比α≈0.272。
（4）煤尘中3%的挥发分参与爆炸时，在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0：
根据经验试验数据可知，在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0如表1所示。
根据R0值在表1中找出距离为R0处的超压ΔP0，由煤尘爆炸模拟比α≈0.272，根据R0=R/α，并对照表1可得出376kg煤尘爆炸时的冲击波超压值，如表2所示。
（5）煤尘中3%的挥发分参与爆炸时的破坏作用：
冲击波超压对人体的伤害作用如表3所示，对建筑物的破坏作用如表4所示。
根据表2的冲击波超压，对照表3和表4可得：褐煤煤尘中3%的挥发分参与爆炸时冲击波的人体轻微伤害半径最大约为15m。距爆源点的距离为20m时，建筑物的受压门窗玻璃大部分破碎。根据泄爆膜设计开启压力为0.2MPa可知，在干燥器内煤尘爆炸泄爆膜全部动作时，在距离干燥器爆源点5m范围内对人体有轻微伤害。
3.2煤尘中5%的挥发分参与爆炸时的事故后果模拟分析
（1）煤尘中5%的挥发分参与爆炸时爆炸能量E：
与3.1的计算过程一样，褐煤煤尘中5%的挥发分参与爆炸时爆炸能量E1=399.71kJ/kg。本干燥器内376kg煤尘爆炸能量为E=399.71kJ/kg×376kg=1.5×105kJ。
（2）煤尘中5%的挥发分参与爆炸时的爆炸能量换算成TNT当量q：
通过计算得出，376kg煤尘爆炸能量换算成TNT当量q=33.40kg。
（3）煤尘中5%的挥发分参与爆炸时煤尘爆炸的模拟比α：
由式（2）计算煤尘爆炸的模拟比α≈0.322。
（4）煤尘中5%的挥发分参与爆炸时，在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0：
根据R0值在表1中找出距离为R0处的超压ΔP0，由煤尘爆炸模拟比α≈0.322，根据R0=R/α，并对照表1可得出376kg煤尘爆炸时的冲击波超压值，如表5所示。
（5）煤尘中5%的挥发分参与爆炸时的破坏作用：
根据表5的冲击波超压，对照表3和表4可得：褐煤煤尘中5%的挥发分参与爆炸时冲击波对人体的轻微伤害半径最大约为20m。距爆源点的距离为20m时，建筑物窗框损坏。根据泄爆膜设计开启压力为0.2MPa可知，在干燥器内煤尘爆炸泄爆膜全部动作时，在距离干燥器爆源点5m范围内将造成人体内脏严重损伤或死亡。
3.3煤尘中10%的挥发分参与爆炸时的事故后果模拟分析
（1）煤尘中10%的挥发分参与爆炸时爆炸能量E：
与3.1的计算过程一样，煤尘中10%的挥发分参与爆炸时爆炸能量E1=799.43kJ/kg。本干燥器内376kg煤尘爆炸能量为E=799.43kJ/kg×376kg≈3.0×105kJ。
（2）煤尘中10%的挥发分参与爆炸时的爆炸能量换算成TNT当量q：
通过计算得出376kg煤尘爆炸能量换算成TNT当量q=66.8kg。
（3）煤尘中10%的挥发分参与爆炸时煤尘爆炸的模拟比α：
由式（2）计算煤尘爆炸的模拟比α≈0.406。
（4）煤尘中10%的挥发分参与爆炸时，在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0：
根据R0值在表1中找出距离为R0处的超压ΔP0，由煤尘爆炸模拟比α≈0.406，根据R0=R/α，并对照表1可得出376kg煤尘爆炸时的冲击波超压值，如表6所示。
（5）煤尘中10%的挥发分参与爆炸时的破坏作用：
根据表6的冲击波超压，对照表3和4可得：褐煤煤尘中10%的挥发分参与爆炸时冲击波对人体的轻微伤害半径最大约为23m。距爆源点的距离为20m时，建筑物的大型钢架结构破坏。根据泄爆膜设计开启压力为0.2MPa可知，在干燥器内煤尘爆炸泄爆膜全部动作时，在距离干燥器爆源点5m范围内大部分人员死亡，6m范围内将造成人体内脏严重损伤或死亡。
4结论
通过数值模拟分析，得出如下结论：
（1）干燥器内煤尘中3%的挥发分参与爆炸时冲击波的人体轻微伤害半径最大约为15m；煤尘中5%的挥发分参与爆炸时冲击波对人体的轻微伤害半径最大约为20m；煤尘中10%的挥发分参与爆炸时冲击波对人体的轻微伤害半径最大约为23m。
（2）随着煤尘挥发分的提高，爆炸冲击波的范围扩大。
（3）干燥系统未设置泄爆膜时，安全防护距离约为23m。设置泄爆膜而且全部动作时，安全防护距离为8m。
综上所述，本文通过介绍干燥系统的爆炸条件、爆炸机理、爆炸危险部位，并对煤尘爆炸后果进行模拟分析，得出了该干燥系统的安全防护距离，为干燥器安全措施及应急预案的制定提供了一定的理论支持。
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收稿日期：2015?08?03
作者简介：吴子科（1982—），男，山东济宁人，硕士，工程师，主要从事煤矿安全的研究与评价工作。