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煤粉特性及煤磨车间的安全设计
0前言
无论水泥、冶金还是电力工业，都要消耗大量的燃煤作为燃料，随着煤粉制粉工艺技术的发展，煤粉制粉系统已由传统的两级收尘改为一级收尘，粉磨设备也由传统的球磨机改为效率更高的立式磨，收尘器也成为了主要的工艺设备之一。但由于煤粉其自身存在的易燃易爆特性，因此安全问题就显得至关重要。
1煤粉及煤粉制备系统的废气特性
1.1煤粉的自燃与爆炸特性
积存的煤粉与空气中的氧气长期接触氧化时会发热使温度升高，温度升高又会加剧煤粉的进一步氧化，在散热不良时会使氧化过程不断加剧，最后使温度达到煤的燃点而引起煤粉的自燃。在煤粉制粉系统中，煤粉是由输送煤粉的气体和煤粉混合成的云雾状的混合物，它一旦遇到火花就会使火源扩大而产生数倍大气压的大气压力，从而造成煤粉的爆炸。
影响煤粉爆炸的因素很多，如挥发份含量、煤粉细度、气体混合物的浓度、温度、湿度、输送煤粉的气体中氧的成分比例等。
(1)一般认为，挥发份大于l0％，其值越大，越易爆炸，挥发份大于25％的煤粉(如烟煤)，很容易自燃，爆炸的可能性大大增加。
(2)煤粉越细越容易自燃和爆炸，粒径小于80mu;m的易于燃爆。
(3)煤粉浓度是影响煤粉爆炸的重要因素。煤粉浓度大于3～4kg/m3(空气)或小于0.32～0.47㎏/m3(空气)时不容易爆炸。因为煤粉浓度太高，氧浓度太小；而煤粉浓度太低，缺少可燃物。新型煤粉制粉系统采用立式磨，煤粉浓度在0.50～1.0kg/m3(空气)之间，发生爆炸的可能性非常大。
(4)煤粉的着火温度：500～530℃，自燃温度：140～350℃。
1.2煤粉制粉系统废气特性
在新的煤粉制备系统中，收尘器已不仅是一台环保设备，而是一台重要的工艺设备，一般煤粉制备系统的废气具有以下特点：
(1)含尘浓度较高，不管是立式磨还是风扫磨，废气浓度一般都在爆炸范围内；
(2)煤粉成品的粒度细，粒度小于80mu;m的占80％；
(3)烟气中氧气含量视烘干热风来源不同而有差异，以水泥厂来自窑头篦冷机或窑尾预热器的热风作烘干介质，热风的成分与空气相近，含氧量两种热源不等，煤磨废气的氧气含量自然也有差异。
1.3煤粉制粉系统火源隐患
在带烘干粉磨的煤粉制备系统中，存在以下几种火源隐患：
(1)来自烘干热风气流带来的火源；
(2)系统中某些地方长期堆积的煤粉氧化后使局部温度升高而自燃起火；
(3)系统因静电积累引起的火花；
(4)其它外部火源。
2工艺设计上采取的措施
(1)影响煤粉爆炸的因素中，一个很重要的因素是输送煤粉的气体中氧的成分比例，只要很好的控制氧的比例，就能有效的降低爆炸的可能。通常情况下，煤粉烘干热源有两个地方，一是窑头篦冷机，二是窑尾。两种热源的氧含量相差很大。经分析，篦冷机废气中O2体积含量达21％，与空气中比例相近，而出磨后输送煤粉废气的比例仍高达约17％，尾废气的O2含量仅有4.5％，而出磨后输送煤粉废气的比例约7％，这样比例的气体，对爆炸能够起到很好的制约作用。因此设计中烘干用热风建议从窑尾高温风机后垂直风管上抽取。
(2)在控制进磨风温的环节上，有两种选择，一种是掺冷风，通过电动调节阀掺入新鲜空气，可以很好地控制进磨热源风温，但热源的O2含量将会随之增加。第二种选择是掺入循环风，以控制进磨热风的温度，循环风管的废气中O2含量约为7.5％。远远小于空气中的比例。循环风从出煤粉主风机管道上抽取。这样就减少了O2的富集，降低了燃烧的可能性。流程见图1所示，煤磨系统中所用热风及所掺冷风的O2比例见表1所示。
表1各种废气的氧气含量％

窑尾废气
篦冷机废气
新鲜空气
循环风管废气

～4.50
～21.00
～20.94
～7.5

(3)为防止煤磨系统发生意外爆炸及自燃，增设CO2灭火系统是非常必要的。在原煤仓、煤粉仓、袋收尘器及煤磨出风管上都考虑了CO2灭火。原煤仓设置了CO分析仪及测温装置，在煤粉仓、袋收尘器上安装了CO+O2气体分析仪以及测温装置。灭火系统的控制方式为自动启动，半自动启动，机械启动(应急手动启动)，即在有人工作或值班时采用半自动启动，在无人的情况下应采用自动启动。并向中控室提供正常运行、报警、动作三个信号，故障信号采用声音报警。根据火灾产生的原因及其特点，对报警灭火区域采用管状温度探测仪(Pt100)进行探测报警，根据CO分析仪提供的常开和常闭触点信号进行自动探测和报警。当得到报警信号，在规定时间内，一定浓度的CO2喷出灭火，从而保护了设备。CO2灭火分布图见图2所示。
(4)一旦爆炸发生，为了使损失降低到最大限度，因此设计时在原煤仓、煤粉仓上安装了返回式卸压阀，煤粉上升管道上安装了爆破转向器。
(5)设计时煤粉仓最好设置为两个，即分别设置窑头煤粉仓和窑尾煤粉仓，两仓互不通连，进仓