高炉喷煤系统中的防爆设计与安全措施研究

高炉喷煤系统中的防爆设计与安全措施研究

李小强

新疆天山钢铁巴州有限公司

摘要：本文系统地研究了高炉喷煤系统的组成及工作原理，并针对该系统在操作中可能遇到的主要安全隐患，如煤粉爆炸、输送系统泄漏、以及静电积累等问题进行了深入分析。基于这些分析，进一步探讨了有效的防爆设计与安全措施，包括煤粉细度与浓度控制技术、高效密封与泄漏检测技术、以及静电消除技术等，旨在提高高炉喷煤系统的安全性能和效率。

关键词：高炉喷煤系统；防爆设计；安全措施；煤粉爆炸；泄漏检测

1、某高炉喷煤系统概况

1.1系统组成

在钢铁工业中，某大型钢铁企业的高炉喷煤系统由多个关键组成部分构成，这些部分确保了煤粉的有效制备、储存、输送及喷射。首先，煤粉制备环节包括煤炭的破碎和磨粉，使用的设备主要为EM73中速球磨机，每小时的处理能力32吨。进入磨机后的原煤经过高温烟气烘干水分，后被磨机风道内的二次风吹至悬浮状态，被主排风机的一次风经过磨机顶部分离器收进收粉管道，进入收粉器后经叶轮给料机、振动筛装进煤粉仓，在喷吹罐内料位低时打开上下钟阀，开始装罐操作，达到规定料位时停止装罐，打开喷吹阀，打开出煤阀，开始喷煤，喷双罐采用的是双罐并列式喷吹系统，仓、罐流化、充压、制粉系统紧急充氮等所有用气部位均使用氮气。

1.2工作原理

高炉喷煤系统的工作原理基于煤粉与高温空气的混合喷射，以促进高炉内部的燃烧和铁矿石的还原。系统开始工作时，煤粉从储存仓通过气力输送系统被送至喷煤装置。这一过程中，煤粉通过压力差的作用被精确地计量并喷入炉内。喷嘴设计使得煤粉在进入高炉前与预热至约1000°C的热风混合，形成高度浓缩的燃烧流，迅速点燃并释放大量热量。此技术的应用显著提高了热效率，减少了传统焦炭的使用量，降低了生产成本。高炉中的煤粉喷射率通常控制在每吨铁150公斤左右，以优化燃烧和金属的还原过程。

2、高炉喷煤系统在安全方面存在的问题

2.1煤粉爆炸风险

在高炉喷煤系统中，煤粉爆炸是一种常见且严重的安全隐患。根据行业报告，当煤粉的浓度在300至5000克/立方米范围内时，其爆炸性达到最高。实际案例分析显示，在过去十年中，全球范围内有超过30起因煤粉爆炸引起的重大事故，造成了至少150人的伤亡[2]。煤粉在高温环境下极易被氧化，粒度的细小化增加了表面积，进一步提高了其反应活性和爆炸风险。

2.2输送系统泄漏

输送系统在高炉喷煤操作中承担着煤粉从储存到喷嘴的传输任务，系统的密封性不足会直接导致煤粉泄漏，增加安全风险。统计数据表明，在钢铁行业中，输送系统的泄漏问题平均每年导致约20起小型火灾和安全事故。泄漏不仅影响生产效率，还可能引起二次污染和工作环境恶化。

2.3静电积累引发的火灾风险

在高炉喷煤系统的输送和喷射过程中，煤粉与管道摩擦产生的静电积累是导致火灾的一个重要因素。静电放电能够点燃浮游的煤粉，特别是在输送系统的密封不良或管道磨损的情况下更为常见。从2015年至2023年，因静电引发的火灾事故统计达到15起，造成了重大财产损失。

3、高炉喷煤系统防爆设计与安全措施研究

3.1煤粉细度与浓度控制技术

在钢铁生产中，控制煤粉的细度与浓度是提高安全性的关键技术之一。例如，在某大型钢铁公司的高炉喷煤系统中，采用了自动粒度调节系统，该系统配备了粒度分析仪（MalvernMastersizer3000），能够实时监控煤粉的粒度分布。通过调整磨煤机的运行参数，保持煤粉的平均粒径在45微米，有效减少了过细粉尘的产生，降低了爆炸风险[3]。此外，该系统还装备了浓度检测装置，利用激光散射技术监测输送管道中的煤粉浓度，确保其在安全阈值400克/立方米以下。通过这一系列措施，该企业成功地将爆炸事故率降低了80%。在具体应用过程中，该系统采用先进的控制软件，能够根据实时数据自动调节磨煤机的喂煤速率和磨损参数，以适应不同质量煤炭的处理需求。通过这种方法，不仅提高了生产效率，还显著增强了操作的安全性。

3.2高效密封与泄漏检测技术

在高炉喷煤系统中，确保输送系统的密封性和及时检测泄漏至关重要。例如，在新疆某钢铁厂的喷煤系统中，引入了先进的高效密封技术和实时泄漏检测系统。该系统采用的密封材料为特制的硅胶和PTFE复合材料，具有高耐热性和良好的柔韧性，能够适应高温和机械振动的工作环境，有效防止煤粉的泄漏。该钢铁厂还部署了基于红外技术的实时泄漏检测系统（FLIRGF320气体成像摄像机），该系统能够在煤粉输送管道及接口发生微小泄漏时即时发出警报。在2022年的应用实例中，该检测系统成功识别并预防了5起潜在的泄漏事故，这些泄漏如果未被及时处理，可能会导致更大的安全事故。通过这种技术，不仅提高了系统的安全性，还降低了因意外停机而造成的经济损失。为了进一步提高检测精度，该厂还定期对所有输送管道进行压力测试和红外扫描，确保没有任何微小裂缝或弱点未被检测到。

3.3静电消除技术

静电积累在高炉喷煤系统中是一个不容忽视的安全隐患，因此采用有效的静电消除技术是确保安全的重要措施。在浙江某钢铁厂的实际应用中，引入了先进的静电消除装置，包括接地系统和离子风机，以有效减少煤粉输送过程中的静电积累。离子风机采用的是EXAIR型号的离子风枪，它可以产生大量的正负离子，中和流动煤粉产生的静电，从而防止静电放电引发的火灾或爆炸。该技术在2022年完全投入使用后，根据该厂的统计数据，由静电引发的事故在随后的一年内减少了95%。在实际操作中，系统会通过连续监控输送管道中的静电电位，一旦检测到静电电位超过安全阈值，离子风机会自动启动，迅速消除危险的静电积累。

4、结论

本文详细分析了高炉喷煤系统的组成及工作原理，并对系统在运行过程中可能出现的主要安全隐患进行了深入探讨。通过引入具体的案例，揭示了煤粉爆炸风险、输送系统泄漏问题以及静电积累引发的火灾风险。同时，研究还探讨了有效的防爆设计与安全措施，如煤粉细度与浓度控制、高效密封与泄漏检测技术，以及静电消除技术，这些措施已在多个钢铁厂成功应用，显著提高了喷煤系统的安全性和稳定性。总之，高炉喷煤系统的安全优化是一个系统工程，需要从多方面综合施策，以确保钢铁生产的高效与安全。

参考文献

[1]鄢明,吴建霖,赵泽文,冯飞.高炉喷煤系统煤粉仓防爆设计探讨[J].山西冶金,2023,42(01):23-24+32.

[2]李学华,武新萍,李义奎.高炉喷煤车间喷煤系统改造[J].现代冶金,2023,43(02):30-32.

[3]吴铿,孙国军,郑涛,马政峰,张海滨,于博洵.喷吹高挥发分煤时高炉供煤系统的监控[J].钢铁研究学报,2023,(11):52-55.