油頁巖利用過程粉塵爆炸研究現(xiàn)狀及趨勢分析*
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李 剛，楊紅霞，于立富
（東北大學(xué)資土學(xué)院火災(zāi)&爆炸防治實驗室，遼寧沈陽110819）
摘要：在石油資源日益緊張的形勢下，我國油頁巖資源的開發(fā)利用正得到前所未有的重視，但其利用過程潛在的粉塵爆炸危險性并未引起關(guān)注。對國內(nèi)外有關(guān)油頁巖粉塵著火、爆炸的文獻進行了綜述，約旦學(xué)者對油頁巖粉塵爆炸下限、著火溫度及惰化粉塵對下限的影響進行了持續(xù)性的研究。國內(nèi)學(xué)者多涉及油頁巖利用工藝的研究，只注重頁巖油蒸氣的爆炸風(fēng)險，多采用經(jīng)驗公式的方法進行分析，具有較大的局限性。根據(jù)爆炸風(fēng)險控制原理，提出了油頁巖粉塵防爆安全需要進一步進行的基礎(chǔ)研究工作，突出了加強油頁巖粉塵和蒸氣雜混物爆炸機理研究的重要性。
關(guān)鍵詞：油頁巖；粉塵爆炸；雜}昆物爆炸
中圖分類號：X932 文獻標(biāo)志碼：A doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2015. 10. 007
0 引言
油頁巖( oil shale)，又稱油母頁巖，主要由藻類等低等浮游生物經(jīng)腐化作用和煤化作用而成，含油率在3. 5%~30%。和煤的主要區(qū)別是灰分超過40 %，屬于高灰分的固體可燃有機礦產(chǎn)。主要分布在美國、俄羅斯、加拿大、中國、巴西等國家。2006年中國預(yù)測油頁巖資源7199億噸，居世界第四位，折算成頁巖油資源為476億噸，是我國原油可采儲量的二十幾倍。我國油頁巖含油率中等偏好，50%以上含油率大于5%~10%；另外，我國油頁巖埋藏深度較淺，64 %的埋深在0~500m。由于中國當(dāng)前每年進口大量原油，對外依存度超過50
%，合理開發(fā)利用油頁巖不僅可以緩解石油供需矛盾，還可以解決因廢棄油頁巖造成的環(huán)境問題，提高資源利用率。
油頁巖的利用方式主要有3種：①將油頁巖破碎成lOOmm大小的團塊，通過干餾制取頁巖油并進一步制取汽油、柴油等燃料用油；②利用油頁巖粉作為燃料燃燒來發(fā)電或供暖；③利用油頁巖的副產(chǎn)品生產(chǎn)水泥、磚等建筑材料。在破碎過程中會產(chǎn)生大量的懸浮伴生油頁巖粉塵，作為燃料使用時油頁巖必須加工成100μm左右的粉塵。眾所周知，可燃粉塵爆炸是過程工業(yè)潛在的重大風(fēng)險之一。閆澈、姜秀民指出利用煤粉爐燒油頁巖的制粉系統(tǒng)經(jīng)常爆炸，存在安全隱患；姜慶賢也提出了同樣的看法。早在1978年山東龍口電廠一鍋爐豎井就發(fā)生過一起爆炸事故，2013年廣東茂名一廢棄油頁巖場再次發(fā)生頁巖油蒸氣爆炸事故。
油頁巖利用過程發(fā)生爆炸主要有兩種形式：①油頁巖粉碎、輸送、儲存等環(huán)節(jié)會形成爆炸性粉塵環(huán)境，遇到火源發(fā)生粉塵爆炸；②在干餾過程中，干餾爐腔體內(nèi)既有進料落差形成的油頁巖粉塵云，同時還有干餾過程殘余的頁巖油蒸氣，從而形成了粉塵和氣體混合的雜混物（以下簡稱為油頁巖雜混物）爆炸性環(huán)境。根據(jù)文獻[ 12 - 13]對煤粉和瓦斯耦合體系的研究結(jié)果來看，油頁巖雜混物的著火、爆炸特性，不同于單純的油頁巖粉塵和頁巖油蒸氣，其著火敏感性和爆炸威力更大。
本文主要對國內(nèi)外油頁巖爆炸及防治已有的研究進行綜述，通過分析，提出防治油頁巖利用過程發(fā)生爆炸事故需要開展的基礎(chǔ)性研究工作，為我國未來安全高效利用油頁巖奠定理論和實驗基礎(chǔ)。
1 油頁巖粉塵爆炸國內(nèi)外相關(guān)研究
開發(fā)利用可以追溯到17世紀(jì)，相關(guān)研究在20世紀(jì)20年代已經(jīng)開始，研究者多來自有油頁巖資源的國家，如巴西、愛沙尼亞、俄羅斯、澳大利亞、中國等，針對油頁巖的研究主要集中在油頁巖開采、油頁巖理化特性、油頁巖利用工藝幾個方面，但是涉及油頁巖利用過程爆炸安全方面的研究較少。
1.1 國外相關(guān)研究
1998年約旦大學(xué)M.A．Hamdan和A．Qubbaj利用G-G爐對3種不同粒徑的油頁巖粉塵最低著火溫度( MIT)和爆炸下限濃度(MEC)進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)粒徑在63~ 75 μm時最容易爆炸，最低著火溫度為570℃，且濃度越高越易引燃；向油頁巖粉塵中分別混入碳酸鈣、沙子和粘土等雜質(zhì)后，最低著火溫度上升，且隨雜質(zhì)濃度增加著火溫度上升，三者的惰化效果為碳酸鈣>沙子>粘土。作者在Hart-mann裝置對5種不同粒徑油頁巖爆炸下限的測試表明粉塵粒徑小于100 μm時爆炸下限濃度不變，大于lOO μm時則爆炸下限濃度上升，達到l550g/m3。向油頁巖粉塵中分別混入石灰石、沙子和粘土等雜質(zhì)后粉塵爆炸下限上升，且雜質(zhì)濃度越高下限上升越快，三者的惰化效果為石灰石>沙子>粘土。這是國際上最早報導(dǎo)油頁巖粉塵爆炸特性的文章，雖然使用的Hartmann裝置現(xiàn)在看來只能算是定性測試，測出的爆炸下限也有些不切實際(通常為30~lOOg/m3)，但開啟了油頁巖粉塵爆炸研究先河。
2005年Hamdan等人對油頁巖粉塵和橄欖燃料粉末的爆炸性進行了對比研究，并特別研究了粒徑對N2惰化效果的影響。認(rèn)為在任意粒徑和粉塵濃度范圍內(nèi)，橄欖粉末均比油頁巖粉塵更易著火，橄欖粉末和油頁巖粉塵的極限氧濃度均隨粒徑的增加而增加。
2006年F K Swejs在Hartmann裝置里對約旦油頁巖粉塵（總含碳量23. 24%，揮發(fā)分45. 31%，有機碳19. 41%）的爆炸下限進行了研究。選擇平均粒徑為139 μm的石灰石、巖石及粗粒度的油頁巖為惰性添加粉。實驗結(jié)果表明，MEC隨粉塵粒徑的降低而減小，當(dāng)粉塵粒徑低于70 μm時MEC基本恒定，油頁巖摻入低至5%的石灰石能顯著增加其MEC值。當(dāng)向75 μm<d<90 μm的粉塵中分別混入125 μm<d<150μm的油頁巖粗粉、石灰石和石屑時，MEC隨雜質(zhì)濃度增加而緩慢上升，三者的惰性作用為石灰石>石屑>粗粒徑粉塵。該研究與
1998年M.A．Hamdan等人的研究目的相似，即探索油頁巖粉塵的惰化防爆技術(shù)。
總之，由于世界上利用油頁巖的國家并不多，只有極少數(shù)學(xué)者對油頁巖粉塵的爆炸特性及防治方法進行過研究。
1.2國內(nèi)相關(guān)研究
從防治火災(zāi)、爆炸安全的角度來看，國內(nèi)針對油頁巖主要進行了燃燒特性方面的研究。如孫凱、蔣德華和郭文杰分別對樺甸油頁巖半焦和茂名油頁巖的燃燒特性進行了研究，包括油頁巖理化特性，點火、著火、低負荷穩(wěn)燃、燃盡、壓火和結(jié)焦特性等；劉柏謙對油頁巖循環(huán)流化床燃燒的某些實踐問題進行了研究。
盡管在參考文獻[8 -10]中作者認(rèn)識到了油頁巖粉塵利用過程中存在爆炸危險性，但都沒有對爆炸機理進行直接的研究，研究內(nèi)容真正涉及到爆炸的主要有4篇文章。
2006年，韓放、鮑明福和高健指出，國內(nèi)最常用的撫順式油頁巖干餾爐爆炸的原因是空氣進入干餾段使干餾瓦斯達到爆炸極限。作者只考慮了油頁巖干餾揮發(fā)分的爆炸危險性，未認(rèn)識到油頁巖粉塵本身的爆炸危險性。
2007，崔暢林等利用紅外光譜分析儀對吉林樺甸某礦油頁巖進行了熱解氣體成分分析，H2C0、CH4、C2H6是熱解氣體主要成分，隨著熱解溫度的提高，H2、CH4、C2H6含量逐漸增加，而CO的含量明顯減少，氫氣在各工況熱解其中所占比例最大。利用Le Chatelier經(jīng)驗公式對油頁巖熱解氣體的爆炸極限進行了預(yù)估，算得爆炸上限為79. 1%，爆炸下陷為43.7 %對于防止油頁巖蒸氣爆炸提供了一定的參考。
2010年，李芳瑋和金龍哲在事故樹分析的基礎(chǔ)上建立了ATP工藝中油頁巖粉塵爆炸危險性評價指標(biāo)體系，提出了預(yù)防ATP緩沖倉粉塵爆炸的措施，包括提高除塵效率控制粉塵濃度、控制點火源等。此方法為粉塵爆炸防治評價提供了新的思路，但此評價為半定量評價，存在一定的人為估測成分。
2012年，周潔瓊等進行了油頁巖含氧干餾工藝流程爆炸危險性分析，和文獻[31] 一樣，也是利用Le Chatelier經(jīng)驗公式來估算的。從查閱文獻來看，Le Chatelier經(jīng)驗公式僅適用于氣體組分分子結(jié)構(gòu)相似、活化能相近的氣體混合物[33]，而油頁巖干餾成分涉及到H2、CO、CH4、C2H6等多種物質(zhì)，魏永生等對H2、CO、CH4混合物爆炸極限的研究也表明含H2混合氣體爆炸上限利用Le Chatelie，經(jīng)驗公式計算結(jié)果和實驗值相對誤差最大達到34%。因此，文獻[31- 32]利用Le Chatelier經(jīng)驗公式得到的爆炸極限判據(jù)如果應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，存
在一定的風(fēng)險。
2 未來的研究趨勢分析
根據(jù)對已有公開發(fā)表文獻的分析，人們已經(jīng)注意到油頁巖在利用過程中有發(fā)生粉塵爆炸和頁巖油蒸氣爆炸的危險性，但只有國外幾名學(xué)者進行了較粗淺的研究。我國油頁巖綜合利用方興未艾，必須提前布局安全風(fēng)險研究，從辨識油頁巖著火爆炸風(fēng)險開始，到評估風(fēng)險大小，并對不可接受的風(fēng)險采取措施加以消除和控制。為了實現(xiàn)該目的，至少以下
4個方面的內(nèi)容尚需進一步深入研究。
1)油頁巖粉塵的爆炸特性實驗研究
為全面了解我國油頁巖粉塵的爆炸特性，擬從油頁巖主產(chǎn)區(qū)取樣，對樣品進行系統(tǒng)實驗測試，總結(jié)得到我國油頁巖粉塵爆炸特性規(guī)律。粉塵爆炸特性分為著火敏感性和爆炸猛度兩個方面，實驗測試內(nèi)容包括6個參數(shù)：
①粉塵云爆炸下限( minimum explosion concentration．MEC)；
②粉塵云最小著火能量( minimum ignition energy，MIE)；
③粉塵層比電阻( electrical resistivity，ER)；
④粉塵云最低著火溫度( minimum ignition temperature，MIT)；
⑤粉塵云最大爆炸壓力及其上升速率( Pmax，( dp/dt) max)；
⑥粉塵層悶燃著火溫度( glowing temperature，GT)。
通過對油頁巖粉塵樣品的系統(tǒng)測試，可以深入了解和掌握油頁巖粉碎、輸送、加工過程中產(chǎn)生的油頁巖粉塵發(fā)生著火、爆炸的可能性和后果嚴(yán)重度，從而定量評估油頁巖利用過程發(fā)生爆炸事故的風(fēng)險，并為后續(xù)制定預(yù)防爆炸和減小事故損失措施奠定實驗基礎(chǔ)。
2)油頁巖粉塵和頁巖油蒸氣雜混物的著火爆炸規(guī)律研究粉塵和可燃氣體混合形成的雜混物的爆炸特性不同于其中任何一種物質(zhì)。參考已有的針對煤與瓦斯混合體系的研究結(jié)論，粉塵云最小著火能量和爆炸下限會因氣體的參與而降低。如果頁巖油蒸氣和油頁巖粉塵相遇，則發(fā)生爆炸的可能性會增高。不過目前還沒有這方面的文獻發(fā)表，需要開展深入、系統(tǒng)的理論和實驗研究，了解頁巖油蒸氣對油頁巖粉塵爆炸特性的影響特性，建立這種雜混物的爆炸特性規(guī)律。
3)基于惰性氣體的油頁巖粉塵惰化機理研究
本質(zhì)安全型防爆方法在防爆領(lǐng)域具有越來越多的應(yīng)用，惰化是本質(zhì)安全型防爆方法之一。前文已經(jīng)介紹了個別學(xué)者針對油頁巖粉塵添加石灰石、巖粉后爆炸下限變化規(guī)律的研究。作者認(rèn)為干餾過程進入空氣導(dǎo)致氧含量增加是發(fā)生爆炸的直接原因，一旦發(fā)生這種情況，向干餾系統(tǒng)充入惰性氣體降低氧含量是最有效的事故預(yù)防方法。為此，針對油頁巖及其雜混物開展基于惰性氣體(如N，、C02)的惰化效果研究具有重要的實用價值。確定不同組分的惰化極限氧濃度是該部分研究工作的核心內(nèi)容。根據(jù)研究結(jié)果，可以制定油頁巖刊用過程的惰化防爆標(biāo)準(zhǔn)。
4)油頁巖利用過程爆炸風(fēng)險評價模型
油頁巖含油率高低對油頁巖粉塵爆炸危險性的影響較大；生產(chǎn)工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)不同，發(fā)生爆炸的風(fēng)險也不一樣。在前述對油頁巖粉塵及油頁巖雜混物爆炸特性的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)工藝和設(shè)備特征，琶立基于實驗數(shù)據(jù)的油頁巖利用過程爆炸風(fēng)險評價唪系和模型，利用該模型可以正確評價現(xiàn)有系統(tǒng)的爆炸風(fēng)險，并根據(jù)風(fēng)險指導(dǎo)制定科學(xué)、合理的防爆方法和措施。
3結(jié)論
隨著石油資源的枯竭，開發(fā)和利用油頁巖資源是可選的方案之一。充分、合理開發(fā)油頁巖資源，在末來必將起到重要作用。盡管目前關(guān)于油頁巖粉塵爆炸的研究還不多，但提前布局，開展油頁巖利用過程曝炸機理及其防治研究，可以避免重走類似煙煤利用過程先出事故后治理的老路，對建立本質(zhì)安全的油頁巖利用工藝具有前瞻性的意義。
開展油頁巖粉塵爆炸特性的系統(tǒng)測試，建立我國典型油頁巖產(chǎn)品的爆炸性數(shù)據(jù)庫，是基礎(chǔ)性的研究工作，也為建立油頁巖綜合利用過程粉塵爆炸事故定量風(fēng)險評價體系提供了必須的數(shù)據(jù)支撐。
油頁巖粉塵及其雜混物的惰化實驗研究，確定了防止發(fā)生爆炸所必須達到的最高氧濃度條件，為工業(yè)生產(chǎn)操作和控制奠定了實驗基礎(chǔ)。
