» Trong bài viết này, Jim Vingerhoets, Công ty Fike, trình bày các tình huống gây ra nổ bụi trong máy nghiền than, đưa ra các giải pháp an toàn cho người vận hành có thế thực hiện để đảm bảo xử lý an toàn và hợp lý bụi than dễ cháy
Tất cả các quy hình công nghiệp xử lý bụi dễ cháy đều có các mức độ rủi ro cháy nổ khác nhau, vậy còn trong quá trình sản xuất xi măng noi mà đá vôi, cát và các nguyên liệu khác không gây cháy nổ thì sao? Điều đó có nghĩa là quá hình sàn xuất xi măng không gây ra nổ bụi? Không phải vậy đâu. Có một loại nguyên liệu thường được sử dụng trong sản xuất xi măng rất dễ bị cháy là than.
Than được sử dụng làm nhiên liệu cho lò nung, đốt cháy nguyên liệu đến độ nóng chảy một phần và chuyển hóa nó thành clinker. Máy nghiền than được sử dụng để nghiền mịn than thô thành dạng bột, tạo ra một đám mây bụi than dễ cháy nổ và đó là lý do tại sao những cố gắng phòng chống cháy nổ thường tập trung vào công đoạn này trong quá trình sản xuất xi măng.
Các vụ nổ bụi xảy ra như thế nào trong máy nghiền than
Các máy nghiền than dễ bị cháy nổ vì chúng hàm chứa 5 yếu tố sau trong “Ngũ giác Nồ Bụi” (Hình 1):
Bụi dễ cháy
Bụi than mịn dễ gây nổ. Ví dụ, toàn bộ than bitum đi qua sàng 200 cho thấy nguy cơ nổ bụi. Hàm lượng gây nổ tối thiểu đối với than bitum có chất bốc cao có mức thấp nhất là 40 - 100 g/m³ trong không khí.
Chất oxy hóa
Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp như các máy nghiền than, oxy trong không khí là tác nhân oxy hóa được chuyển tải.
Phát tán hạt bụi
Đối với bụi dễ bốc cháy, nó phải được treo lơ lửng ở dạng đám mây bụi, mà luôn có mặt trong máy nghiền than trong quá trình vận hành.
Than được sử dụng làm nhiên liệu cho lò nung, đốt cháy nguyên liệu đến độ nóng chảy một phần và chuyển hóa nó thành clinker. Máy nghiền than được sử dụng để nghiền mịn than thô thành dạng bột, tạo ra một đám mây bụi than dễ cháy nổ và đó là lý do tại sao những cố gắng phòng chống cháy nổ thường tập trung vào công đoạn này trong quá trình sản xuất xi măng.
Các vụ nổ bụi xảy ra như thế nào trong máy nghiền than
Các máy nghiền than dễ bị cháy nổ vì chúng hàm chứa 5 yếu tố sau trong “Ngũ giác Nồ Bụi” (Hình 1):
Bụi dễ cháy
Bụi than mịn dễ gây nổ. Ví dụ, toàn bộ than bitum đi qua sàng 200 cho thấy nguy cơ nổ bụi. Hàm lượng gây nổ tối thiểu đối với than bitum có chất bốc cao có mức thấp nhất là 40 - 100 g/m³ trong không khí.
Chất oxy hóa
Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp như các máy nghiền than, oxy trong không khí là tác nhân oxy hóa được chuyển tải.
Phát tán hạt bụi
Đối với bụi dễ bốc cháy, nó phải được treo lơ lửng ở dạng đám mây bụi, mà luôn có mặt trong máy nghiền than trong quá trình vận hành.
Hình 1. Ngũ giác Nổ Bụi của Fike.
Hình 2. Nổ sơ cấp và thứ cấp.
Sự hạn chế của đám mây bụi
Như đã trình bày trong NFPA 654, tất cả các thành phần trong một hệ thống khép kín xử lý các hạt rắn dễ cháy cần phải được thiết kế để ngăn ngừa bụi bay ra ngoài; do đó, việc hạn chế các đám mây bụi thường thấy trong các quy trình công nghiệp như các máy nghiền than.
Đánh lửa
Sản phẩm cháy âm ỉ trong khoang chứa quặng pyrit, một vật thể lạ như kim loại lẫn đi vào máy nghiền và tạo ra đánh lửa hoặc một số nguồn đánh lửa khác có thể là một yếu tố duy nhất còn thiếu cần có để tạo ra một vụ nổ bụi.
Nếu nguồn đánh lửa gặp đám mây bụi sẽ có khả năng xảy ra các trường hợp sau (Hình 2):
- Nổ sơ cấp sẽ xảy ra trong thể tích và sẽ khiến cho bình chứa không được bảo vệ và gây nứt vỡ nếu như áp lực gây cháy vượt quá áp lực thiết kế của binh.
- Nổ thứ cấp có thể xảy ra khi cháy lan truyền vào các quá trình ngược dòng và xuôi dòng, tiêu hao thêm nhiên liệu và làm mạnh thêm áp lực cháy và ngọn lửa. Bụi lắng ở bên ngoài quá trình cũng có thể bắt cháy, gây ra tình trạng phá hủy trầm trọng hơn.
Mặc dù có rất nhiều loại máy nghiền than khác nhau nhưng cách thức nghiền mịn than, vận chuyển sản phẩm và hỗ trợ các yếu tố trong một vụ nổ bụi thì lại giống nhau. Các vị trí có khả năng gây nguy cơ nổ bụi trong máy nghiền than bao gồm (Hình 3):
- Khoang nghiền: Đám mây bụi dễ bắt cháy liên tục xuất hiện trong quá trình vận hành do bụi than được duy trì treo lơ lửng nhờ dòng gió nóng. Nếu một nguồn đánh lửa chạm tới khoang nghiền, đám mây bụi sẽ đánh lửa.
- Khoang chứa pyrit: Sản phẩm cháy âm ỉ tích tụ lại có thể thu thập trong khu vực này là nơi có gió nóng nhất và có thể đánh lửa đám mây bụi trên.
- Đầu vào và đầu ra: Các vụ nổ bụi trong máy nghiền than sẽ lan truyền qua các đầu vào và đầu ra vào trong các quá trình được kết nối.
Tại sao an toàn lại bắt đầu với việc đánh giá rủi ro
Bước đầu tiên trong công tác an toàn cháy nổ và tuân thủ các quy định là hoàn thành việc đánh giá rủi ro. Một chuyên gia sẽ đến nhà máy để thực hiện các công việc sau:
- Kiểm tra máy nghiền than và các thiết bị liền kề về các nguy cơ bụi bằng cách đánh giá xem nguyên liệu đang được xử lý có tạo ra đám mây bụi không. Điều này có nghĩa là sự hiểu biết kích thước hạt liệu cũng như cách thức nguyên liệu được xử lý. Điều quan trọng là phải cân nhắc xem xét các điều kiện vận hành bình thường, khởi động, dừng và các điều kiện ngoài mong muốn tiềm ẩn.
- Phân tích các nguồn đánh lửa tiềm tàng mà có thể gây đánh lửa đám mây bụi và bao gồm cả tự đánh lửa, ngọn lửa cháy trực tiếp, các bề mặt quá nhiệt, phóng tia lửa điện, các vật thể lạ từ các thiết bị có liên quan, phóng điện tĩnh điện và hơn nữa.
- Rà soát các biện pháp bảo vệ hiện có để đảm bảo chúng đang được sử dụng hợp lý và vẫn tuân thủ các quy phạm và các tiêu chuẩn thí nghiệm mới nhất.
- Kiểm tra các phòng và các tòa nhà về các nguy cơ bên ngoài nơi mà bụi có thể tích tụ ở bên ngoài quá trình bao gồm cả trên mặt đất, các bề mặt trên đầu, các thiết bị chiếu sáng và hơn nữa. Lịch sử đã chứng minh rằng một số vụ nổ bụi dễ cháy có sức phá hoại mạnh nhất đã xảy ra một phần vì các nguy cơ nổ thứ cấp này.
Đánh giá rủi ro cũng sẽ đưa ra các biện pháp phòng ngừa để thực hiện nhằm cố gắng giảm bớt nguy cơ cháy nổ. Trong máy nghiền than, các chương trình phòng ngừa này có thể bao gồm:
- Trước khi hệ thống khởi động, quá trình có thể được trơ với khí nito để thay thế oxy - một trong 5 thành phần cần thiết cho đốt cháy.
- Giám sát nhiệt có thể được lắp đặt trong khoang chứa pyrit để xác định các ổ cháy âm ỉ trước khi đám mây bụi đánh lửa và vệ sinh thường xuyên sẽ giữ cho khu vực không bị sản phẩm tích tụ lại.
- Các thiết bị giám sát carbon monoxide có thể được lắp đặt trong đường ống khí thải để phát hiện hiện tượng than tự bốc cháy, cháy âm ỉ ngay từ rất sớm.
- Giám sát nhiệt độ có thể được sử dụng ở đầu vào gió nóng để đảm bảo không khí không vượt quá nhiệt độ yêu cầu.
- Tăng cường dọn vệ sinh để giữ cho các đầu vào, đầu ra và các bộ phận bèn trong của máy nghiền không bị nhiễm bụi.
- Kiểm tra định kỳ các vít hoặc các thiết bị gia cố khác mà có thể bị lỏng, đi vào hệ thống và gây ra ma sát hoặc đánh lửa.
Để đảm bảo chuyến tham quan kiểm tra hiệu quả, các lãnh đạo nhóm kiểm tra như các kỹ sư, các nhân viên vận hành và các kỹ thuật viên bảo trì cần phải được xác định và thông báo về đánh giá rủi ro sắp tới, để họ có thể cung cấp các thông tin giá trị về quá trình nghiền than.
Ngoài ra, các tài liệu quan trọng cần phải được thu thập bao gồm cả các bản vẽ sơ đồ công nghệ nhà máy, các sơ đồ lưu lượng quá trình, các bản cắt OEM, nhật trình sự cố và hơn thế nữa, tất cả sẽ hỗ trợ các chuyên gia không chỉ xác định được vị trí nào có thể là nguy hiểm mà còn xác định được vị trí nào là an toàn và có thể bỏ qua. Cuối cùng là, nếu quá trình sù dụng bất kỳ nhiên liệu nào ngoài than, thì hỗn hợp nhiên liệu cần phải được ghi chú vì có thể phải thực hành thí nghiệm bụi nếu chưa biết rõ các giá trị về khả năng nổ của nguyên liệu.
Bảo vệ chống xảy ra trường hợp xấu nhất
Trong khi các biện pháp phòng ngừa được nói đến ở trên sẽ giúp giảm bớt rủi ro nhưng lại không chắc rằng chúng sẽ loại bỏ hoàn toàn khả năng cháy nổ. Do đó, một hệ thống bảo vệ chống nổ thường được khuyến nghị để không chỉ đảm bảo an toàn cho người lao động mà còn tuân thủ các quy định NFPA (US), ATEX (EU) hoặc DESEARS (UK).
Các hệ thống phòng chống nổ được thiết kế để giảm bớt bùng phát nổ ban đầu để đảm bảo bình chứa không bị nứt vỏ và để cách ly sự lan truyền áp suất và ngọn lửa nhằm đảm bảo hạn chế được sự bùng phát nổ cho bình chứa từ nơi phát sinh.
Hình 3. Máy nghiền than không có bảo vệ.
Hình 4. Máy nghiền than có bảo vệ chủ động.
Các lỗ thông hơi phòng nổ không thể áp dụng được trên máy nghiền than do thiếu không gian lắp đặt trên phần vỏ máy và có thể gây hư hại cho các lỗ thông hơi trong quá trình vận hành bình thường. Do đó, một hệ thống phòng nổ “chủ động” là cần thiết cho các máy nghiền than.
Trong hệ thống phòng nổ chủ động, các bộ cảm biến áp suất hoặc các bộ cảm biến quang học được lắp lên bình chứa và các đường ống để giám sát các trường hợp đánh lửa do áp suất hoặc phát xạ nhiệt bất thường, cả hai đều cho thấy dấu hiệu phát nổ. Khi phát hiện ra có cháy nổ, các bình chống cháy nổ được lắp trên bình chứa sẽ xả hết trong một phần nghìn giây để:
- Giảm áp suất gây nổ để bảo vệ toàn vẹn phần vỏ.
- Dập lửa trong thiết bị thu bụi, giảm bớt thiệt hại tiềm ẩn do hỏa hoạn.
- Loại bỏ sự thoát ra của ngọn lửa và giảm đáng kể đường dẫn áp lực.
Trong khi đó, các bình cách ly hóa chất được lắp trên các đường ống sẽ kích hoạt để tạo ra một rào chắn hóa học hấp thụ nhiệt bảo vệ các bình được kết nối khỏi ngọn lửa đang lan rộng.
Bên dưới trình bày vị trí các thiết bị này được lắp đặt và cách thức chúng hoạt động (các Hình 3 và 4).
Khoang nghiền (1)
Các bình chống cháy nổ Fike HRD và các bộ cảm biến áp suất được lắp lên phần mặt vỏ nơi có sẵn khoảng trống. Các máy rải kiểu ống lồng có các nắp đậy chịu va đập được sử dụng để đảm bảo vòi phun không cản trở dòng chảy của sản phẩm.
Khoang chứa pyrit (2)
Các bình chống cháy nổ Fike HRD và các bộ cảm biến áp suất được lắp lên phần mặt vỏ; tuy nhiên, nếu khoảng không bị hạn chế, HRDs có thể được lắp lên đầu vào gió nóng gần chỗ kết nối máy nghiền. Các máy rải kiểu ống lồng có các nắp đậy chịu va đập được sử dụng để đảm bảo vòi phun không cản trở dòng chảy của sản phẩm.
Đầu vào và đầu ra (3)
Các bình cách ly hóa chất Fike SRD được lắp trên một khoảng cách tối thiểu từ vị trí kết nối máy nghiền để cho phép phun kịp thời bột dập cháy nổ trước khi ngọn lửa xuất hiện do cháy nổ. Đối với các máy nghiền lớn hơn và để giảm bớt khoảng cách lắp đặt, các bộ cảm biến quang học có thể là cần thiết để bổ sung thêm cho các bộ cảm biến áp suất để khởi phát kích hoạt sớm hơn.
Kết luận
Cuối cùng là, thông thường đối với các nhà máy xi măng, đặc biệt là các nhà máy được đốt gián tiếp, là phải đưa vào một cyclone và/hoặc thiết bị thu bụi trước khi phun bụi than vào trong lò. Các thiết bị thu bụi và các lọc bụi túi thường được bố trí ở những khu vực có nguy cơ rủi ro nhiều nhất trong một quy trình công nghiệp do vận chuyển và tồn trữ bụi mịn nhất (và có nguy cơ cháy nổ nhiều nhất). Đánh giá rủi ro cũng sẽ phân tích quá trình thu gom bụi cùng với máy nghiền than.
Trong hệ thống phòng nổ chủ động, các bộ cảm biến áp suất hoặc các bộ cảm biến quang học được lắp lên bình chứa và các đường ống để giám sát các trường hợp đánh lửa do áp suất hoặc phát xạ nhiệt bất thường, cả hai đều cho thấy dấu hiệu phát nổ. Khi phát hiện ra có cháy nổ, các bình chống cháy nổ được lắp trên bình chứa sẽ xả hết trong một phần nghìn giây để:
- Giảm áp suất gây nổ để bảo vệ toàn vẹn phần vỏ.
- Dập lửa trong thiết bị thu bụi, giảm bớt thiệt hại tiềm ẩn do hỏa hoạn.
- Loại bỏ sự thoát ra của ngọn lửa và giảm đáng kể đường dẫn áp lực.
Trong khi đó, các bình cách ly hóa chất được lắp trên các đường ống sẽ kích hoạt để tạo ra một rào chắn hóa học hấp thụ nhiệt bảo vệ các bình được kết nối khỏi ngọn lửa đang lan rộng.
Bên dưới trình bày vị trí các thiết bị này được lắp đặt và cách thức chúng hoạt động (các Hình 3 và 4).
Khoang nghiền (1)
Các bình chống cháy nổ Fike HRD và các bộ cảm biến áp suất được lắp lên phần mặt vỏ nơi có sẵn khoảng trống. Các máy rải kiểu ống lồng có các nắp đậy chịu va đập được sử dụng để đảm bảo vòi phun không cản trở dòng chảy của sản phẩm.
Khoang chứa pyrit (2)
Các bình chống cháy nổ Fike HRD và các bộ cảm biến áp suất được lắp lên phần mặt vỏ; tuy nhiên, nếu khoảng không bị hạn chế, HRDs có thể được lắp lên đầu vào gió nóng gần chỗ kết nối máy nghiền. Các máy rải kiểu ống lồng có các nắp đậy chịu va đập được sử dụng để đảm bảo vòi phun không cản trở dòng chảy của sản phẩm.
Đầu vào và đầu ra (3)
Các bình cách ly hóa chất Fike SRD được lắp trên một khoảng cách tối thiểu từ vị trí kết nối máy nghiền để cho phép phun kịp thời bột dập cháy nổ trước khi ngọn lửa xuất hiện do cháy nổ. Đối với các máy nghiền lớn hơn và để giảm bớt khoảng cách lắp đặt, các bộ cảm biến quang học có thể là cần thiết để bổ sung thêm cho các bộ cảm biến áp suất để khởi phát kích hoạt sớm hơn.
Kết luận
Cuối cùng là, thông thường đối với các nhà máy xi măng, đặc biệt là các nhà máy được đốt gián tiếp, là phải đưa vào một cyclone và/hoặc thiết bị thu bụi trước khi phun bụi than vào trong lò. Các thiết bị thu bụi và các lọc bụi túi thường được bố trí ở những khu vực có nguy cơ rủi ro nhiều nhất trong một quy trình công nghiệp do vận chuyển và tồn trữ bụi mịn nhất (và có nguy cơ cháy nổ nhiều nhất). Đánh giá rủi ro cũng sẽ phân tích quá trình thu gom bụi cùng với máy nghiền than.
Jim Vingerhoets, Công ty Fike
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 7/2023
ximang.vn
