煤筒倉惰化防火裝置的分析

張世華

惠生工程（中國）有限公司

目前，為了避免露天或半露天堆放煤炭污染環(huán)境、減少占地面積、降低風化煤質(zhì)，在電力、煤礦、洗煤廠、碼頭和煤化工等行業(yè)煤筒倉作為煤的儲存、暫存或混煤裝置得以普遍應用。由于煤屬于可燃、導電的丙類物質(zhì)，有些還是高揮發(fā)、易自燃的褐煤或煙煤；煤在相對密封的有限空間內(nèi)，在氧氣的作用下會緩慢氧化并發(fā)熱，煤的導熱系數(shù)較小，不利于散熱，當溫度達到煤的燃點時，煤就發(fā)生自燃；筒倉具有“風筒效應”，出料口如果不是密封卸料裝置，空氣會從出料口進入筒倉煤堆的縫隙內(nèi)造成火災擴大；與此同時，生產(chǎn)的熱也迅速增加，當溫度、可燃氣體濃度以及粉塵濃度達到一定的數(shù)值后，就會引發(fā)爆炸。煤筒倉進/出料口都比較小，發(fā)生火災或爆炸后，進/出料口會冒出大量的有毒可燃氣體和黑煙，消防人員無法接近，撲滅火災困難。

由于水來源廣、價格低，在現(xiàn)有相關(guān)項目中煤儲運系統(tǒng)主要用消火栓、水噴淋和水幕來防止火災或爆炸，但是已經(jīng)自燃的煤筒倉噴水后，會產(chǎn)生大量的水蒸汽，燃燒的煤會與水蒸氣作用產(chǎn)生易燃易爆的水煤氣，既不經(jīng)濟又不安全。另外噴入筒倉內(nèi)的少量水相對于大量的原煤而言，只能起到氧化劑的作用，不但不能滅火，反而會加速原煤的爆炸。2011年9月15日，美國南達科他州由于向100t煤筒倉噴水滅火，發(fā)生爆炸，導致倉庫上部結(jié)構(gòu)被炸毀，2名消防員死亡，1名消防員重傷[1]。

煤筒倉惰化防火裝置是依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范要求，根據(jù)以往項目經(jīng)驗，利用減少助燃物含量來防止燃燒的原理，設(shè)計安裝的包括安全監(jiān)測系統(tǒng)、惰化保護系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、安全泄爆設(shè)備和可燃氣體外排設(shè)備的防火裝置。

1 標準、對象及原理分析

1.1 煤筒倉防火現(xiàn)行標準

在電力、煤礦、洗煤廠、碼頭和煤化工等行業(yè)煤筒倉防火設(shè)計主要依據(jù)標準為《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，為耐火等級不低于二級的丙類建構(gòu)筑物或設(shè)備，但在不同行業(yè)防火設(shè)計依據(jù)有所不同，需要在設(shè)計時注意。

電力行業(yè)分別于2005年6月和2007年4月實施了《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程》和《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范》，對煤筒倉所采取防火措施做出了規(guī)定，明確了當采用筒倉貯存褐煤或自燃傾向性高的煤種時，應設(shè)置惰化、防爆、通風以及檢測溫度、可燃氣體（或惰化介質(zhì)）等設(shè)施[2]，這些設(shè)施包括但不限于：CO、CH4、煙霧、溫度監(jiān)控裝置和報警信號，高高報警連鎖啟動惰化系統(tǒng)；設(shè)置通風排氣系統(tǒng)，排除筒倉上部可燃氣體，不留死角；筒倉宜裝設(shè)自動啟閉式，防爆門總有效泄壓面積可按泄壓比不小于0.001計算；設(shè)置惰化系統(tǒng)；筒倉下部有防止空氣漏入的設(shè)施。

煤化工行業(yè)防火設(shè)計已建項目都執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》，但是《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》沒有煤筒倉防火相關(guān)設(shè)計規(guī)范條款，為了防止煤筒倉的失火和爆炸，設(shè)計布置都參考電力行業(yè)標準執(zhí)行。2014年7月中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布了HG/T 20568-2014《化工粉體物料堆場及倉庫設(shè)計規(guī)范》第7章對筒倉做了詳細的規(guī)定，其中第7.1.4條規(guī)定筒倉儲存易揮發(fā)出易燃、易爆、有毒氣體的物料時，應選用下列4條設(shè)施[3]，此條款為煤化工煤筒倉設(shè)置惰化防火裝置依據(jù)。

4條設(shè)施包括：設(shè)置通風排氣管口及通風設(shè)備；設(shè)置有毒氣體檢測儀、可燃氣體檢測儀、溫度檢測儀；倉頂應設(shè)置泄壓設(shè)施或爆破片；設(shè)置向倉內(nèi)充入惰性保護氣體的設(shè)施。

煤礦、洗煤廠行業(yè)防火設(shè)計執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《煤炭礦井設(shè)計防火規(guī)范》，沒有煤筒倉防火相關(guān)設(shè)計規(guī)范條款，考慮筒倉惰化防火會造成礦井地下巷道缺氧，煤筒倉一般采用灌注復合膠體滅火，地上煤筒倉可參考電力行業(yè)標準執(zhí)行。

港口碼頭行業(yè)防火設(shè)計執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《港口消防規(guī)劃建設(shè)管理規(guī)定》，也沒有煤筒倉防火相關(guān)設(shè)計規(guī)范條款，為了防止煤筒倉的失火和爆炸，設(shè)計布置也參考電力行業(yè)標準執(zhí)行。

1.2 煤筒倉惰化防火適用的煤種

煤炭由植物遺體經(jīng)煤化作用而成的富含碳的固體可燃有機沉積巖，含有一定量的礦物質(zhì)，相應的灰分率小于或等于50%（干基質(zhì)量分數(shù)）。根據(jù)干燥無灰基揮發(fā)分等指標，將煤分為無煙煤、煙煤和褐煤，其中煙煤又分為貧煤、貧瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、氣肥煤、氣煤、1/2中黏煤、弱黏煤、不黏煤及長焰煤。無煙煤Vdaf≤10%，煙煤Vdaf＞10%，褐煤Vdaf＞37%。

煤的自燃傾向性是煤的一種自然屬性，反映了煤的變質(zhì)程度，與煤的吸氧量、含水量、全硫含量以及粒度等特性有關(guān)，煤的自燃傾向性根據(jù)煤的吸氧量和全硫含量不同可分為三個等級[2]，見下表。

表 煤自燃傾向性分類表

按國家煤炭分類，揮發(fā)分大于37%的長煙煤屬高揮發(fā)分自燃煤種。對于揮發(fā)分為28%～37%的煙煤，在實際使用中具有自燃性亦應視作高揮發(fā)分自燃煤種[4]。煤筒倉設(shè)計當儲煤自燃傾向性等級為Ⅰ和Ⅱ級（例如：褐煤和揮發(fā)分為28%～37%的煙煤）應采用煤筒倉惰化防火裝置。

1.3 煤筒倉惰化防火基本原理

可燃物、助燃物和點火源是構(gòu)成燃燒的三個要素，缺少任何一個，燃燒便不能發(fā)生；另外，燃燒反應在溫度、壓力、組成和點火能量等方面都存在極限值。在某些條件下，如可燃物未達到一定的濃度，助燃物數(shù)量不夠，點火源不具備足夠的溫度或熱量，即使具備了燃燒的三個條件，燃燒也不會發(fā)生。例如煤在氧含量低于14%時就不會發(fā)生自燃，煤的氧化反應熱溫度低于230℃也不會發(fā)生燃燒。對于已經(jīng)燃燒的煤，若消除其中一個條件，燃燒便會終止，這就是滅火的基本原理。煤筒倉惰化防火裝置就是依據(jù)這個基本原理，煤筒倉自燃助燃物含量不應大于煤自燃臨界氧濃度，且含氧量不得大于7%，為使已經(jīng)燃燒煤筒倉火熄滅助燃物的氧含量不應大于3%。

煤自燃的原理：含有鐵、硫等雜質(zhì)的煤由于吸收了空氣中的氧氣，使煤的組成物質(zhì)氧化產(chǎn)生熱量，再被水濕潤，就加速煤的氧化放出更多的濕潤熱，促進煤的自燃。煤自燃分為水吸附階段、化學吸附階段、煤氧復合物生產(chǎn)階段、燃燒初始階段和快速燃燒階段?；瘜W吸附階段的反應溫度為環(huán)境溫度至70℃，一般為7～10天，煤吸附氧氣會產(chǎn)生過氧化物，產(chǎn)生CO氣體，通過監(jiān)測CO濃度可對煤的自燃進行早期預報。煤氧復合物生產(chǎn)階段反應溫度范圍為150～230℃，生成一種穩(wěn)定的化合物，即煤氧復合物。燃燒初始階段煤溫達230℃，一氧化碳含量逐漸增加，同時散發(fā)出大量可燃性氣體（CH4、CXHY）?？焖偃紵A段依氧氣供應充足與否，這個階段可能發(fā)生干餾、不完全燃燒或完全燃燒，通常會伴隨著溫度升高釋放大量熱氣、CO2和黑煙。

當局部環(huán)境中的有毒可燃氣體或粉塵達到爆炸極限與空氣形成爆炸性混合物時，并達到引燃溫度就會發(fā)生爆炸，與煤有關(guān)的典型易爆物質(zhì)相關(guān)參數(shù)：

（1）CH4的爆炸危險級別為ⅡA，引燃溫度為537℃，引燃溫度組別為T1，氣態(tài)，爆炸極限下限為5%，上限為15%，相對密度為0.6。

（2）CO爆炸危險級別為ⅡA，引燃溫度組別為T1，氣態(tài)，爆炸極限下限為12.5%，上限為74%，相對密度為1。

（3）褐煤粉高溫表面堆積粉塵層（5mm）的引燃溫度230℃，粉塵云的引燃溫度為185℃，爆炸極限49～68g/m3，粉塵分級為ⅢC。

（4）有煙煤粉高溫表面堆積粉塵層（5mm）的引燃溫度235℃，粉塵云的引燃溫度為595℃，爆炸極限41～57g/m3，粉塵分級為ⅢC[5]。

研究堆煤著火原因可知煤筒倉煤堆可分為3層：冷卻層、氧化層和窒息層，如圖1。冷卻層為煤堆表層，約0.5～1.5m，該層煤較松散，與空氣接觸充分，雖氧化反應，但散熱好，不易自燃；氧化層位于冷卻層以下，厚度1～4m左右，具備煤自燃的所有條件，達到自燃溫度即會自燃；窒息層為位于氧化層以下，煤場相對壓實，供氧不充分，且含水率高，氧化程度低，不易發(fā)生自燃。儲煤倉煤堆，一般中心部位處顆粒較細，越往四周顆粒越粗，相應的，從中心往四周，空隙越來越大，通風散熱條件越來越好，冷卻層和氧化層越來越厚。發(fā)生自燃的部位既不在煤堆表面，也不在煤堆深部，而在煤堆深1～4m之間的氧化層。

圖1 筒倉煤堆分層

2 組成與應用

2.1 煤筒倉惰化防火裝置組成

依據(jù)煤筒倉現(xiàn)行標準要求，并根據(jù)惰化防火基本原理設(shè)計的煤筒倉惰化防火裝置包括安全監(jiān)測系統(tǒng)、惰化保護系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、安全泄爆設(shè)備和可燃氣體外排設(shè)備等，通過檢查溫度、煙霧、CO和CH4的濃度利用減少助燃物含量來防止煤筒倉燃燒和爆炸。其惰化防火結(jié)構(gòu)原理，如圖2。

圖2 煤筒倉惰化防火裝置結(jié)構(gòu)及原理

安全監(jiān)測系統(tǒng)包括CO檢測儀、CH4檢測儀、O2檢測儀、煙霧檢測儀、溫度檢測儀和現(xiàn)場接線箱等。每倉配套多點固定式筒倉測溫電纜（由溫度傳感器、導線、抗拉鋼絲繩及護套組成）、傳感器懸掛在筒倉頂部，深入儲煤筒倉內(nèi)部進行全方位、多層次、立體式的溫度監(jiān)測，耐磨抗壓、安裝方便且易維護。

惰化保護系統(tǒng)由惰性氣儲罐、電動球閥、換氣環(huán)、充氣環(huán)、鎖氣環(huán)、壓力表、減壓閥和管道等組成。惰化保護系統(tǒng)需要的惰性氣體為致使煤不能維持燃燒的不燃燒、不反應氣體，一般為純凈氮氣，也可以采用CO2、污氮氣體等，來源于空分裝置，并應滿足壓力0.45MPa的要求。在筒倉附近布置惰性氣儲罐，其設(shè)計氣量應滿足1個筒倉30%儲煤量工況下滅火所需的氣量。筒倉惰化防火裝置在安全檢測系統(tǒng)監(jiān)測到煤位上方凝集的可燃可爆氣體濃度達到高高報警值時，能夠及時啟動換氣，保證筒倉的安全。每個筒倉均設(shè)置多個換氣環(huán)、1個充氣環(huán)及1個鎖氣環(huán)，換氣環(huán)的多少根據(jù)筒倉高度來確定，一般布置間隔為6～7m，每個氣環(huán)充氣頭的多少依據(jù)筒倉直徑大小確定，每點輻射容積約為半徑為5m的半球形。

PLC控制系統(tǒng)由PLC控制器接收安全檢測系統(tǒng)所檢測的信號，并與設(shè)定值進行比較后報警或連鎖控制啟動惰化保護系統(tǒng)，對筒倉進行鎖氣、充氣、換氣和啟動引風機進行排氣操作防止煤自燃和爆炸。PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)試、就地控制、PLC集中控制三種控制方式。

安全泄爆設(shè)備當發(fā)生爆炸時，在預定壓力下迅速開啟或爆破，以降低爆炸壓力的裝置，分為自動啟閉式和隔膜式兩種，自動啟閉式又分為重力式、超導磁預緊式和監(jiān)控式。

可燃氣體外排設(shè)備由筒倉頂部的袋式除塵器和排風風機組成，可手動或自動啟動排風風機排除筒倉中煤堆表面與筒倉頂蓋之間積聚的CO、CH4等易燃易爆氣體。

為減少煤堆中的氧氣，煤筒倉清堵應采用氮氣炮，清堵時約0.5MPa的氮氣在筒倉中滲透擴散，能保證在煤筒倉停止卸煤時，筒倉底部的煤為惰性環(huán)境不會氧化發(fā)熱，安全儲存周期長。煤的導熱系數(shù)較小，在筒倉四周設(shè)置耐磨熱電阻測溫，由于長度較短（一般約300mm），不能檢測到氧化層煤的溫度，不應該選用，應在煤筒倉頂部設(shè)置固定式筒倉測溫電纜測溫。筒倉具有“風筒效應”，出料口應設(shè)置密封卸料設(shè)備（環(huán)式給煤機、葉輪給煤機和帶刀型閘板閥的振動給料機等），防止空氣會從出料口進入筒倉煤堆的縫隙內(nèi)造成火災擴大。

2.2 煤筒倉惰化防火裝置工作過程

煤筒倉惰化防火裝置正常應處于待機狀態(tài)，當監(jiān)測滿足條件時分別進行鎖氣、充氣和換氣操作。

鎖氣：煤筒倉內(nèi)靜止儲煤3～5天或靜止儲煤時間達到所儲煤種的發(fā)火期前5天時，惰化保護系統(tǒng)打開鎖氣環(huán)開關(guān)閥，用氮氣鎖住出煤口，從而阻止空氣利用筒倉“風筒效應”與儲煤進行全方位的接觸。

充氣：煤筒倉內(nèi)所儲煤炭發(fā)生自燃傾向產(chǎn)生高報警信號時（溫度≥70℃、CH4或CO的濃度大于爆炸下限的25%）；惰化保護系統(tǒng)打開充氣環(huán)開關(guān)閥，惰性氣體向煤層滲透，減少氧化層煤堆的氧含量低于7%，并降低煤層溫度，以抑制煤自燃的發(fā)生。

換氣：煤筒倉儲煤處于自燃初始階段產(chǎn)生高高報警信號時（溫度≥230℃、CH4或CO的濃度大于爆炸下限的40%），惰化保護系統(tǒng)打開換氣開關(guān)閥，同時啟動可燃氣體外排設(shè)備。隨著筒倉內(nèi)煤層上部空間的危險氣體從筒倉頂部排風機置換排出，惰性氣體充入煤堆的冷卻層、氧化層和煤堆與筒倉頂蓋之間，達到惰性氣體置換危險氣體，煤筒倉阻燃物氧含量不大于3%，自燃煤熄火。

2.3 煤筒倉惰化防火裝置優(yōu)勢

煤筒倉惰化防火裝置優(yōu)點如下：

（1）煤筒倉惰化防火裝置通過安全監(jiān)測系統(tǒng)、惰化保護系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、和安全泄爆設(shè)備，實現(xiàn)自動檢測，自動滅火，防止火災發(fā)生、蔓延甚至爆炸，確保煤筒倉安全。

（2）煤筒倉充入惰性氣體防止儲煤氧化變質(zhì)，避免生產(chǎn)原料浪費。

（3）煤筒倉惰化防火裝置采用惰性氣體防火，不采用水防火，防止故障的擴大甚至爆炸。

（4）煤筒倉采用固定式筒倉測溫電纜，變傳統(tǒng)點測溫為線測溫方式，可深入儲煤筒倉內(nèi)部進行全方位、多層次、立體式的溫度監(jiān)測，工作溫度-40℃～900℃，耐磨抗壓、安裝方便且極易維護。

（5）通過PLC控制器與DCS通訊，在DCS實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)視其運行和報警，現(xiàn)場無需工作人員，減少公司人員配置和運行費用。

2.4 煤筒倉惰化防火裝置的應用

新疆某公司年產(chǎn)30萬噸合成氨、52萬噸尿素，工程項目原料煤采用三個Φ22m單倉容量11500m3的混凝土筒倉儲存，正常運行儲存周期為9天。原料煤為揮發(fā)份為34%的煙煤，為高揮發(fā)分自燃煤種。為保證煤筒倉防火安全，設(shè)計采用了以上介紹的煤筒倉惰化防火裝置。該項目煤筒倉惰化防火裝置自2015年8月試生產(chǎn)至今運行正常，保證煤在筒倉惰化環(huán)境下長期儲存而沒有發(fā)生自燃現(xiàn)象。

3 結(jié)論

現(xiàn)今各行業(yè)對筒倉儲煤防火措施規(guī)定不完全相同，但是煤的自燃原理和燃燒條件都是相同的，為防止儲煤氧化變質(zhì)，避免生產(chǎn)原料浪費，實現(xiàn)自動檢

測，自動滅火，防止火災發(fā)生、蔓延甚至爆炸，確保煤筒倉安全，在以后的項目設(shè)計中當儲煤自燃傾向性等級為Ⅰ和Ⅱ級（例如：褐煤和揮發(fā)分為28%～37%的煙煤）應采用煤筒倉惰化防火裝置。

[1] 郁振山.南達科他州煤倉火災爆炸事故[J].現(xiàn)代職業(yè)安全,2015,(10):92-95

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5203-2005火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2005

[3] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HG/T 20568-2014 化工粉體物料堆場及倉庫設(shè)計規(guī)范[S].北京:化工出版社,2014

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50229-2006 火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2007

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50058-2014 爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014