氣體惰化系統(tǒng)在煤炭行業(yè)筒倉的應(yīng)用

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（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002）

選煤工藝中儲(chǔ)煤倉容易積蓄易燃易爆等危險(xiǎn)氣體的場所往往是事故高發(fā)區(qū)域。這些區(qū)域發(fā)生突發(fā)性事故的概率大，事故造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡嚴(yán)重。

儲(chǔ)煤倉自燃事故由于性質(zhì)嚴(yán)重、影響面廣一直是選煤廠安全運(yùn)行十分棘手的問題。2014年山西省煤炭工業(yè)廳下發(fā)了《煤炭企業(yè)附屬洗（選）煤廠瓦斯管理規(guī)定的通知》，要求強(qiáng)化煤倉易燃易爆氣體的監(jiān)測。目前，打造本安型選煤廠已經(jīng)被行業(yè)提上了議程。

1 阻燃阻爆原理

可燃混合物的燃燒爆炸條件可根據(jù)國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分為管式探測法和球式探測法，依據(jù)是可燃?xì)怏w、氧氣、惰性氣體的三角坐標(biāo)圖。如圖1所示。

可燃區(qū)為GACBFG,交點(diǎn)分別為可燃?xì)怏w的爆炸下限B點(diǎn)和上限A點(diǎn)，C點(diǎn)為極限低氧氣濃度點(diǎn)。阻燃阻爆氣體惰化的原理為強(qiáng)制增加惰性氣體N2的含量使煤倉內(nèi)混合氣體的比例位于不可燃區(qū)，杜絕燃燒發(fā)生條件的產(chǎn)生。

圖1 可燃?xì)怏w-氧氣-惰化氣體的爆炸區(qū)圖

2 惰化系統(tǒng)工作過程

惰化系統(tǒng)利用傳感器對儲(chǔ)煤倉內(nèi)氣體進(jìn)行相關(guān)檢測，當(dāng)檢測到易燃、易爆氣體濃度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)采取相應(yīng)措施置換倉內(nèi)易燃、易爆氣體為惰性氣體（氮?dú)猓?，從根本上消除燃燒（爆炸）發(fā)生條件?；玖鞒虨椋旱谝徊剑簷z測（傳感器）；第二步：分析（DCS系統(tǒng)PLC）；第三步：執(zhí)行（相關(guān)閥門及電動(dòng)執(zhí)行器）。整個(gè)儲(chǔ)煤倉阻燃、阻爆系統(tǒng)過程要圍繞具體過程就是鎖、充、換三等級(jí)來實(shí)現(xiàn)。

（1）鎖氣即鎖住出料口。當(dāng)系統(tǒng)檢測到儲(chǔ)煤倉產(chǎn)生初級(jí)信號(hào)時(shí)，充氮系統(tǒng)自動(dòng)開始向產(chǎn)生報(bào)警的儲(chǔ)煤倉內(nèi)充高純度的氮?dú)猓i住出煤口來阻止空氣從出煤口向上儲(chǔ)煤層滲透，避免儲(chǔ)煤倉的“風(fēng)筒效應(yīng)”。

（2）充氣即向煤層中充氣。當(dāng)系統(tǒng)檢測到儲(chǔ)煤倉產(chǎn)生高級(jí)報(bào)警信號(hào)時(shí)，充氮系統(tǒng)自動(dòng)開始向產(chǎn)生報(bào)警的儲(chǔ)煤倉內(nèi)充高純度的氮?dú)猓蛎簩永锩鏉B透高純度的氮?dú)?，達(dá)到使可燃性氣體濃度及燃源降低的目的，使其儲(chǔ)料始終在安全狀態(tài)。

（3）換氣即置換掉儲(chǔ)煤倉內(nèi)物料以上可燃性氣體濃度及燃源。當(dāng)系統(tǒng)檢測到儲(chǔ)煤倉產(chǎn)生高級(jí)報(bào)警信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的儲(chǔ)煤倉內(nèi)的煤層表面上方換氣，這時(shí)儲(chǔ)煤倉內(nèi)氣體由低向高逐漸增多，儲(chǔ)煤倉內(nèi)原來的危險(xiǎn)氣體從儲(chǔ)煤倉頂部排出，達(dá)到用惰性氣體換掉儲(chǔ)煤倉內(nèi)危險(xiǎn)氣體的目的。

3 邏輯關(guān)系及惰化計(jì)算

整個(gè)惰化系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖如下：

圖2 惰化控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖

惰化多采用常壓通流置換惰化法，惰化通流時(shí)間為：

式中：

t-惰化時(shí)間，h；

V-煤倉內(nèi)氣體空間體積，m3；

Q-惰化氣體氮?dú)饬髁?，m3/h；

F-通流安全系數(shù)（一般取5）；

Cf-通流惰化后氧氣比例，%；

Co-初始氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；

Ci-惰性氣體內(nèi)氧氣比例，%。

4 實(shí)例應(yīng)用

以河南駿化發(fā)展股份有限公司合成氨原料路線改造工程中原煤準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的儲(chǔ)煤筒倉阻燃阻爆系統(tǒng)為例進(jìn)行論述。

本系統(tǒng)組成分為2個(gè)子系統(tǒng)：惰性氣體供給和管道系統(tǒng)，氣體監(jiān)測和PLC處理執(zhí)行系統(tǒng)。具體布置圖及監(jiān)測分析設(shè)備布置見圖3、圖4。

惰性氣體供給和管道系統(tǒng)示意圖：

圖3 惰化系統(tǒng)氣源及管路布置

實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試中對系統(tǒng)氧氣濃度閾值進(jìn)行確定，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，極限氧濃度LOC和溫度的關(guān)系為：

式中：

LOCTO-常溫下褐煤極限氧含量，本工程取12%；

T-實(shí)際筒倉內(nèi)溫度，℃；

T0-參考溫度，一般取20℃。

假設(shè)煤炭內(nèi)部溫度檢測為130℃，則計(jì)算130℃時(shí)褐煤極限含氧量為10.57%，當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)氧含量為間斷監(jiān)測時(shí)，考慮安全裕量(原則為被保護(hù)系統(tǒng)氧濃度若為間斷監(jiān)測,系統(tǒng)停機(jī)氧濃度TP按以下整定：系統(tǒng)最大允許氧濃度MAOC不低于5%時(shí),系統(tǒng)停機(jī)氧濃度TP不應(yīng)超過MAOC的60%,否則系統(tǒng)停機(jī)氧濃度TP不應(yīng)超過MAOC的40%。)，設(shè)定最大允許極限氧含量不大于6.34%。

氣體監(jiān)測和PLC處理執(zhí)行系統(tǒng)示意圖：

圖4 氣體監(jiān)測和PLC處理執(zhí)行系統(tǒng)

5 結(jié)論

氣體惰化系統(tǒng)是打造本安型選煤廠的重要手段，但目前我國氣體惰化系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚處于制定階段，沒有具體的規(guī)范參考依據(jù)，實(shí)際使用中設(shè)計(jì)人員也要和生產(chǎn)廠家結(jié)合現(xiàn)場使用環(huán)境條件確定三級(jí)報(bào)警的閾值。另外封閉煤倉煤層內(nèi)部溫度的監(jiān)測一直也是一個(gè)難題，對選煤工藝來說采用纜式測溫傳感器和倉壁插入式溫度監(jiān)測裝置相結(jié)合的監(jiān)測裝置較多，亟待引出新的監(jiān)測手段。