煤倉(cāng)惰化保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

劉 佳

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

煤倉(cāng)是煤礦及選煤廠必不可少的建筑物。近年來(lái)我國(guó)煤礦煤倉(cāng)的儲(chǔ)量相對(duì)增大，存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)，故煤倉(cāng)安全問(wèn)題進(jìn)一步突出。煤運(yùn)至煤倉(cāng)儲(chǔ)存，會(huì)有瓦斯溢出，煤長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，會(huì)氧化分解釋放熱量并釋放可燃?xì)怏w，當(dāng)達(dá)到燃燒濃度及溫度時(shí)，煤會(huì)發(fā)生自燃或者陰燃，煤倉(cāng)一旦發(fā)生火災(zāi)，將威脅煤炭企業(yè)的安全運(yùn)行，并會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，采取的消防安全保護(hù)措施大多是在煤倉(cāng)頂部及倉(cāng)底設(shè)置消火栓及滅火器進(jìn)行滅火，而煤倉(cāng)內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi)，這些滅火設(shè)施并不能及時(shí)有效的控制火情，煤倉(cāng)內(nèi)煤發(fā)生燃燒時(shí)采用水作為阻燃劑消防，會(huì)使煤進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)。當(dāng)今電廠煤倉(cāng)消防采取對(duì)倉(cāng)體內(nèi)注入惰性氣體的方式，破壞煤倉(cāng)內(nèi)煤的燃燒條件，以達(dá)到煤倉(cāng)消防的目的。電廠煤倉(cāng)氣體消防采用的氣體有氮?dú)?、CO2等，經(jīng)過(guò)對(duì)不同的氣體、不同的消防保護(hù)方案進(jìn)行多次探討、調(diào)研及分析，采用惰化氣體(CO2、N2)保護(hù)方式對(duì)煤倉(cāng)進(jìn)行消防保護(hù)取得了較好的效果。煤礦煤倉(cāng)應(yīng)借鑒電廠煤倉(cāng)消防保護(hù)的措施，利用惰化保護(hù)方式對(duì)煤倉(cāng)進(jìn)行消防保護(hù)，以保證安全運(yùn)行。

1 煤倉(cāng)消防現(xiàn)狀分析

煤是一種不穩(wěn)定有機(jī)物，在一定條件下會(huì)氧化分解，在常溫至60 ℃，煤在與空氣接觸時(shí)，會(huì)吸附空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，生成不穩(wěn)定的氧化物，這個(gè)過(guò)程中煤的氧化過(guò)程是平穩(wěn)而緩慢的，放熱量很少，有微量的CO釋放；當(dāng)煤周?chē)鷾囟葟?0 ℃逐漸上升至80 ℃的過(guò)程中，煤的氧化反應(yīng)速度加快，煤中的水分開(kāi)始蒸發(fā)，并且開(kāi)始分解釋放出CO、CO2等氣體，該過(guò)程煤發(fā)生氧化反應(yīng)不斷釋放出熱量，溫度也逐漸提高，一旦溫度達(dá)到自燃溫度，煤就開(kāi)始自燃，此時(shí)煤發(fā)生深度熱分解反應(yīng)，從中釋放出烴類、CO、CO2等氣體。在煤倉(cāng)倉(cāng)體內(nèi)堆放的煤不斷會(huì)有CO釋放，當(dāng)倉(cāng)體中心部位的煤周?chē)腃O不能及時(shí)散發(fā)且該處煤溫度不能及時(shí)降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周?chē)鷾囟炔粩嗌?、CO濃度不斷提高。煤在煤倉(cāng)內(nèi)下滑過(guò)程中的互相碰撞及煤長(zhǎng)時(shí)間堆放均會(huì)導(dǎo)致熱量不能及時(shí)散發(fā)，或局部溫度升高[1]，這些因素都會(huì)加劇煤的氧化反應(yīng)[2]。

目前煤礦、選煤廠及煤炭集運(yùn)站煤倉(cāng)大多采用通風(fēng)排放瓦斯的方式降低瓦斯的濃度。即在煤倉(cāng)倉(cāng)頂安放風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)將溢出的瓦斯外排，以減少倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛取４送飧鶕?jù)GB 50810—2012《煤炭工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]及GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定：應(yīng)在原煤倉(cāng)設(shè)置室內(nèi)消防給水系統(tǒng)；在原煤倉(cāng)頂按照相關(guān)規(guī)范設(shè)有一定數(shù)量的消火栓及滅火器。

若煤倉(cāng)儲(chǔ)煤時(shí)間較短，這種方式尚且可行。但在實(shí)際生產(chǎn)中，煤倉(cāng)內(nèi)煤的存儲(chǔ)時(shí)間受下游用戶的影響較大，存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，煤倉(cāng)內(nèi)煤極易發(fā)生自燃。煤倉(cāng)內(nèi)煤一旦發(fā)生著火，在幾萬(wàn)噸自燃的煤上澆水的做法無(wú)異于火上澆油，消防水噴灑入倉(cāng)內(nèi)的水相對(duì)于大量的煤而言，只能起到氧化劑的作用，不但不能滅火，反而會(huì)加劇煤的氧化甚至?xí)l(fā)生爆炸。而把幾萬(wàn)噸的煤從煤倉(cāng)中全部卸出，既沒(méi)有那么大的場(chǎng)地，也需要很長(zhǎng)的時(shí)間，出于消防和安全考慮，這種做法也是不經(jīng)濟(jì)的。

煤倉(cāng)倉(cāng)頂安放風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)將溢出的瓦斯外排，以減少倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛?。這種方式只能降低煤倉(cāng)頂部瓦斯的濃度，一旦發(fā)生火災(zāi)，這種做法不能起到任何滅火消防效果。對(duì)于煤倉(cāng)內(nèi)部溢出的瓦斯，倉(cāng)頂安放的風(fēng)機(jī)并不能及時(shí)排放。

對(duì)于煤倉(cāng)消防安全，只能做到預(yù)防為主，盡早預(yù)知和及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故，并采取相應(yīng)措施將危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)，是煤倉(cāng)消防保護(hù)的主要任務(wù)。

2 煤倉(cāng)惰化保護(hù)現(xiàn)狀

當(dāng)今電廠中的煤倉(cāng)大多采用惰化保護(hù)方式，即采用惰化氣體作為煤倉(cāng)中煤的保護(hù)介質(zhì)，以減少煤倉(cāng)中瓦斯氣體的含量，防止倉(cāng)內(nèi)發(fā)生陰燃。惰化氣體一般為蒸汽、CO2和N2等。

早期電廠煤倉(cāng)采用惰化氣體保護(hù)模式時(shí)，選用蒸汽滅火系統(tǒng)，但隨著工作的深入，發(fā)現(xiàn)煤倉(cāng)采用蒸汽消防這種方法在消防可靠性和安全性方面存在一些問(wèn)題[5]。首先，蒸汽消防系統(tǒng)目前尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，工程實(shí)施過(guò)程中，沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)依據(jù)及驗(yàn)收規(guī)范。NFPA850[6]中對(duì)蒸汽消防的闡述中要求采用蒸汽消防的空間要相對(duì)密閉，即煤倉(cāng)的入料口和出料口在蒸汽消防過(guò)程中要密閉，這種方式在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是難以實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在蒸汽消防這種方式已不推薦采用。

GB 50229—2006 《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[7]中規(guī)定原煤倉(cāng)應(yīng)采用惰化氣體進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)今，火力發(fā)電廠煤倉(cāng)進(jìn)行惰化保護(hù)的氣體大多采用CO2和N2[8]，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，這兩種惰性氣體對(duì)煤倉(cāng)消防保護(hù)起到很好的作用[9-11]。

在常溫、常壓條件下，CO2和N2均是無(wú)色、無(wú)味的惰性氣體。采用CO2或N2做為惰化保護(hù)的氣源，該氣源具有無(wú)污染、無(wú)腐蝕、不導(dǎo)電的特性，且滅火后完全氣化，無(wú)殘留物，不污染保護(hù)物，而且來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。我國(guó)已于1993年頒布了GB 50193—93《二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，二氧化碳作為惰化氣體實(shí)施保護(hù)的技術(shù)運(yùn)用已經(jīng)很成熟和廣泛[13]。國(guó)電灤河電廠的煤倉(cāng)就是采用低壓CO2惰化保護(hù)系統(tǒng)，且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中效果較好。N2作為惰化氣體實(shí)施保護(hù)，目前我國(guó)沒(méi)有相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，但實(shí)際應(yīng)用中，采用N2惰化保護(hù)已非常普遍。江蘇利港電廠10座40 m直徑的煤倉(cāng)均采用N2作為保護(hù)氣體實(shí)施保護(hù)，運(yùn)行至今效果良好。

3 煤倉(cāng)惰化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

煤倉(cāng)惰化氣體保護(hù)的原理：將惰性氣體加壓，由管道將惰性氣體輸入煤倉(cāng)，使煤倉(cāng)內(nèi)的煤處于被惰化氣體包圍的環(huán)境中，破壞煤自燃的環(huán)境。利用惰性氣體，在煤倉(cāng)內(nèi)稀釋、置換易燃、易爆的甲烷、CO及O2，使煤倉(cāng)內(nèi)的可燃?xì)怏w含量降低到安全合理范圍[14]。O2含量降低，達(dá)到抑爆的效果，從而使煤倉(cāng)處于安全的狀態(tài)。

目前惰化氣體保護(hù)系統(tǒng)通常是由氣體制備系統(tǒng)、儲(chǔ)氣罐、各種連接管路、各種控制閥門(mén)及充氣頭等裝置構(gòu)成。惰化氣體一般都是通過(guò)加壓的方式輸入煤倉(cāng)，輸氣管道一般布置于煤倉(cāng)外側(cè)(有中心柱的煤倉(cāng)輸氣管道布置于中心柱內(nèi))，在煤倉(cāng)頂部、中部及底部等處設(shè)置多個(gè)供氣口，使煤倉(cāng)內(nèi)均勻充氣，煤倉(cāng)開(kāi)啟惰化氣體保護(hù)時(shí)，可通過(guò)感溫裝置及可燃?xì)怏w探測(cè)裝置探測(cè)，當(dāng)溫度或可燃?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)置開(kāi)啟數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)充氣裝置，達(dá)到保護(hù)目的。

惰化系統(tǒng)的保護(hù)方式一般可分為3種，即常態(tài)保護(hù)、中危保護(hù)及高危保護(hù)。常態(tài)保護(hù)模式可將危險(xiǎn)消滅在萌芽中，此保護(hù)模式無(wú)需監(jiān)測(cè)信號(hào)，可將控制程序設(shè)定為2～3 d，給煤倉(cāng)充氣2 h，將倉(cāng)內(nèi)的可燃?xì)怏w溢出；中危保護(hù)模式是在中危報(bào)警信號(hào)啟動(dòng)后開(kāi)啟，間歇式充入惰性氣體直至中危信號(hào)解除；高危信號(hào)啟動(dòng)后，需立即啟動(dòng)高危保護(hù)模式，系統(tǒng)啟動(dòng)一切安全裝置，此時(shí)制氣系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不間斷地向倉(cāng)內(nèi)充氣，惰性氣體不斷向倉(cāng)內(nèi)充氣的過(guò)程是對(duì)倉(cāng)體不斷加壓的過(guò)程，持續(xù)地不斷加壓會(huì)對(duì)倉(cāng)體結(jié)構(gòu)及倉(cāng)內(nèi)機(jī)械設(shè)施產(chǎn)生一定的損害，故此過(guò)程需對(duì)倉(cāng)體進(jìn)行泄壓，目前運(yùn)行的惰化氣體保護(hù)裝置泄壓大多采用防爆門(mén)泄壓，經(jīng)過(guò)多年實(shí)際運(yùn)行，該裝置對(duì)泄壓效果較好。

煤倉(cāng)的惰化保護(hù)中，N2和CO2設(shè)置的用量、布置要求、儲(chǔ)量情況及設(shè)置條件，目前參照發(fā)電廠和高壓直流變電站的防火推薦規(guī)程，即美國(guó)防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA850—2005。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說(shuō)明惰化保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的各項(xiàng)參數(shù)、指標(biāo)。惰化裝置的氣量配置要求能夠保證大中小負(fù)荷，緊急開(kāi)停全方位供氣，靈活機(jī)動(dòng)，安全可靠。

惰化氣體經(jīng)加壓由管路輸入煤倉(cāng)，輸氣管道一般采用普通鋼管，管道一般為環(huán)狀布置于煤倉(cāng)外側(cè)，充氣管道的布置根據(jù)功能可分為換氣層、充氣層及鎖氣層。換氣層管道布置于煤倉(cāng)的中上層，其作用是置換煤倉(cāng)內(nèi)溢出的可燃?xì)怏w，使煤倉(cāng)內(nèi)可燃?xì)怏w濃度降低到不自燃濃度；充氣層管道布置于煤倉(cāng)的中下部，其作用是最大限度、均勻地向位于煤倉(cāng)中部煤層中充惰性氣體，以保證該部位煤層處于惰化氣體保護(hù)中；鎖氣層管道布置于煤倉(cāng)的下部，其作用是用氮?dú)怄i住出煤口，阻止空氣從落煤口處向煤層滲透[15]。

4 煤倉(cāng)惰化保護(hù)運(yùn)行中的相關(guān)問(wèn)題

煤倉(cāng)是煤礦及選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)較高的場(chǎng)所，雖然惰化保護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)報(bào)警信號(hào)實(shí)施啟閉，對(duì)煤倉(cāng)實(shí)施安全保護(hù)，但是為了安全起見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)附近應(yīng)派有值班人員，一旦發(fā)生險(xiǎn)情，可以立即啟動(dòng)安全設(shè)施。惰化氣體是一種無(wú)色、無(wú)嗅的氣體，也是一種簡(jiǎn)單的窒息劑，使用過(guò)程中大量氣體釋放會(huì)造成局部氧氣含量減少，使周?chē)藛T造成窒息，此外存儲(chǔ)惰化氣體的容器壓力較大，不得承受過(guò)度的外力作用或沖擊，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，突然釋放加壓氣體會(huì)對(duì)附近人員造成傷害，因此系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行惰化保護(hù)的煤倉(cāng)附近應(yīng)有明顯的聲光報(bào)警提示，并且在噴放過(guò)程中盡量避免人員靠近。

5 結(jié) 語(yǔ)

煤倉(cāng)的安全保護(hù)是煤礦及選煤廠正常生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件。為了預(yù)防和減少煤炭自燃火災(zāi)事故的發(fā)生，降低事故發(fā)生的可能性和危害程度，并對(duì)可能出現(xiàn)的煤炭自燃事故進(jìn)行預(yù)防和控制，本著“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的方針，要積極運(yùn)用成熟先進(jìn)的技術(shù)，確保煤倉(cāng)安全運(yùn)行。我國(guó)煤倉(cāng)惰化保護(hù)系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛和成熟，且運(yùn)行效果良好，煤礦、選煤廠煤倉(cāng)、尤其是大直徑煤倉(cāng)應(yīng)大力推廣煤倉(cāng)惰化保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)一步確保煤礦企業(yè)安全運(yùn)行。