原煤筒仓消防设施设计

康伟卿，刘长青，曹清云

(1.沧州市消防支队，河北 沧州 061000； 2.张家口市消防支队，河北 张家口 075000)

原煤筒仓消防设施设计

康伟卿1，刘长青2，曹清云1

(1.沧州市消防支队，河北 沧州 061000； 2.张家口市消防支队，河北 张家口 075000)

对于原煤筒仓这一特殊类型建(构)筑物，现行建筑消防设计规范未予以明确规定。根据相关技术规范，结合实际工作经验，分析了原煤筒仓的火灾危险性，探讨了此类建(构)筑物的消防设施设置要求，并以某化肥厂原煤筒仓为例，提出了较为合理的消防设计方案，为此类建(构)筑物的消防设计提供参考。

原煤筒仓；消防设施；防爆；惰化

原煤属于丙类火灾危险性的储存物品，根据其物理化学特性，通常情况下由于存放时间较短，一般不易发生原煤自燃以及爆炸。当原煤堆存时间较长，储存过程中原煤内部发生氧化反应，产生的热量不易扩散，会导致筒仓储存的原煤自燃。原煤的自燃过程按其温度和物理化学变化特征，分为潜伏、自热、燃烧和熄火四个阶段，在自燃过程中会产生大量的CO以及CH4等易燃易爆气体，在达到一定浓度后会与O2混合发生爆炸，其中存在高挥发成分的煤种更易发生自燃现象。因此，储存设施的防燃、防爆、灭火等消防设计显得尤为重要。

目前，在电力、钢铁、化工等行业领域中，原、燃煤是工厂大宗主要消耗原材料，原、燃煤的储存也越来越受到工厂重视，其储存形式一般可分(半)露天堆存，煤库房堆存，原煤筒仓堆存和大型条、圆形库堆存等几种主要形式。由于原煤筒仓储存具备占地面积小、机械化程度高、不污染环境和煤质量不受自然环境影响等优点，越来越受到各行业大、中型工厂的欢迎。工程设计中采用混凝土形式筒仓储存方式，通常采用封闭性结构，筒仓上部有皮带卸料机定点给料，下部有密闭的缝隙式给煤机、活化振动给煤机或环型给煤机出料。

1 现行消防规范对原煤筒仓消防设施的要求

对于原煤筒仓这类建(构)筑物的消防设施的设置，现行《建筑防火设计规范》未予以规定。目前主要参照《石油化工全厂性仓库及堆场设计规定》(GB 50475-2008)[1]、《化工粉体工程设计通用规范》(HG/T 20518-2008)[2]和《火力发电厂运煤设计技术规程》(DLT 5187.1-2004)[3]、《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》(DL/T 5203-2005)[4]等设计规范的有关内容要求。

通过整理上述规范相关内容，总结其具体要求如下：(1)筒仓应设有防火、防爆设施和处理自燃物料的应急措施。(2)筒仓应设置性能可靠的连续测量的料位计，并根据物料特性分别设置温度、可燃气体(包括CH4和CO等)、烟气、粉尘浓度检测报警装置及连锁高料位开关。料位计及相关检测报警信号应送入系统控制室或DSC系统。(3)仓面应设置通风机，仓顶沿仓壁周围应设置瓦斯排放孔，仓顶结构应采取泄爆设施；筒仓内存放自燃、发热、散湿及易散发有害气体物料时，筒仓上方应设置相应的通风排气管口。有粉尘爆炸危险的筒仓，其顶部盖板应设置必要的泄压设施，或设置防爆门。(4)当采用筒仓贮存自燃倾向性高的煤种时，应设置惰化系统，宜在原煤仓上部空间或金属煤斗下部设置通入灭火用惰性气体的引入管(DN≥25 mm)固定接口；应设置通风排风系统，排除筒仓上部可燃气体，不留死角。

上述规范多数属于石化、电力等行业标准，其适用范围包括燃煤火力发电厂煤及制粉系统及其围包体、石油化工全厂性仓库及堆场、化工厂粉体工程、燃煤热电厂与发电厂的运煤系统等。对其他采用原煤作为燃料或原料的企业，在原煤筒仓的消防设施设置上并没有明确的规范要求。

2 原煤筒仓的消防设施设置分析

依据笔者近年来审核的原煤筒仓消防设计，参照上述规范，此类建(构)筑物消防设施设计，应包含以下内容并遵循相应要求。

2.1 筒仓内安全监测系统

为监测筒仓内原煤的状态，有效的办法是在筒仓内设置温度监测、烟气监测、可燃气体监测(CO/CH4)、料位计等安全监测系统。在设置此类设施时，应根据筒仓外形结构及运行方式，合理配置监测设施的位置及数量；设施应能保证随时监测筒仓内原煤的状态，输出可靠数据。在具体设置上应满足以下要求：(1)监测设施的设置要合理，在筒仓整个容积范围内，能够准确反映筒仓的温度分布情况，覆盖可能的自燃、易燃点，温度设置布局准确可靠。(2)监测设施选型合理，使用寿命长，适应筒仓的使用环境。(3)监测设施插入深度设计合理。

2.1.1 筒仓温度监测系统配置

2.1.2 筒仓烟气、可燃有害气体监测系统配置

由着火理论可知，原煤筒仓内发生燃烧乃至爆炸，应满足三个条件：点火源；筒仓内聚积的粉尘或可燃气体达到一定浓度；氧气达到一定浓度。故应在筒仓内设置烟雾探测器、CO检测器、CH4检测器，布置位置应在筒仓顶部，伸入筒仓1 m左右。此外，考虑到筒仓采用惰性气体作为保护介质，其内部可能逸出有害气体和惰性气体对人体造成危害，在生产人员滞留和巡检通行的地方，必须配置氧气检测器和有毒气体检测器(CO检测器)，监测该区域的空气中氧气浓度含量，提醒工作人员安全撤离，进行开窗通风或局部强制通风。

2.2 筒仓内惰化保护系统

惰化保护系统通常是指，当筒仓内可燃气体未发生爆炸的时候，将惰性气体充入到筒仓内煤层的缝隙中，稀释可燃性气体，从而达到阻止筒仓内部发生燃烧、爆炸的目的。目前常用的惰性保护气体有氮气和二氧化碳[5]。下文以氮气为例进行讨论。

惰化系统中氮气的充放通过管路完成。当向原煤筒仓内部充氮气时，可以置换筒仓中的空气。由于筒仓采用钢筋混凝土封闭性结构，其密封性较好，不易发生再次渗氮的现象。在筒仓底部出煤口处为防止空气倒吸渗入，应设有锁气环；在中下部为置换煤层中的空气，应设有换气环，为提高效率，此处的充气点布置应进行加密；在中上部为隔绝空气，应设有充气环；在筒仓内部原煤储放时间较长的地方可采用测温充气钢缆向内部充气。

筒仓内的氮气充气头可与煤直接接触，由于煤具有流动性，在使用过程中可能会堵塞充气孔。因此在设计时，应保证充气头的开孔方向与来煤到达充气头时的速度方向垂直，避免气孔堵塞。同时，在充气头与管道的连接处应添加密封件，避免漏气。

充放氮气的工作压力应为低压，小于10 kPa，否则会造成飞尘，产生二次爆炸，不但无法起到惰化作用，反而带来新的爆炸隐患。

对黏性强的煤，除需充分考虑筒仓的外形结构设计和出料设备选型外，还需要采取“防堵”设施。采用空气炮作为破拱装置，效果较好，但如采用空气作为气体介质会加速煤的自燃可能性，需严格分析验证，建议采用惰性气体作为介质。

惰化保护设施需与监测系统连锁，并通过控制系统集中控制，起到预防筒仓内原煤自燃和对生产人员、设备进行安全保护的作用。

2.3 筒仓安全泄爆装置

对于原煤筒仓，由于其存在粉尘爆炸的危险，故应设置泄压设施，或设置防爆门。当筒仓内部压力达到设计阈值时，防爆门开启，快速泄压，降低筒仓内的压力，保证筒仓及其内部设备不受损坏，防爆门动作后应能自动快速复位，以防筒仓发生二次爆燃。筒仓顶部的泄爆面积可根据国家有关设计规范要求计算选取，一般宜用多个泄爆门均匀分布在筒仓顶部。筒仓的防爆设计宜考虑防爆门泄放系数和排放管道的影响[6]。

最大允许狗腿严重度为钻孔轨迹正弯曲或负弯曲的曲率半径宜大于钻杆钻具组合自由状态(钻具组合整体顺下孔壁通过弯曲段)的最小曲率半径。正弯曲段狗腿严重度允许值相对较高，最小曲率半径相对较小；负弯曲段狗腿严重度允许值相对较低，最小曲率半径相对较大。狗腿严重度指标可反映弯曲段对钻探钻井施工的影响，但不能用于评价整个钻孔轨迹对钻探施工孔内安全的影响。如钻孔轨迹由2个或以上弯曲段构成，其对钻探施工孔内安全不是单独影响的，而是具有关联性和叠加性的，将严重加剧钻探施工孔内安全问题；而且随着钻进深度的不断增加，孔内安全不断恶化。

2.4 除尘器及防爆电气设备选取

在筒仓内部筒顶处是最容易出现爆炸性煤尘混合物的部位，而在该部位设置有皮带卸料机。此处有很多传动部件(电动滚筒、传动滚筒、托辊等)和卸料设备，在工作过程中容易摩擦生热，产生点火源，从而引发煤尘爆炸，故在筒仓顶部宜设置除尘器。由于煤及煤粉尘是可燃、可爆的危险介质，运行的电器存在于爆炸危险性气体或粉尘的场所，故此类场所的电气设备必须选用符合国家或行业要求的防爆电气产品，避免引起周围爆炸性混合物爆炸，保证安全生产，避免火灾、爆炸发生。

2.5 灭火设施

当筒仓内部发生煤自燃时，向筒仓内部设置喷水降温的做法，可能形成煤的气化过程，加剧爆炸的可能性。因此，当筒仓存煤自燃时应采用窒息法进行灭火，如利用低压蒸汽、阻燃泡沫剂或惰性气体灌注筒仓，使其得不到足够的氧气，待熄火后将燃烧后的残煤导出筒仓另外处理。

对筒仓出料后底部和皮带通廊的空间，可采取常规的消防措施(如喷淋水)。在筒仓上、下通廊与搭接的皮带栈桥结合部位，宜设置栈桥消防水喷淋隔断，阻止两建(构)筑物之间的烟火蔓延；在筒仓皮带走廊等重要部位，宜设置烟雾报警或火灾探测报警，提前发现火灾危险苗头，积极进行灭火保护。

2.6 安全疏散设施

建议原煤筒仓外部设置专用独立的消防楼梯和客货两用电梯，并在每个筒仓的外墙壁设置钢平台和直爬钢梯，作为临时逃生通道，疏散工作人员。

3 实例分析

某化肥厂设计选用8个圆型筒仓储煤方式，分两期建设。一期建设4个筒仓，筒仓布置如图1所示。单个原煤筒仓直径22 m、高40 m，单仓容积约为10 000 m3，储煤约8 000 t，每个筒仓中心间距26 m，总占地面积约6 000 m2，总储煤能力约为32 000 t。8个圆型筒仓分双排布置，双缝隙卸煤出口，筒仓锥部段耐磨处理，筒仓顶面上设置皮带通廊宽×高为6 m×5 m，设有带式输送机，在每个单排筒仓下部，设置双线带式输送机、叶轮给煤机，通过地下皮带栈桥分别将原、燃料煤送往后续工段。

图1 原煤筒仓布置图

3.1 安全监测系统

每个筒仓配置8支PT100温度传感器监测筒仓锥部温度，4个筒仓共配置33支温度传感器(含1个备件)。温度传感器深入筒仓250 mm，传感器自带保护管。温度探头的保护外壳由不锈钢制成，保护套管的强度、刚度和耐磨性能能够保证温度传感器插入筒仓后不被落煤砸坏或磨损。温度传感器报警温度上限为70 ℃，报警参数范围可调节。每个筒仓配置4套煤层多点测温缆式传感器，垂直吊装在筒仓顶部，深入筒仓，用于监测筒仓内部煤的温度变化。每套煤层多点测温缆式传感器含8个数字式温度传感器，相邻两个温度传感器间距2 m，总长不小于20 m，测温范围-55～+125 ℃。每个筒仓配置1台智能温度巡检报警仪，实现温度监测数据就地显示、报警，同时传输至上位机系统。温度信号可以现场显示和程控显示。当使用缆式传感器时，采用可换芯数字式测温，外套采用高强度、高耐磨的高分子聚乙烯材料作保护。

在每个原煤筒仓顶、底部及栈桥通廊上部，设置烟气检测报警，氧气气体浓度检测报警，筒仓高、低料位检测报警。每个筒仓顶部安装2套一氧化碳气体检测仪表、2套甲烷气体检测仪表、2个烟雾探测器，各种传感器均设置为均匀对称布置在筒仓顶部，配置安装附件伸入筒仓1 m。传感器初报警为爆炸下限的25%，高报警为爆炸下限的40%。每个筒仓顶部皮带走廊各配置1个氧气浓度检测器，1个CO浓度检测器，安装在皮带走廊顶部。氧气浓度检测器报警限为18%VOL，CO气体浓度检测传感器报警限为60 ppm，检测信号接至数据采集箱内气体监测仪表中，实时显示、输出监测信号。

3.2 惰化保护系统

筒仓惰化保护系统采用氮气系统，每个原煤筒仓上设置换气1层、充气3层和锁气1层，每层由4个斜插管均布在筒仓外壁，将氮气通入仓内，排出原煤空隙中的空气，降低原煤自燃发生概率；同时还可在筒仓内顶部充氮气，隔绝筒仓原煤与空气接触，起到灭火作用。设置要求为：(1)氮气气源压力为0.4 MPa；(2)惰化系统在监测到筒仓不同位置的可燃可爆气体浓度达到报警值时，及时启动，注氮气置换，保证筒仓的安全；(3)根据实际气源压力配套设置减压装置；(4)每个筒仓的注氮气惰化装置均应设置相应符合要求的1层换气环、3层充气环及1层锁气环，换(充/锁)气环均为环形多点均匀充气；(5)每个筒仓中(底)部设置氮气炮等辅助设施。

3.3 安全泄爆装置

在每个筒仓顶部设置10个重力式防爆门，通廊设防爆型通风机及必需的设施。

3.4 除尘器与防爆电器

筒仓顶面上设置有布袋除尘器等设备，筒仓内部设有与外界连通的布袋除尘器和风机强制排风，加强筒仓内部换气。根据国家防爆标准GB 3836-2010，储煤筒仓属于“0类危险区域”，长期存有易燃易爆性气体。煤层测温装置防爆等级为ExiaIICT6，防护等级为IP65。烟雾探测器为光电感烟探测器，防爆型式为ExibI(150 ℃)，外壳防护等级为IP54。

3.5 灭火与安全疏散设施

筒仓与外部连接的栈桥采用水喷淋隔断。筒仓结构形式为混凝土封闭式筒仓、耐火等级II级设计，在筒仓的一侧设直达筒仓顶部的专用电梯和消防楼梯间，每个筒仓外部都设室外消防平台和直通顶部直爬梯，皮带上下通廊设通风系统。

4 结语

在原煤筒仓设计和使用时，应对其消防安全进行全面考虑，其消防设施至少应包括：(1)在筒仓内部，各种安全监测系统、惰化保护系统、安全泄爆系统、除尘设施和灭火设施；(2)在筒仓外部，灭火设施、安全疏散设施、各种监控设施等。

关于原煤筒仓的消防设计，虽然经过多年的改进，已进行了必要的防燃、防爆、灭火方面的考虑和优化，但在生产使用的过程中发现其仍有许多不足之处，需要逐步改进，以完善其消防设计，满足消防安全的要求。

[1] GB 50475-2008，石油化工全厂性仓库及堆场设计规定[S].

[2] HG/T 20518-2008，化工粉体工程设计通用规范[S].

[3] DL/T 5187.1-2004，火力发电厂运煤设计技术规程(第1部分：运煤系统)[S].

[4] DL/T 5203-2005，火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程[S].

[5] 杨腾.原煤储运系统筒仓的防燃防爆典型设计[J].科技资讯，2013,(21):99.

[6] 黄志远,梁辉.煤粉仓的设计与防爆[J].青海电力,2003,(S1):59-62.

(责任编辑 李 蕾)

An Analysis of the Coal Silo Fire Facilities

KANG Weiqing1, LIU Changqing2, CAO Qingyun1

(1.CangzhouMunicipalFireBrigade,HebeiProvince061000,China; 2.ZhangjiakouMunicipalFireBrigade,HebeiProvince075000,China)

For a coal silo as the special construction, the current Code for its fire protection design is not clearly defined regarding the demand of its fire facilities. In this paper, the fire risk of a coal silo is analyzed and the requirements of the set of fire facilities are discussed. On the basis of a certain coal silo which is built in a chemical plant, a more reasonable design is put forward which can provide the basis of fire facilities design of construction of this kind.

coal silo; fire facilities; explosion proof; inerting

2015-05-13

康伟卿(1982— )，男，河北黄骅人，工程师； 刘长青(1973— )，男，河北赤城人，工程师； 曹清云(1988— )，男，重庆丰都人。

D631.6

A

1008-2077(2015)08-0055-04