储煤筒仓的安全设计

原进凯，杨建国，杜 阳

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

设计技术

储煤筒仓的安全设计

原进凯，杨建国，杜 阳

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

储煤筒仓具有占地利用率高、储量大、环境污染小等优点，但由于设计或维护不当，极易发生堵煤、自燃和爆炸等事故，影响用煤和全厂的安全。本文从安全设计角度出发，对筒仓进行防堵、防自燃和防爆设计并监测控制指标，有效提高了筒仓的安全性和可靠性。

筒仓；安全；防堵；防自燃；防爆

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.003

储煤筒仓具有储量大、占地利用率高、环境污染小等优点，但储煤筒仓由于设计或维护不当，极易发生堵煤、自燃甚至爆炸等重大事故，影响用煤和全厂的安全。

储煤筒仓的安全设计分为防堵设计、防自燃设计、防爆设计、消防设计、结构安全设计、施工安全和运行维护等方面。本文主要研究了储煤筒仓的防堵设计、防自燃设计和防爆设计等。

筒仓内因物料的粒度和含水率等不同，易发生堵煤，直接影响输煤系统的安全性和可靠性；由于筒仓内煤的缓慢氧化，会使煤的温度逐渐升高[1]，煤导热系数低，煤内部热量向四周导热较慢，导致煤堆内温度逐渐升高[2]，同时释放烟雾和有害有毒气体，极易导致煤的自燃。当可燃气体和烟雾达到一定浓度后，易发生筒仓自燃甚至爆炸等重大安全事故。因此，做好防堵、防自燃和防爆设计等环节，能使筒仓的异常情况从设计源头上避免。同时，为防止筒仓储煤出现空仓或满仓状态，筒仓中还应配置料位监测设备。

1 防堵、防积料等设计

防堵、防积料等的设计，要综合考虑煤的特性和项目特点，充分考虑后期运行过程中可能出现的问题或隐患以及后续复杂繁琐的改造等，从设计源头上避免。主要从下面几个方面进行了探讨。

(1)煤的湿度。筒仓储煤时间不宜超过7 d，煤水分含量高时，在储存时间一定的情况下，更易在筒仓内结拱堵料，且空气炮等破拱措施不明显，一般当煤水分含量>10%时，不宜采用筒仓储煤。

(2)筒仓内辅助设施。如需检修筒仓内的设备，若采用铁爬梯等易锈蚀断落，堵住卸料口，宜采用仓顶预埋吊钩、设检修人孔或其他合适的软梯[3]；仓内壁需内衬耐磨、摩擦系数小和耐冲击等性能的衬板，可有效避免煤的挂料、结拱等现象发生，建议采用压延微晶衬板或铸石板等高性能材质做衬板[4]。特别说明，若筒仓采用超高分子聚乙烯或类似板材等做内衬材料，大多不能满足实际运行要求。

(3)卸料口型式。卸料斗呈轴对称布置，采用“W”形锥壳组成的卸料斗斜段所占高度比例较小，使筒仓整体高度降低的同时还能提高筒仓的有效容量[4]；储煤下料锥面倾角需根据物料摩擦角等特性不同而异，应尽量取较大数值，采用双曲线斗形；卸料口型式也已从过去的单仓重力式向环缝式和缝隙式方向发展，若采用重力式，斗口需尽量大，以避免大块物料或杂物堵煤。

(4)卸料口给料设备。根据实际项目中物料的特性、运煤量等的不同，卸料口给料设备通常采用活化给煤机、叶轮给煤机、环式给煤机和振动给煤机等。

(5)防积料。为防止仓内局部积料的产生，与物料接触而容易产生死角的地方须采用倒圆角过渡，筒仓直通段与斜面的交界面处须采用倒圆角过渡；为避免筒仓内储煤时间太长，在筒仓进、出煤控制上要均衡各个筒仓内的储煤量，遵循“先进先出”的原则。

(6)破拱及其他。为防止煤在筒仓内壁结拱挂料，宜在筒仓直段处、直筒段和斜面交界处、下料口斜面采用空气炮等破拱助流；为方便卸料口设备的检修，需在卸料口与卸料设备之间安装插板阀。

2 防自燃、防爆等监测信号的配置

为确保筒仓运行的安全，须对其各种运行特性进行严格的监测。储煤筒仓的安全运行监测系统包括：可燃与有毒气体监测装置、料位监测装置、烟雾浓度监测装置、温度监测装置、氧浓度监测装置、惰化保护系统、防爆安全系统、通风除尘等。此外，还要做好与上游、下游设备的联锁控制功能等。

(1)可燃与有毒气体监测装置。可燃与有毒气体监测装置采用红外监测和采样监测等方式，对CO、CH4、C2H4等可燃与有毒气体的动态浓度进行采样监测[5]。对可燃与有毒气体浓度定义安全上限，预设报警值。当筒仓内可燃与有毒气体浓度低于该报警值时，筒仓惰化保护系统处于待机状态；当可燃与有毒气体浓度等于或高于报警值时立即启动惰化保护系统。此外，还应根据规范设置瓦斯排放孔。在设计过程中，还应充分考虑不同气体介质的特性，如CO、CH4等的比重比空气小，故在仓顶的合适位置布置CO、CH4监测装置，若仓顶设有除尘等设备，应在除尘风管的合适位置布置监测装置。

(2)料位监测装置。为避免筒仓储煤出现空仓或满仓状态，需严格检测筒仓内的煤位变化。生产运行中需根据料位合理调配仓内出料，避免某一出口长期积料导致自燃，若有自燃隐患，此时打开卸料口易形成“烟囱效应”[6]。储煤筒仓的结构设计不同，其料位计布置的形式也不尽相同。以某储煤筒仓底部设置2条出料带式输送机，每条出料带式输送机对应3个卸料口，共计6个卸料口为例。储煤筒仓设置6套雷达式料位计，连续料位测量时，料位计会根据出料点的变化动态测量，动态显示结果；储煤筒仓设置2套高料位监测开关，与进料带式输送机联锁，高料位监测开关设置时，根据来煤联锁停车后延时排空的量来确定；储煤筒仓设置6套低料位监测开关，与卸料口给料设备和出料带式输送机联锁，低料位监测开关的设置，应根据储煤筒仓底部煤层的高度来确定；料位监测开关和料位计通过现场的I/O和PLC传达相关数据[7]。储煤筒仓的2条出料带式输送机应轮换工作。为防止各卸料口卸料量不同造成筒仓料位不均，尽量缩短煤在仓内的存储时间，需遵循“先进先出”的原则；筒仓内的储煤，除非发生自燃或全厂长时间停车等，正常情况下不可排空，需“封底煤”，以免注入煤时煤块砸坏仓底结构和卸料口给料设备；出料带式输送机运行时，对带式输送机上的皮带秤预设定值，根据该定值可使2条带式输送机自动轮换工作；当料位监测开关出现预设的不平衡定值时，2条带式输送机间可自动切换；料位监测的电气联锁高于皮带秤预设定值的电气联锁。仓底出料带式输送机上游的3个卸料口给料设备需轮换工作。当出料带式输送机上游少于3个卸料口给料设备，且同时工作时，3个卸料口给料设备的运行应定时轮换。

(3)烟雾浓度监测装置。烟雾浓度监测是筒仓火灾发生前重要的监测手段，应在筒仓仓顶设置烟雾浓度监测装置，烟雾浓度监测装置应具备不受强磁干扰，且在干燥、潮湿、低温或高温等恶劣工况下也能正常工作的功能；在探测空间被干扰时，能自动快速识别；筒仓的烟雾浓度低于安全报警值时，筒仓惰化保护系统应处于待机状态，避免误报；筒仓烟雾浓度监测装置报警时，应立即启动筒仓惰化保护系统；若仓顶有除尘设备，应在除尘风管处的合适位置布置烟雾浓度监测装置。为避免布置时装置间交叉，烟雾浓度监测装置和可燃与有毒气体监测装置应错开布置。

(4)温度监测装置。筒仓内储煤温度监测是筒仓安全运行监测系统的重要环节，通常采用在筒仓内壁安装一体化温度变送器，并通过合理的布置，最大限度反映筒仓内不同区域的真实温度分布。在布置筒仓温度监测装置时，应重点监控筒仓内易自燃的区域，合理布置。宜在仓内安装多点式测温钢缆，采用增强型的不锈钢铠装热电偶，若来煤粒度较大，冲击性强，为避免钢缆承受物料冲击导致变形，钢缆内添加氧化镁绝缘物，外采用可弯折不锈钢钢带缠绕。PLC和计算机从温度监测装置的每个测温点巡检并读出数据，实时显示筒仓内各区域温度，传输给监控系统，并设定温度超限报警值。

(5)氧浓度监测装置。为有效保证操作及检修人员在工作区域内的安全，需在工作区域内设置适当数量的氧浓度监测器。氧浓度检测器应具备不受强磁干扰，且在干燥、潮湿、低温或高温等恶劣工况下也能正常工作的特性，具有现场和控制室同时报警的功能。

(6)惰化保护系统。筒仓惰化保护系统需要高纯度和稳定的氮气，宜在筒仓周围布置氮气缓冲罐或氮气空分装置。筒仓惰化保护系统由锁气环、充气环和换气环等三部分组成：锁气环管道布置在筒仓卸料口处周围一圈，以便锁住环状卸料口，达到阻止空气向煤层渗透，使筒仓持续达到和外界封闭、隔绝状态的目的；充气环布置在筒仓锥段上部区域，沿筒仓周围安装一圈充气管道，使氮气分布在煤的缝隙中，达到使可燃性气体浓度低于报警值的目的；换气环布置在筒仓中部或上部区域，如筒仓较高可设置多层，沿筒仓周围安装一圈或多圈充气管道，多点式充气，使筒仓仓顶的可燃气体被置换出去。此外，氮气喷嘴维护困难，为保护氮气喷嘴，在结构设计时，应在每个氮气喷嘴上部的筒仓内壁处预埋保护钢板，减少来煤的冲击。

(7)防爆安全系统。防爆安全系统主要由几组防爆安全门组成，是一种泄压装置，也是安全防护设施中的补救措施。防爆安全门分为标准式防爆门和重力式防爆门，对大型筒仓而言，首选重力式防爆门。防爆门的规格和数量需根据泄爆量和供货厂家的设备而定。

(8)通风除尘及其他。由于给筒仓上煤时容易产生粉尘，且聚集在仓顶的可燃气体达到一定浓度时非常危险，仓顶应设计除尘器等排风设施。需要注意的是，当可燃气体浓度接近临界值时，排风一定程度上促进了可燃气体与氧气的混合，此时十分危险。因此经常启动除尘设施十分必要。

当筒仓内储煤温过高且不能控制或已发生自燃时，应立即启动消防水向仓内注水以消灭自燃。

3 结语

笔者认为，在选取储煤筒仓方案前，应根据项目特点、占地面积、环境影响、物料特性等方面的因素，综合比较储煤筒仓、圆形煤库、桥式抓斗仓库等方案；同时，在储煤筒仓安全设计时，需全面考虑防堵设计、防自燃、防爆设计等，如设计不当，后患无穷，且改造施工比较困难；针对不同特性的煤种，监测控制指标也有差异，褐煤相对烟煤易自燃，故褐煤温度报警值的设定较烟煤略低等；当筒仓的防自燃、防爆监测系统集中采购时，需与供货商充分沟通，充分考虑设计、施工、运行维护中的各个细节，遵守标准规范，重视相关设计经验，确保安全不留死角。

[1] 周瑞强.储煤筒仓信号监测系统设计与研究 [J].数字技术与应用，2014(12):182-183.

[2] 方啸.输煤系统储煤筒仓的优化设计 [J].硫磷设计与粉体工程，2014(01):15-18.

[3] 洪军.大型贮煤筒仓设计 [J].化工粉体工程设计，1998(04):11-15.

[4] 代兵.大型筒仓技术在邯钢的应用与创新 [J].河北冶金，2005(10):66-68.

[5] 南罕言，齐威然.筒仓运行的安全监测系统 [J].吉林电力技术，1998(04):7-10.

[6] 舒宏博，卜勇.某贮煤筒仓火灾后的鉴定与加固设计 [J].工程抗震与加固改造，2015(04):130-134.

[7] 许宁，宋桂江，等.港口超大型储煤筒仓的安全监测 [J].设备管理与维修，2012(05):51-52.

修改稿日期：2016-10-08

Safety Design of Coal Storage Silo

YUAN Jin-kai，YANG Jian-guo，DU Yang

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

The coal storage silo has an advantage of high efficiency, large reserves, less pollution.However, accidents such as coal clogging, spontaneous combustion and explosion easily occur due to the improper design or maintenance of silo, affecting the utilization of coal and the safety of plant.With the principle of safety design, this paper discusses the silo design in terms of anti-clogging, anti-self-ignition, and explosion-proof, as well as the monitoring and controlling indicators.They effectively improve the safety and reliability of the silo.

silo; safety; anti-clogging; anti-self-ignition; explosion-proof

原进凯(1981年-)，河南安阳人，2008年毕业于武汉理工大学机械设计专业，硕士，高级工程师，现主要从事粉体设计工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.003

TD 223

B

1004-8901(2016)06-0013-03