煤筒仓惰化防火装置的分析

2018-06-07张世华

安全 2018年6期

张世华

惠生工程（中国）有限公司

目前，为了避免露天或半露天堆放煤炭污染环境、减少占地面积、降低风化煤质，在电力、煤矿、洗煤厂、码头和煤化工等行业煤筒仓作为煤的储存、暂存或混煤装置得以普遍应用。由于煤属于可燃、导电的丙类物质，有些还是高挥发、易自燃的褐煤或烟煤；煤在相对密封的有限空间内，在氧气的作用下会缓慢氧化并发热，煤的导热系数较小，不利于散热，当温度达到煤的燃点时，煤就发生自燃；筒仓具有“风筒效应”，出料口如果不是密封卸料装置，空气会从出料口进入筒仓煤堆的缝隙内造成火灾扩大；与此同时，生产的热也迅速增加，当温度、可燃气体浓度以及粉尘浓度达到一定的数值后，就会引发爆炸。煤筒仓进/出料口都比较小，发生火灾或爆炸后，进/出料口会冒出大量的有毒可燃气体和黑烟，消防人员无法接近，扑灭火灾困难。

由于水来源广、价格低，在现有相关项目中煤储运系统主要用消火栓、水喷淋和水幕来防止火灾或爆炸，但是已经自燃的煤筒仓喷水后，会产生大量的水蒸汽，燃烧的煤会与水蒸气作用产生易燃易爆的水煤气，既不经济又不安全。另外喷入筒仓内的少量水相对于大量的原煤而言，只能起到氧化剂的作用，不但不能灭火，反而会加速原煤的爆炸。2011年9月15日，美国南达科他州由于向100t煤筒仓喷水灭火，发生爆炸，导致仓库上部结构被炸毁，2名消防员死亡，1名消防员重伤[1]。

煤筒仓惰化防火装置是依据现有规范要求，根据以往项目经验，利用减少助燃物含量来防止燃烧的原理，设计安装的包括安全监测系统、惰化保护系统、PLC控制系统、安全泄爆设备和可燃气体外排设备的防火装置。

1 标准、对象及原理分析

1.1 煤筒仓防火现行标准

在电力、煤矿、洗煤厂、码头和煤化工等行业煤筒仓防火设计主要依据标准为《建筑设计防火规范》，为耐火等级不低于二级的丙类建构筑物或设备，但在不同行业防火设计依据有所不同，需要在设计时注意。

电力行业分别于2005年6月和2007年4月实施了《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》和《火力发电厂与变电站设计防火规范》，对煤筒仓所采取防火措施做出了规定，明确了当采用筒仓贮存褐煤或自燃倾向性高的煤种时，应设置惰化、防爆、通风以及检测温度、可燃气体（或惰化介质）等设施[2]，这些设施包括但不限于：CO、CH4、烟雾、温度监控装置和报警信号，高高报警连锁启动惰化系统；设置通风排气系统，排除筒仓上部可燃气体，不留死角；筒仓宜装设自动启闭式，防爆门总有效泄压面积可按泄压比不小于0.001计算；设置惰化系统；筒仓下部有防止空气漏入的设施。

煤化工行业防火设计已建项目都执行《建筑设计防火规范》和《石油化工企业设计防火规范》，但是《石油化工企业设计防火规范》没有煤筒仓防火相关设计规范条款，为了防止煤筒仓的失火和爆炸，设计布置都参考电力行业标准执行。2014年7月中华人民共和国工业和信息化部发布了HG/T 20568-2014《化工粉体物料堆场及仓库设计规范》第7章对筒仓做了详细的规定，其中第7.1.4条规定筒仓储存易挥发出易燃、易爆、有毒气体的物料时，应选用下列4条设施[3]，此条款为煤化工煤筒仓设置惰化防火装置依据。

4条设施包括：设置通风排气管口及通风设备；设置有毒气体检测仪、可燃气体检测仪、温度检测仪；仓顶应设置泄压设施或爆破片；设置向仓内充入惰性保护气体的设施。

煤矿、洗煤厂行业防火设计执行《建筑设计防火规范》、《煤炭矿井设计防火规范》，没有煤筒仓防火相关设计规范条款，考虑筒仓惰化防火会造成矿井地下巷道缺氧，煤筒仓一般采用灌注复合胶体灭火，地上煤筒仓可参考电力行业标准执行。

港口码头行业防火设计执行《建筑设计防火规范》、《港口消防规划建设管理规定》，也没有煤筒仓防火相关设计规范条款，为了防止煤筒仓的失火和爆炸，设计布置也参考电力行业标准执行。

1.2 煤筒仓惰化防火适用的煤种

煤炭由植物遗体经煤化作用而成的富含碳的固体可燃有机沉积岩，含有一定量的矿物质，相应的灰分率小于或等于50%（干基质量分数）。根据干燥无灰基挥发分等指标，将煤分为无烟煤、烟煤和褐煤，其中烟煤又分为贫煤、贫瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中黏煤、弱黏煤、不黏煤及长焰煤。无烟煤Vdaf≤10%，烟煤Vdaf＞10%，褐煤Vdaf＞37%。

煤的自燃倾向性是煤的一种自然属性，反映了煤的变质程度，与煤的吸氧量、含水量、全硫含量以及粒度等特性有关，煤的自燃倾向性根据煤的吸氧量和全硫含量不同可分为三个等级[2]，见下表。

表煤自燃倾向性分类表

按国家煤炭分类，挥发分大于37%的长烟煤属高挥发分自燃煤种。对于挥发分为28%～37%的烟煤，在实际使用中具有自燃性亦应视作高挥发分自燃煤种[4]。煤筒仓设计当储煤自燃倾向性等级为Ⅰ和Ⅱ级（例如：褐煤和挥发分为28%～37%的烟煤）应采用煤筒仓惰化防火装置。

1.3 煤筒仓惰化防火基本原理

可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少任何一个，燃烧便不能发生；另外，燃烧反应在温度、压力、组成和点火能量等方面都存在极限值。在某些条件下，如可燃物未达到一定的浓度，助燃物数量不够，点火源不具备足够的温度或热量，即使具备了燃烧的三个条件，燃烧也不会发生。例如煤在氧含量低于14%时就不会发生自燃，煤的氧化反应热温度低于230℃也不会发生燃烧。对于已经燃烧的煤，若消除其中一个条件，燃烧便会终止，这就是灭火的基本原理。煤筒仓惰化防火装置就是依据这个基本原理，煤筒仓自燃助燃物含量不应大于煤自燃临界氧浓度，且含氧量不得大于7%，为使已经燃烧煤筒仓火熄灭助燃物的氧含量不应大于3%。

煤自燃的原理：含有铁、硫等杂质的煤由于吸收了空气中的氧气，使煤的组成物质氧化产生热量，再被水湿润，就加速煤的氧化放出更多的湿润热，促进煤的自燃。煤自燃分为水吸附阶段、化学吸附阶段、煤氧复合物生产阶段、燃烧初始阶段和快速燃烧阶段。化学吸附阶段的反应温度为环境温度至70℃，一般为7～10天，煤吸附氧气会产生过氧化物，产生CO气体，通过监测CO浓度可对煤的自燃进行早期预报。煤氧复合物生产阶段反应温度范围为150～230℃，生成一种稳定的化合物，即煤氧复合物。燃烧初始阶段煤温达230℃，一氧化碳含量逐渐增加，同时散发出大量可燃性气体（CH4、CXHY）。快速燃烧阶段依氧气供应充足与否，这个阶段可能发生干馏、不完全燃烧或完全燃烧，通常会伴随着温度升高释放大量热气、CO2和黑烟。

当局部环境中的有毒可燃气体或粉尘达到爆炸极限与空气形成爆炸性混合物时，并达到引燃温度就会发生爆炸，与煤有关的典型易爆物质相关参数：

（1）CH4的爆炸危险级别为ⅡA，引燃温度为537℃，引燃温度组别为T1，气态，爆炸极限下限为5%，上限为15%，相对密度为0.6。

（2）CO爆炸危险级别为ⅡA，引燃温度组别为T1，气态，爆炸极限下限为12.5%，上限为74%，相对密度为1。

（3）褐煤粉高温表面堆积粉尘层（5mm）的引燃温度230℃，粉尘云的引燃温度为185℃，爆炸极限49～68g/m3，粉尘分级为ⅢC。

（4）有烟煤粉高温表面堆积粉尘层（5mm）的引燃温度235℃，粉尘云的引燃温度为595℃，爆炸极限41～57g/m3，粉尘分级为ⅢC[5]。

研究堆煤着火原因可知煤筒仓煤堆可分为3层：冷却层、氧化层和窒息层，如图1。冷却层为煤堆表层，约0.5～1.5m，该层煤较松散，与空气接触充分，虽氧化反应，但散热好，不易自燃；氧化层位于冷却层以下，厚度1～4m左右，具备煤自燃的所有条件，达到自燃温度即会自燃；窒息层为位于氧化层以下，煤场相对压实，供氧不充分，且含水率高，氧化程度低，不易发生自燃。储煤仓煤堆，一般中心部位处颗粒较细，越往四周颗粒越粗，相应的，从中心往四周，空隙越来越大，通风散热条件越来越好，冷却层和氧化层越来越厚。发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之间的氧化层。

图1 筒仓煤堆分层

2 组成与应用

2.1 煤筒仓惰化防火装置组成

依据煤筒仓现行标准要求，并根据惰化防火基本原理设计的煤筒仓惰化防火装置包括安全监测系统、惰化保护系统、PLC控制系统、安全泄爆设备和可燃气体外排设备等，通过检查温度、烟雾、CO和CH4的浓度利用减少助燃物含量来防止煤筒仓燃烧和爆炸。其惰化防火结构原理，如图2。

图2 煤筒仓惰化防火装置结构及原理

安全监测系统包括CO检测仪、CH4检测仪、O2检测仪、烟雾检测仪、温度检测仪和现场接线箱等。每仓配套多点固定式筒仓测温电缆（由温度传感器、导线、抗拉钢丝绳及护套组成）、传感器悬挂在筒仓顶部，深入储煤筒仓内部进行全方位、多层次、立体式的温度监测，耐磨抗压、安装方便且易维护。

惰化保护系统由惰性气储罐、电动球阀、换气环、充气环、锁气环、压力表、减压阀和管道等组成。惰化保护系统需要的惰性气体为致使煤不能维持燃烧的不燃烧、不反应气体，一般为纯净氮气，也可以采用CO2、污氮气体等，来源于空分装置，并应满足压力0.45MPa的要求。在筒仓附近布置惰性气储罐，其设计气量应满足1个筒仓30%储煤量工况下灭火所需的气量。筒仓惰化防火装置在安全检测系统监测到煤位上方凝集的可燃可爆气体浓度达到高高报警值时，能够及时启动换气，保证筒仓的安全。每个筒仓均设置多个换气环、1个充气环及1个锁气环，换气环的多少根据筒仓高度来确定，一般布置间隔为6～7m，每个气环充气头的多少依据筒仓直径大小确定，每点辐射容积约为半径为5m的半球形。

PLC控制系统由PLC控制器接收安全检测系统所检测的信号，并与设定值进行比较后报警或连锁控制启动惰化保护系统，对筒仓进行锁气、充气、换气和启动引风机进行排气操作防止煤自燃和爆炸。PLC控制系统能够实现调试、就地控制、PLC集中控制三种控制方式。

安全泄爆设备当发生爆炸时，在预定压力下迅速开启或爆破，以降低爆炸压力的装置，分为自动启闭式和隔膜式两种，自动启闭式又分为重力式、超导磁预紧式和监控式。

可燃气体外排设备由筒仓顶部的袋式除尘器和排风风机组成，可手动或自动启动排风风机排除筒仓中煤堆表面与筒仓顶盖之间积聚的CO、CH4等易燃易爆气体。

为减少煤堆中的氧气，煤筒仓清堵应采用氮气炮，清堵时约0.5MPa的氮气在筒仓中渗透扩散，能保证在煤筒仓停止卸煤时，筒仓底部的煤为惰性环境不会氧化发热，安全储存周期长。煤的导热系数较小，在筒仓四周设置耐磨热电阻测温，由于长度较短（一般约300mm），不能检测到氧化层煤的温度，不应该选用，应在煤筒仓顶部设置固定式筒仓测温电缆测温。筒仓具有“风筒效应”，出料口应设置密封卸料设备（环式给煤机、叶轮给煤机和带刀型闸板阀的振动给料机等），防止空气会从出料口进入筒仓煤堆的缝隙内造成火灾扩大。

2.2 煤筒仓惰化防火装置工作过程

煤筒仓惰化防火装置正常应处于待机状态，当监测满足条件时分别进行锁气、充气和换气操作。

锁气：煤筒仓内静止储煤3～5天或静止储煤时间达到所储煤种的发火期前5天时，惰化保护系统打开锁气环开关阀，用氮气锁住出煤口，从而阻止空气利用筒仓“风筒效应”与储煤进行全方位的接触。

充气：煤筒仓内所储煤炭发生自燃倾向产生高报警信号时（温度≥70℃、CH4或CO的浓度大于爆炸下限的25%）；惰化保护系统打开充气环开关阀，惰性气体向煤层渗透，减少氧化层煤堆的氧含量低于7%，并降低煤层温度，以抑制煤自燃的发生。

换气：煤筒仓储煤处于自燃初始阶段产生高高报警信号时（温度≥230℃、CH4或CO的浓度大于爆炸下限的40%），惰化保护系统打开换气开关阀，同时启动可燃气体外排设备。随着筒仓内煤层上部空间的危险气体从筒仓顶部排风机置换排出，惰性气体充入煤堆的冷却层、氧化层和煤堆与筒仓顶盖之间，达到惰性气体置换危险气体，煤筒仓阻燃物氧含量不大于3%，自燃煤熄火。

2.3 煤筒仓惰化防火装置优势

煤筒仓惰化防火装置优点如下：

（1）煤筒仓惰化防火装置通过安全监测系统、惰化保护系统、PLC控制系统、和安全泄爆设备，实现自动检测，自动灭火，防止火灾发生、蔓延甚至爆炸，确保煤筒仓安全。

（2）煤筒仓充入惰性气体防止储煤氧化变质，避免生产原料浪费。

（3）煤筒仓惰化防火装置采用惰性气体防火，不采用水防火，防止故障的扩大甚至爆炸。

（4）煤筒仓采用固定式筒仓测温电缆，变传统点测温为线测温方式，可深入储煤筒仓内部进行全方位、多层次、立体式的温度监测，工作温度-40℃～900℃，耐磨抗压、安装方便且极易维护。

（5）通过PLC控制器与DCS通讯，在DCS实现组态监视其运行和报警，现场无需工作人员，减少公司人员配置和运行费用。

2.4 煤筒仓惰化防火装置的应用

新疆某公司年产30万吨合成氨、52万吨尿素，工程项目原料煤采用三个Φ22m单仓容量11500m3的混凝土筒仓储存，正常运行储存周期为9天。原料煤为挥发份为34%的烟煤，为高挥发分自燃煤种。为保证煤筒仓防火安全，设计采用了以上介绍的煤筒仓惰化防火装置。该项目煤筒仓惰化防火装置自2015年8月试生产至今运行正常，保证煤在筒仓惰化环境下长期储存而没有发生自燃现象。