气体惰化系统在煤炭行业筒仓的应用

钮刚刚

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司平顶山分公司，河南 平顶山 467002）

选煤工艺中储煤仓容易积蓄易燃易爆等危险气体的场所往往是事故高发区域。这些区域发生突发性事故的概率大，事故造成财产损失及人员伤亡严重。

储煤仓自燃事故由于性质严重、影响面广一直是选煤厂安全运行十分棘手的问题。2014年山西省煤炭工业厅下发了《煤炭企业附属洗（选）煤厂瓦斯管理规定的通知》，要求强化煤仓易燃易爆气体的监测。目前，打造本安型选煤厂已经被行业提上了议程。

1 阻燃阻爆原理

可燃混合物的燃烧爆炸条件可根据国内的相关标准分为管式探测法和球式探测法，依据是可燃气体、氧气、惰性气体的三角坐标图。如图1所示。

可燃区为GACBFG,交点分别为可燃气体的爆炸下限B点和上限A点，C点为极限低氧气浓度点。阻燃阻爆气体惰化的原理为强制增加惰性气体N2的含量使煤仓内混合气体的比例位于不可燃区，杜绝燃烧发生条件的产生。

图1 可燃气体-氧气-惰化气体的爆炸区图

2 惰化系统工作过程

惰化系统利用传感器对储煤仓内气体进行相关检测，当检测到易燃、易爆气体浓度达到危险值时采取相应措施置换仓内易燃、易爆气体为惰性气体（氮气），从根本上消除燃烧（爆炸）发生条件。基本流程为：第一步：检测（传感器）；第二步：分析（DCS系统PLC）；第三步：执行（相关阀门及电动执行器）。整个储煤仓阻燃、阻爆系统过程要围绕具体过程就是锁、充、换三等级来实现。

（1）锁气即锁住出料口。当系统检测到储煤仓产生初级信号时，充氮系统自动开始向产生报警的储煤仓内充高纯度的氮气，锁住出煤口来阻止空气从出煤口向上储煤层渗透，避免储煤仓的“风筒效应”。

（2）充气即向煤层中充气。当系统检测到储煤仓产生高级报警信号时，充氮系统自动开始向产生报警的储煤仓内充高纯度的氮气，向煤层里面渗透高纯度的氮气，达到使可燃性气体浓度及燃源降低的目的，使其储料始终在安全状态。

（3）换气即置换掉储煤仓内物料以上可燃性气体浓度及燃源。当系统检测到储煤仓产生高级报警信号时，系统自动向产生报警信号的储煤仓内的煤层表面上方换气，这时储煤仓内气体由低向高逐渐增多，储煤仓内原来的危险气体从储煤仓顶部排出，达到用惰性气体换掉储煤仓内危险气体的目的。

3 逻辑关系及惰化计算

整个惰化系统的逻辑关系图如下：

图2 惰化控制系统逻辑关系图

惰化多采用常压通流置换惰化法，惰化通流时间为：

式中：

t-惰化时间，h；

V-煤仓内气体空间体积，m3；

Q-惰化气体氮气流量，m3/h；

F-通流安全系数（一般取5）；

Cf-通流惰化后氧气比例，%；

Co-初始氧气体积分数，%；

Ci-惰性气体内氧气比例，%。

4 实例应用

以河南骏化发展股份有限公司合成氨原料路线改造工程中原煤准备环节的储煤筒仓阻燃阻爆系统为例进行论述。

本系统组成分为2个子系统：惰性气体供给和管道系统，气体监测和PLC处理执行系统。具体布置图及监测分析设备布置见图3、图4。

惰性气体供给和管道系统示意图：

图3 惰化系统气源及管路布置

实际生产调试中对系统氧气浓度阈值进行确定，根据相关文献研究表明，极限氧浓度LOC和温度的关系为：

式中：

LOCTO-常温下褐煤极限氧含量，本工程取12%；

T-实际筒仓内温度，℃；

T0-参考温度，一般取20℃。

假设煤炭内部温度检测为130℃，则计算130℃时褐煤极限含氧量为10.57%，当被保护系统氧含量为间断监测时，考虑安全裕量(原则为被保护系统氧浓度若为间断监测,系统停机氧浓度TP按以下整定：系统最大允许氧浓度MAOC不低于5%时,系统停机氧浓度TP不应超过MAOC的60%,否则系统停机氧浓度TP不应超过MAOC的40%。)，设定最大允许极限氧含量不大于6.34%。

气体监测和PLC处理执行系统示意图：

图4 气体监测和PLC处理执行系统

5 结论

气体惰化系统是打造本安型选煤厂的重要手段，但目前我国气体惰化系统的行业标准尚处于制定阶段，没有具体的规范参考依据，实际使用中设计人员也要和生产厂家结合现场使用环境条件确定三级报警的阈值。另外封闭煤仓煤层内部温度的监测一直也是一个难题，对选煤工艺来说采用缆式测温传感器和仓壁插入式温度监测装置相结合的监测装置较多，亟待引出新的监测手段。