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)

煤倉是煤礦及選煤廠必不可少的建筑物。近年來我國(guó)煤礦煤倉的儲(chǔ)量相對(duì)增大，存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)，故煤倉安全問題進(jìn)一步突出。煤運(yùn)至煤倉儲(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)措施大多是在煤倉頂部及倉底設(shè)置消火栓及滅火器進(jìn)行滅火，而煤倉內(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)今電廠煤倉消防采取對(duì)倉體內(nèi)注入惰性氣體的方式，破壞煤倉內(nèi)煤的燃燒條件，以達(dá)到煤倉消防的目的。電廠煤倉氣體消防采用的氣體有氮?dú)?、CO2等，經(jīng)過對(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)煤倉進(jìn)行消防保護(hù)取得了較好的效果。煤礦煤倉應(yīng)借鑒電廠煤倉消防保護(hù)的措施，利用惰化保護(hù)方式對(duì)煤倉進(jìn)行消防保護(hù)，以保證安全運(yùn)行。

1 煤倉消防現(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)過程中煤的氧化過程是平穩(wěn)而緩慢的，放熱量很少，有微量的CO釋放；當(dāng)煤周圍溫度從60 ℃逐漸上升至80 ℃的過程中，煤的氧化反應(yīng)速度加快，煤中的水分開始蒸發(fā)，并且開始分解釋放出CO、CO2等氣體，該過程煤發(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。在煤倉倉體內(nèi)堆放的煤不斷會(huì)有CO釋放，當(dāng)倉體中心部位的煤周圍的CO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)致周圍溫度不斷升高、CO濃度不斷提高。煤在煤倉內(nèi)下滑過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。即在煤倉倉頂安放風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)將溢出的瓦斯外排，以減少倉內(nèi)瓦斯?jié)舛?。此外根?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)在原煤倉設(shè)置室內(nèi)消防給水系統(tǒng)；在原煤倉頂按照相關(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)，煤倉內(nèi)煤極易發(fā)生自燃。煤倉內(nèi)煤一旦發(fā)生著火，在幾萬噸自燃的煤上澆水的做法無異于火上澆油，消防水噴灑入倉內(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。而把幾萬噸的煤從煤倉中全部卸出，既沒有那么大的場(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。

煤倉倉頂安放風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)將溢出的瓦斯外排，以減少倉內(nèi)瓦斯?jié)舛取＿@種方式只能降低煤倉頂部瓦斯的濃度，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)于煤倉內(nèi)部溢出的瓦斯，倉頂安放的風(fēng)機(jī)并不能及時(shí)排放。

對(duì)于煤倉消防安全，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)，是煤倉消防保護(hù)的主要任務(wù)。

2 煤倉惰化保護(hù)現(xiàn)狀

當(dāng)今電廠中的煤倉大多采用惰化保護(hù)方式，即采用惰化氣體作為煤倉中煤的保護(hù)介質(zhì)，以減少煤倉中瓦斯氣體的含量，防止倉內(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題[5]。首先，蒸汽消防系統(tǒng)目前尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，工程實(shí)施過程中，沒有具體的設(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，即煤倉的入料口和出料口在蒸汽消防過程中要密閉，這種方式在實(shí)際應(yīng)用過程中是難以實(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)電廠煤倉進(jìn)行惰化保護(hù)的氣體大多采用CO2和N2[8]，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，這兩種惰性氣體對(duì)煤倉消防保護(hù)起到很好的作用[9-11]。

在常溫、常壓條件下，CO2和N2均是無色、無味的惰性氣體。采用CO2或N2做為惰化保護(hù)的氣源，該氣源具有無污染、無腐蝕、不導(dǎo)電的特性，且滅火后完全氣化，無殘留物，不污染保護(hù)物，而且來源廣泛，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)電灤河電廠的煤倉就是采用低壓CO2惰化保護(hù)系統(tǒng)，且在實(shí)際運(yùn)行過程中效果較好。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 煤倉惰化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

煤倉惰化氣體保護(hù)的原理：將惰性氣體加壓，由管道將惰性氣體輸入煤倉，使煤倉內(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，在煤倉內(nèi)稀釋、置換易燃、易爆的甲烷、CO及O2，使煤倉內(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、各種控制閥門及充氣頭等裝置構(gòu)成。惰化氣體一般都是通過加壓的方式輸入煤倉，輸氣管道一般布置于煤倉外側(cè)(有中心柱的煤倉輸氣管道布置于中心柱內(nèi))，在煤倉頂部、中部及底部等處設(shè)置多個(gè)供氣口，使煤倉內(nèi)均勻充氣，煤倉開啟惰化氣體保護(hù)時(shí)，可通過感溫裝置及可燃?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)模式無需監(jiān)測(cè)信號(hào)，可將控制程序設(shè)定為2～3 d，給煤倉充氣2 h，將倉內(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)，不間斷地向倉內(nèi)充氣，惰性氣體不斷向倉內(nèi)充氣的過程是對(duì)倉體不斷加壓的過程，持續(xù)地不斷加壓會(huì)對(duì)倉體結(jié)構(gòu)及倉內(nèi)機(jī)械設(shè)施產(chǎn)生一定的損害，故此過程需對(duì)倉體進(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泄壓，經(jīng)過多年實(shí)際運(yùn)行，該裝置對(duì)泄壓效果較好。

煤倉的惰化保護(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)說明惰化保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所需的各項(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，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的中上層，其作用是置換煤倉內(nèi)溢出的可燃?xì)怏w，使煤倉內(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的中下部，其作用是最大限度、均勻地向位于煤倉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 煤倉惰化保護(hù)運(yùn)行中的相關(guān)問題

煤倉是煤礦及選煤廠生產(chǎn)過程中火災(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)煤倉實(shí)施安全保護(hù)，但是為了安全起見，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。惰化氣體是一種無色、無嗅的氣體，也是一種簡(jiǎn)單的窒息劑，使用過程中大量氣體釋放會(huì)造成局部氧氣含量減少，使周圍人員造成窒息，此外存儲(chǔ)惰化氣體的容器壓力較大，不得承受過度的外力作用或沖擊，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，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)行過程中進(jìn)行惰化保護(hù)的煤倉附近應(yīng)有明顯的聲光報(bào)警提示，并且在噴放過程中盡量避免人員靠近。

5 結(jié) 語

煤倉的安全保護(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)，確保煤倉安全運(yùn)行。我國(guó)煤倉惰化保護(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、尤其是大直徑煤倉應(yīng)大力推廣煤倉惰化保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)一步確保煤礦企業(yè)安全運(yùn)行。