煤仓惰化保护技术研究现状

刘 佳

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

煤仓是煤矿及选煤厂必不可少的建筑物。近年来我国煤矿煤仓的储量相对增大，存储时间较长，故煤仓安全问题进一步突出。煤运至煤仓储存，会有瓦斯溢出，煤长时间储存，会氧化分解释放热量并释放可燃气体，当达到燃烧浓度及温度时，煤会发生自燃或者阴燃，煤仓一旦发生火灾，将威胁煤炭企业的安全运行，并会造成较大的经济损失。

目前，采取的消防安全保护措施大多是在煤仓顶部及仓底设置消火栓及灭火器进行灭火，而煤仓内部一旦发生火灾，这些灭火设施并不能及时有效的控制火情，煤仓内煤发生燃烧时采用水作为阻燃剂消防，会使煤进一步发生氧化反应。当今电厂煤仓消防采取对仓体内注入惰性气体的方式，破坏煤仓内煤的燃烧条件，以达到煤仓消防的目的。电厂煤仓气体消防采用的气体有氮气、CO2等，经过对不同的气体、不同的消防保护方案进行多次探讨、调研及分析，采用惰化气体(CO2、N2)保护方式对煤仓进行消防保护取得了较好的效果。煤矿煤仓应借鉴电厂煤仓消防保护的措施，利用惰化保护方式对煤仓进行消防保护，以保证安全运行。

1 煤仓消防现状分析

煤是一种不稳定有机物，在一定条件下会氧化分解，在常温至60 ℃，煤在与空气接触时，会吸附空气中的氧发生氧化反应，生成不稳定的氧化物，这个过程中煤的氧化过程是平稳而缓慢的，放热量很少，有微量的CO释放；当煤周围温度从60 ℃逐渐上升至80 ℃的过程中，煤的氧化反应速度加快，煤中的水分开始蒸发，并且开始分解释放出CO、CO2等气体，该过程煤发生氧化反应不断释放出热量，温度也逐渐提高，一旦温度达到自燃温度，煤就开始自燃，此时煤发生深度热分解反应，从中释放出烃类、CO、CO2等气体。在煤仓仓体内堆放的煤不断会有CO释放，当仓体中心部位的煤周围的CO不能及时散发且该处煤温度不能及时降低时，会导致周围温度不断升高、CO浓度不断提高。煤在煤仓内下滑过程中的互相碰撞及煤长时间堆放均会导致热量不能及时散发，或局部温度升高[1]，这些因素都会加剧煤的氧化反应[2]。

目前煤矿、选煤厂及煤炭集运站煤仓大多采用通风排放瓦斯的方式降低瓦斯的浓度。即在煤仓仓顶安放风机，通过风机将溢出的瓦斯外排，以减少仓内瓦斯浓度。此外根据GB 50810—2012《煤炭工业给水排水设计规范》[3]及GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[4]的相关规定：应在原煤仓设置室内消防给水系统；在原煤仓顶按照相关规范设有一定数量的消火栓及灭火器。

若煤仓储煤时间较短，这种方式尚且可行。但在实际生产中，煤仓内煤的存储时间受下游用户的影响较大，存储时间较长时，煤仓内煤极易发生自燃。煤仓内煤一旦发生着火，在几万吨自燃的煤上浇水的做法无异于火上浇油，消防水喷洒入仓内的水相对于大量的煤而言，只能起到氧化剂的作用，不但不能灭火，反而会加剧煤的氧化甚至会发生爆炸。而把几万吨的煤从煤仓中全部卸出，既没有那么大的场地，也需要很长的时间，出于消防和安全考虑，这种做法也是不经济的。

煤仓仓顶安放风机，通过风机将溢出的瓦斯外排，以减少仓内瓦斯浓度。这种方式只能降低煤仓顶部瓦斯的浓度，一旦发生火灾，这种做法不能起到任何灭火消防效果。对于煤仓内部溢出的瓦斯，仓顶安放的风机并不能及时排放。

对于煤仓消防安全，只能做到预防为主，尽早预知和及时发现事故，并采取相应措施将危险消灭在萌芽状态，是煤仓消防保护的主要任务。

2 煤仓惰化保护现状

当今电厂中的煤仓大多采用惰化保护方式，即采用惰化气体作为煤仓中煤的保护介质，以减少煤仓中瓦斯气体的含量，防止仓内发生阴燃。惰化气体一般为蒸汽、CO2和N2等。

早期电厂煤仓采用惰化气体保护模式时，选用蒸汽灭火系统，但随着工作的深入，发现煤仓采用蒸汽消防这种方法在消防可靠性和安全性方面存在一些问题[5]。首先，蒸汽消防系统目前尚无国家标准，工程实施过程中，没有具体的设计依据及验收规范。NFPA850[6]中对蒸汽消防的阐述中要求采用蒸汽消防的空间要相对密闭，即煤仓的入料口和出料口在蒸汽消防过程中要密闭，这种方式在实际应用过程中是难以实现的。现在蒸汽消防这种方式已不推荐采用。

GB 50229—2006 《火力发电厂与变电站设计防火规范》[7]中规定原煤仓应采用惰化气体进行保护。当今，火力发电厂煤仓进行惰化保护的气体大多采用CO2和N2[8]，经过长时间的实践应用，这两种惰性气体对煤仓消防保护起到很好的作用[9-11]。

在常温、常压条件下，CO2和N2均是无色、无味的惰性气体。采用CO2或N2做为惰化保护的气源，该气源具有无污染、无腐蚀、不导电的特性，且灭火后完全气化，无残留物，不污染保护物，而且来源广泛，价格低廉。我国已于1993年颁布了GB 50193—93《二氧化碳灭火系统设计规范》[12]，二氧化碳作为惰化气体实施保护的技术运用已经很成熟和广泛[13]。国电滦河电厂的煤仓就是采用低压CO2惰化保护系统，且在实际运行过程中效果较好。N2作为惰化气体实施保护，目前我国没有相关的规程规范，但实际应用中，采用N2惰化保护已非常普遍。江苏利港电厂10座40 m直径的煤仓均采用N2作为保护气体实施保护，运行至今效果良好。

3 煤仓惰化保护关键技术

煤仓惰化气体保护的原理：将惰性气体加压，由管道将惰性气体输入煤仓，使煤仓内的煤处于被惰化气体包围的环境中，破坏煤自燃的环境。利用惰性气体，在煤仓内稀释、置换易燃、易爆的甲烷、CO及O2，使煤仓内的可燃气体含量降低到安全合理范围[14]。O2含量降低，达到抑爆的效果，从而使煤仓处于安全的状态。

目前惰化气体保护系统通常是由气体制备系统、储气罐、各种连接管路、各种控制阀门及充气头等装置构成。惰化气体一般都是通过加压的方式输入煤仓，输气管道一般布置于煤仓外侧(有中心柱的煤仓输气管道布置于中心柱内)，在煤仓顶部、中部及底部等处设置多个供气口，使煤仓内均匀充气，煤仓开启惰化气体保护时，可通过感温装置及可燃气体探测装置探测，当温度或可燃气体浓度达到设置开启数据时，启动充气装置，达到保护目的。

惰化系统的保护方式一般可分为3种，即常态保护、中危保护及高危保护。常态保护模式可将危险消灭在萌芽中，此保护模式无需监测信号，可将控制程序设定为2～3 d，给煤仓充气2 h，将仓内的可燃气体溢出；中危保护模式是在中危报警信号启动后开启，间歇式充入惰性气体直至中危信号解除；高危信号启动后，需立即启动高危保护模式，系统启动一切安全装置，此时制气系统满负荷运转，不间断地向仓内充气，惰性气体不断向仓内充气的过程是对仓体不断加压的过程，持续地不断加压会对仓体结构及仓内机械设施产生一定的损害，故此过程需对仓体进行泄压，目前运行的惰化气体保护装置泄压大多采用防爆门泄压，经过多年实际运行，该装置对泄压效果较好。

煤仓的惰化保护中，N2和CO2设置的用量、布置要求、储量情况及设置条件，目前参照发电厂和高压直流变电站的防火推荐规程，即美国防火协会标准NFPA850—2005。该标准详细说明惰化保护系统设计过程中所需的各项参数、指标。惰化装置的气量配置要求能够保证大中小负荷，紧急开停全方位供气，灵活机动，安全可靠。

惰化气体经加压由管路输入煤仓，输气管道一般采用普通钢管，管道一般为环状布置于煤仓外侧，充气管道的布置根据功能可分为换气层、充气层及锁气层。换气层管道布置于煤仓的中上层，其作用是置换煤仓内溢出的可燃气体，使煤仓内可燃气体浓度降低到不自燃浓度；充气层管道布置于煤仓的中下部，其作用是最大限度、均匀地向位于煤仓中部煤层中充惰性气体，以保证该部位煤层处于惰化气体保护中；锁气层管道布置于煤仓的下部，其作用是用氮气锁住出煤口，阻止空气从落煤口处向煤层渗透[15]。

4 煤仓惰化保护运行中的相关问题

煤仓是煤矿及选煤厂生产过程中火灾危险等级较高的场所，虽然惰化保护系统可以根据报警信号实施启闭，对煤仓实施安全保护，但是为了安全起见，现场附近应派有值班人员，一旦发生险情，可以立即启动安全设施。惰化气体是一种无色、无嗅的气体，也是一种简单的窒息剂，使用过程中大量气体释放会造成局部氧气含量减少，使周围人员造成窒息，此外存储惰化气体的容器压力较大，不得承受过度的外力作用或冲击，在系统运行过程中，突然释放加压气体会对附近人员造成伤害，因此系统运行过程中进行惰化保护的煤仓附近应有明显的声光报警提示，并且在喷放过程中尽量避免人员靠近。

5 结 语

煤仓的安全保护是煤矿及选煤厂正常生产运行的必要条件。为了预防和减少煤炭自燃火灾事故的发生，降低事故发生的可能性和危害程度，并对可能出现的煤炭自燃事故进行预防和控制，本着“预防为主，防消结合”的方针，要积极运用成熟先进的技术，确保煤仓安全运行。我国煤仓惰化保护系统在电厂中的应用已经相当广泛和成熟，且运行效果良好，煤矿、选煤厂煤仓、尤其是大直径煤仓应大力推广煤仓惰化保护系统，进一步确保煤矿企业安全运行。