原煤筒倉消防設施設計

康偉卿，劉長青，曹清云

(1.滄州市消防支隊，河北 滄州 061000； 2.張家口市消防支隊，河北 張家口 075000)

原煤筒倉消防設施設計

康偉卿1，劉長青2，曹清云1

(1.滄州市消防支隊，河北 滄州 061000； 2.張家口市消防支隊，河北 張家口 075000)

對于原煤筒倉這一特殊類型建(構)筑物，現行建筑消防設計規范未予以明確規定。根據相關技術規范，結合實際工作經驗，分析了原煤筒倉的火災危險性，探討了此類建(構)筑物的消防設施設置要求，并以某化肥廠原煤筒倉為例，提出了較為合理的消防設計方案，為此類建(構)筑物的消防設計提供參考。

原煤筒倉；消防設施；防爆；惰化

原煤屬于丙類火災危險性的儲存物品，根據其物理化學特性，通常情況下由于存放時間較短，一般不易發生原煤自燃以及爆炸。當原煤堆存時間較長，儲存過程中原煤內部發生氧化反應，產生的熱量不易擴散，會導致筒倉儲存的原煤自燃。原煤的自燃過程按其溫度和物理化學變化特征，分為潛伏、自熱、燃燒和熄火四個階段，在自燃過程中會產生大量的CO以及CH4等易燃易爆氣體，在達到一定濃度后會與O2混合發生爆炸，其中存在高揮發成分的煤種更易發生自燃現象。因此，儲存設施的防燃、防爆、滅火等消防設計顯得尤為重要。

目前，在電力、鋼鐵、化工等行業領域中，原、燃煤是工廠大宗主要消耗原材料，原、燃煤的儲存也越來越受到工廠重視，其儲存形式一般可分(半)露天堆存，煤庫房堆存，原煤筒倉堆存和大型條、圓形庫堆存等幾種主要形式。由于原煤筒倉儲存具備占地面積小、機械化程度高、不污染環境和煤質量不受自然環境影響等優點，越來越受到各行業大、中型工廠的歡迎。工程設計中采用混凝土形式筒倉儲存方式，通常采用封閉性結構，筒倉上部有皮帶卸料機定點給料，下部有密閉的縫隙式給煤機、活化振動給煤機或環型給煤機出料。

1 現行消防規范對原煤筒倉消防設施的要求

對于原煤筒倉這類建(構)筑物的消防設施的設置，現行《建筑防火設計規范》未予以規定。目前主要參照《石油化工全廠性倉庫及堆場設計規定》(GB 50475-2008)[1]、《化工粉體工程設計通用規范》(HG/T 20518-2008)[2]和《火力發電廠運煤設計技術規程》(DLT 5187.1-2004)[3]、《火力發電廠煤和制粉系統防爆設計技術規程》(DL/T 5203-2005)[4]等設計規范的有關內容要求。

通過整理上述規范相關內容，總結其具體要求如下：(1)筒倉應設有防火、防爆設施和處理自燃物料的應急措施。(2)筒倉應設置性能可靠的連續測量的料位計，并根據物料特性分別設置溫度、可燃氣體(包括CH4和CO等)、煙氣、粉塵濃度檢測報警裝置及連鎖高料位開關。料位計及相關檢測報警信號應送入系統控制室或DSC系統。(3)倉面應設置通風機，倉頂沿倉壁周圍應設置瓦斯排放孔，倉頂結構應采取泄爆設施；筒倉內存放自燃、發熱、散濕及易散發有害氣體物料時，筒倉上方應設置相應的通風排氣管口。有粉塵爆炸危險的筒倉，其頂部蓋板應設置必要的泄壓設施，或設置防爆門。(4)當采用筒倉貯存自燃傾向性高的煤種時，應設置惰化系統，宜在原煤倉上部空間或金屬煤斗下部設置通入滅火用惰性氣體的引入管(DN≥25 mm)固定接口；應設置通風排風系統，排除筒倉上部可燃氣體，不留死角。

上述規范多數屬于石化、電力等行業標準，其適用范圍包括燃煤火力發電廠煤及制粉系統及其圍包體、石油化工全廠性倉庫及堆場、化工廠粉體工程、燃煤熱電廠與發電廠的運煤系統等。對其他采用原煤作為燃料或原料的企業，在原煤筒倉的消防設施設置上并沒有明確的規范要求。

2 原煤筒倉的消防設施設置分析

依據筆者近年來審核的原煤筒倉消防設計，參照上述規范，此類建(構)筑物消防設施設計，應包含以下內容并遵循相應要求。

2.1 筒倉內安全監測系統

為監測筒倉內原煤的狀態，有效的辦法是在筒倉內設置溫度監測、煙氣監測、可燃氣體監測(CO/CH4)、料位計等安全監測系統。在設置此類設施時，應根據筒倉外形結構及運行方式，合理配置監測設施的位置及數量；設施應能保證隨時監測筒倉內原煤的狀態，輸出可靠數據。在具體設置上應滿足以下要求：(1)監測設施的設置要合理，在筒倉整個容積范圍內，能夠準確反映筒倉的溫度分布情況，覆蓋可能的自燃、易燃點，溫度設置布局準確可靠。(2)監測設施選型合理，使用壽命長，適應筒倉的使用環境。(3)監測設施插入深度設計合理。

2.1.1 筒倉溫度監測系統配置

2.1.2 筒倉煙氣、可燃有害氣體監測系統配置

由著火理論可知，原煤筒倉內發生燃燒乃至爆炸，應滿足三個條件：點火源；筒倉內聚積的粉塵或可燃氣體達到一定濃度；氧氣達到一定濃度。故應在筒倉內設置煙霧探測器、CO檢測器、CH4檢測器，布置位置應在筒倉頂部，伸入筒倉1 m左右。此外，考慮到筒倉采用惰性氣體作為保護介質，其內部可能逸出有害氣體和惰性氣體對人體造成危害，在生產人員滯留和巡檢通行的地方，必須配置氧氣檢測器和有毒氣體檢測器(CO檢測器)，監測該區域的空氣中氧氣濃度含量，提醒工作人員安全撤離，進行開窗通風或局部強制通風。

2.2 筒倉內惰化保護系統

惰化保護系統通常是指，當筒倉內可燃氣體未發生爆炸的時候，將惰性氣體充入到筒倉內煤層的縫隙中，稀釋可燃性氣體，從而達到阻止筒倉內部發生燃燒、爆炸的目的。目前常用的惰性保護氣體有氮氣和二氧化碳[5]。下文以氮氣為例進行討論。

惰化系統中氮氣的充放通過管路完成。當向原煤筒倉內部充氮氣時，可以置換筒倉中的空氣。由于筒倉采用鋼筋混凝土封閉性結構，其密封性較好，不易發生再次滲氮的現象。在筒倉底部出煤口處為防止空氣倒吸滲入，應設有鎖氣環；在中下部為置換煤層中的空氣，應設有換氣環，為提高效率，此處的充氣點布置應進行加密；在中上部為隔絕空氣，應設有充氣環；在筒倉內部原煤儲放時間較長的地方可采用測溫充氣鋼纜向內部充氣。

筒倉內的氮氣充氣頭可與煤直接接觸，由于煤具有流動性，在使用過程中可能會堵塞充氣孔。因此在設計時，應保證充氣頭的開孔方向與來煤到達充氣頭時的速度方向垂直，避免氣孔堵塞。同時，在充氣頭與管道的連接處應添加密封件，避免漏氣。

充放氮氣的工作壓力應為低壓，小于10 kPa，否則會造成飛塵，產生二次爆炸，不但無法起到惰化作用，反而帶來新的爆炸隱患。

對黏性強的煤，除需充分考慮筒倉的外形結構設計和出料設備選型外，還需要采取“防堵”設施。采用空氣炮作為破拱裝置，效果較好，但如采用空氣作為氣體介質會加速煤的自燃可能性，需嚴格分析驗證，建議采用惰性氣體作為介質。

惰化保護設施需與監測系統連鎖，并通過控制系統集中控制，起到預防筒倉內原煤自燃和對生產人員、設備進行安全保護的作用。

2.3 筒倉安全泄爆裝置

對于原煤筒倉，由于其存在粉塵爆炸的危險，故應設置泄壓設施，或設置防爆門。當筒倉內部壓力達到設計閾值時，防爆門開啟，快速泄壓，降低筒倉內的壓力，保證筒倉及其內部設備不受損壞，防爆門動作后應能自動快速復位，以防筒倉發生二次爆燃。筒倉頂部的泄爆面積可根據國家有關設計規范要求計算選取，一般宜用多個泄爆門均勻分布在筒倉頂部。筒倉的防爆設計宜考慮防爆門泄放系數和排放管道的影響[6]。

最大允許狗腿嚴重度為鉆孔軌跡正彎曲或負彎曲的曲率半徑宜大于鉆桿鉆具組合自由狀態(鉆具組合整體順下孔壁通過彎曲段)的最小曲率半徑。正彎曲段狗腿嚴重度允許值相對較高，最小曲率半徑相對較?。回搹澢喂吠葒乐囟仍试S值相對較低，最小曲率半徑相對較大。狗腿嚴重度指標可反映彎曲段對鉆探鉆井施工的影響，但不能用于評價整個鉆孔軌跡對鉆探施工孔內安全的影響。如鉆孔軌跡由2個或以上彎曲段構成，其對鉆探施工孔內安全不是單獨影響的，而是具有關聯性和疊加性的，將嚴重加劇鉆探施工孔內安全問題；而且隨著鉆進深度的不斷增加，孔內安全不斷惡化。

2.4 除塵器及防爆電氣設備選取

在筒倉內部筒頂處是最容易出現爆炸性煤塵混合物的部位，而在該部位設置有皮帶卸料機。此處有很多傳動部件(電動滾筒、傳動滾筒、托輥等)和卸料設備，在工作過程中容易摩擦生熱，產生點火源，從而引發煤塵爆炸，故在筒倉頂部宜設置除塵器。由于煤及煤粉塵是可燃、可爆的危險介質，運行的電器存在于爆炸危險性氣體或粉塵的場所，故此類場所的電氣設備必須選用符合國家或行業要求的防爆電氣產品，避免引起周圍爆炸性混合物爆炸，保證安全生產，避免火災、爆炸發生。

2.5 滅火設施

當筒倉內部發生煤自燃時，向筒倉內部設置噴水降溫的做法，可能形成煤的氣化過程，加劇爆炸的可能性。因此，當筒倉存煤自燃時應采用窒息法進行滅火，如利用低壓蒸汽、阻燃泡沫劑或惰性氣體灌注筒倉，使其得不到足夠的氧氣，待熄火后將燃燒后的殘煤導出筒倉另外處理。

對筒倉出料后底部和皮帶通廊的空間，可采取常規的消防措施(如噴淋水)。在筒倉上、下通廊與搭接的皮帶棧橋結合部位，宜設置棧橋消防水噴淋隔斷，阻止兩建(構)筑物之間的煙火蔓延；在筒倉皮帶走廊等重要部位，宜設置煙霧報警或火災探測報警，提前發現火災危險苗頭，積極進行滅火保護。

2.6 安全疏散設施

建議原煤筒倉外部設置專用獨立的消防樓梯和客貨兩用電梯，并在每個筒倉的外墻壁設置鋼平臺和直爬鋼梯，作為臨時逃生通道，疏散工作人員。

3 實例分析

某化肥廠設計選用8個圓型筒倉儲煤方式，分兩期建設。一期建設4個筒倉，筒倉布置如圖1所示。單個原煤筒倉直徑22 m、高40 m，單倉容積約為10 000 m3，儲煤約8 000 t，每個筒倉中心間距26 m，總占地面積約6 000 m2，總儲煤能力約為32 000 t。8個圓型筒倉分雙排布置，雙縫隙卸煤出口，筒倉錐部段耐磨處理，筒倉頂面上設置皮帶通廊寬×高為6 m×5 m，設有帶式輸送機，在每個單排筒倉下部，設置雙線帶式輸送機、葉輪給煤機，通過地下皮帶棧橋分別將原、燃料煤送往后續工段。

圖1 原煤筒倉布置圖

3.1 安全監測系統

每個筒倉配置8支PT100溫度傳感器監測筒倉錐部溫度，4個筒倉共配置33支溫度傳感器(含1個備件)。溫度傳感器深入筒倉250 mm，傳感器自帶保護管。溫度探頭的保護外殼由不銹鋼制成，保護套管的強度、剛度和耐磨性能能夠保證溫度傳感器插入筒倉后不被落煤砸壞或磨損。溫度傳感器報警溫度上限為70 ℃，報警參數范圍可調節。每個筒倉配置4套煤層多點測溫纜式傳感器，垂直吊裝在筒倉頂部，深入筒倉，用于監測筒倉內部煤的溫度變化。每套煤層多點測溫纜式傳感器含8個數字式溫度傳感器，相鄰兩個溫度傳感器間距2 m，總長不小于20 m，測溫范圍-55～+125 ℃。每個筒倉配置1臺智能溫度巡檢報警儀，實現溫度監測數據就地顯示、報警，同時傳輸至上位機系統。溫度信號可以現場顯示和程控顯示。當使用纜式傳感器時，采用可換芯數字式測溫，外套采用高強度、高耐磨的高分子聚乙烯材料作保護。

在每個原煤筒倉頂、底部及棧橋通廊上部，設置煙氣檢測報警，氧氣氣體濃度檢測報警，筒倉高、低料位檢測報警。每個筒倉頂部安裝2套一氧化碳氣體檢測儀表、2套甲烷氣體檢測儀表、2個煙霧探測器，各種傳感器均設置為均勻對稱布置在筒倉頂部，配置安裝附件伸入筒倉1 m。傳感器初報警為爆炸下限的25%，高報警為爆炸下限的40%。每個筒倉頂部皮帶走廊各配置1個氧氣濃度檢測器，1個CO濃度檢測器，安裝在皮帶走廊頂部。氧氣濃度檢測器報警限為18%VOL，CO氣體濃度檢測傳感器報警限為60 ppm，檢測信號接至數據采集箱內氣體監測儀表中，實時顯示、輸出監測信號。

3.2 惰化保護系統

筒倉惰化保護系統采用氮氣系統，每個原煤筒倉上設置換氣1層、充氣3層和鎖氣1層，每層由4個斜插管均布在筒倉外壁，將氮氣通入倉內，排出原煤空隙中的空氣，降低原煤自燃發生概率；同時還可在筒倉內頂部充氮氣，隔絕筒倉原煤與空氣接觸，起到滅火作用。設置要求為：(1)氮氣氣源壓力為0.4 MPa；(2)惰化系統在監測到筒倉不同位置的可燃可爆氣體濃度達到報警值時，及時啟動，注氮氣置換，保證筒倉的安全；(3)根據實際氣源壓力配套設置減壓裝置；(4)每個筒倉的注氮氣惰化裝置均應設置相應符合要求的1層換氣環、3層充氣環及1層鎖氣環，換(充/鎖)氣環均為環形多點均勻充氣；(5)每個筒倉中(底)部設置氮氣炮等輔助設施。

3.3 安全泄爆裝置

在每個筒倉頂部設置10個重力式防爆門，通廊設防爆型通風機及必需的設施。

3.4 除塵器與防爆電器

筒倉頂面上設置有布袋除塵器等設備，筒倉內部設有與外界連通的布袋除塵器和風機強制排風，加強筒倉內部換氣。根據國家防爆標準GB 3836-2010，儲煤筒倉屬于“0類危險區域”，長期存有易燃易爆性氣體。煤層測溫裝置防爆等級為ExiaIICT6，防護等級為IP65。煙霧探測器為光電感煙探測器，防爆型式為ExibI(150 ℃)，外殼防護等級為IP54。

3.5 滅火與安全疏散設施

筒倉與外部連接的棧橋采用水噴淋隔斷。筒倉結構形式為混凝土封閉式筒倉、耐火等級II級設計，在筒倉的一側設直達筒倉頂部的專用電梯和消防樓梯間，每個筒倉外部都設室外消防平臺和直通頂部直爬梯，皮帶上下通廊設通風系統。

4 結語

在原煤筒倉設計和使用時，應對其消防安全進行全面考慮，其消防設施至少應包括：(1)在筒倉內部，各種安全監測系統、惰化保護系統、安全泄爆系統、除塵設施和滅火設施；(2)在筒倉外部，滅火設施、安全疏散設施、各種監控設施等。

關于原煤筒倉的消防設計，雖然經過多年的改進，已進行了必要的防燃、防爆、滅火方面的考慮和優化，但在生產使用的過程中發現其仍有許多不足之處，需要逐步改進，以完善其消防設計，滿足消防安全的要求。

[1] GB 50475-2008，石油化工全廠性倉庫及堆場設計規定[S].

[2] HG/T 20518-2008，化工粉體工程設計通用規范[S].

[3] DL/T 5187.1-2004，火力發電廠運煤設計技術規程(第1部分：運煤系統)[S].

[4] DL/T 5203-2005，火力發電廠煤和制粉系統防爆設計技術規程[S].

[5] 楊騰.原煤儲運系統筒倉的防燃防爆典型設計[J].科技資訊，2013,(21):99.

[6] 黃志遠,梁輝.煤粉倉的設計與防爆[J].青海電力,2003,(S1):59-62.

(責任編輯 李 蕾)

An Analysis of the Coal Silo Fire Facilities

KANG Weiqing1, LIU Changqing2, CAO Qingyun1

(1.CangzhouMunicipalFireBrigade,HebeiProvince061000,China; 2.ZhangjiakouMunicipalFireBrigade,HebeiProvince075000,China)

For a coal silo as the special construction, the current Code for its fire protection design is not clearly defined regarding the demand of its fire facilities. In this paper, the fire risk of a coal silo is analyzed and the requirements of the set of fire facilities are discussed. On the basis of a certain coal silo which is built in a chemical plant, a more reasonable design is put forward which can provide the basis of fire facilities design of construction of this kind.

coal silo; fire facilities; explosion proof; inerting

2015-05-13

康偉卿(1982— )，男，河北黃驊人，工程師； 劉長青(1973— )，男，河北赤城人，工程師； 曹清云(1988— )，男，重慶豐都人。

D631.6

A

1008-2077(2015)08-0055-04