儲煤筒倉的安全設計

原進凱，楊建國，杜 陽

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

設計技術

儲煤筒倉的安全設計

原進凱，楊建國，杜 陽

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

儲煤筒倉具有占地利用率高、儲量大、環境污染小等優點，但由于設計或維護不當，極易發生堵煤、自燃和爆炸等事故，影響用煤和全廠的安全。本文從安全設計角度出發，對筒倉進行防堵、防自燃和防爆設計并監測控制指標，有效提高了筒倉的安全性和可靠性。

筒倉；安全；防堵；防自燃；防爆

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.003

儲煤筒倉具有儲量大、占地利用率高、環境污染小等優點，但儲煤筒倉由于設計或維護不當，極易發生堵煤、自燃甚至爆炸等重大事故，影響用煤和全廠的安全。

儲煤筒倉的安全設計分為防堵設計、防自燃設計、防爆設計、消防設計、結構安全設計、施工安全和運行維護等方面。本文主要研究了儲煤筒倉的防堵設計、防自燃設計和防爆設計等。

筒倉內因物料的粒度和含水率等不同，易發生堵煤，直接影響輸煤系統的安全性和可靠性；由于筒倉內煤的緩慢氧化，會使煤的溫度逐漸升高[1]，煤導熱系數低，煤內部熱量向四周導熱較慢，導致煤堆內溫度逐漸升高[2]，同時釋放煙霧和有害有毒氣體，極易導致煤的自燃。當可燃氣體和煙霧達到一定濃度后，易發生筒倉自燃甚至爆炸等重大安全事故。因此，做好防堵、防自燃和防爆設計等環節，能使筒倉的異常情況從設計源頭上避免。同時，為防止筒倉儲煤出現空倉或滿倉狀態，筒倉中還應配置料位監測設備。

1 防堵、防積料等設計

防堵、防積料等的設計，要綜合考慮煤的特性和項目特點，充分考慮后期運行過程中可能出現的問題或隱患以及后續復雜繁瑣的改造等，從設計源頭上避免。主要從下面幾個方面進行了探討。

(1)煤的濕度。筒倉儲煤時間不宜超過7 d，煤水分含量高時，在儲存時間一定的情況下，更易在筒倉內結拱堵料，且空氣炮等破拱措施不明顯，一般當煤水分含量>10%時，不宜采用筒倉儲煤。

(2)筒倉內輔助設施。如需檢修筒倉內的設備，若采用鐵爬梯等易銹蝕斷落，堵住卸料口，宜采用倉頂預埋吊鉤、設檢修人孔或其他合適的軟梯[3]；倉內壁需內襯耐磨、摩擦系數小和耐沖擊等性能的襯板，可有效避免煤的掛料、結拱等現象發生，建議采用壓延微晶襯板或鑄石板等高性能材質做襯板[4]。特別說明，若筒倉采用超高分子聚乙烯或類似板材等做內襯材料，大多不能滿足實際運行要求。

(3)卸料口型式。卸料斗呈軸對稱布置，采用“W”形錐殼組成的卸料斗斜段所占高度比例較小，使筒倉整體高度降低的同時還能提高筒倉的有效容量[4]；儲煤下料錐面傾角需根據物料摩擦角等特性不同而異，應盡量取較大數值，采用雙曲線斗形；卸料口型式也已從過去的單倉重力式向環縫式和縫隙式方向發展，若采用重力式，斗口需盡量大，以避免大塊物料或雜物堵煤。

(4)卸料口給料設備。根據實際項目中物料的特性、運煤量等的不同，卸料口給料設備通常采用活化給煤機、葉輪給煤機、環式給煤機和振動給煤機等。

(5)防積料。為防止倉內局部積料的產生，與物料接觸而容易產生死角的地方須采用倒圓角過渡，筒倉直通段與斜面的交界面處須采用倒圓角過渡；為避免筒倉內儲煤時間太長，在筒倉進、出煤控制上要均衡各個筒倉內的儲煤量，遵循“先進先出”的原則。

(6)破拱及其他。為防止煤在筒倉內壁結拱掛料，宜在筒倉直段處、直筒段和斜面交界處、下料口斜面采用空氣炮等破拱助流；為方便卸料口設備的檢修，需在卸料口與卸料設備之間安裝插板閥。

2 防自燃、防爆等監測信號的配置

為確保筒倉運行的安全，須對其各種運行特性進行嚴格的監測。儲煤筒倉的安全運行監測系統包括：可燃與有毒氣體監測裝置、料位監測裝置、煙霧濃度監測裝置、溫度監測裝置、氧濃度監測裝置、惰化保護系統、防爆安全系統、通風除塵等。此外，還要做好與上游、下游設備的聯鎖控制功能等。

(1)可燃與有毒氣體監測裝置。可燃與有毒氣體監測裝置采用紅外監測和采樣監測等方式，對CO、CH4、C2H4等可燃與有毒氣體的動態濃度進行采樣監測[5]。對可燃與有毒氣體濃度定義安全上限，預設報警值。當筒倉內可燃與有毒氣體濃度低于該報警值時，筒倉惰化保護系統處于待機狀態；當可燃與有毒氣體濃度等于或高于報警值時立即啟動惰化保護系統。此外，還應根據規范設置瓦斯排放孔。在設計過程中，還應充分考慮不同氣體介質的特性，如CO、CH4等的比重比空氣小，故在倉頂的合適位置布置CO、CH4監測裝置，若倉頂設有除塵等設備，應在除塵風管的合適位置布置監測裝置。

(2)料位監測裝置。為避免筒倉儲煤出現空倉或滿倉狀態，需嚴格檢測筒倉內的煤位變化。生產運行中需根據料位合理調配倉內出料，避免某一出口長期積料導致自燃，若有自燃隱患，此時打開卸料口易形成“煙囪效應”[6]。儲煤筒倉的結構設計不同，其料位計布置的形式也不盡相同。以某儲煤筒倉底部設置2條出料帶式輸送機，每條出料帶式輸送機對應3個卸料口，共計6個卸料口為例。儲煤筒倉設置6套雷達式料位計，連續料位測量時，料位計會根據出料點的變化動態測量，動態顯示結果；儲煤筒倉設置2套高料位監測開關，與進料帶式輸送機聯鎖，高料位監測開關設置時，根據來煤聯鎖停車后延時排空的量來確定；儲煤筒倉設置6套低料位監測開關，與卸料口給料設備和出料帶式輸送機聯鎖，低料位監測開關的設置，應根據儲煤筒倉底部煤層的高度來確定；料位監測開關和料位計通過現場的I/O和PLC傳達相關數據[7]。儲煤筒倉的2條出料帶式輸送機應輪換工作。為防止各卸料口卸料量不同造成筒倉料位不均，盡量縮短煤在倉內的存儲時間，需遵循“先進先出”的原則；筒倉內的儲煤，除非發生自燃或全廠長時間停車等，正常情況下不可排空，需“封底煤”，以免注入煤時煤塊砸壞倉底結構和卸料口給料設備；出料帶式輸送機運行時，對帶式輸送機上的皮帶秤預設定值，根據該定值可使2條帶式輸送機自動輪換工作；當料位監測開關出現預設的不平衡定值時，2條帶式輸送機間可自動切換；料位監測的電氣聯鎖高于皮帶秤預設定值的電氣聯鎖。倉底出料帶式輸送機上游的3個卸料口給料設備需輪換工作。當出料帶式輸送機上游少于3個卸料口給料設備，且同時工作時，3個卸料口給料設備的運行應定時輪換。

(3)煙霧濃度監測裝置。煙霧濃度監測是筒倉火災發生前重要的監測手段，應在筒倉倉頂設置煙霧濃度監測裝置，煙霧濃度監測裝置應具備不受強磁干擾，且在干燥、潮濕、低溫或高溫等惡劣工況下也能正常工作的功能；在探測空間被干擾時，能自動快速識別；筒倉的煙霧濃度低于安全報警值時，筒倉惰化保護系統應處于待機狀態，避免誤報；筒倉煙霧濃度監測裝置報警時，應立即啟動筒倉惰化保護系統；若倉頂有除塵設備，應在除塵風管處的合適位置布置煙霧濃度監測裝置。為避免布置時裝置間交叉，煙霧濃度監測裝置和可燃與有毒氣體監測裝置應錯開布置。

(4)溫度監測裝置。筒倉內儲煤溫度監測是筒倉安全運行監測系統的重要環節，通常采用在筒倉內壁安裝一體化溫度變送器，并通過合理的布置，最大限度反映筒倉內不同區域的真實溫度分布。在布置筒倉溫度監測裝置時，應重點監控筒倉內易自燃的區域，合理布置。宜在倉內安裝多點式測溫鋼纜，采用增強型的不銹鋼鎧裝熱電偶，若來煤粒度較大，沖擊性強，為避免鋼纜承受物料沖擊導致變形，鋼纜內添加氧化鎂絕緣物，外采用可彎折不銹鋼鋼帶纏繞。PLC和計算機從溫度監測裝置的每個測溫點巡檢并讀出數據，實時顯示筒倉內各區域溫度，傳輸給監控系統，并設定溫度超限報警值。

(5)氧濃度監測裝置。為有效保證操作及檢修人員在工作區域內的安全，需在工作區域內設置適當數量的氧濃度監測器。氧濃度檢測器應具備不受強磁干擾，且在干燥、潮濕、低溫或高溫等惡劣工況下也能正常工作的特性，具有現場和控制室同時報警的功能。

(6)惰化保護系統。筒倉惰化保護系統需要高純度和穩定的氮氣，宜在筒倉周圍布置氮氣緩沖罐或氮氣空分裝置。筒倉惰化保護系統由鎖氣環、充氣環和換氣環等三部分組成：鎖氣環管道布置在筒倉卸料口處周圍一圈，以便鎖住環狀卸料口，達到阻止空氣向煤層滲透，使筒倉持續達到和外界封閉、隔絕狀態的目的；充氣環布置在筒倉錐段上部區域，沿筒倉周圍安裝一圈充氣管道，使氮氣分布在煤的縫隙中，達到使可燃性氣體濃度低于報警值的目的；換氣環布置在筒倉中部或上部區域，如筒倉較高可設置多層，沿筒倉周圍安裝一圈或多圈充氣管道，多點式充氣，使筒倉倉頂的可燃氣體被置換出去。此外，氮氣噴嘴維護困難，為保護氮氣噴嘴，在結構設計時，應在每個氮氣噴嘴上部的筒倉內壁處預埋保護鋼板，減少來煤的沖擊。

(7)防爆安全系統。防爆安全系統主要由幾組防爆安全門組成，是一種泄壓裝置，也是安全防護設施中的補救措施。防爆安全門分為標準式防爆門和重力式防爆門，對大型筒倉而言，首選重力式防爆門。防爆門的規格和數量需根據泄爆量和供貨廠家的設備而定。

(8)通風除塵及其他。由于給筒倉上煤時容易產生粉塵，且聚集在倉頂的可燃氣體達到一定濃度時非常危險，倉頂應設計除塵器等排風設施。需要注意的是，當可燃氣體濃度接近臨界值時，排風一定程度上促進了可燃氣體與氧氣的混合，此時十分危險。因此經常啟動除塵設施十分必要。

當筒倉內儲煤溫過高且不能控制或已發生自燃時，應立即啟動消防水向倉內注水以消滅自燃。

3 結語

筆者認為，在選取儲煤筒倉方案前，應根據項目特點、占地面積、環境影響、物料特性等方面的因素，綜合比較儲煤筒倉、圓形煤庫、橋式抓斗倉庫等方案；同時，在儲煤筒倉安全設計時，需全面考慮防堵設計、防自燃、防爆設計等，如設計不當，后患無窮，且改造施工比較困難；針對不同特性的煤種，監測控制指標也有差異，褐煤相對煙煤易自燃，故褐煤溫度報警值的設定較煙煤略低等；當筒倉的防自燃、防爆監測系統集中采購時，需與供貨商充分溝通，充分考慮設計、施工、運行維護中的各個細節，遵守標準規范，重視相關設計經驗，確保安全不留死角。

[1] 周瑞強.儲煤筒倉信號監測系統設計與研究 [J].數字技術與應用，2014(12):182-183.

[2] 方嘯.輸煤系統儲煤筒倉的優化設計 [J].硫磷設計與粉體工程，2014(01):15-18.

[3] 洪軍.大型貯煤筒倉設計 [J].化工粉體工程設計，1998(04):11-15.

[4] 代兵.大型筒倉技術在邯鋼的應用與創新 [J].河北冶金，2005(10):66-68.

[5] 南罕言，齊威然.筒倉運行的安全監測系統 [J].吉林電力技術，1998(04):7-10.

[6] 舒宏博，卜勇.某貯煤筒倉火災后的鑒定與加固設計 [J].工程抗震與加固改造，2015(04):130-134.

[7] 許寧，宋桂江，等.港口超大型儲煤筒倉的安全監測 [J].設備管理與維修，2012(05):51-52.

修改稿日期：2016-10-08

Safety Design of Coal Storage Silo

YUAN Jin-kai，YANG Jian-guo，DU Yang

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

The coal storage silo has an advantage of high efficiency, large reserves, less pollution.However, accidents such as coal clogging, spontaneous combustion and explosion easily occur due to the improper design or maintenance of silo, affecting the utilization of coal and the safety of plant.With the principle of safety design, this paper discusses the silo design in terms of anti-clogging, anti-self-ignition, and explosion-proof, as well as the monitoring and controlling indicators.They effectively improve the safety and reliability of the silo.

silo; safety; anti-clogging; anti-self-ignition; explosion-proof

原進凱(1981年-)，河南安陽人，2008年畢業于武漢理工大學機械設計專業，碩士，高級工程師，現主要從事粉體設計工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.003

TD 223

B

1004-8901(2016)06-0013-03