摘要: 针对储煤筒仓的安全问题，以万吨筒仓为例，介绍了几种主要监测元件的设置原则。阐述了温度监测元件设置的合理位置、数量，报警温度值及其元件设置时的防护，可燃气体监测元件设置的合理位置、数量，以及CO 作为可燃和有毒气体监测时的区别。
    关键词: 筒仓; 安全监测元件; 温度; 可燃气体; 有毒气体
    中图分类号: TQ086. 3 文献标识码: B 文章编号: 1009 － 1904( 2013) 04 － 0018 － 03
    1 ·概述
    为保证煤气化装置或燃煤锅炉装置生产的正常运行，往往需要储存大量的原/燃料煤。原/燃料煤的储存方式大致可分为条形煤场、圆形煤场、筒仓等几大储存方式。较之条形煤场、圆形煤场，储煤筒仓具有占地面积小，环保效果好，煤质变化小，且一次性投资相对较小的几点优势。
    随着我国城市规模的不断扩展，很多原先位于远郊的化工装置等已经处于近郊或市区，因此对储煤系统的占地面积和环境品质的要求也越来越苛刻。这就使得近年来业内慢慢倾向于采用筒仓作为储煤设施。但使用筒仓储煤较之条形煤场、圆形煤场储煤又会产生新的危险因素。
    煤是一种非常复杂的非均匀、具有有机和无机双重特性的特殊岩体，即使在低温下暴露在空气中，煤体中各种活性结构与空气和周围环境产生许多痕量和微量的复杂作用，这些作用激活表面分子的这些结构，促进其和氧进一步氧化发热( 即煤自燃) ［1，2］。在相对密闭空间内储煤，氧化放热现象严重，散热空间有限，很容易产生可燃气体，发生起火、爆炸的恶性事故。一旦发生筒仓火灾，很难简单扑灭，爆炸更是极易造成人员伤亡和财产损失，因此控制周围环境对煤的影响是防治煤自燃首要选择，而预防主要的措施就是针对可能造成上述后果的参数进行实时监测。

    2 ·筒仓安全监测元件
    筒仓的安全防护系统由安全监测、惰化保护和防爆门等系统组成。由于采用注氮惰化保护的系统和防爆门系统均属于较为成熟成型的技术，因此本文不予赘述，只对安全监测元件设置原则和方法大致阐述。
    HG/T 20518《化工粉体工程设计通用规范》和DL /T5187． 1《火力发电厂运煤设计技术规程》“第1部分: 运煤系统”里面对筒仓安全监测元件的设置做了这样定性的描述: 筒仓设计应根据煤特性，结合结构形式，设置温度、可燃气体( CH4和CO) 、烟气、粉尘浓度监测报警装置; 筒仓应设置可靠的连续料位计和高料位开关。
    然而由于国内暂时还没有针对筒仓安全监测元件定量的设计规范出台，因此如何在实际工程设计中合理量化该系统显得尤为关键。笔者以一个直径约22 m，高约40 m，储煤量约10 kt 的筒仓为基准，针对筒仓安全监测系统中能反应筒仓内部自燃情况的几种关键监测元件的具体设置进行介绍。
    3· 温度监测
    3． 1 监测点的布置位置和数量
    从煤的自燃原理不难看出，煤的自燃需要有氧气的存在。而在整个相对密封的筒仓里除了煤自然堆积的上表面接触氧气较多之外，靠近筒仓壁的煤由于间隙相对较大( 自然堆积过程中粒度相对较大的煤会往四周滑落) ，与氧气接触的可能性也大大提高，属易燃区域。另外，在煤靠近筒仓锥部出料口的地方，由于煤与锥壁、煤互相之间的碰撞摩擦较多且也处于富氧环境，因此在筒仓锥部也属易燃区域。针对上述分析，温度监测的设置归纳出以下几条原则。
    1. 在筒仓锥部进料口处应设置1 个监测点。进料点发生自燃的倾向相对较小，监测点可设置在筒仓顶部楼板处。
    2. 在筒仓圆柱体大致在储煤段中部处设置一圈温度监测点。根据煤的品质和粒度决定监测点数，挥发分含量越高、粒度越小的煤，可适当选取大值，反之取小值。
    3. 在圆柱体靠近锥部的地方设置一圈4 ～ 8 个温度监测点，此处属于煤摩擦挤压较多易形成热量堆积的区域。理论上设置在锥部靠近圆柱体更能反应煤的实时情况，但为了便于工程中测温元件的选型、安装和检修方便，将测量点适当上移并将测温元件报警值作适当调整，使之更具有可操作性。
    4. 出料口温度监测数量可根据其结构形式确定。筒仓底部若为4 个方形出料口结构，则可在4个出料口锥部靠近外侧方便检修的地方各设置1 个监测点; 若为缝式出料口，则可在出料口的长边的两侧各设置1 个监测点。
    根据上述温度监测的设置原则，直径22 m、高约40 m 的筒仓温度监测元件设置如图1 所示。
                   
    3． 2 筒仓煤堆中心测温
    关于筒仓煤堆中心测温，现在业内采用缆式多点测温传感器来测量。该传感器垂直吊装在筒仓顶部，伸入筒仓煤层内部，但由于缆式传感器置于煤堆内部，受到煤的压力较大，特别是在卸料的过程中压力会产生巨大的拉力，对筒仓顶板结构和缆式传感器的材料提出了很高的要求。因此在传统的测温电缆材料未改进之前，就有很多电缆被物料拉断的实例。对于直径大于36 m 的超大型筒仓而言，可考虑将筒仓中心结构立柱设计为空心筒型，以便在筒壁上安装温度传感器，满足测量筒仓煤堆中心温度的要求［3，4］。由于普通的筒仓结构形式决定了煤堆中心测温存在一定困难，而煤堆中心不属于理论富氧区，且目前尚未有相关行业标准规范来硬性约束，因此直径约22 m 的筒仓是否考虑设置中心测温元件就见仁见智了。
    3． 3 报警温度值
    煤堆在20 ～ 60 ℃下与空气接触后，会吸附氧生成不稳定的氧化物，此时煤的氧化过程平稳而缓慢，氧化放热量很少，有微量的CO 释放出。如果煤温继续上升，从60 ℃上升至80 ℃，煤的氧化速度加快，煤中不稳定的氧化物开始分解成水，且释放出CO、CO2等气体。氧化产生的热量使煤温继续升高，达到自热的临界( 约80 ℃) ，此阶段耗氧量明显增加，产生的CO 也随温度上升而逐渐增加。当煤温超过自热的临界温度80 ℃后，煤的氧化进程加快，随着煤温的升高，开始出现煤的干馏，生成碳氢化合物、氢以及CO 等可燃气体。当环境条件能继续维持煤氧化自热的进行，则可能使煤温上升到煤的着火点而导致自燃。因此，选择70 ℃临界中间点作为报警值，可满足发现警报及时处理的时间差，方可有效防止煤的进一步自燃。
    3． 4 温度监测元件的防护
    温度传感器需设有足够强度、刚度和耐磨性能的防护套管，温度探头的保护外壳可采用不锈钢制作，但防护套管和传感器均无法取出更换。温度传感器的安装应注意2 点: ①选择合理的安装角度和插入深度，一般可将温度传感器与筒仓壁应顺着煤流方向形成约45°角; ②温度传感器插入筒仓深约300 mm。这样可大大避免温度传感器因过多地与煤流发生直接冲刷和撞击导致防护套管变形、传感器失效。
    4· 气体监测
    4． 1 可燃气体监测( CH4和CO)
    筒仓内的CH4和CO 气体从分子理论研究来看，静止时应聚于煤层表面以上的靠近筒仓顶板的空间里。但是在筒仓进料的过程中，连续下落的物料会导致筒仓空间内空气形成环流，因此除了在筒仓顶板上分别设置两组CH4和CO 检测器外，还可在筒仓顶部的布袋除尘器的排空口处设置一组监测点以便更好的监测到筒仓内部可燃气体的含量。筒仓顶板上的可燃气体监测元件配置安装附件后伸入筒仓1 000 mm 即可，安装位置选择时应注意不能距离筒仓顶部进料口太近，以免被煤流冲刷损坏元件; 还要注意煤流在进入筒仓后的自然堆积状态，保证煤流在触发高料位开关之前不会与监测元件发生碰触。
    4． 2 有毒气体CO 监测
    由于CO 即属于可燃气体也属于有毒气体，因此筒仓顶部进料处和底部下料处都属于理论泄露点。根据SH 3063《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》要求，应该在筒仓顶部和底部靠近释放源( 泄露点) 的区域( 室外不宜大于2m，室内不宜大于1 m) 设置CO 有毒气体检测器，以保证进入装置人员的人身安全。监测元件宜设置固定式，若不具备设置固定式的条件时，凡进入释放源区域的人员，应该配置便携式监测报警仪。
    另外，CO 视为可燃气体和视为有毒气体的监测报警的浓度和要求完全不一样。CO 视作可燃气体时候的爆炸下限φ( CO) 为12． 5%，而视作有毒气体时候的最高容许浓度为30 mg /m3。经换算可得知后者远小于前者，因此不能将两者混为一谈，更不能将监测元件简单的互相替换使用。
    5 ·结束语
    储煤筒仓的安全问题是业内多年来都在讨论研究和寻求突破的话题。目前，无论是火力发电厂还是化工装置的储煤筒仓都在走向针对筒仓内部安全监测、注气( 惰性气体) 保护、喷淋系统和针对筒仓外围人员、设备安全集成连锁的趋势。本文只是针对筒仓监测系统中主要的两种作了大致介绍，由于文中具体量化参数与煤质、工况等因素息息相关，因此读者可根据具体项目要求优化，以便更好的达到监测要求。