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煤炭的安全运载

一 . 案例回放

案例一

2021年2月某日,一艘载运煤炭的中国香港籍船舶在某水域发生爆炸。事故造成四名船员受伤,部分船舶设备受损。经初步了解,货舱内煤炭释放的甲烷气体进入锚机控制间并聚集达到爆炸极限。该轮大副启动锚机开关的一瞬间导致锚机控制间发生闪爆。

案例二

2018年5月,从美国巴尔的摩港装运煤炭到日本福山港的某轮,航行途中2号货舱发生爆炸,造成舱盖严重损坏,不能正常开闭,以致于货舱内的部分货物不能卸载,只能留在船上。船东一直未寻求到经济的修理和卸货方案,最后船舶几经辗转,最终在印度某港口才卸掉所有煤炭,造成了很大的经济损失。经事故调查发现,引起爆炸的气体正是从煤炭中释放的甲烷导致。

案例三

2009年1月7日,某轮装载12000t的煤炭从秦皇岛出发,当航行至石岛水域时,两个货舱中的煤炭发生了自燃,火势如得不到及时控制将威胁到整个船舶安全,船舶采取封舱隔绝空气、冷却等措施初步控制了火情,在克服了台风、货场有限以及火灾复燃等困难后有惊无险的卸完了所有货物,避免了事故的发生。经调查发现,引起货舱自燃的罪魁祸首仍然是煤炭释放的包括甲烷在内的可燃气体。

二 . IMSBC规则中的煤

IMSBC规则中对于煤的主要货物形态有以下三种分类:▼

01 煤

煤须分组为A和B组,除非经有关当局实验确认或者具有以下颗粒度分布而仅分组为B组:

1.小于1mm的颗粒按重量计不超过10%(D10>1mm);和

2.小于10mm的颗粒按重量计不超过50%(D50>10mm)。

尽管有上述规定,两种或更多的煤混装时须分组为A和B组,除非所有混装的原煤均仅是B组的。

描述

煤(烟煤和无烟煤)是一种包含非晶质碳和碳氢化合物组成的天然的固体易燃物质。

特性

02 煤泥

描述

煤泥是一种细颗粒的煤水混合物。

特性

03 褐煤砖

描述

褐煤砖的制造过程是把干煤粒压入压缩砖体中。

特性

三 . 煤炭的化学危险性

煤炭的化学危险性主要有以下四类:▼

01 易释放甲烷气体

所有的煤炭几乎都具有释放甲烷气体的可能性。煤炭是具有孔隙——裂隙二元结构的吸附体,其内部吸附着大量在煤化作用过程中形成的甲烷气体。煤炭从地下开采出来后,由于压力和温度等条件的变化,在整个加工和运输过程中吸附的甲烷就会释放出来,直至达到新的平衡。

影响煤炭释放甲烷的因素有:

(1)煤层越深,开采出的煤越易释放甲烷;

(2)煤中含水量越大,对甲烷的吸附能力越差,即越易释放甲烷;

(3)煤被开采到地面的时间越短,在运输过程中越易释放甲烷;

(4)煤化程度低的煤比煤化程度高的煤易释放甲烷,即释放甲烷的能力为泥炭>褐煤>次烟煤>烟煤>无烟煤。

在正常气压下,甲烷的爆炸下限(LEL)为5~6%,爆炸上限(UEL)为15~16%;甲烷在空气中的浓度达到9.5%时,就会发生最强烈的爆炸。其中,氧浓度降低时爆炸下限变化不大,而爆炸上限明显降低;当氧浓度低于12%时,混合气体就失去爆炸性(见柯瓦德爆炸三角形)。

02 易自燃

通过煤炭自燃倾向性的大小来表征煤的自燃性,可分为:易自燃、自燃、不自燃。运输煤炭发生的事故中,大多是由于煤炭氧化自燃而引起。

煤炭的自燃大致分为低温自热期和自燃期两个阶段。产生低温自热的原因主要有两个:

(1)当煤水分含量小于12%,且煤炭中含较多硫(硫在煤中有三种存在形式:硫化铁即黄铁矿(FeS)、有机硫以及硫酸盐)时,煤炭中黄铁矿与煤中水分发生化学反应:

硫酸亚铁(FeS04)由于其不稳定性可进一步发生氧化反应,即:

硫酸铁(Fe2(SO4)3)作为一种氧化剂进一步促进黄铁矿的氧化:

这个过程无需较高温度即可进行,化学反应所释放出来的热量是煤炭氧化释放热量的2倍。在黄铁矿的氧化过程中,煤体裂隙逐渐扩大和增多,从而增加了煤体的内表面积,也使氧气更多的进入煤体,煤的氧化得到发展。因此可以得出,当含硫煤炭中的水分达到一定含量时,煤体的氧化反应就会更急剧烈,放出更高的热量,增加煤体的自燃性。

(2)当煤温在40℃~60℃时,煤和氧气发生低温氧化反应,主要产物为一氧化碳并释放大量的热,化学方程式为:

CO气体无味,易燃易爆,比空气稍轻,毒性极强,与空气混合气体的爆炸极限是12%一75%。在上述过程中可以发现CO是标志性气体来监测煤的自燃,通过测量船舶的CO浓度可进行煤的自燃的早期预报。

自热阶段中煤被活化,煤的氧化速度加快,氧化放热量增大,煤温逐渐升高。若不能及时释放出热量,煤的温度继续升高并达到燃点。因为煤的燃点大多小于400℃(褐煤的燃点为210℃~350℃;烟煤燃点为320℃~380℃;无烟煤燃点为400℃左右),当到达燃点后出现明火燃烧,这个过程称之为低温自燃。当煤温达到1500℃~2300℃时,如果有充足的氧气,煤炭就进入剧烈燃烧阶段。

03 易流态化

在装运中,当出现有装运总量超过50%的煤粒度都小于10mm,或者超过10%的煤粒度都小于1mm,则这批煤炭即可认为是易流态化货物。当货物水分超过其适运水分极限,船舶震动,货物易流态化,会使船舶稳性减小,甚至丧失,造成船舶倾覆。因而IMSBC规则把此种煤炭视为A类货物。

04 腐蚀船体

煤炭中的硫分是有害的杂质,当它与水氧化后会发生反应生成硫酸,对船舶钢板造成腐蚀.同时产生易燃易爆的氢气。氢气无色无嗅,比空气轻,与空气混合气体的爆炸极限范围很宽,从4%~75%,危险性很大。

了解货物的硫酸危害性,可参考案例:《船舶货舱中的神秘“危险气体”,硫酸亚铁运输知多少?》    

四 . 安全建议

(一)船舶安全管理建议

船公司应自查所管理的船舶是否存在货舱通道与电机设备间相通的情况。如有,应严格完善相应制度并落实货舱通道、电机操作间、密闭空间的操作要求,排除电机间易燃易爆气体后,再操作电机。

(二)煤炭装载和运输建议

建议根据IMSBC规则要求装载和运输煤炭,具体内容如下:▼

01一般要求

(1)装运前 

a. 所有货物处所和舱底污水阱清洁和干燥。除去任何废弃物残留或原先的货物,包括可拆卸的货物压条; 

b. 货物处所和毗邻封闭处所内的所有电缆和电气设备应无缺陷。电缆和电气设备应在爆炸性气体中或在完全隔离时能够安全使用;

c. 船舶应装备不进入货舱即可测定有关参数的相应仪器。这些参数包括舱内的甲烷、氧气及一氧化碳的浓度,舱内污水阱中污水试样的pH值。这些仪器设备须进行定期维修和校准;

d. 船上最好配备测温仪,其量程为0~100℃。这样仪器能在装货或航行中不进入货舱可测得煤温; 

e. 船上应配备自给式呼吸器。

(2)装载 

a. 不应将货物煤装在高热区附近。在靠近机舱舱壁处,应采用斜坡式装载,以减少机舱对煤的传热增温。煤舱下的双层底中所装的燃油黏度不宜太大,尽量做到不加温或少加温;

b. 避免将第5.1类物质与煤炭积载在一起; 

c. 该货物须与第1(第1.4类)、2、3、4和5类包装货物(见《IMDG规则》)“隔离”,并与第4和5.1类固体散装物质“隔离”; 

d. 按照本规则第4和5节的有关规定进行平舱。如果不进行合理平舱,煤体中会形成垂直裂缝,使氧气可以循环并可能自热; 

e. 装货过程中如遇到下雨,应及时结束装货,并立即关闭舱盖,并确保舱盖风雨密,防止大量雨水进入货舱,造成煤炭进水。

(3)航行中  

a. 严禁烟火,除非经测定表明安全,否则不得在货物处所及毗邻区附近进行燃烧、切割、产销、焊接等作业;

b. 各货舱完货后24小时内应进行表面通风,如果24小时之后甲烷含量低至可接受水平,则应关闭通风,否则应继续通风;

c. 应定时检测舱内货物上部空间的甲烷、氧气和二氧化碳含量,并做好记录;

d. 须尽可能保证货物可能释放出的气体不在邻近的封闭处所内积聚。须确保对附属的工作处所,如物料间、木工间、通道、管隧等中的甲烷、氧气和一氧化碳的含量进行定期监测。这些处所须充分通风; 

e. 应定时对污水阱进行检测,保持其干枯状态。

02可产生甲烷气体的煤

若托运人已提出货物会产生甲烷气体,或舱内气体测定表明甲烷含量超过爆炸下限20%,则应另外采取以下必要措施:

 (1)保持对货物表面进行充分通风,但气流不可直吹货物表面;

 (2)卸货或其他原因开启舱盖前,应先将积存的气体排出,以防开舱时产生机械火花而引发事故; 

 (3)禁止吸烟和使用明火;

 (4)人员进入货舱或封闭舱室内,应充分通风并经测试确认无有害气体及足够的氧气,否则,应佩戴呼吸器并在专人监护下方可紧急进入; 

(5)定时检测物料间、过道等封闭工作处所的甲烷含量,应经常充分通风。机械通风时,设备应有在可爆气体中使用的装置。

03自热型煤

如果托运人已经告知货物可能发生自热,或货物处所内气体分析表明一氧化碳含量增加,则须采取以下附加措施:

 (1)货煤装载结束后应立即关舱,并用封舱胶带密封舱口盖板; 

 (2)在排出甲烷气体并防止其积存前提下,其通风时间应尽可能缩短,不得使用机械强力通风,不可将新鲜空气直接对货堆吹送; 

 (3)若装船时煤温超过55℃,则应请教有关专家确定是否能够安排运输,或应采取何种措施;

 (4)航行中定时测量舱内一氧化碳含量,并做好相应的记录; 

(5)舱内一氧化碳含量持续上升,表明货煤自热程度在不断地增强,应继续封舱并停止通风,立即请教有关专家。不能直接用水冷却货煤或灭火,但可通过冷却货舱、甲板及外周壁来间接降温,或在严格封舱的前提下有步骤地施放足量的CO2进行灭火;

 (6)应向船舶所有人提供船上测量及监管的全部记录。

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