生物質(zhì)儲(chǔ)存：利用惰性氮?dú)鉁缁?/p>

　　生物質(zhì)能是發(fā)電廠可再生、碳中和發(fā)電的首選燃料。美國(guó)是全球最大的致密生物質(zhì)燃料出口國(guó)，主要出口歐盟。這些木顆粒在生產(chǎn)后和出口前都儲(chǔ)存在非常大的筒倉(cāng)中，使它們?nèi)菀资艿姜?dú)特的操作和消防安全方面的挑戰(zhàn)。

　　木顆粒儲(chǔ)存的主要安全問(wèn)題之一是筒倉(cāng)火災(zāi)的可能性。筒倉(cāng)火災(zāi)通常發(fā)生在筒倉(cāng)中心深處，只有當(dāng)火災(zāi)吞噬了筒倉(cāng)內(nèi)的大部分生物質(zhì)后才容易被發(fā)現(xiàn)。一旦筒倉(cāng)著火，大多數(shù)在控制火勢(shì)的同時(shí)保存內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的選擇都是徒勞的。

　　檢測(cè)方法及防止筒倉(cāng)火災(zāi)

　　由于產(chǎn)生可燃?xì)怏w如甲烷和一氧化碳(CO)的生物和化學(xué)活動(dòng)，生物質(zhì)火災(zāi)往往始于悶燒。這些氣體聚集在一起，在空氣中燃燒，產(chǎn)生熱量。局部溫度的升高進(jìn)一步增加了化學(xué)氧化，可燃?xì)怏w的迅速生成將悶燒的火焰擴(kuò)散到整個(gè)筒倉(cāng)內(nèi)部。根據(jù)生物質(zhì)的孔隙度和進(jìn)入筒倉(cāng)的空氣，可燃?xì)怏w緩慢上升到頂部，在筒倉(cāng)頂部形成易爆炸氣體。由于有接觸高濃度CO和爆炸性混合氣體的可能性，消防隊(duì)員無(wú)法從頂部撲火。

　　儲(chǔ)罐火災(zāi)早期探測(cè)的典型方法是監(jiān)測(cè)頂空可燃?xì)怏w濃度。在生物質(zhì)筒倉(cāng)火災(zāi)的情況下，由于可燃?xì)怏w通過(guò)生物質(zhì)緩慢上升，這種方法可能不是很有效。根據(jù)筒倉(cāng)內(nèi)生物質(zhì)的高度，可能需要幾天時(shí)間才能在頂部空間探測(cè)到濃度上升。此時(shí)，化學(xué)和生物氧化已經(jīng)擴(kuò)散到筒倉(cāng)內(nèi)更大的體積(Persson, H., 2013,“筒倉(cāng)火災(zāi)：滅火與預(yù)防和準(zhǔn)備措施”，瑞典民事應(yīng)急機(jī)構(gòu))。

　　預(yù)防筒倉(cāng)火災(zāi)的一種方法是從豎井頂部噴射水或泡沫。然而，由于頂部空間中可燃?xì)怏w的積聚，這種方法具有潛在的危險(xiǎn)性。此外，水的使用會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)膨脹和粘接，可能導(dǎo)致筒倉(cāng)倒塌，而無(wú)法有效撲滅筒倉(cāng)內(nèi)部的火災(zāi)。

　　氮可以阻止、抑制生物質(zhì)筒倉(cāng)火災(zāi)

　　壓制筒倉(cāng)火災(zāi)的一種方法是向筒倉(cāng)內(nèi)注入惰性氣體，如氮?dú)?。然而，大量的氮并不總是容易在筒倉(cāng)附近獲得。雖然氮可以通過(guò)油輪從附近的生產(chǎn)工廠散裝運(yùn)輸，但向筒倉(cāng)注入氮需要一些基礎(chǔ)設(shè)施，例如管道、注入點(diǎn)位置和需要建在筒倉(cāng)本身的方向。

　　充足的氮?dú)廨斔涂赡苄枰獛滋鞎r(shí)間，根據(jù)火災(zāi)強(qiáng)度和筒倉(cāng)大小，現(xiàn)場(chǎng)滅火可能需要數(shù)周至數(shù)月時(shí)間。筒倉(cāng)火災(zāi)可能是毀滅性的和昂貴的，不僅導(dǎo)致里面存儲(chǔ)燃料的完全損失，而且還會(huì)延長(zhǎng)工廠的生產(chǎn)損失。

　　考慮到一旦發(fā)生筒倉(cāng)火災(zāi)，可能要應(yīng)對(duì)極端的挑戰(zhàn)，那么一些預(yù)防性的方法，如預(yù)先將惰性氣體儲(chǔ)存在筒倉(cāng)中是最好的選擇。當(dāng)儲(chǔ)存區(qū)域的氧氣濃度因氮?dú)庵脫Q而降低時(shí)，引發(fā)火災(zāi)所需的能量就會(huì)顯著增加。此外，在極限氧濃度以下生物質(zhì)的燃燒不能維持，因此可以保護(hù)筒倉(cāng)及其內(nèi)容物。在填充和排空過(guò)程中使用惰性氣體進(jìn)行吹掃也是一種滲透方法。

　　干燥的氮?dú)膺€可以減少生物質(zhì)表面的水分，幫助減少生物活性，同時(shí)冷卻生物質(zhì)，降低化學(xué)氧化速率。連續(xù)向筒倉(cāng)內(nèi)吹掃干氮?dú)鈺?huì)降低頂部空間的氧氣濃度，并降低在頂部空間形成爆炸性氣體的風(fēng)險(xiǎn)。

　　設(shè)計(jì)惰性氮生物質(zhì)儲(chǔ)存系統(tǒng)

　　建議在接收設(shè)施(即發(fā)電廠)和生物質(zhì)生產(chǎn)設(shè)施中進(jìn)行主動(dòng)惰化，其中材料在裝運(yùn)前儲(chǔ)存在大型筒倉(cāng)中。利用筒倉(cāng)內(nèi)氣體流動(dòng)的計(jì)算建模，可以設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)有效的筒倉(cāng)慣性化過(guò)程，并且需要安裝無(wú)塞子氮?dú)鈬娚鋰娮?。為了保證氮?dú)獾木鶆蚍稚⒑妥罴训牡獨(dú)馐褂?，注氣口的?shù)量和位置是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　計(jì)算流體力學(xué)可以用來(lái)模擬一個(gè)筒倉(cāng)內(nèi)可燃?xì)怏w的空間分布和生成，使用標(biāo)準(zhǔn)或材料特定的反應(yīng)模型。低效率的噴嘴設(shè)計(jì)和放置會(huì)導(dǎo)致筒倉(cāng)內(nèi)氧和可燃?xì)怏w濃度高，從而造成不安全的條件。CFD還可以用于在啟動(dòng)或注入氮?dú)鉀_擊等瞬態(tài)條件下創(chuàng)建氧氣和可燃?xì)怏w濃度分布圖，以及在特定筒倉(cāng)中的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。慣性系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成在筒倉(cāng)中控制最大可燃?xì)怏w濃度，或在筒倉(cāng)中控制最大氧氣濃度，或兩者兼有。除了這種預(yù)防方法，在火災(zāi)中注入大量氮?dú)獾哪芰σ部梢员患{入設(shè)計(jì)。可以指定現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)鈨?chǔ)存或發(fā)電設(shè)備，以滿足穩(wěn)定的慣性要求，以及在緊急事件中實(shí)現(xiàn)涌流。

圖一

圖二

　　圖1和圖2是用于設(shè)計(jì)生物質(zhì)電站和生物質(zhì)生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施的生物質(zhì)筒倉(cāng)防火和滅火系統(tǒng)的CFD建模結(jié)果示例。在一個(gè)案例中，一家燃煤電廠決定將其主要燃料來(lái)源轉(zhuǎn)換為木材。為了安全儲(chǔ)存生物質(zhì)，設(shè)計(jì)了氮?dú)庾⑷牒洼斔拖到y(tǒng)，以防止甲烷和其他可燃?xì)怏w的積聚，從而降低筒倉(cāng)著火的風(fēng)險(xiǎn)。基于特定幾何形狀的筒倉(cāng)，該項(xiàng)目進(jìn)行了廣泛的CFD模擬，在筒倉(cāng)內(nèi)優(yōu)化噴嘴布置以減少甲烷濃度，以確保最具成本效益的氣體分布(見(jiàn)圖1)。此外,氮?dú)廨斔拖到y(tǒng)包括氮流控制與氣體和熱傳感器，以及專有注射噴嘴設(shè)計(jì)以防止塵粒堵塞。

　　在另一個(gè)案例中，一個(gè)儲(chǔ)存設(shè)施發(fā)生了一場(chǎng)筒倉(cāng)火災(zāi)，導(dǎo)致幾個(gè)月的木屑悶燒，最終導(dǎo)致筒倉(cāng)坍塌。在重建該設(shè)施時(shí)，為了預(yù)防和減輕火災(zāi)，設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)在填滿時(shí)，氮含量低于木顆粒的極限氧濃度。CFD研究被用來(lái)評(píng)估氮噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證注射噴嘴的數(shù)量和位置(見(jiàn)圖2)。瞬態(tài)模擬執(zhí)行不僅顯示惰性氣體的傳播，而且會(huì)顯示在給定的流量下從筒倉(cāng)中消除氧氣所需的時(shí)間。這使得操作團(tuán)隊(duì)能夠優(yōu)化他們的操作策略，驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)，并確保在任何給定的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)都有足夠的氮?dú)鈦?lái)降低筒倉(cāng)中的氧氣濃度。

　　圖1和圖2中的例子表明，存在一系列的解決方案，用于滅火和惰化生物質(zhì)筒倉(cāng)。這些解決方案可以根據(jù)存儲(chǔ)項(xiàng)目的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程建設(shè)，可以包括對(duì)防火方法的咨詢、基于模擬結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的CFD研究、添加特定的流量控制系統(tǒng)或無(wú)塞噴嘴以及氮?dú)夤?yīng)。鑒于生物質(zhì)筒倉(cāng)火災(zāi)所帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施針對(duì)特定作業(yè)優(yōu)化的滅火系統(tǒng)對(duì)于確保安全、盈利的生產(chǎn)至關(guān)重要。

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　?。ㄔ膩?lái)自：生物質(zhì)雜志 中國(guó)新能源網(wǎng)綜合）