電池負極材料火災的滅火技戰術研究

包亞臣 王洋 劉曉虎 周會會 張永清

1.烏蘭察布市消防救援支隊 內蒙古烏蘭察布 012000 2.應急管理部消防救援局昆明訓練總隊 云南省昆明市 650093 3.瑞盛新能源股份有限公司 內蒙古烏蘭察布 012000

1 引言

現階段，電池負極材料主要以碳素類材料為主，其比容量高，電極電位低，循環性能好，理化性能穩定。其中，石墨材料因其導電性好，結晶度高，層狀結構穩定，適合鋰的嵌入-脫嵌等特點，成為理想的負極材料，人造石墨和天然石墨是兩種主要的石墨材料。石墨材料由于其特殊的微觀結構、成熟的生產和改性工藝、較大的原料儲量，一直是主流的負極材料，并且在較長的一段時間內仍將持續下去。

近年來，由于國家對新能源產業的大力扶持，加工工廠逐漸增多，與此同時，電池負極材料在加工過程中引發火災的事件日益增多，為消防指戰員的滅火救援工作帶來了嚴峻的挑戰。2020年10月7日，內蒙古自治區烏蘭察布市興和縣瑞盛新能源股份有限公司2 號車間3-1 石墨化爐噴爐起火事故，導致15 人受傷，消防指戰員采取“先控制，后消滅”的戰術措施實施處置，歷時近12 個小時才把明火撲滅。針對電池負極材料的安全性問題，評估保護系統、工藝處置對電池負極材料的滅火效果?？傊?，國內外相關研究主要集中在電池負極材料的穩定性等方面，對電池負極材料加工過程中引發火災的滅火技戰術缺少深入的研究。鑒于此，本文將從電池負極材料的工藝流程、風險研判、安全管控及滅火措施方面進行分析，以為撲救電池負極材料火災的滅火技術研究及減少電池負極材料火災的損害奠定基礎。

2 工藝流程

電池負極材料以石油系石油焦、瀝青等為原料，經過預處理、造粒、石墨化、球磨篩分4 道工序制成人造石墨。

3 風險研判

3.1 預處理生產工序

石墨原料燃點在800-1000℃左右，瀝青無固定燃點。出現瀝青內化合物氣化泄露對人體有危害且易發生火災。

3.2 造粒生產工序

造粒工序的反應釜溫度達到400-500℃，其中熱解工序加工過程罐體溫度較高，氮氣泄露致人窒息事故。球磨篩分工序粉塵泄漏車間，榮譽發生粉塵爆燃。

3.3 石墨化生產工序

該工序是生產過程中風險性最高的環節。在此工序過程中需要變壓器對爐體進行通電，每臺變壓器內有10-15 噸變壓器油，變壓器油的燃點是136℃，加之石墨化生產工序爐體內溫度達3000℃，輻射熱量高。一旦發生泄露極易發生嚴重事故。爐體容易發生高溫噴爐風險和尾氣泄露風險。

3.4 倉儲的風險

倉儲的主要物質為石油焦、瀝青、成品料。石油焦是原油經蒸餾將輕、重質油分離后，重質油再經熱裂的過程，轉化而成的產物，主要的元素組成為碳，當人體接觸石油焦，對皮膚損害比較嚴重，主要表現為干燥、裸露部灼痛。容易與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸。

瀝青外形為黑色無定形物質，其硬度因溫度而變化。而且熔點越高硬度越大，低溫時脆。遇高熱、明火能燃燒。燃燒分解時放出腐蝕性、刺激性的黑色煙霧。對人體的主要危害是其毒性與刺激作用。我長期接觸，因瀝青中含有苯并芘故有致癌的危險。應注意其粉塵及揮發物蒸氣均可導致中毒。急性中毒會出現惡心、嘔吐、心悸、呼吸困難等癥，甚至血壓降低、體溫升高等。慢性中毒會出現皮膚色素沉重、黑粉刺等面部呈棕褐色，嚴重時會引起皮膚癌。

成品料主要成分為石墨，是碳的一種同素異形體，無毒，但是其粉塵吸入會引起呼吸道疾病。加工好的成品入庫前有100℃左右的溫度，要是長時間過度堆積有一定自燃風險，尤其是存放在噸包袋內的成品料，更容易放生自燃現象。

4 安全管控

4.1 空氣流磨裝置

空氣流磨裝置是石墨原料與瀝青按不同比例混合放入裝置中，通過空氣磨粉將原料研磨。由于有瀝青中含致癌物質3，4 苯并芘高達2.5%-3.5%且瀝青煙和粉塵可經呼吸道和污染皮膚而引起中毒，發生皮炎、視力模糊、眼結膜炎、胸悶、腹病、心悸、頭痛等癥狀，若在磨粉過程中設備密封不好或尾氣收集處理不當可能會導致車間彌漫瀝青氣體，造成人員中毒，一但發生應及時送醫。

4.2 熱解反應釜

生產時由于溫度高，無關人員不能靠近反應釜，需在明顯位置放置警示標牌。氮氣的分子式量為28，空氣平均為29，氮氣要略輕于空氣，生產期間應避免登高，兩人協同做業，一但發生氮氣窒息應立即轉移至通風地，并及時就醫。

4.3 球磨機

車間必須使用防塵電器設備，禁止明火，定期點檢、檢修設備并做記錄。若發生粉塵泄露應立即停止作業，撤離現場工作人員，開窗通風。發生爆燃應立即撥打報警電話。

4.4 變壓器

發現變壓器油泄露后應立即停電，撤離人員并聯系專業人員來處理維修。若發生燃燒應立即撤離500m 以內所有人員，并立即撥打報警電話。

4.5 爐體

爐體送電期間無關人員應保證50m 以上的安全范圍，必要測溫人員應穿著相應防護裝具，但也不可長時間逗留。技術部專員應監督測溫過程，監控視頻實時監測爐況。因爐內溫度2700℃以上，原料中碳可與水反應。若用水滅火會發生爆燃造成二次事故，干粉的顆粒太細密度偏低，無法對噴爐位置有效覆蓋，應采用車間保溫料進行覆蓋滅火，生產車間內部應常備50 噸以上保溫料，并配有專用抓斗天車。

4.6 尾氣收集設備

尾氣主要含CO、SO和氮的氧化物，CO 是一種無色、無味、有毒的氣體，故易于忽略而致中毒，SO是無色氣體，有強烈刺激性氣味，若在催化劑（如二氧化氮）的存在下，SO進一步氧化，便會生成硫酸（HSO），碰到皮膚會腐蝕。發生泄露應及時將爐體斷電，開窗通風并撤離工作人員，若有工作人員中毒要移至通風處并及時就醫。

5 滅火措施

5.1 力量調集

根據新能源產業設計規范、災情類型、災害等級和區域水源條件，力量調集需重點考慮以下幾個方面：

（1）針對初期災情，應以工藝處置為主，消防處置為輔。消防處置時，至少調集干粉滅火、舉高噴射、戰勤保障（氧氣呼吸器、隔熱防護服等）、通訊保障等4 個作戰單元，難控、失控災情，至少調集干粉滅火、舉高噴射、大噸位供水、戰勤保障（氧氣呼吸器、隔熱防護服等）、通信指揮5 個作戰單元。生產廠房火災重點調集高噴滅火單元，變壓器變壓油泄漏，火災優先調集泡沫滅火單元、滅火冷卻單元。作戰力量到場后也可根據現場情況，臨時編成，單元化開展作戰行動。

（2）針對新能源企業消防設計氮氣儲備不足的現狀，且針對一氧化碳、二氧化碳等對人體有害氣體大量泄漏，需要大量水進行稀釋中和和設置水幕防止燃燒不完全產生的有毒氣體擴散，考慮到北方干旱缺水地區，可調集大噸位水罐車，利用接力供水或運水供水?？煽紤]調動干粉消防車，利用氮氣對部分裝置進行排空和惰化操作。

（3）針對企業生產中涉及大量有毒有害物質（二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等），考慮長時間作戰需要，優先調集供氣單元和氧氣呼吸器。針對變壓器油易發生火災，考慮滅火，調集抗溶性泡沫。

5.2 偵察研判

（1）中控室災情核查4 要素：通過現場偵察、DCS 系統監控查詢、詢問廠方技術人員、調閱圖紙資料（事故裝置平面圖、工藝流程圖、生產單元設備布局立體圖、事故部位及關鍵設備結構圖等）等方式，第一時間核查4個災情要素：

一是核查事故企業的行業和產業類型，即屬于碳負極材料、錫基負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料、合金類負極材料、納米級負極材料等具體產業類型，例如，核查該單位是新能源，重大危險源為高溫的石墨材料，生產裝置具有溫度高、涉毒（氨氣、二氧化硫、一氧化碳）、遇水易發生噴濺等特點。

二是核查生產廠房、車間及裝置布局設計，該企業DCS 控制室位于硝酸鐵工序車間二樓，與氮氧化物尾氣吸收裝置相鄰，如尾氣吸收裝置出現問題，發生氮氧化物泄漏，DCS 控制室也會受到影響，偵察研判時要核實清楚。

三是核查災情類別，屬于泄漏、燃燒、爆炸、毒害、腐蝕等類型。

是核查災情等級，屬于初期、難控、失控災情。進入中控室，逐項核對4 個災情要素，分析評估、綜合研判。在前期情況不掌握的情況下，可利用無人機、消防機器人代替偵查組對事故裝置進行偵查。

（2）進入現場處置確認是否采取工藝措施以及工藝措施是否到位，如對于生產工序出現問題，注意是否斷電，是否根據事故部位不同采取生產單元、單套裝置、上下游裝置和全廠性緊急停車措施；是否關閉與事故設備或裝置關聯的管線閥門。

5.3 安全防護

（1）此類企業，涉及高溫、有毒有害、易燃易爆、易觸電等傷害，因此需要落實呼吸系統和身體全防護，根據熱量的高低、著火災情不同著滅火防護服、隔熱防護服、避火防護服、絕緣服等、由于石墨在氧氣中燃燒生成二氧化碳或一氧化碳要佩戴雙氣瓶空氣呼吸器或氧氣呼吸器，保證進入重危區及輕危區人員安全及連續作業時間。

（2）在集結點選擇方面，初戰力量到場后，距離事故區域集結停車距離不應低于200米，切上風或側上風方向處，處置安全距離不少于150 米。在支隊全勤指揮部到場后，根據偵查研判后，可再對集結地點進行調整。

6 結語

由于我國人口基數大，對于能源類產業需求量也隨著增多，新能源的發展將會成為必然趨勢，但就目前而言，新能源領域發展還不夠完善，安全性偏低，且存在潛在風險較高。相對應的條文規范和應對措施還不夠健全。面對新領域、新工藝類型的火災，消防救援隊伍應加大對相關領域的工藝流程、滅火機理、安全防護等方面的研究，科學制定相應的處置對策，完善災情預案，加強戰術戰法的創新，充分利用現有的武器裝備撲救此類型火災，降低此類型火災帶來的損失。