散装运输直接还原铁的安全措施

常 凯 冯国垠 孙华伟

（上海船舶研究设计院，上海201203）

散装运输直接还原铁的安全措施

常 凯 冯国垠 孙华伟

（上海船舶研究设计院，上海201203）

散货船适装货品范围非常宽泛，其中特定的散装货品（如直接还原铁B/C）因其易自热、自燃、爆炸等特性，具有危险性。介绍了直接还原铁的分类、特性和海运市场，以及安全装运应采取的措施和规范规则的要求。分析了直接还原铁易燃易爆的原理，并以此为依据介绍了应对的措施、应急处置的方法和船级社的要求。最后从船舶设计的角度出发，介绍了船舶设计过程中所涉及文件的编制建议。

散货船；散装货物；直接还原铁；惰性环境

Abstract:Bulk carriers feature carrying wide range cargoes，including dangerous solid bulk （such as direct reduced iron B/C） with a risk of overheating，fire and explosion.Several aspects were introduced among which were classification，characteristics and shipping market of direct reduced iron （DRI） and measures for safe shipping and rules and regulations as well.The principle of flammability and explosivity of DRI，shipment precaution，handling measurements and class rules required accordingly were analyzed.Some advice was put forward for ship design.

Keywords:bulk carrier；bulk cargo；direct reduced iron；inert condition

0 前言

2004年，一艘日本散货船”Ythan”运载33 760 DWT直接还原铁（Direct Reduced Iron，简称DRI），船舶在从委内瑞拉前往中国的途中，由于事先没有对货物进行充分钝化，加之货舱通风不足，导致舱内冷凝水与DRI发生反应，释放出氢气并达到爆炸极限，导致第1、3、4、5货舱先后发生爆炸，包括船长在内的6人丧生，船舶也在40 min内迅速沉没在哥伦比亚圣玛尔塔以北30′处约1 200 m深的海底。这类海难事故的发生，反映了当时法律法规对DRI安全装运方面的规定并不健全。

在海运固体散装运输规则领域的BC Code规则（IMSBC Code规则的前身），尽管最早于1965年已经颁布，却因各缔约国分歧较大，一直没有强制执行。随着严重海难事故不断地发生，近年来船级社和海事部门对直接还原铁等危险货品的运输要求日益严格。在2006年11月的IMO海安会82次会议上，通过了BC Code规则强制实施的时间。2008年12月，海安会通过了SOLAS第XI章修订案。该修订案制定了IMSBC Code规则，以取代已有的BC Code规则，并于2011年1月1日起强制实施。

作为灵便型散货船，适装货品类别非常宽泛，几乎囊括了国际海运固体散货规则 （IMSBC Code规则）的所有货品类别;而一些特殊的货品（包括了直接还原铁），因其易自热、自燃、爆炸等特性，具有危险性。从船舶设计的角度出发，应按照IMSBC Code规则的要求设置货舱的惰化措施，并从船舶营运的角度提出货物钝化、应急处理的方法。

1 直接还原铁的简介

1.1 简介

直接还原铁（DRI）是一种纯铁含量97%的高品质冶金产品，通过矿粉、球团或矿块同天然气或煤加热进行化学还原反应得到。DRI也称海绵铁。该产品在远低于熔点（约1 500℃）的条件下进行生产，未经熔化，仍保持矿石外形，由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵而得名。

1.2 分类和比较

依据IMSBC Code规则，可以把直接还原铁分为直接还原铁A、直接还原铁B和直接还原铁C三种类型。

1.2.1 分类

1）直接还原铁A。直接还原铁A是由直接还原铁铁矿原料在650℃以上的情况下，通过稠化而产生的灰色胶质块状金属物质，一般被称为热铸型直接还原铁（HBI）。HBI是一种稠密的、压缩的直接还原铁的形式，见图1。

图1 直接还原铁A

2）直接还原铁B。直接还原铁B是在低于650℃时，氧化铁进行直接还原反应形成的多孔的金属物质，也称冷铸型直接还原铁。直接还原铁B可以为块状、颗粒等形状，见图2。

图2 直接还原铁B

3）直接还原铁C。直接还原铁C是DRI-A和DRI-B在生产、装卸和运输过程中产生的副产品，呈碎末状或小颗粒状。

1.2.2 DRI-A/B/C比较

DRI-A/B/C的比较见表1。

表1 DRI-A/B/C的比较

1.3 特性

作为97%纯铁含量的高品质高纯度的冶金产品，直接还原铁活性较强，可被缓慢氧化并释放热量。如果遇到水分，它还可以与水和空气反应而产生氢气并释放热量，有失火和爆炸的风险。

1.3.1 失火的风险

通过上述化学反应，客观上具备了燃烧的三要素：可燃物质——氢气、助燃物质——氧气、着火源——化学热。

1.3.2 爆炸的风险

在密闭的空间（货舱）内，如果氢气在空气中的体积浓度达到4.0%～75%并遇到明火就会爆炸。

通过上文1.2对DRI-A/B/C的比较可以看出：孔隙较小的、致密的DRI-A表面积最小，能够经过在空气中充分地被氧化（钝化），从而在其表面形成致密的氧化层，明显降低直接还原铁的活性，在运输过程中表现出稳定的优良特质。反观DRI-B/C，由于质地疏松、颗粒度小，其表面积大，遇到水分（尤其是海水）后发生氧化还原反应更剧烈，产生氢气和热量，从而引起燃烧和爆炸。

1.4 直接还原铁的海运市场

2005年有 750万 t的 DRI-A（HBI）和 650万 t的DRI-B/C被运输，其中50%是由海运完成的。主要航线是从中南美洲到墨西哥东岸、中国、南非、印度、欧洲、加拿大东岸。大多数单船货量在20 000～30 000 t之间。

2 直接还原铁的安全装运

2.1 直接还原铁的航运实践

与 DRI-A（HBI）的稳定性质相比，DRI-B/C 危险性较大，对于装运安全要求更高，不适合长距离运输。通过不断地航运实践，对于直接还原铁的装卸和海上运输，一般应注意以下事项：

1）在装载之前，货物要与空气接触超过72 h，或者采取相应的防范措施。

2）如果货物的温度超过65℃不能装货，不接受潮湿的货物，装货必须是在干燥的条件下进行的，而卸货不太受天气影响。

3）货物尽可能的轻放进船舱，不要高空掉落，避免产生粉末。

4）货物在船舱中要分布均匀，货物积载深度不超过2 m。

5）船舱盖必须防水密封、隔湿、绝火。

6）整个航程，船舱充氮气，氧气浓度不超过5%。

7）不断检查舱内氢气含量，不得高于1%。

8）货舱中要有监测温度的装置，如果发现货物温度超过200℃，船舶必须驶向最近的港口，如果来不及，可向船舱中尽快灌水。

9）严禁烟火。

10）甲板在装货之前要用淡水清洗干净。

2.2 规范规则的要求

2011年1月1日起强制实施的IMSBC Code规则，对直接还原铁的分类、特性、装载、运输、监控和防火防爆等方面进行了详细的规定，详见表2。

3 应对措施

3.1 防火防爆的原理分析

要做到防火防爆，关键要从原理上分析。

3.1.1 可燃物质——氢气

要减少氢气的产生、驱除已经产生的氢气，就要做到充分干燥并监控货物的湿度，减少氢气的产生。同时适时地进行机械通风，驱除已经产生的氢气。

3.1.2 助燃物质——氧气

在装货后、航程中对氧气的含量进行控制和监控。对装货后的货舱注入氮气，并在航程中监控氧气的含量，适时地补充一定量的氮气，维持惰性环境。

3.1.3 着火源——化学热

直接还原铁的自然氧化并发热，这是无法避免的。因此，在装船之前必须在露天进行充分惰化。在航程中监控温度的上升，适时地进行机械通风，将热量带走，避免累积。

3.1.4 爆炸极限

在密闭的空间（货舱）内，必须监控氢气、氧气的含量和比例，适时地补充氮气或者驱气。

3.1.5 明火

包括装卸货物在内的航程全过程，必须避免明火，保证安全生产。

3.2 应对措施

3.2.1 首要因素是惰性气体的环境

从3.1的分析可见，如果控制了水分，就控制了氢气的产生，从而从根本上消灭了可燃物质。但是装卸过程和航行过程中，实际上很难控制水蒸气、冷凝水的聚集。

既然无法避免货物与水分的接触，下一步就只能是如何控制助燃物质——氧气，并控制氧气与氢气的比例。人为地提供惰性气体环境并维持在一定水平，成为了切实可行的一项主动的、积极的干预措施。

3.2.2 如何提供惰性气体环境

出于对营运和操作层面的要求，IMSBC Code规则没有明确氮气具体的供给方式和操作流程，规范本身仅要求驱除氧气和氮气充满货舱。

表2 IMSBC code规则的规定［1］

实际上，船东并非每个航次均装载这些特殊货品，因此不可能参考油船安装制氮装置，以免增加初始投资和营运维护的成本。

氮气具有不燃烧、不助燃的特性，能够迅速扑灭火险。在氮气的工业使用实践中，一般有以下几种供给方式：

1）液氮。液氮是无色无味的液体，在低温下保存的液氮温度为-196℃。当液氮喷射在燃烧物表面，液氮迅速气化，体积膨胀约600倍，起到降温、窒息的作用。液氮的效果好、存储空间小，但是由于需要维持低温保存，它对存储的条件要求较高。

2）钢瓶氮气。钢瓶氮气对存储环境要求较低，其体积膨胀率视钢瓶压力而定，例如压力为10 MPa的钢瓶氮气释放后，体积可以膨胀100倍。氮气钢瓶储藏室的详细布置参见图3。

图3 氮气钢瓶存放在船舶主甲板的储藏室内

3）码头直接供气。如果码头条件具备的话，应首选由码头上直接供气的方式。码头直接供气可以保证气源稳定、成本较低。

3.2.3 如何维持惰性气体环境

在船舶航行过程中，货舱内的氮气可能会有所损耗，这就需要借助仪器定期进行检查。如果货舱内的气体环境中，氧气的占比超过5%的话，应立即向货舱内补充氮气。此时，船东可以使用船上携带的液氮或者高压钢瓶氮气。氮气的损耗率，应视航程的长短，外界环境温度的高低，以及船员操作的情况而定。目前并没有公认的评估方法，主要还是要依赖于定期进行安全检查。检测舱内气体成分的操作方法见图4。

图4 舱内气体成分的检测

3.3 应急处置

1）依据IMSBC Code规则的要求，如果遇到紧急情况，货舱内货物发生剧烈的反应，温度超过了120℃，应尽快到距离最近的港口将货物卸下。

2）依据IMSBC Code规则的要求，作为最后的应急措施，允许向失事的货舱内灌水。向货舱内注水可以利用消防泵，或者预留货舱与压载舱联通的管路和控制阀，使用压载泵注水。同时，必须预先评估货舱进水后船舶的稳性和强度。

3.4 船级社的意见

针对直接还原铁的海上运输，各船级社的意见大体分为两种：

1）DNVGL和ABS船级社明确提出：敷设与码头供气对接的管路、敷设向货舱供气的管路、提供高压氮气钢瓶/液氮钢瓶的存放处所、货舱通风应选用防爆风机。

2）其他船级社一般建议敷设向货舱供气的管路，但暂不作硬性要求。氮气气源一般选择码头供应或者移动式氮气钢瓶即可。

4 船舶设计需要考虑的内容

4.1 散装货品清单的编制

直接还原铁的安全运输涉及设计、建造、船舶营运等诸多方面因素，建议船舶设计的基本方案中，不要将DRI-B/C列入散装货品清单。

4.2 直接还原铁DRI-B/C的装船要求

如果船东明确提出需要装载直接还原铁DRIB/C，应与船东、船厂明确以下几点：

1）DRI-B/C的安全运输，主要是关注由船东负责的船舶营运要求，船舶建造仅提供有限的氮气供应和存储、船舶仅提供必要的供气管路。船上氮气的供应量和管路的设计，应尽量考虑利用船舶闲置空间和尽量不影响船舶布置为原则。

2）船东应确保货物在装船之前处于稳定的状态；船东应确保船舶驶离码头前货舱充满氮气；船东应确保船舶航行中监控温度、湿度和气体成分；船东应确保船舶遇险时按照船级社的要求进行应急处置。

3）另外，船舶还应按照常规配备“检测、监控、分析舱内温度、湿度、气体成分的仪器”和“货舱防爆风机”。

4）船舶相应的配备，应提前取得入级船级社的确认，并告知船厂和船东。

4.3 船级社发证

船舶交付之前，船级社将颁发适装货品证书。对直接还原铁B/C在安全营运方面的操作警示，将在船级社提供的文件中予以明确。

5 结语

与含有较多非金属和有色金属杂质残留的废钢相比较，直接还原铁是冶炼石油套管、汽车用钢、军用钢等优质钢和特种钢的重要原料。直接还原铁作为炼钢的半成品，附加值较高。因此即便有一定危险性，其航运市场仍然是不可小觑的。

［1］IMO Publications and Documents-International Codes-IMSBC Code-International Maritime Solid Bulk Cargoes Code-Resolution：MSC.268（85）［S］.

Safety Shipment of Direct Reduced Iron in Bulk

CHANG kaiFENG Guo-yin SUN Hua-wei

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U695.2+7

A

1001－4624（2017）01－0045－06

2016-11-30；

2017-04-15

常 凯（1976—），男，高级工程师，长期从事船舶总体设计工作。

冯国垠（1978—），男，高级工程师，长期从事船舶舾装设计工作。

孙华伟（1984—），男，工程师，从事船舶舾装设计工作。