电池负极材料火灾的灭火技战术研究

包亚臣 王洋 刘晓虎 周会会 张永清

1.乌兰察布市消防救援支队 内蒙古乌兰察布 012000 2.应急管理部消防救援局昆明训练总队 云南省昆明市 650093 3.瑞盛新能源股份有限公司 内蒙古乌兰察布 012000

1 引言

现阶段，电池负极材料主要以碳素类材料为主，其比容量高，电极电位低，循环性能好，理化性能稳定。其中，石墨材料因其导电性好，结晶度高，层状结构稳定，适合锂的嵌入-脱嵌等特点，成为理想的负极材料，人造石墨和天然石墨是两种主要的石墨材料。石墨材料由于其特殊的微观结构、成熟的生产和改性工艺、较大的原料储量，一直是主流的负极材料，并且在较长的一段时间内仍将持续下去。

近年来，由于国家对新能源产业的大力扶持，加工工厂逐渐增多，与此同时，电池负极材料在加工过程中引发火灾的事件日益增多，为消防指战员的灭火救援工作带来了严峻的挑战。2020年10月7日，内蒙古自治区乌兰察布市兴和县瑞盛新能源股份有限公司2 号车间3-1 石墨化炉喷炉起火事故，导致15 人受伤，消防指战员采取“先控制，后消灭”的战术措施实施处置，历时近12 个小时才把明火扑灭。针对电池负极材料的安全性问题，评估保护系统、工艺处置对电池负极材料的灭火效果。总之，国内外相关研究主要集中在电池负极材料的稳定性等方面，对电池负极材料加工过程中引发火灾的灭火技战术缺少深入的研究。鉴于此，本文将从电池负极材料的工艺流程、风险研判、安全管控及灭火措施方面进行分析，以为扑救电池负极材料火灾的灭火技术研究及减少电池负极材料火灾的损害奠定基础。

2 工艺流程

电池负极材料以石油系石油焦、沥青等为原料，经过预处理、造粒、石墨化、球磨筛分4 道工序制成人造石墨。

3 风险研判

3.1 预处理生产工序

石墨原料燃点在800-1000℃左右，沥青无固定燃点。出现沥青内化合物气化泄露对人体有危害且易发生火灾。

3.2 造粒生产工序

造粒工序的反应釜温度达到400-500℃，其中热解工序加工过程罐体温度较高，氮气泄露致人窒息事故。球磨筛分工序粉尘泄漏车间，荣誉发生粉尘爆燃。

3.3 石墨化生产工序

该工序是生产过程中风险性最高的环节。在此工序过程中需要变压器对炉体进行通电，每台变压器内有10-15 吨变压器油，变压器油的燃点是136℃，加之石墨化生产工序炉体内温度达3000℃，辐射热量高。一旦发生泄露极易发生严重事故。炉体容易发生高温喷炉风险和尾气泄露风险。

3.4 仓储的风险

仓储的主要物质为石油焦、沥青、成品料。石油焦是原油经蒸馏将轻、重质油分离后，重质油再经热裂的过程，转化而成的产物，主要的元素组成为碳，当人体接触石油焦，对皮肤损害比较严重，主要表现为干燥、裸露部灼痛。容易与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。

沥青外形为黑色无定形物质，其硬度因温度而变化。而且熔点越高硬度越大，低温时脆。遇高热、明火能燃烧。燃烧分解时放出腐蚀性、刺激性的黑色烟雾。对人体的主要危害是其毒性与刺激作用。我长期接触，因沥青中含有苯并芘故有致癌的危险。应注意其粉尘及挥发物蒸气均可导致中毒。急性中毒会出现恶心、呕吐、心悸、呼吸困难等症，甚至血压降低、体温升高等。慢性中毒会出现皮肤色素沉重、黑粉刺等面部呈棕褐色，严重时会引起皮肤癌。

成品料主要成分为石墨，是碳的一种同素异形体，无毒，但是其粉尘吸入会引起呼吸道疾病。加工好的成品入库前有100℃左右的温度，要是长时间过度堆积有一定自燃风险，尤其是存放在吨包袋内的成品料，更容易放生自燃现象。

4 安全管控

4.1 空气流磨装置

空气流磨装置是石墨原料与沥青按不同比例混合放入装置中，通过空气磨粉将原料研磨。由于有沥青中含致癌物质3，4 苯并芘高达2.5%-3.5%且沥青烟和粉尘可经呼吸道和污染皮肤而引起中毒，发生皮炎、视力模糊、眼结膜炎、胸闷、腹病、心悸、头痛等症状，若在磨粉过程中设备密封不好或尾气收集处理不当可能会导致车间弥漫沥青气体，造成人员中毒，一但发生应及时送医。

4.2 热解反应釜

生产时由于温度高，无关人员不能靠近反应釜，需在明显位置放置警示标牌。氮气的分子式量为28，空气平均为29，氮气要略轻于空气，生产期间应避免登高，两人协同做业，一但发生氮气窒息应立即转移至通风地，并及时就医。

4.3 球磨机

车间必须使用防尘电器设备，禁止明火，定期点检、检修设备并做记录。若发生粉尘泄露应立即停止作业，撤离现场工作人员，开窗通风。发生爆燃应立即拨打报警电话。

4.4 变压器

发现变压器油泄露后应立即停电，撤离人员并联系专业人员来处理维修。若发生燃烧应立即撤离500m 以内所有人员，并立即拨打报警电话。

4.5 炉体

炉体送电期间无关人员应保证50m 以上的安全范围，必要测温人员应穿着相应防护装具，但也不可长时间逗留。技术部专员应监督测温过程，监控视频实时监测炉况。因炉内温度2700℃以上，原料中碳可与水反应。若用水灭火会发生爆燃造成二次事故，干粉的颗粒太细密度偏低，无法对喷炉位置有效覆盖，应采用车间保温料进行覆盖灭火，生产车间内部应常备50 吨以上保温料，并配有专用抓斗天车。

4.6 尾气收集设备

尾气主要含CO、SO和氮的氧化物，CO 是一种无色、无味、有毒的气体，故易于忽略而致中毒，SO是无色气体，有强烈刺激性气味，若在催化剂（如二氧化氮）的存在下，SO进一步氧化，便会生成硫酸（HSO），碰到皮肤会腐蚀。发生泄露应及时将炉体断电，开窗通风并撤离工作人员，若有工作人员中毒要移至通风处并及时就医。

5 灭火措施

5.1 力量调集

根据新能源产业设计规范、灾情类型、灾害等级和区域水源条件，力量调集需重点考虑以下几个方面：

（1）针对初期灾情，应以工艺处置为主，消防处置为辅。消防处置时，至少调集干粉灭火、举高喷射、战勤保障（氧气呼吸器、隔热防护服等）、通讯保障等4 个作战单元，难控、失控灾情，至少调集干粉灭火、举高喷射、大吨位供水、战勤保障（氧气呼吸器、隔热防护服等）、通信指挥5 个作战单元。生产厂房火灾重点调集高喷灭火单元，变压器变压油泄漏，火灾优先调集泡沫灭火单元、灭火冷却单元。作战力量到场后也可根据现场情况，临时编成，单元化开展作战行动。

（2）针对新能源企业消防设计氮气储备不足的现状，且针对一氧化碳、二氧化碳等对人体有害气体大量泄漏，需要大量水进行稀释中和和设置水幕防止燃烧不完全产生的有毒气体扩散，考虑到北方干旱缺水地区，可调集大吨位水罐车，利用接力供水或运水供水。可考虑调动干粉消防车，利用氮气对部分装置进行排空和惰化操作。

（3）针对企业生产中涉及大量有毒有害物质（二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等），考虑长时间作战需要，优先调集供气单元和氧气呼吸器。针对变压器油易发生火灾，考虑灭火，调集抗溶性泡沫。

5.2 侦察研判

（1）中控室灾情核查4 要素：通过现场侦察、DCS 系统监控查询、询问厂方技术人员、调阅图纸资料（事故装置平面图、工艺流程图、生产单元设备布局立体图、事故部位及关键设备结构图等）等方式，第一时间核查4个灾情要素：

一是核查事故企业的行业和产业类型，即属于碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料、纳米级负极材料等具体产业类型，例如，核查该单位是新能源，重大危险源为高温的石墨材料，生产装置具有温度高、涉毒（氨气、二氧化硫、一氧化碳）、遇水易发生喷溅等特点。

二是核查生产厂房、车间及装置布局设计，该企业DCS 控制室位于硝酸铁工序车间二楼，与氮氧化物尾气吸收装置相邻，如尾气吸收装置出现问题，发生氮氧化物泄漏，DCS 控制室也会受到影响，侦察研判时要核实清楚。

三是核查灾情类别，属于泄漏、燃烧、爆炸、毒害、腐蚀等类型。

是核查灾情等级，属于初期、难控、失控灾情。进入中控室，逐项核对4 个灾情要素，分析评估、综合研判。在前期情况不掌握的情况下，可利用无人机、消防机器人代替侦查组对事故装置进行侦查。

（2）进入现场处置确认是否采取工艺措施以及工艺措施是否到位，如对于生产工序出现问题，注意是否断电，是否根据事故部位不同采取生产单元、单套装置、上下游装置和全厂性紧急停车措施；是否关闭与事故设备或装置关联的管线阀门。

5.3 安全防护

（1）此类企业，涉及高温、有毒有害、易燃易爆、易触电等伤害，因此需要落实呼吸系统和身体全防护，根据热量的高低、着火灾情不同着灭火防护服、隔热防护服、避火防护服、绝缘服等、由于石墨在氧气中燃烧生成二氧化碳或一氧化碳要佩戴双气瓶空气呼吸器或氧气呼吸器，保证进入重危区及轻危区人员安全及连续作业时间。

（2）在集结点选择方面，初战力量到场后，距离事故区域集结停车距离不应低于200米，切上风或侧上风方向处，处置安全距离不少于150 米。在支队全勤指挥部到场后，根据侦查研判后，可再对集结地点进行调整。

6 结语

由于我国人口基数大，对于能源类产业需求量也随着增多，新能源的发展将会成为必然趋势，但就目前而言，新能源领域发展还不够完善，安全性偏低，且存在潜在风险较高。相对应的条文规范和应对措施还不够健全。面对新领域、新工艺类型的火灾，消防救援队伍应加大对相关领域的工艺流程、灭火机理、安全防护等方面的研究，科学制定相应的处置对策，完善灾情预案，加强战术战法的创新，充分利用现有的武器装备扑救此类型火灾，降低此类型火灾带来的损失。