燃煤電廠儲(chǔ)煤自燃傾向特性試驗(yàn)研究

張磊，秦嶺，包軍，陳劍，李小江（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

燃煤電廠儲(chǔ)煤自燃傾向特性試驗(yàn)研究

張磊，秦嶺，包軍，陳劍，李小江
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

為了解燃煤電廠煤炭的自燃傾向特性，通過試驗(yàn)研究了3種褐煤、3種煙煤、3種無煙煤的氧化溫升特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：褐煤氧化溫升速率最快，煙煤次之，無煙煤最慢。并現(xiàn)場(chǎng)開展了褐煤存儲(chǔ)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著堆放時(shí)間的增加，煤堆溫度前期升溫較快，后期升溫緩慢，干基高位熱值呈線性減小趨勢(shì)。

燃煤電廠；煤炭；自燃傾向特性；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；溫升速率

0 引言

煤炭自燃是煤炭開采、存儲(chǔ)過程中的主要災(zāi)害之一，而煤炭低溫氧化是自燃的必經(jīng)階段。目前已有的研究主要采用活化能[1]、參比氧化法[2]、紅外分析法[3]等手段研究煤自身屬性對(duì)自燃的影響，但是試驗(yàn)條件較煤場(chǎng)儲(chǔ)煤實(shí)際堆放條件差別較大。蘇攀[4]等人通過煤場(chǎng)試驗(yàn)研究了煤炭自燃氧化特性，但是試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。靳玉萍[5]等人利用偏微分方程數(shù)值解法，對(duì)煤自燃進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合。

對(duì)火力發(fā)電企業(yè)而言，煤炭在存儲(chǔ)過程中氧化自燃給電廠造成一定經(jīng)濟(jì)損失，研究燃煤電廠儲(chǔ)煤自燃傾向特性十分必要。此文設(shè)計(jì)一套煤自燃氧化溫升特性測(cè)定裝置及系統(tǒng)，能夠較為真實(shí)地模擬煤炭真實(shí)堆積條件測(cè)定煤炭自燃傾向特性，為判定煤炭自燃及其動(dòng)態(tài)發(fā)展變化的過程提供理論依據(jù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，指導(dǎo)煤炭存儲(chǔ)，防止煤炭自燃的發(fā)生。

1 試驗(yàn)煤樣及裝置

1.1 試驗(yàn)煤樣

選取褐煤、煙煤、無煙煤各3種，按照G B 475商品煤樣人工采取方法[6]的規(guī)定在煤場(chǎng)采取煤樣。按照G B474煤樣的制備方法[7]制備煤樣，將原煤樣制備成標(biāo)稱最大粒度為6mm，經(jīng)二分器縮分出兩份2.5k g左右的煤樣，一份煤樣按照正常程序制成一般分析試驗(yàn)煤樣，另一份煤樣以備氧化升溫試驗(yàn)，其余煤樣密封后放置合適位置存放。9種煤樣的煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，3種褐煤水分、揮發(fā)分含量較高，固定碳含量較低，熱值也較低，3種無煙煤水分、揮發(fā)分含量較低，固定碳含量、硫含量較高，熱值也較高，3種煙煤的工業(yè)分析等參數(shù)在褐煤與無煙煤之間。相同煤種不同煤樣之間也存在差異，可見開展不同煤種、不同煤樣的自燃傾向特性研究十分必要。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由氣瓶、氣體預(yù)熱銅管、煤樣反應(yīng)器、鉑電阻溫度計(jì)、恒溫箱、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等部分組成，具體如圖1所示。

試驗(yàn)裝置能較為真實(shí)地模擬煤場(chǎng)儲(chǔ)煤狀況，試驗(yàn)煤樣為原煤，煤樣標(biāo)稱最大粒度為6mm，煤樣濕度與真實(shí)煤堆相近，煤樣反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有增壓裝置，模擬煤堆真實(shí)堆積壓力。

表1 試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)數(shù)據(jù)

圖1 煤自燃傾向性試驗(yàn)裝置1-氮?dú)馄?-空氣瓶3、4-減壓閥5、6-氣體開關(guān)閥7、8-質(zhì)量流量計(jì)9-三通閥10、13-硅膠管11-恒溫箱12-氣體預(yù)熱銅管14-煤樣反應(yīng)器15、16-鉑電阻溫度計(jì)17-數(shù)據(jù)采集器18-計(jì)算機(jī)

2 煤樣溫升速率的測(cè)定

將制備好的煤樣裝入煤樣反應(yīng)器中，連接好氣路，檢查氣路氣密性，首先通入氮?dú)猓瑢⒚簶又锌諝馀趴眨缓笤O(shè)定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應(yīng)器中煤樣溫度升至69℃時(shí)，且煤樣中心溫度與對(duì)應(yīng)恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時(shí)，打開空氣閥，通入空氣，流量為50ml/min，同時(shí)打開數(shù)據(jù)采集裝置采集數(shù)據(jù)。

氣體經(jīng)預(yù)熱銅管預(yù)熱，確保送入煤樣反應(yīng)器中的氣體溫度與控溫箱環(huán)境溫度接近，煤樣由自身氧化導(dǎo)致溫度升高，設(shè)定恒溫箱升溫程序，跟蹤煤樣溫度但不高于煤樣溫度，確保煤樣是由自身氧化導(dǎo)致的升溫，數(shù)據(jù)采集裝置按2次/min的頻率采集煤樣中心點(diǎn)溫度及對(duì)應(yīng)恒溫箱溫度，待煤樣中心溫度升至71℃時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，保存數(shù)據(jù)并處理。

9種煤樣從69℃升溫至71℃所用時(shí)間及煤樣此溫度段的溫升速率見表2，從表中可以看出，3種褐煤升溫2℃所需時(shí)間最短，升溫速率最快，3種煙煤次之，3種無煙煤升溫所需時(shí)間最長(zhǎng)，升溫速率最慢。

表2 煤樣溫升速率

煤樣升溫速率的快慢可以看作是由于煤炭自身發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)，煤炭氧化產(chǎn)生大量的熱，熱量的積聚使煤體溫度持續(xù)上升[8]。煤樣成煤時(shí)間、煤化程度、堆積密度、熱穩(wěn)定性、水分含量、揮發(fā)分含量、外界環(huán)境等均對(duì)煤樣溫升速率有影響。由于褐煤堆積密度小，存在大量的微小孔隙，這些孔隙對(duì)物理吸附起到重要作用，增加了煤與氧氣接觸的表面積。另外，水分對(duì)煤炭自燃氧化既有促進(jìn)作用，也有抑制作用。所以煤炭在存儲(chǔ)過程中，為防止煤炭自燃氧化，煤體的含水量要保持在較高的程度[9]。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)煤種為褐煤，試驗(yàn)煤堆的堆放形狀如圖2所示。對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行清理平整，確保試驗(yàn)場(chǎng)地沒有陳舊煤。為排除天氣下雨等原因?qū)υ囼?yàn)的影響，將煤堆置于干煤棚內(nèi)，煤樣最大標(biāo)稱粒度小于100mm。煤堆四面梯形，組成底部約為20m×20m，按自然堆積角（約60度）堆放，高度6m，頂部平整。

按G B475的采樣要求進(jìn)行采樣點(diǎn)的布置。初次采樣完成后，對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，下一次的采樣點(diǎn)位置位于上一次采樣點(diǎn)的附近，但兩次采樣點(diǎn)不能重復(fù)，采樣坑及時(shí)覆蓋，將采集的子樣合并成一個(gè)總樣。采集完的樣品立即密封保存，當(dāng)天完成制樣工作，煤樣的制備、化驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照按相關(guān)的國家或電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.1 煤堆溫度變化

煤堆溫度變化如圖3所示，煤堆堆放時(shí)間在30天內(nèi)時(shí)的溫度上升速率較大，這是由于煤堆內(nèi)部緩慢氧化放熱產(chǎn)生熱量，熱量難以及時(shí)排出，在煤堆內(nèi)部逐漸蓄積，內(nèi)部溫度開始緩慢升高，溫度升高又加速了煤的氧化自燃過程，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)速率增大，氧化放熱強(qiáng)度也增加，溫升速率加快。

圖2 試驗(yàn)用煤組堆形狀

圖3 煤堆溫度變化趨勢(shì)

超過30天后溫度上升幅度較小，此時(shí)煤堆內(nèi)部溫度已超過70℃，由于褐煤水分含量較多，在此階段，煤堆氧化產(chǎn)生的熱量主要被煤中水分蒸發(fā)吸收，同時(shí)蒸發(fā)的水蒸氣還會(huì)帶走部分熱量，致使煤堆溫度上升極為緩慢，另外由于導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度的影響，煤堆內(nèi)部的熱量會(huì)逐漸傳到表層，造成煤堆溫度上升緩慢。

3.2 煤堆熱值變化

煤堆熱值變化如圖4所示，可以看出，隨著堆放時(shí)間的增加，干基高位熱值呈線性減小趨勢(shì)且相關(guān)性較好，主要是因?yàn)槊憾雅c空氣接觸，緩慢氧化放出熱量，熱值降低，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致煤堆溫度升高，進(jìn)一步促進(jìn)了煤樣氧化自燃過程，導(dǎo)致熱值下降。

建議燃煤電廠存儲(chǔ)煤炭時(shí)間不易過長(zhǎng)，在煤場(chǎng)內(nèi)應(yīng)設(shè)置溫度、煙霧監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置，對(duì)煤堆應(yīng)進(jìn)行定期測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)有自燃征兆，如局部溫度升高、冒熱氣、冒煙等現(xiàn)象時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)該區(qū)域使用噴淋，以防煤堆自燃擴(kuò)大與蔓延。在組堆或倒垛過程中，應(yīng)做好煤堆溫度監(jiān)測(cè)，不應(yīng)將火源或有自燃傾向的煤帶入新煤堆。

圖4 Qgr.ad變化趨勢(shì)

4 結(jié)語

（1）3種褐煤水分、揮發(fā)分含量較高，固定碳含量較低，熱值也較低，3種無煙煤水分、揮發(fā)分含量較低，固定碳含量、硫含量較高，熱值也較高，3種煙煤的工業(yè)分析等參數(shù)在褐煤與無煙煤之間。

（2）3種褐煤升溫所需時(shí)間最短，升溫速率最快，3種煙煤次之，3種無煙煤升溫所需時(shí)間最長(zhǎng)，升溫速率最慢。

（3）燃煤電廠存儲(chǔ)煤炭時(shí)間不易過長(zhǎng)，隨著堆放時(shí)間的增加，煤堆溫度前期升溫較快，后期升溫緩慢，干基高位熱值呈線性減小趨勢(shì)且相關(guān)性較好。

[1]程根銀，周逸飛，程宥,等.蒙西侏羅紀(jì)煤差示掃描量熱試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)研究[J].中國煤炭，2016，42（11）：91-95.

[2]陸偉，王德明，戴廣龍，等.參比氧化法研究煤低溫氧化特性[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（1）：21-24.

[3]褚廷湘，楊勝強(qiáng)，孫燕，等.煤的低溫氧化實(shí)驗(yàn)研究及紅外光譜分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18（1）：171-176.

[4]蘇攀，王群英，張琨，等.燃煤電廠印尼褐煤氧化自燃過程實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2014，37（4）：58-63.

[5]靳玉萍，張兵.基于非穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散方程高階緊致差分的煤自燃數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（14）：27-32.

[6]G B475-2008，商品煤樣人工采取方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[7]G B474-2008，煤樣的制備方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8]馬漢鵬，陸偉，王德明,等.煤自燃過程物理吸附氧的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（07）：26-29。

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Spontaneous Combustion Tendency Characteristic Test Research of Coal-fired Power Plant Coal

ZHANG Lei，LU Chao，QIN Ling，BAO Jun，CHEN Jian，LI Xiao-jiang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

For coal-f ire d p o w er p lant o f coal sp ontaneou s com b u s tion ten d ency an d f eature s，T h rou gh t h e e xp erimental s tu d y，t h ree k in ds o f li g nite，t h ree k in ds o f b ituminou s coal，t h ree k in ds o f ant h racite h a v e s electe d to re s earc h t h e coal h eatin g rate c h aracteri s tic s f or tem p erature o x i d ation，t h e f iel d e xp erimental re s ult s sh o w e d t h at li g nite h a s t h e lar g e s t tem p erature o x i d ation h eatin g rate，wh ile ant h racite h a s minimal.An d t h e s cene to carry out t h e s tu d y o f coal s tora g e te s t,t h e e xp erimental re s ult s al s o sh o w e d t h at w it h t h e increa s e o f la b oratory li g nite s tora g e time，t h e coal a v era g e p article s i z e d ecrea s e s f or t h e d ecrea s in g o f lar g e p article s an d increa s in g o f s mall p article s.T h e coal tem p erature early w armin g f a s ter，late ri s in g s lo w ly，coal calori f ic v alue d ecrea s e d.

coal-f ire d p o w er p lant s；coal；sp ontaneou s com b u s tion ten d ency；f iel d te s tin g s tu d y；tem p erature increa s in g rate

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.003

TD75

B

2095-3429（2017）03-0010-04

2017-03-27

修回日期：2017-05-17

低階煤的熱解成分特性及火力發(fā)電應(yīng)用研究（2013DFG61490）

張磊（1985-），男，河南開封人，碩士，工程師，從事煤炭高效清潔利用及燃料應(yīng)用技術(shù)相關(guān)研究工作。