燃煤電廠儲煤自燃傾向特性試驗研究

張磊，秦嶺，包軍，陳劍，李小江（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

燃煤電廠儲煤自燃傾向特性試驗研究

張磊，秦嶺，包軍，陳劍，李小江
（華電電力科學研究院，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，試驗結果表明：褐煤氧化溫升速率最快，煙煤次之，無煙煤最慢。并現場開展了褐煤存儲試驗研究，發現隨著堆放時間的增加，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。

燃煤電廠；煤炭；自燃傾向特性；現場試驗；溫升速率

0 引言

煤炭自燃是煤炭開采、存儲過程中的主要災害之一，而煤炭低溫氧化是自燃的必經階段。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自燃的影響，但是試驗條件較煤場儲煤實際堆放條件差別較大。蘇攀[4]等人通過煤場試驗研究了煤炭自燃氧化特性，但是試驗周期長、費用高。靳玉萍[5]等人利用偏微分方程數值解法，對煤自燃進行了數值模擬分析，模擬結果與試驗結果相符合。

對火力發電企業而言，煤炭在存儲過程中氧化自燃給電廠造成一定經濟損失，研究燃煤電廠儲煤自燃傾向特性十分必要。此文設計一套煤自燃氧化溫升特性測定裝置及系統，能夠較為真實地模擬煤炭真實堆積條件測定煤炭自燃傾向特性，為判定煤炭自燃及其動態發展變化的過程提供理論依據，并通過現場試驗研究，指導煤炭存儲，防止煤炭自燃的發生。

1 試驗煤樣及裝置

1.1 試驗煤樣

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]的規定在煤場采取煤樣。按照G B474煤樣的制備方法[7]制備煤樣，將原煤樣制備成標稱最大粒度為6mm，經二分器縮分出兩份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煤樣，另一份煤樣以備氧化升溫試驗，其余煤樣密封后放置合適位置存放。9種煤樣的煤質數據見表1。

從表1中可以看出，3種褐煤水分、揮發分含量較高，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種煙煤的工業分析等參數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 試驗裝置

試驗測試系統主要由氣瓶、氣體預熱銅管、煤樣反應器、鉑電阻溫度計、恒溫箱、數據采集器、計算機等部分組成，具體如圖1所示。

試驗裝置能較為真實地模擬煤場儲煤狀況，試驗煤樣為原煤，煤樣標稱最大粒度為6mm，煤樣濕度與真實煤堆相近，煤樣反應器內設有增壓裝置，模擬煤堆真實堆積壓力。

表1 試驗煤樣煤質數據

圖1 煤自燃傾向性試驗裝置1-氮氣瓶2-空氣瓶3、4-減壓閥5、6-氣體開關閥7、8-質量流量計9-三通閥10、13-硅膠管11-恒溫箱12-氣體預熱銅管14-煤樣反應器15、16-鉑電阻溫度計17-數據采集器18-計算機

2 煤樣溫升速率的測定

將制備好的煤樣裝入煤樣反應器中，連接好氣路，檢查氣路氣密性，首先通入氮氣，將煤樣中空氣排空，然后設定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應器中煤樣溫度升至69℃時，且煤樣中心溫度與對應恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時，打開空氣閥，通入空氣，流量為50ml/min，同時打開數據采集裝置采集數據。

氣體經預熱銅管預熱，確保送入煤樣反應器中的氣體溫度與控溫箱環境溫度接近，煤樣由自身氧化導致溫度升高，設定恒溫箱升溫程序，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致的升溫，數據采集裝置按2次/min的頻率采集煤樣中心點溫度及對應恒溫箱溫度，待煤樣中心溫度升至71℃時，試驗結束，保存數據并處理。

9種煤樣從69℃升溫至71℃所用時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間最長，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生一定的物理化學反應，煤炭氧化產生大量的熱，熱量的積聚使煤體溫度持續上升[8]。煤樣成煤時間、煤化程度、堆積密度、熱穩定性、水分含量、揮發分含量、外界環境等均對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，水分對煤炭自燃氧化既有促進作用，也有抑制作用。所以煤炭在存儲過程中，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 現場試驗與結果

現場試驗煤種為褐煤，試驗煤堆的堆放形狀如圖2所示。對試驗場地進行清理平整，確保試驗場地沒有陳舊煤。為排除天氣下雨等原因對試驗的影響，將煤堆置于干煤棚內，煤樣最大標稱粒度小于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的采樣要求進行采樣點的布置。初次采樣完成后，對采樣點進行標記，下一次的采樣點位置位于上一次采樣點的附近，但兩次采樣點不能重復，采樣坑及時覆蓋，將采集的子樣合并成一個總樣。采集完的樣品立即密封保存，當天完成制樣工作，煤樣的制備、化驗應嚴格按照按相關的國家或電力行業標準執行。

3.1 煤堆溫度變化

煤堆溫度變化如圖3所示，煤堆堆放時間在30天內時的溫度上升速率較大，這是由于煤堆內部緩慢氧化放熱產生熱量，熱量難以及時排出，在煤堆內部逐漸蓄積，內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，化學吸附和化學反應速率增大，氧化放熱強度也增加，溫升速率加快。

圖2 試驗用煤組堆形狀

圖3 煤堆溫度變化趨勢

超過30天后溫度上升幅度較小，此時煤堆內部溫度已超過70℃，由于褐煤水分含量較多，在此階段，煤堆氧化產生的熱量主要被煤中水分蒸發吸收，同時蒸發的水蒸氣還會帶走部分熱量，致使煤堆溫度上升極為緩慢，另外由于導熱系數和溫度梯度的影響，煤堆內部的熱量會逐漸傳到表層，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，隨著堆放時間的增加，干基高位熱值呈線性減小趨勢且相關性較好，主要是因為煤堆與空氣接觸，緩慢氧化放出熱量，熱值降低，產生的熱量不能及時與周圍環境進行熱交換，導致煤堆溫度升高，進一步促進了煤樣氧化自燃過程，導致熱值下降。

建議燃煤電廠存儲煤炭時間不易過長，在煤場內應設置溫度、煙霧監測監控裝置，對煤堆應進行定期測溫，發現有自燃征兆，如局部溫度升高、冒熱氣、冒煙等現象時，嚴禁對該區域使用噴淋，以防煤堆自燃擴大與蔓延。在組堆或倒垛過程中，應做好煤堆溫度監測，不應將火源或有自燃傾向的煤帶入新煤堆。

圖4 Qgr.ad變化趨勢

4 結語

（1）3種褐煤水分、揮發分含量較高，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種煙煤的工業分析等參數在褐煤與無煙煤之間。

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

（3）燃煤電廠存儲煤炭時間不易過長，隨著堆放時間的增加，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且相關性較好。

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[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].遼寧工程技術大學學報，2007，26（1）：21-24.

[3]褚廷湘，楊勝強，孫燕，等.煤的低溫氧化實驗研究及紅外光譜分析[J].中國安全科學學報，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驗研究[J].煤炭轉化，2014，37（4）：58-63.

[5]靳玉萍，張兵.基于非穩態對流擴散方程高階緊致差分的煤自燃數值模擬[J].科學技術與工程，2014，14（14）：27-32.

[6]G B475-2008，商品煤樣人工采取方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

[7]G B474-2008，煤樣的制備方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

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[9]張磊，陸超，汪后港，等.水分對煤炭低溫氧化溫升特性影響的研究[J].煤炭技術，2016，35（12）：198-199.

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電應用研究（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用技術相關研究工作。