利用低溫熱管技術防止圓形封閉煤場煤堆自燃

李文勝 李建勛 劉旭東 康 慧

（1.中電投電力工程有限公司 上海 200233；2.山東電力工程咨詢院有限公司 濟南 250013；3.中國電力工程顧問集團有限公司 北京 100120）

0 引言

煤場是煤炭儲存、供應的重要設施。目前，在運煤系統中常用的儲存方法有常規露天儲存（帶干煤棚）、室內儲存和筒倉儲存三種方式；室內儲存可采用的方案有斗輪堆取料機條形封閉煤場、人字形條形封閉煤場、圓形封閉煤場等。

封閉煤場與常規露天煤場相比，具有占地面積小、場地利用率高、自動化作業水平高、可靠性高等多方面的優點，并且采用全密閉結構，不受外界天氣的影響，避免降雨等原因造成煤的流失損耗，保證運煤系統的穩定運行，達到保護環境的目的。

隨著國內煤炭儲運設施建設規模的不斷擴大，以及越來越嚴格的環保要求和環評標準的提高，對煤場的設計要求也越來越高。受電廠周邊環境、景觀要求和圓形封閉煤場整體造價降低，越來越多的燃煤電廠經過經濟技術性比較后選用圓形封閉煤場方案。

圓形封閉煤場主要由一臺堆取分開的圓形堆取料機、薄殼球拱形鋼網架結構、土建結構以及溫度、可燃氣體等監測報警裝置和自然通風、自動抑塵系統、自動消防水炮系統等構成。

圓形封閉煤場的擋煤墻上設有網架支座柱子和推煤機出入門洞，網架支座柱子上方設有屋面網架，屋面網架頂部設有與室外連通的排風口。室外空氣從擋煤墻上的網架支座柱子間和推煤機出入門洞進入圓形封閉煤場內，煤棚內的可燃氣體、粉塵從屋面網架頂部上的排風口自然排至室外。

目前內蒙褐煤、印尼褐煤等在電廠中的使用比例不斷升高，但其長時間堆放容易出現自燃現象，提質或成型褐煤也無法實現長距離安全運輸和存儲，目前在全球范圍內暫無工業化解決辦法[1]。相比條形封閉煤場存儲褐煤自燃容易處理，在圓形封閉煤場的運營管理中，造成影響最大，引起后果最嚴重的就是褐煤自燃問題。嚴重時場內白霧彌漫，能見度非常低，甚至運維人員需穿防毒化服才能進入，這影響了員工生命健康安全和電廠正常生產，造成大量人力、物力浪費，設施損壞。表現在混凝土擋煤墻內、外壁引起較大的溫差和溫度應力，造成局部結構混凝土碳化、鋼筋斷裂，甚至側墻燒穿，影響整體結構的安全。由于目前技術手段有限，圓形封閉煤場中煤堆自燃現象還得不到有效處理，如福建嵩嶼電廠、海南東方電廠、浙江寧海電廠、廣東河源電廠。

這與我國電廠圓形封閉煤場技術已達國際先進水平不相稱；另外，按行業標準，入廠煤與入爐煤的熱值差不能超過502kJ/kg的考核指標要求，因此，尋找防止圓形封閉煤場煤堆自燃的解決方案具有十分重要的意義。

1 圓形封閉煤場煤堆自燃原因分析

設計煤種為褐煤的圓形封閉煤場更容易發生自燃，主要原因如下：

（1）由于機組負荷、機組檢修、煤炭市場供求關系、市場煤價波動等因素造成煤場庫存高，煤炭“燒舊存新”的周轉速度與供煤、卸煤的節奏發生沖突，新到煤直接堆在存煤上，有自燃隱患的存煤無法得到及時清理。存煤無法做到真正意義上的“先進先出”。

（2）煤場庫存量大，相應臨界自燃著火點溫度低，煤堆升溫速率大，容易自燃。

（3）煤堆高度＞10m，高于2m的安全高度。熱導率越小的煤，煤堆垂向溫度梯度越大[2]。

（4）由于在自流堆煤時煤塊滾動離析分層的緣由，中心部位處顆粒較細，越往四周顆粒越粗，在煤堆四周坡邊特別是靠擋煤墻地帶的貯煤基本上是大塊煤堆疊，煤堆疏松且多空隙。該地帶靠近進風口，煤堆迎風側表面存在正風壓，且煤堆迎風側下部風壓高于上部風壓，室外較冷的空氣較容易下沉，而煤堆滲透率和空隙度呈正相關，煤堆存在大量漏風給煤氧化創造良好的自然對流條件，且熱導率隨空隙度增大而減小[2]，同時空氣中的水蒸汽被煤吸附冷凝并釋放出大量熱量，所以煤堆坡邊尤其是擋煤墻側易發生自燃。

（5）無法進行壓實、整理、清底等工作，使煤炭處于自然堆積狀態[3]。也就是堆放時通過扒機和勾機的配合將煤一層一層壓實的方法和存儲期間通過人工測溫反復翻堆、碾壓的方法很難實施；取料機刮板很難將煤場底部的煤炭刮取干凈；地坪斜度較大，不利于推煤機作業；為防止弧線擠車，推煤機作業時無法對擋煤墻側的煤堆整形清底[3]，取煤死角處存煤長期滯留煤場，容易引起自燃。

（6）通常采用噴灑水的方法阻止煤堆自燃，但水分使煤對氧的物理、化學吸附能力增強，還會產生化學反應，并放出吸附熱和反應熱，致使煤堆溫度升高。且水分的催化作用隨煤溫的增高而增大，暨加快自由基和過氧化絡合物的形成，導致此后氧化過程加速。水分含量過高的煤立即送去燃燒，還會影響鍋爐效率。

（7）煤堆表層約0.5～1.5m厚[4]是低溫冷卻層，該層煤較松散，與空氣接觸充分，雖發生氧化反應，但散熱條件好，所以不會發生自燃，但會使氧化層產生的熱量得以積聚。冷卻層以下是高溫氧化層，從中心部位往四周，冷卻層和氧化層越來越厚，據工程實際情況反饋，靠擋煤墻處煤堆的氧化層可達擋煤墻中部位置[5]。氧化層下面的低溫窒息層相對壓實，漏風強度低，供氧不充分，且此層褐煤外水很高，水分難以汽化，而且由于水分具有極高的蒸汽壓力將阻礙氧氣與煤表面接觸，使其不易發生自燃。

（8）褐煤較高的內水，使其易氧化但不利于水分的蒸發從而散發熱量。

（9）除褐煤、長焰煤外，都是不易自燃煤。揮發分含量越高，自燃傾向性越強。特別是未低溫熱解加工的褐煤，自燃發火期較短，1個月左右即冒煙[6]。

（10）煤是不良導體，易聚熱，尤其是變質程度低的褐煤。煤的變質程度越低，熱導率越小。

（11）煤的變質程度越高，煤堆內部的空隙度越低，煤對氧的吸附能力越低[7]。可按30℃常壓干煤的吸氧量（cm3/g）進行判別。

（12）煤堆溫度低于80℃時，相同溫度下放熱強度隨煤質變質程度加深而降低，超過100℃后，相同溫度下放熱強度隨煤質變質程度加深反而逐漸增大[8]。

2 圓形封閉煤場常用的防止煤堆自燃的方法

目前圓形封閉煤場防止煤堆自燃的常用方法有如下幾種：

（1）儲煤容量按對應機組10～25d的耗煤量設計。按照先進先出、燒舊存新、定期置換、合理庫存、分堆存放的存煤原則，將存煤天數控制在自燃周期內。這是破壞煤堆蓄熱環境防止煤堆自燃的最可靠方法。

（2）創造良好的通風條件帶走煤堆散發的熱量。建議進風口設計面風速＞2m/s[9]（有利于煤堆升溫速率變緩）。

（3）建議煤堆自然堆積角≯45°（設計和實際堆角往往＞60°），降低煤堆自然發火危險性[10]，減輕“風筒效應”。

（4）煤場底部可設排水管或溝，但在擋煤墻外須設存水彎，避免室內、外空氣連通。

（5）經常倒堆破壞氧化層以延緩或阻止自燃，同時噴灑水，但在噴灑降溫過程中產生的帶酸性物的氣體，氣體里的水蒸氣會在鋼網架結構上冷凝造成腐蝕，使鋼網架結構存在安全隱患；排除至室外的氣體將造成空氣污染；噴灑水處理還會因煤燃燒不充分產生大量的CO氣體。

（6）采用同一電站的粉煤灰泥漿覆蓋煤堆[11,12]。

（7）加強煤場現場管理，盡早發現煤堆自燃征兆，并采取處理措施，如檢測主要指標氣體CO濃度（褐煤一接觸空氣就會緩慢氧化產生CO氣體。）；每日測量擋煤墻側煤堆中部位置處溫度T中部（T中部＞T頂部＞T底部），當T中部≥60℃（煤堆自熱的拐點溫度，隨煤變質程度的升高而增高）[8,13,14]時，必須優先安排取用，這是因為CO和CO2產生率、耗氧速率、活化能、放熱強度在此溫度以上將明顯增加，也就是煤堆將自發燃燒。

上述方法仍存在理想化、針對性不夠等客觀問題，因此，需要找到符合圓形封閉煤場煤堆自燃的機理和規律的新方法。

3 利用低溫熱管技術防止煤堆自燃方案

因著火點往往埋藏較深，圓形封閉煤場煤堆發生自燃后的處理難度大、時間長，需大量人力、物力才能完全將燃煤轉場，所以必須迅速采取有效措施，防止自燃范圍擴大。故需要解決的技術問題是克服傳統防止煤堆自燃方法存在“煤在氧化過程中的熱量不易釋放至外界，致使煤堆各層之間溫度分布不均勻，出現所謂的冷皮熱心現象”的缺陷。

根據防治結合，以防為主的防止煤堆自燃的原則，防止煤堆自燃可以考慮應用熱管技術，通過在擋煤墻側設置重力式低溫熱管，來釋放煤在氧化過程中的散熱量，避免熱量聚集使煤溫上升，達到著火點而發生自燃。自燃使擋煤墻溫度達60～70℃[15]。入夜后，熱管的移熱能力得到提高，同時減少煤堆里水分的蒸發量，均有利于防止煤堆自燃。中電投電力工程有限公司已申請專利（申請號：2017100624282）的主要內容和具體實施方式如下：

（1）考慮熱管工作時內部壓強、工質性質和現場條件，選擇低碳鋼管作為熱管的管殼材料。

（2）重力式低溫熱管垂直布置并通過三根型鋼支架與擋煤墻固定，且熱管距擋煤墻按0.5m～1m設計。通過實驗測定相關工作參數再進行調整。中部支架為固定支架，兩端為滑動支架，避免因熱脹冷縮造成熱管損壞。垂直布置可提高熱管工質的循環速率和熱管的顯熱效率，從而提高換熱量，增大溫升。也可斜插布置，冷凝段偏向室外。以上布置方式對圓形封閉煤場無論是采用高位進料還是低位進料方式均不受影響。

（3）將重力式低溫熱管的蒸發段埋入圓形封閉煤場的煤堆的氧化層中。

（4）重力式低溫熱管的冷凝段布置在圓形封閉煤場的室外空氣進入處，暨網架支座柱子間高度處。合理的迎面風速能保證熱管高效的換熱，最大限度地釋放煤在氧化過程中的熱量。

（5）為增大重力式低溫熱管的傳熱效率和防止煤塵積聚在鰭片上，在熱管外壁增加鰭片（縱向翅片）結構。

（6）根據煤質不同，管內壁全段另可設置溝槽，并在蒸發段設置內插件（內循環管），內插件上設置氣孔，以提高熱管的總換熱系數、降低熱管的工作溫度、增大熱管的工作溫度范圍、消除攜帶限和沸騰限的約束、縮短熱管的啟動時間。

（7）受煤堆堆高的影響，通過現場調整重力式低溫熱管蒸發段與冷凝段的面積，改變熱管內飽和蒸汽壓力和溫度，相應改變熱管的管殼壁面溫度，實現煤堆中不同熱量的釋放。改變了工作溫度，也就改變了工作壓力，也就保證了熱管的安全運行。

（8）重力式低溫熱管的間距（有效冷卻半徑）按0.5m～1m設計。通過實驗測定相關工作參數再進行調整。

（9）每根重力式低溫熱管的冷凝段綁定有測溫鋼纜，每根測溫鋼纜分別和溫度監測報警裝置連接，當煤堆溫度超過設定溫度時，啟動自動消防水炮系統對此處區域進行滅火。

（10）圓形封閉煤場的隔熱設施采用帶空氣隔熱層的槽形板。上述支架采用槽鋼，槽鋼腰端朝上。最下部槽鋼支架兩腿之間敷設一根探火管支管（直徑6mm，壁厚1mm），探火管支管與布置在空氣隔熱層里的探火管干管通過專用三通接頭連接，探火管干管再和直接式探火管滅火裝置連接，探火管干管敷設處的槽形板需至擋煤墻頂部。在煤堆的空隙容積為2～3m3條件下，選用滅火劑充裝量為6kg的直接式探火管滅火裝置，最遠探火管長度不超過25m。探火管滅火裝置簡單可靠、成本低、無需電源和煙、溫感探測器，獨立自動滅火，利用自身儲壓，探火管受熱破裂，立即釋放滅火劑滅火。由于煤堆的低溫窒息層及煤場中部煤堆的空隙度非常小，往往形成較封閉的空間，且CO2氣體比空氣重，CO2氣體留在空隙里，不易擴散，加上空隙里的空氣在CO2氣體壓力作用下被向上驅趕，因此，當探火管探測到火災，直接釋放CO2氣體能較好地實現惰化保護，最終起到保護熱管的作用。

需說明的是：同樣是褐煤，但來自不同地區，在煤質上還是相差較大。上述技術涉及到的熱管間距等參數如在不同電廠應用，需要根據實際已取得的現場實驗數據結合理論計算模型加以確定，以得到更好的經濟效益。

4 經濟性分析及估算

以單倉內徑為120m的圓形封閉煤場為例，球形倉高75m，擋煤墻高19.6m，擋墻側堆高18.1m，堆煤峰線約33m，單倉儲煤量約18萬噸。已知條件如表1所示。

表1 已知條件Table 1 Known Conditions

熱管帶走的氧化熱Q1：

煤堆蓄積的總熱量Q2：

Q1＞Q2，方案設置的假設條件成立。

以上海某電廠為例，圓形封閉煤場全年僅少數月份未發生煤自燃，假設其他月份因煤自燃擋煤墻處煤堆質損共約50%，本方案實施后，每年節約煤量：

本設計方案還需投入的人力、物力費用約為60萬元，約3年時間即可將成本收回。根據《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008），原煤的二氧化碳排放系數為1.9003kg/kg，還可減排二氧化碳4048t。若考慮CO2的減排收益，CO2的單位減排成本為85元/t，每年減排收益約為34.4萬元。

5 結語

本文提出一種圓形封閉煤場防止煤堆自燃的方法，通過在擋煤墻側設置重力式低溫熱管來釋放煤的氧化熱，利用自然冷源使煤堆降溫，減緩煤堆溫度隨存煤時間逐漸升高的趨勢，從而避免煤長期堆積使煤的熱值下降，降低煤的質量和經濟價值。同時運行過程穩定，無能耗。該方法人工維護量小，初投資低，易于實施。

結合市場需求，并從本方法帶來的社會效益、經濟收益看，其具有較大優越性，具有較好的應用前景，通過技術創新和在電力工程建設中采用新工藝、新技術，推動行業科技進步。