研究封閉式圓形煤場煤堆自燃與環境溫度、可燃氣體濃度的關系

焦凱迪，陳劍

（1.神華國華壽光發電有限責任公司，山東 濰坊 262700；2.北京電科智擎科技有限公司，北京 100000）

煤堆火災是輸煤系統的重點防護對象。煤堆自燃或著火必須及早探測并撲滅，否則，將是一場災難。室外火災的早期探測比室內煙霧要困難得多。由于室外空間比室內大得多，火災煙氣濃度比室內小得多，無處不在的風會減弱火災煙氣濃度。此外，室外濕度、日照、高低溫也會影響傳感器的檢測靈敏度。因此，本文選擇了一種靈敏的可燃氣體監測裝置來監測環形煤場的早期火災危險。利用紅外熱成像測溫、工業環境監測傳感器、煙霧圖像識別等多種技術手段，構建智能物聯網監測系統，實現煤場自燃的科學防治。

1 煤堆自燃過程

揮發分含量高的煤有自燃傾向。煤在室溫下的氧化能力主要取決于揮發分含量。揮發分含量越高，自燃傾向越強，自燃時間相應縮短。封閉式煤場通風散熱條件差，散熱不及時。煤堆表面松散，與空氣充分接觸，煤與空氣充分接觸，逐漸發生氧化反應，并同時產生熱量，沒有得到及時的熱量疏散，煤便會發生自燃。煤堆自燃的發生一般經歷三個階段：孕育期、自燃期和自燃期。在潛伏期，煤表面將形成一層氧吸附層，煤氧反應形成氧化物或過氧絡合物。在此階段，煤的低溫氧化速率較慢，釋放的低溫反應熱和煤的溫度變化很小，一般難以測量。煤的潛伏期長短主要受到外部條件的影響與煤自身發生的變質程度。

當煤的溫度達到自熱60°的臨界溫度時，煤的低溫生成速率加快，煤的溫度急劇上升，并釋放出H2、Co、CO2和碳氫化合物等可燃氣體，這些氣體易于用常規檢測儀器測量。當自熱期煤溫上升到燃點Ti溫度時，煤堆將發生明火，釋放出大量煙氣Co、CO2和各種可燃氣體。如果煤溫未達到臨界溫度T或上升后由于外界條件下降，煤的升溫過程將減慢，進入冷卻階段。此時，煤炭將進入風化狀態。

2 煤堆自燃的原因

封閉式圓形煤場的貯煤自燃有以下幾個主要原因：

（1）煤種。封閉式圓形煤場煤儲存嚴格按照順序使用，儲存時間必須在15天內。其實，在實際生產過程中因為成本等影響，很難實現這種“先進先出”的狀況。而且有一個普遍的常識，與露天煤場相比，封閉式圓形煤場因為內部場地小，面積有限，只能通過空間來提高儲煤能力，不同的煤種按照空間區域存放。如果滿倉儲煤堆內發生大面積自燃，煤場就不能再為自燃煤堆的處置騰出空間，如翻轉、隔離等，這往往使儲煤自燃的預防工作處于十分被動的狀態。

（2）氧化可燃氣體濃度增大。當煤炭自然堆放時，中心的顆粒越細，顆粒越粗，可燃氣體濃度越高，越容易著火。因此，從中心到周圍，間隙越來越大，通風散熱條件越來越好，冷卻層和氧化層越來越厚。自燃多發生在氧化層中，伴隨著溫升、熱氣、煙霧等現象。當發現煤堆上某處釋放出熱氣或煙霧時，自燃點或自燃點必須位于該部分垂直向下的氧化層中。由于煤堆自燃后處理難度大、時間長、損失大，必須迅速采取有效措施，防止自燃范圍擴大。

（3）溫度影響。由于季節氣候的變化，秋冬兩季氣溫下降時，滲入煤堆的空氣量增加。在滲透過程中，水蒸氣被煤吸附冷凝，放出熱量，導致封閉圓形煤場的儲煤堆中產生大量的濕熱，為煤堆自燃創造溫度條件。因此，煤場中的煤炭一般在11月～次年3月的秋冬季節容易自燃，煤煙自燃通常從煤堆的斜坡和側壁開始。因此，為了防止密閉圓形煤場儲存的煤炭自燃，必須盡量防止儲存的煤炭凝結水和熱吸附。

3 研究實驗

本文將在壽光電廠2個圓形煤場做試驗，通過紅外熱成像測溫技術，動態監測煤堆表層溫度，當某個點或區域溫度超過閾值，前端設備可向后臺自動推送報警和高溫位置信息。利用環境監測傳感器，實時監測煤場粉塵、CO、SO2等大氣濃度變化，間接反映煤堆是否自燃。系統后臺將構建多維數據分析模型，結合煤種、煤堆監測等數據進行綜合分析，挖掘自燃現象與煤堆表層溫度、煤揮發分、大氣濃度等因素的客觀規律，降低系統誤報率，最終實現煤場自燃防控。多維度煤場自燃防控應用圖如圖1。

圖1 多維度煤場自燃防控應用

圓形煤場可燃、有毒有害氣體傳感器通過RS-485連接線進行信號上傳，經串口網關進行協議轉換，將485信號轉換為網絡協議信號，智能巡檢平臺內含動環組件，實現傳感器網絡協議數據接入。經過詳細調研，壽光電廠燃煤屬于低硫高揮發分燃煤，主要監測因子應包括：CH4，H2S和CO，行業內暫無煤場有毒有害可燃氣體監測標準規范，故按照產品性能，建議按照40m間距設置1臺防爆型三合一傳感器，傳感器部署于圓形煤場四周圍墻巡檢走廊。煤場有出入口用于汽車運煤入廠，該位置常年不易堆煤故不需要監測煤堆自燃。按照變更后方案，每座煤場需部署9套傳感器。

4 預防煤炭自燃的措施

4.1 建立管理檔案

為加強煤場管理，使煤場儲煤合理，實現科學配煤，杜絕煤炭自燃，采取了三項措施，加快儲煤周轉，減少煤炭熱值損失，減少儲煤損失，便利煤炭堆放和回收工作，確保機組安全運行以及煤場庫存和計量的順利開展。不同類型的煤應儲存在不同的堆中。嚴禁堆放，嚴禁攪拌，盡量減少煤場庫存。建立煤堆文件，每天跟蹤并隨時更新。通過煤堆電子文件，在線顯示煤堆日期、煤種、數量、含硫量、發熱量等相關信息，促進煤場運行方式的優化，方便煤場按計劃運行，真正做到定期更換。

4.2 控制煤炭可燃氣體濃度

由于煤的偏析特性，當煤從高到低堆放時，煤塊總是繞著煤堆滾動。由于煤塊之間的間隙較大，氧氣通過間隙不斷進入煤堆內部，這有助于煤的自燃。由于圓形煤場的結構特點，確定推煤機或耙煤機運行期間擋煤墻側面的煤堆無法成型，大部分煤炭自燃從這里開始。因此，在擋煤墻根部堆放一圈煤渣，防止氧氣從排水管進入煤堆內部，防止推煤機或耙子在清理現場時損壞擋煤墻上鋪設的耐火磚和安裝在內壁上的感溫線，并取得了一定的處理效果。

4.3 及時處理火災

嚴格執行檢查制度。如果發現煤堆局部溫升、熱氣、煙氣、一氧化碳濃度升高，則可判斷氧化層自燃。當煤堆內部溫度小于或等于45℃時，仍可儲存煤；當煤堆內部溫度大于或等于60℃時，必須優先進入，因為進入需要時間，煤自燃幾乎發生在距地表1m的煤內。燃料作業專業根據測量記錄修改堆取料方式，防止煤炭自燃。

4.4 嚴控自燃煤的環境溫度

卸煤船作業前或作業過程中，發現艙內煤炭溫度大于或等于60℃或有自燃煤炭時，必須立即通知船舶采取冷卻和消防措施，卸船作業或連續作業須經燃料作業主管同意后方可進行。進入現場后，船舶煤炭必須分開堆放。嚴禁與相鄰煤炭堆放，并記錄堆放地點和堆放區域。為了防止底煤長時間堆積，加速溫升，必須盡快取出，并及時使用耙推機將底煤全部清除。噴霧當局部或地表深度小于1m且發生煤自燃時，可采用噴水降溫滅火，或在煤堆較深處采用注水方式進行噴霧。當煤炭自燃重新點燃時，可將鍍鋅管直接插入煤層深部，并與注水水源相連，以達到冷卻的目的。

5 結語

本文通過分析煤炭自燃的主要原因與其發生的自燃過程：堆煤可燃氣體氧化層增大、進煤煤質較雜、環境溫度等，從表面溫度、可燃氣體煙霧濃度等方面研究，發現建立健全煤質管理檔案、減少可燃氣體濃度、降低與煤的接觸面、嚴控自燃煤的環境溫度、遇到問題及時處理等措施，能夠提高煤場及操作人員的安全、電廠的經濟效益。