防止鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃的探討

韓 啟

（北京鐵路局 張家口車(chē)務(wù)段，河北 張家口 075000）

煤炭是國(guó)家能源經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，同時(shí)也是鐵路運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)物資。但由于煤炭自燃的特性，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中煤炭自熱與自燃現(xiàn)象非常普遍，不僅影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼Ｖ刃颍€將造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至危及人民生命安全。因此，探究煤炭自燃的原因，制定有效的預(yù)防措施，防止鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃十分必要。

1 煤炭自燃的原因

煤炭主要由有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成，其可燃元素有碳 (60%～95%)、氫 (1%～6%)、氧 (3%～5%，有時(shí)高達(dá) 25%）、硫 ( 0.1%～10% )，這些元素構(gòu)成可燃化合物，稱(chēng)為煤的可燃質(zhì)。此外，煤還含有一些不可燃的礦物質(zhì)，如灰分 ( 5%～50% ) 和水分 ( 2%～20% )，這些物質(zhì)稱(chēng)為煤的惰性質(zhì)。

為了掌握煤炭發(fā)生自燃的規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，結(jié)合各種論據(jù)，煤炭發(fā)生自燃的因素有以下幾個(gè)方面。

（1）化學(xué)成份的影響。煤碳所含的硫有3種存在形式：二硫化鐵即黃鐵礦 ( FeS2)、有機(jī)硫和硫酸鹽。煤炭發(fā)生自燃起主導(dǎo)作用的是硫化鐵，其與煤炭吸附相同的氧量而溫度的增值比煤碳大3倍，所以黃鐵礦在煤炭自燃過(guò)程中起著加速的作用。

（2）氧氣的影響。煤炭中的碳、氫等元素在常溫下會(huì)生成可燃物 CO、CH4及其他烷烴物質(zhì)(烷烴主要是作為燃料)。煤炭的氧化又是放熱反應(yīng)，如果熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，煤堆的溫度升高后，又加速煤的氧化，放出更多的可燃質(zhì)和熱量。當(dāng)熱量聚集使溫度上升到一定值時(shí)，即會(huì)引起煤炭自燃。

（3）煤炭的含水量促進(jìn)其氧化進(jìn)程。研究表明，煤炭自燃前的全水分為 5%～7%，當(dāng)含水量達(dá)到 12%時(shí)，不會(huì)發(fā)生自燃。但隨著水分的揮發(fā)，加速煤炭的各種反應(yīng)，如硫份的酸化，產(chǎn)生的熱量又加快了氧化反應(yīng)過(guò)程。另外，煤炭中含水量多，則煤質(zhì)松軟，裂隙孔隙因水的蒸發(fā)使吸氧表面積增大，吸氧量加強(qiáng)，煤炭更易導(dǎo)致自燃。

（4）氣溫、氣壓的影響。煤炭自燃經(jīng)常發(fā)生在大氣溫度下降、氣壓增大時(shí)，這種氣候條件下，大氣密度比煤堆的空氣密度大，因此滲入煤堆的新鮮空氣量增大，導(dǎo)致煤炭自燃加劇。

（5）煤炭的粒度影響。煤炭的粒度越小煤炭的表面積越大，吸氧量越大，越易自燃。煤炭破碎后著火點(diǎn)溫度下降，當(dāng)煤炭粒度為 1.5～2.0 mm3時(shí)，著火點(diǎn)溫度為 330 ℃～360 ℃。當(dāng)煤炭粒度＜1.0 mm3時(shí)，著火點(diǎn)溫度為 190 ℃～220 ℃。

（6）煤種的影響。表1 表明煤種不同其著火點(diǎn)也不同，從褐煤到無(wú)煙煤，其著火點(diǎn)越來(lái)越高，自燃傾向性越來(lái)越弱。

表1 各類(lèi)煤種的著火點(diǎn)范圍

2 煤炭自燃的過(guò)程

煤炭從氧化到發(fā)生自燃會(huì)經(jīng)歷以下 5 個(gè)階段。

（1）水吸附階段。水吸附階段是物理過(guò)程，煤炭與氧不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，煤炭吸附水雖不是煤炭自燃的根本原因，但煤炭吸附水會(huì)放出大量熱，因此該階段對(duì)煤炭自燃起著關(guān)鍵作用。

（2）化學(xué)吸附階段?；瘜W(xué)吸附階段煤炭會(huì)產(chǎn)生氣體，根據(jù)煤炭品級(jí)和類(lèi)型不同，放熱量在5.04～6.72 J/g。當(dāng)煤炭溫度達(dá)到 60 ℃ 時(shí)會(huì)分解，煤炭中水分蒸發(fā)可以帶走一些熱量，該過(guò)程中產(chǎn)熱量的變化范圍為 16.8～75.6 J/g，在這個(gè)階段煤炭一般會(huì)發(fā)生自燃。

（3）煤氧復(fù)合物生成階段。煤氧復(fù)合物生成階段生成一種穩(wěn)定的化合物，即煤氧復(fù)合物。其反應(yīng)溫度范圍為 150 ℃～230 ℃，產(chǎn)生的熱量為 25.2～103.4 J/g，在這個(gè)階段煤炭必然發(fā)生自燃。

（4）燃燒初始階段。燃燒初始階段是煤氧復(fù)合物生成階段到煤炭快速燃燒階段的過(guò)渡時(shí)期，煤炭溫度達(dá)到 230 ℃ 時(shí)，煤炭的反應(yīng)熱為 42～243.6 J/g，這些熱量使煤炭溫度迅速上升進(jìn)而促進(jìn)煤炭快速燃燒。

（5）快速燃燒階段?？焖偃紵A段是煤炭的實(shí)際燃燒過(guò)程。在這個(gè)階段根據(jù)氧氣供應(yīng)情況，如果燃燒充分，其反應(yīng)熱等于煤炭的發(fā)熱量。

3 煤炭自燃的部位

根據(jù)煤炭自燃的實(shí)際情況，發(fā)生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆的深部，而是在煤堆的表層以下。在自然堆積狀況下，可將煤堆分為3層，如圖1所示。

（1）冷卻層。冷卻層是煤堆的表層，厚度為0.5～1.5 m。該層煤炭較松散，與空氣接觸充分，雖然發(fā)生氧化反應(yīng)但是散熱條件好，所以一般不會(huì)發(fā)生自燃。

（2）氧化層。氧化層位于冷卻層以下，厚度為1～4 m。該層煤炭具備自燃的所有條件，達(dá)到自然發(fā)火期即會(huì)自燃。

（3）窒息層。窒息層位于氧化層以下，煤層相對(duì)壓實(shí)，供氧不充分，且含水率較高，氧化程度較低，不易發(fā)生煤炭自燃。

煤炭在自然堆放時(shí)，一般中心部位處顆粒較細(xì)，越往四周顆粒越粗。相應(yīng)地，從中心往四周，空隙越來(lái)越大，通風(fēng)散熱條件越來(lái)越好，冷卻層和氧化層越來(lái)越厚。

煤炭自燃一般發(fā)生在氧化層，同時(shí)伴隨著溫度升高，產(chǎn)生冒熱氣、冒煙等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤堆上某處釋放熱氣或冒煙，則自燃點(diǎn)一定在該部位垂直向下的氧化層內(nèi)。因?yàn)?，受煤炭自熱或自燃的熱壓作用，氣體流動(dòng)方向?yàn)榇怪毕蛏?。一旦某個(gè)部位的煤炭發(fā)生了自燃，也會(huì)使其上部冷卻層的煤炭自燃。

4 鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃的原因

（1）直接裝運(yùn)已自燃煤炭。裝車(chē)時(shí)，如將部分自燃的煤炭裝車(chē)，在列車(chē)運(yùn)行中，因車(chē)速快、風(fēng)大，為自燃煤炭供應(yīng)的氧氣增加，燃燒將進(jìn)一步加劇。近年來(lái)，隨著鐵路運(yùn)輸企業(yè)嚴(yán)格控制、嚴(yán)格檢查，這種情況已很少發(fā)生。

（2）裝運(yùn)嚴(yán)重自熱煤炭。因檢查工作不到位，所裝煤炭雖無(wú)明火，但已自熱到溫度接近或超過(guò)著火點(diǎn)溫度，只因壓在煤堆里層，供氧不足，未發(fā)生明火。裝車(chē)后由于車(chē)速快、風(fēng)大、供氧充足，最終導(dǎo)致煤炭自燃。由于此種情況沒(méi)有明顯的煙、火現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)不容易發(fā)現(xiàn)(尤其是夜間裝車(chē))。這是近年來(lái)在煤炭運(yùn)輸中發(fā)生自燃的主要原因。

5 張家口地區(qū)鐵路煤炭運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)

（1）煤種、煤質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜。張家口地區(qū)發(fā)運(yùn)的煤源來(lái)自?xún)?nèi)蒙古、山西及蔚州等地區(qū)，而且是多種品質(zhì)的煤炭摻配混合，其中大部分屬于自燃傾向性較強(qiáng)的煤炭。并且大部分煤炭先由汽車(chē)遠(yuǎn)距離調(diào)入張家口地區(qū)煤場(chǎng)存放、摻配，上報(bào)日請(qǐng)求車(chē)前再用汽車(chē)運(yùn)至貨位等待裝車(chē)。因煤炭來(lái)源雜、經(jīng)歷雜，所以鐵路作為承運(yùn)人根本無(wú)法詳細(xì)掌握煤炭存儲(chǔ)時(shí)間、煤質(zhì)、煤種配比、混合均勻與否、有無(wú)發(fā)生過(guò)自燃現(xiàn)象等情況。而這些情況往往決定該批煤炭是否會(huì)在運(yùn)輸中發(fā)生自燃。

圖1 煤堆自燃分布剖面示意圖

（2）煤炭質(zhì)量的檢測(cè)手段單一。煤炭質(zhì)量的檢查僅依靠托運(yùn)人提供的煤炭技術(shù)參數(shù)，而煤炭的溫度檢測(cè)僅依靠在裝車(chē)前使用移動(dòng)式煤炭測(cè)溫儀對(duì)煤堆局部進(jìn)行測(cè)溫(見(jiàn)圖2)，在裝車(chē)過(guò)程中無(wú)法監(jiān)測(cè)煤炭溫度。

（3）煤炭存放場(chǎng)地不標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有煤炭存放場(chǎng)均為軟地面，由于反復(fù)輾壓造成不規(guī)則凹坑，下雨過(guò)后，造成底層煤炭含水量較高，并逐漸向上傳導(dǎo)，導(dǎo)致中部煤炭積水積熱，加上張家口地區(qū)風(fēng)大、日照時(shí)間長(zhǎng)，這些都會(huì)導(dǎo)致煤炭久存自燃。

（4）車(chē)輛技術(shù)狀態(tài)不良。多數(shù)裝運(yùn)煤炭車(chē)輛需要使用封堵材料方能封堵嚴(yán)密，封堵材料大多為編織布包裹稻草、密封條、泡沫膠等。一般貨主考慮經(jīng)濟(jì)成本，使用廉價(jià)的編織布包裹稻草的封堵方法。該種材料密封效果差，不能有效隔離車(chē)輛在運(yùn)行中對(duì)煤炭的供氧，故引起煤炭自燃頻發(fā)。

（5）作業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)較低。有些監(jiān)裝貨運(yùn)員未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)培訓(xùn)，安全意識(shí)差，對(duì)操作規(guī)程和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，再加上安全意識(shí)不強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)存在煤炭自燃傾向不匯報(bào)，從而為煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生自燃埋下隱患。

6 預(yù)防煤碳自燃應(yīng)采取的措施

（1）強(qiáng)化過(guò)程控制。結(jié)合煤炭自燃條件，設(shè)立數(shù)據(jù)監(jiān)控表(見(jiàn)表2 ～ 表 4 )，逐項(xiàng)確定關(guān)鍵控制點(diǎn)，并對(duì)照加以解決。

表2 煤源參數(shù)

表3 裝車(chē)前檢查

當(dāng)表2或表3中出現(xiàn)√項(xiàng)目，該煤炭列為重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，采取翻垛、晾曬、測(cè)溫、壓實(shí)等措施，降低煤炭溫度，密切注意煤炭的動(dòng)態(tài)變化。

圖2 裝車(chē)前對(duì)煤堆局部測(cè)量溫度

表4 裝車(chē)過(guò)程監(jiān)控

當(dāng)表4中出現(xiàn)√項(xiàng)目：①采取翻垛、晾曬、測(cè)溫、壓實(shí)等措施，降低煤炭溫度；②溫度超過(guò) 60 ℃時(shí)，嚴(yán)禁裝車(chē)；③如發(fā)現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，將發(fā)生自燃的煤炭清理出貨位；④車(chē)輛有縫隙時(shí)，重新封堵，做到嚴(yán)密封堵，并記下問(wèn)題車(chē)號(hào)，沿途重點(diǎn)檢查。

（2）配備先進(jìn)的測(cè)溫設(shè)備。給各裝車(chē)地點(diǎn)配備移動(dòng)式測(cè)溫儀和手持測(cè)溫儀，在裝載機(jī)上配備固定式測(cè)溫設(shè)備。利用測(cè)溫設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)煤炭的多個(gè)深層部位進(jìn)行檢測(cè)，選擇向陽(yáng)、迎風(fēng)、煤垛之間的交叉點(diǎn)等位置，準(zhǔn)確探測(cè)煤炭?jī)?nèi)部溫度，判定是否存在陰燃現(xiàn)象。在裝車(chē)過(guò)程中，由貨運(yùn)作業(yè)人員、托運(yùn)人、裝載機(jī)司機(jī)根據(jù)各自職責(zé)對(duì)煤炭狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有煤炭自燃現(xiàn)象，應(yīng)立即停止裝車(chē)，積極組織滅火，嚴(yán)禁將著火或冒煙的煤炭裝車(chē)，確定無(wú)自燃隱患后再繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

（3）改善煤炭堆放場(chǎng)地條件。堆放煤炭場(chǎng)地以水泥類(lèi)硬質(zhì)地面最為理想，地面不宜鋪墊空隙較大的襯墊物，以防空氣進(jìn)入煤堆增加自燃風(fēng)險(xiǎn)。

（4）選擇合適貯煤場(chǎng)和堆置方式。宜將貯煤場(chǎng)設(shè)在寬敞背光的地方，或者設(shè)置煤棚，保持貯煤場(chǎng)通風(fēng)良好，防止煤堆暴曬，同時(shí)周?chē)鸁o(wú)高溫?zé)嵩?。煤炭長(zhǎng)期貯存時(shí)要噴水壓實(shí)，盡量減少煤堆中的空氣。

（5）采取合理堆煤方式。存貯的煤堆間應(yīng)留出足夠的翻跺距離，特別是對(duì)容易自燃的煤種，如褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤、噴吹煤或經(jīng)過(guò)摻配的煤炭，重點(diǎn)監(jiān)控堆放通道的預(yù)留。盡量在較低的溫度下貯存煤炭，避開(kāi)在中午烈日下進(jìn)行堆煤，以減少熱量的積聚。塊煤、末煤混在一起的煤堆，由于煤堆中有相當(dāng)多的空氣使煤炭氧化，導(dǎo)致溫度迅速升高，因此，塊煤和末煤以分開(kāi)貯存為宜。末煤?jiǎn)为?dú)貯存時(shí)可以用推土機(jī)一層一層地壓緊，盡量減少煤堆中的空氣，從而不易引起自燃。

（6）減少堆放的時(shí)間。煤炭的存放時(shí)間應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)而定，加快煤炭發(fā)送周轉(zhuǎn)效率，合理使用貨位，有條件的應(yīng)該做到裝車(chē)當(dāng)天上煤，剩余煤炭應(yīng)及時(shí)清理出貨位。

（7）避免新、老煤炭混放。新煤堆放在老煤上可能造成煤炭的粒度分離，從而擴(kuò)大氧化面積。因此，應(yīng)從源頭上避免新、老煤炭混放，并定期對(duì)老煤炭狀態(tài)進(jìn)行測(cè)溫和檢查。

（8）勤翻煤垛。煤場(chǎng)中長(zhǎng)時(shí)間存放的煤炭會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，通過(guò)翻倒煤垛破壞煤堆氧化層，可有效散放出內(nèi)部熱量，延緩煤炭的自燃過(guò)程。

（9）做好車(chē)門(mén)封堵工作。車(chē)門(mén)封堵應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取密封條與泡沫膠相結(jié)合的方式，在列車(chē)運(yùn)行中隔絕煤炭供氧，做到封堵嚴(yán)密，減少發(fā)生自燃的條件。

（10）建立健全培訓(xùn)機(jī)制。為提高作業(yè)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和安全責(zé)任意識(shí)，對(duì)貨場(chǎng)、專(zhuān)用線(xiàn)的作業(yè)人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)，考核達(dá)標(biāo)后憑崗位合格證上崗，杜絕因違章蠻干造成煤炭自燃事故。

7 結(jié)束語(yǔ)

防止鐵路運(yùn)輸煤炭發(fā)生自燃事故，事關(guān)鐵路運(yùn)輸安全與和諧發(fā)展，應(yīng)引起路企雙方高度重視。這需要路企雙方在安全責(zé)任上達(dá)成共識(shí)，密切配合；需要在生產(chǎn)實(shí)踐中加強(qiáng)學(xué)習(xí)，不斷探索；更需要總結(jié)運(yùn)輸事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，積極超前預(yù)警，制定切實(shí)有效措施，并且嚴(yán)格落實(shí)，才能真正做到防患于未然。