白音華褐煤自燃規(guī)律與倉(cāng)儲(chǔ)周期研究

張士金，劉 娟，李慶盛

（1.國(guó)家電投集團(tuán)物流有限責(zé)任公司，北京 100011；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.赤峰白音華物流有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024001）

白音華褐煤自燃規(guī)律與倉(cāng)儲(chǔ)周期研究

張士金1，劉 娟2，李慶盛3

（1.國(guó)家電投集團(tuán)物流有限責(zé)任公司，北京 100011；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.赤峰白音華物流有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024001）

白音華褐煤煤化程度較低，具有高揮發(fā)分、高水分、低熱值等特點(diǎn)，露天倉(cāng)儲(chǔ)存在易自燃、熱損大、粉塵多等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)不同季節(jié)、不同倉(cāng)儲(chǔ)方式煤堆溫度的測(cè)試，結(jié)合褐煤低溫氧化反應(yīng)機(jī)理，研究白音華褐煤溫度變化、自燃規(guī)律，確定露天倉(cāng)儲(chǔ)的合理周期，為各電廠倉(cāng)儲(chǔ)白音華褐煤提供參考。

白音華褐煤；露天倉(cāng)儲(chǔ)；煤堆；溫度；自燃；倉(cāng)儲(chǔ)周期

國(guó)家電投集團(tuán)在內(nèi)蒙古錫林郭勒白音華礦區(qū)擁有探明儲(chǔ)量為23.28億t、核準(zhǔn)年產(chǎn)能力為2 900萬(wàn)t的白音華褐煤，該公司利用自建的兩路一港 （白音華至赤峰鐵路331 km、赤峰至錦州鐵路296 km、錦州港煤碼頭）以及松山等儲(chǔ)運(yùn)中心，向赤峰、大板、元寶山、朝陽(yáng)燕山湖、錦州、阜新、清河電廠以及華東沿海部分電廠供應(yīng)白音華褐煤，年供應(yīng)量2 000萬(wàn)t以上。

由于白音華褐煤煤化程度較低，露天煤場(chǎng)倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)受氣溫、風(fēng)力、降水等因素影響較大，倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中存在較強(qiáng)的低溫氧化反應(yīng)，易自燃、熱損大、粉塵多，露天倉(cāng)儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性較低。

松山儲(chǔ)運(yùn)中心是國(guó)家電投集團(tuán)煤電路港產(chǎn)業(yè)鏈的重要物流節(jié)點(diǎn)設(shè)施，位于內(nèi)蒙古赤峰市松山區(qū)，與赤峰至白音華鐵路連接，場(chǎng)內(nèi)鐵路專用線可滿足整列火車(chē) （45節(jié)）接卸，設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)及中轉(zhuǎn)能力300萬(wàn)t／a，儲(chǔ)煤場(chǎng)地長(zhǎng)710 m、寬112 m，儲(chǔ)煤場(chǎng)地與卸煤平臺(tái)坡度為35°，卸煤平臺(tái)距鐵路軌道高度4 m。鐵路專用線從煤場(chǎng)中間通過(guò)，分為東部（背風(fēng)側(cè)）和西部 （迎風(fēng)側(cè)）煤場(chǎng)。松山儲(chǔ)運(yùn)中心煤場(chǎng)見(jiàn)圖1。

由于赤峰與朝陽(yáng)、錦州及阜新等地區(qū)氣候相似，選定松山儲(chǔ)運(yùn)中心倉(cāng)儲(chǔ)的白音華褐煤作為自燃規(guī)律和倉(cāng)儲(chǔ)周期研究對(duì)象。進(jìn)一步了解露天倉(cāng)儲(chǔ)白音華褐煤的煤溫與氣溫、降水、風(fēng)力等氣候條件的關(guān)系，掌握自燃規(guī)律，確定合理倉(cāng)儲(chǔ)周期，為相關(guān)電廠提供控制煤炭自燃、減少熱損的管理經(jīng)驗(yàn)，提高倉(cāng)儲(chǔ)經(jīng)濟(jì)性。

圖1 松山儲(chǔ)運(yùn)中心煤場(chǎng)

1 白音華褐煤主要特性及指標(biāo)

白音華褐煤具有高揮發(fā)分、高水分、中灰分、低硫分、低熱值、低可磨性等特點(diǎn)［1］，煤質(zhì)穩(wěn)定，售價(jià)較低，是蒙東、遼寧及吉林等地區(qū)火電廠的設(shè)計(jì)煤種和校核煤種，華東沿海部分電廠也將其作為主要摻燒煤種。煤質(zhì)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 白音華褐煤煤質(zhì)主要參數(shù)

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 煤溫測(cè)試

煤炭在自然堆積倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)，煤堆各部位的蓄熱條件不同，致使煤堆不同深度的煤溫不同，形成了煤堆氧化反應(yīng)的冷卻層、氧化層和窒息層。由于煤堆在3 m左右氧氣濃度為5%，此處氧化反應(yīng)強(qiáng)度較弱，是氧化反應(yīng)的窒息層。為此利用3 m長(zhǎng)測(cè)溫桿的熱電偶測(cè)試白音華褐煤倉(cāng)儲(chǔ)溫度，結(jié)合煤炭氧化反應(yīng)機(jī)理，分析白音華褐煤在不同倉(cāng)儲(chǔ)條件下煤堆溫度與氣溫、降水、風(fēng)力的關(guān)系，研究倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)水蒸氣析出 （冒氣）和自燃 （冒煙）規(guī)律，確定合理倉(cāng)儲(chǔ)周期和方法。

2.2 確定測(cè)試深度及測(cè)試點(diǎn)

2015年1月，西部煤場(chǎng)55—57號(hào)柱區(qū)域倉(cāng)儲(chǔ)白音華褐煤為4 000 t，設(shè)8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，按不同深度依次測(cè)試煤溫 （1個(gè)測(cè)試點(diǎn)設(shè)14個(gè)深度，第1個(gè)測(cè)試深度為10 cm，第2個(gè)為20 cm，依次每增加20 cm為1個(gè)測(cè)試深度）。

通過(guò)測(cè)試，煤堆表面至50 cm區(qū)域煤溫平均值為20℃，由于煤堆表面與外界環(huán)境幾乎完全接觸，表明煤炭低溫氧化放出的熱量容易散發(fā)，不具備較好的蓄熱環(huán)境，此范圍處在氧化反應(yīng)的冷卻層。隨著測(cè)試深度增加，煤堆內(nèi)部溫度逐漸升高，表明煤堆內(nèi)部氧氣供應(yīng)條件及蓄熱環(huán)境越來(lái)越好，煤堆在140 cm、180 cm、200 cm和260 cm處的煤溫平均值分別為51℃、60℃、52℃和41℃。煤堆煤溫與深度的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 煤堆溫度與深度的關(guān)系

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，煤溫較高值在180～220 cm區(qū)域，表明該區(qū)域氧化反應(yīng)條件及蓄熱條件比較理想，此范圍處在氧化層。隨著測(cè)深繼續(xù)增加，煤溫逐漸下降，表明擴(kuò)散和滲透到該區(qū)域的氧氣濃度較低，無(wú)法滿足氧化反應(yīng)的供氧量，氧化反應(yīng)強(qiáng)度減弱，此范圍處在氧化反應(yīng)的窒息層。為此，將180～220 cm作為后續(xù)測(cè)試煤溫的深度范圍。綜合場(chǎng)地面積、煤堆數(shù)量、幾何體積以及測(cè)試人員安全等因素，以煤場(chǎng)東西防塵網(wǎng)立柱為基準(zhǔn)點(diǎn)，東西各設(shè)100個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以煤堆標(biāo)高3 m和10 m處開(kāi)展溫度測(cè)試。

3 煤炭低溫氧化反應(yīng)及自燃機(jī)理

3.1 煤炭自燃條件

煤炭自燃是煤在低溫環(huán)境下發(fā)生氧化而產(chǎn)生大量熱量，并不斷積聚，使煤溫逐漸上升到著火點(diǎn)而自發(fā)燃燒的過(guò)程。煤炭自燃發(fā)生的必要條件是具有自然發(fā)火傾向性的煤以粉煤或碎煤堆積狀態(tài)存在，具有適宜的通風(fēng)供氧條件和良好的蓄熱環(huán)境條件。上述條件在同一地點(diǎn)同時(shí)存在，且時(shí)間足夠長(zhǎng)，煤炭將發(fā)生自燃。煤被空氣中的氧氣氧化是煤炭自燃的根本原因。煤中的碳、氫等元素在常溫下就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成可燃物CO、CH4及其它烷烴物質(zhì)。煤的氧化反應(yīng)是放熱過(guò)程，如果熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，將使煤堆內(nèi)部溫度逐漸升高，煤溫升高又加速了煤的氧化速度，放出更多的可燃物質(zhì)和熱量。當(dāng)熱量聚集、溫度上升到一定值時(shí)，就引起可燃物質(zhì)燃燒［2］。

煤低溫氧化反應(yīng)要經(jīng)過(guò)潛伏期、自熱期和燃燒期3個(gè)階段［3］。潛伏期，煤的低溫氧化反應(yīng)處于緩慢狀態(tài)，煤表面與空氣中的氧氣相互作用而在煤的表面形成過(guò)氧絡(luò)合物，生成的熱量以及煤的溫度變化較小。潛伏期后，被活化的煤炭能夠更快地吸收氧氣，煤氧化的速度加快，氧化產(chǎn)生的熱量大幅增加，如果不及時(shí)散發(fā)出去，煤堆溫度逐漸上升，當(dāng)達(dá)到煤的自熱臨界溫度60～80℃時(shí)，煤的吸氧能力將快速加大，致使煤的氧化速度急劇上升，煤溫同步快速上升，生成可燃物CO、CO2、CH4及其他烷烴可燃物質(zhì)，此階段為煤的自熱期。當(dāng)煤溫達(dá)到著火溫度 （一般210～350℃）時(shí)，引發(fā)煤炭自燃，此時(shí)有煤煙和明火冒出，通常稱著火現(xiàn)象，即燃燒期［4］。

3.2 白音華褐煤自燃現(xiàn)象

由于煤在常溫下的氧化反應(yīng)主要取決于揮發(fā)分含量，揮發(fā)分越高，自燃傾向性越強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間倉(cāng)儲(chǔ)易自燃。由于白音華褐煤煤化程度較低，具有高揮發(fā)分 （Vdaf≥47%）、高水分 （Mt≥32%）、易風(fēng)化碎裂、燃點(diǎn)低、易自燃等屬性［5－6］，白音華褐煤具有較強(qiáng)的自燃傾向性。

白音華褐煤露天倉(cāng)儲(chǔ)，具備較好的通風(fēng)供氧條件。由于倉(cāng)儲(chǔ)的煤炭是粒煤和末煤混在一起，煤堆內(nèi)部間隙較大，暴露陽(yáng)光下，煤堆表面與空氣充分接觸，空氣通過(guò)間隙滲透到煤堆內(nèi)部，給煤堆內(nèi)部氧化創(chuàng)造了有利的供氧條件。

白音華褐煤露天倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)量多、體積龐大，具備較好的蓄熱條件，長(zhǎng)時(shí)間倉(cāng)儲(chǔ)煤堆氧化過(guò)程釋放大量熱量無(wú)法散發(fā)出去，熱量聚集致使煤堆內(nèi)部溫度逐步上升，達(dá)到自燃著火條件時(shí)就發(fā)生自燃。

4 自燃規(guī)律及倉(cāng)儲(chǔ)周期分析

4.1 煤堆溫度與氣溫測(cè)試

2015年，對(duì)東西部煤場(chǎng)200個(gè)固定點(diǎn)開(kāi)展煤堆溫度測(cè)試，測(cè)試深度為180～220 cm，測(cè)試平均煤溫作為統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。最高氣溫出現(xiàn)在7月，平均最高氣溫達(dá)30.43℃；最低氣溫是12月上旬至次年2月上旬，平均最低溫度達(dá)－13.6℃。煤堆較高溫度出現(xiàn)在5—10月，平均48.1℃，8月上旬至9月上旬煤溫最高，達(dá)53.7℃；煤堆最低煤溫出現(xiàn)在12月至次年2月，平均11.15℃。數(shù)據(jù)表明，白音華褐煤倉(cāng)儲(chǔ)煤溫與環(huán)境溫度密切相關(guān)，煤溫隨氣溫同步變化。夏季氣溫高，氧分子的平均動(dòng)能增大，擴(kuò)散和滲透能力增強(qiáng)，到達(dá)煤堆內(nèi)部空隙的幾率增大；煤溫越高煤表面的活性分子數(shù)目越多，活潑程度越大，與氧結(jié)合的能力增強(qiáng)，氧化反應(yīng)放出的熱量增大，致使煤堆溫度上升［7］。

4.2 冬季倉(cāng)儲(chǔ)周期測(cè)試

2015年12月至次年2月，西部煤場(chǎng)55—57號(hào)柱區(qū)域自然堆積白音華褐煤4 000 t，選定8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試深度為180～220 cm，測(cè)試平均煤溫作為統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。測(cè)試期間最低平均氣溫－12.37℃，最高平均氣溫－0.72℃。測(cè)試期間第1天煤溫為7℃；第80天煤溫開(kāi)始緩慢上升；第81天煤溫上升至58℃，局部有水蒸氣析出現(xiàn)象；第86天煤溫上升至190℃，水蒸氣析出面積擴(kuò)大并有冒煙現(xiàn)象；第87天煤溫上升至286℃，冒煙面積擴(kuò)大并有明火出現(xiàn)。

4.3 春秋季背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)倉(cāng)儲(chǔ)周期測(cè)試

2016年4—5月，以自然堆積方式分別在東部煤場(chǎng)81—83號(hào)柱和西部煤場(chǎng)55—57號(hào)柱區(qū)域倉(cāng)儲(chǔ)白音華褐煤各4 000 t，各選定8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試深度為180～220 cm，平均煤溫作為統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。測(cè)試期最高平均氣溫22.12℃，最低平均氣溫9.31℃，11天有微量降雨，3天有零散降雪，刮風(fēng)50天，以西北風(fēng)為主，風(fēng)力多為4～5級(jí)。

背風(fēng)側(cè)煤堆倉(cāng)儲(chǔ)第1天煤溫為10℃，51天后煤溫上升至55℃，煤堆有水蒸氣析出，57天后煤溫到達(dá)271℃出現(xiàn)自燃；迎風(fēng)側(cè)煤堆倉(cāng)儲(chǔ)第1天煤溫為10℃，43天后上升至57℃，有水蒸氣析出，47天后煤溫達(dá)到284℃出現(xiàn)自燃。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)煤堆倉(cāng)儲(chǔ)初期煤溫上升不明顯，表明煤的低溫氧化反應(yīng)速度緩慢。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在相同倉(cāng)儲(chǔ)條件下迎風(fēng)側(cè)更容易自燃，主要原因是當(dāng)?shù)毓物L(fēng)時(shí)間多，以西北風(fēng)為主，風(fēng)力較大，迎風(fēng)側(cè)煤堆受風(fēng)吹的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于背風(fēng)側(cè)，在煤堆表面形成風(fēng)壓，致使大量空氣通過(guò)煤堆間隙滲透到內(nèi)部，為煤堆發(fā)生氧化反應(yīng)創(chuàng)造有利條件，加快了煤堆內(nèi)部氧化反應(yīng)速度。另外，西部煤場(chǎng)陽(yáng)光直射時(shí)間大于東部，這是煤堆溫度升高、易自燃的原因之一。

4.4 夏季自然和壓實(shí)堆積倉(cāng)儲(chǔ)周期測(cè)試

2016年 6—8月，西部煤場(chǎng) 55—57號(hào)柱和57—59號(hào)柱區(qū)域分別倉(cāng)儲(chǔ)白音華褐煤各4 000 t，各設(shè)8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試深度為180～220 cm，平均煤溫作為統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

自然堆積倉(cāng)儲(chǔ)測(cè)試期為37天，20天有降水，降水天氣占比為54%，最高平均氣溫25.9℃，最低平均氣溫14.5℃，23天風(fēng)力3～4級(jí)，多為西南向和東北向。煤堆倉(cāng)儲(chǔ)至第30天時(shí)，煤溫由倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)的21℃緩慢升至55℃，第37天煤溫升至280℃，煤堆局部冒煙并有明火出現(xiàn)。

壓實(shí)堆積倉(cāng)儲(chǔ)測(cè)試期為68天，32天有降水，降水天氣占比為47%，最高平均氣溫28.5℃，最低平均氣溫16.4℃，刮風(fēng)56天，風(fēng)力3～4級(jí)，多為西南向和東北向。煤堆倉(cāng)儲(chǔ)至第68天時(shí)，煤溫由倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)的21℃升至277℃，煤堆冒煙并有局部明火出現(xiàn)［8］。

5 倉(cāng)儲(chǔ)自燃熱損測(cè)試分析

2016年4月20日，檢驗(yàn)西部煤場(chǎng)55—57號(hào)柱區(qū)域煤堆倉(cāng)儲(chǔ)30天后發(fā)熱量變化情況，采樣點(diǎn)采樣深度為50 cm、200 cm和300 cm，分析倉(cāng)儲(chǔ)熱損情況。熱損檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 熱損檢驗(yàn)指標(biāo)

通過(guò)檢驗(yàn)，煤堆50 cm處，收到基水分由倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)的33.8%降至32.1%，收到基低位發(fā)熱量上升510 kJ／kg。由于煤的水分蒸發(fā)致使煤堆發(fā)熱量升高，表明煤堆表面至50 cm區(qū)域散熱條件較好，煤的氧化反應(yīng)較弱。煤堆200 cm處，收到基水分由33.8%降至33.6%，干燥基全硫分由0.82%降至0.69%，收到基低位發(fā)熱量降低347 kJ／kg，表明該區(qū)域煤的氧化反應(yīng)條件及蓄熱條件比較理想，煤中硫分降低也證明其參與了氧化反應(yīng)。煤堆300 cm區(qū)域，收到基水分、灰分、發(fā)熱量等主要指標(biāo)與倉(cāng)儲(chǔ)初期變化不大，表明該區(qū)域煤的氧化反應(yīng)強(qiáng)度較弱。

6 結(jié)論

a. 白音華褐煤露天倉(cāng)儲(chǔ)，煤堆深度為180～220 cm區(qū)域內(nèi)煤溫最高。自然堆積倉(cāng)儲(chǔ)初期，煤堆內(nèi)部煤溫緩慢升至自熱臨界溫度 （60～80℃）時(shí)，一般需要35～85天；倉(cāng)儲(chǔ)后期，煤堆內(nèi)部溫度上升速度加快，由自熱臨界溫度上升至著火溫度（260～280℃），一般不超過(guò)2天。

b. 白音華褐煤露天倉(cāng)儲(chǔ)，自燃與氣溫、降水、風(fēng)力等氣象條件密切相關(guān)。氣溫高、降水多、風(fēng)力大，煤自燃機(jī)會(huì)增加，倉(cāng)儲(chǔ)周期縮短。迎風(fēng)側(cè)比背風(fēng)側(cè)煤堆容易自燃，自然堆積比碾壓堆積煤堆容易自燃。

c. 白音華褐煤露天倉(cāng)儲(chǔ)初期，煤的水分蒸發(fā)，發(fā)熱量上升；隨著倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)，煤溫上升，熱損、發(fā)熱量下降。

［1］ 張振杰，王彥海.摻燒褐煤對(duì)350 MW機(jī)組煙煤鍋爐經(jīng)濟(jì)性影響研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2011，32 （3）：17－19.

［2］ 方文沐，杜慧敏，李天榮.燃料分析技術(shù)問(wèn)答 ［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2001：190－197.

［3］ 秦紅星.基于煤低溫氧化試驗(yàn)下的標(biāo)志氣體優(yōu)選及應(yīng)用方案 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)， 2015， 43 （6）： 65－70.

［4］ 王光友，吳國(guó)光，張永建，等.煤堆自燃影響因素及防治［J］. 能源技術(shù)與管理， 2008， 33 （1）： 70－72.

［5］ 邢振中，劉 忠，冷 杰.超超臨界大型燃煤機(jī)組摻燒褐煤試驗(yàn)研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（7）：12－16.

［6］ 陳建國(guó)，翟德雙，天 罡，等.煙煤鍋爐摻改燒褐煤的研究與實(shí)踐 ［J］.東北電力技術(shù)，2017，38 （6）：41－44.

［7］ 呂昭雙.煤炭自燃機(jī)理的探討 ［J］.煤炭安全，1994，27（9）： 41－43.

［8］ 王 強(qiáng)，孟瑞艷.煤的自燃傾向性淺析 ［J］.能源技術(shù)與管理， 2009， 34 （2）： 84－85.

The Study on the Spontaneous Combustion Law and Storage Cycle of Baiyinhua Lignite Coal

ZHANG Shijin1， LIU Juan2，LIQingsheng3

（1.State Power Investment Corporation Logistics Co.， Ltd.， Beijing 100011， China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；3.Chifeng Baiyinhua Logistics Co.， Ltd.， Chifeng， Inner Mongolia 024001， China）

Baiyinhua Lignite Coal has the characteristics of high volatileness， highmoisture， low heat value and low gelatinization degree， etc.The outdoor storage of Baiyinhua Lignite Coal could easily cause spontaneous combustion， huge heat loss， more dustand other issues.Through the temperature testof the coal heap in different seasons and differentways of storage，this article analyzes the temperature change and the spontaneous combustion rule of Baiyinhua Lignite Coalby using low temperature oxidation reaction mechanism of lignite coal.This article also gives a reasonable period of outdoor storage which could providematuremanagement experience of the storage of Baiyinhua Lignite Coal to power plants.

baiyinhua lignite coal； outdoor storage area； coal heap； temperature； spontaneous combustion； storage period

TM621

A

1004－7913（2017）11－0040－04

張士金 （1963），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事電力燃料管理工作。

2017－07－17）