淺談燃煤火電企業(yè)儲煤場自燃防護

宋明光　王群英　張雪芳　岳益鋒

【摘 要】介紹了煤炭自燃機理及自燃過程，針對其自燃特性總結(jié)了目前采用測溫法對燃煤火電企業(yè)儲煤場煤炭自燃隱患進行檢測及預警的技術(shù)類別。從煤炭自燃的影響因素出發(fā)分析了煤炭阻燃的機理，并從物理阻燃、堆煤管理、阻燃劑阻燃三個方面介紹了儲煤場煤炭的阻燃技術(shù)。對火電企業(yè)煤場的自燃防護在未來的技術(shù)發(fā)展進行了展望。

【關(guān)鍵詞】儲煤場;煤炭自燃;煤場測溫;煤炭阻燃;阻燃劑

中圖分類號： F426.61文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.102

0 引言

對于燃煤火電企業(yè)，煤的氧化自燃，不僅造成熱值大大降低，增加了機組的耗煤量，并且煤的自燃還會嚴重影響燃料輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，并威脅到現(xiàn)場運行人員的身心安全。因此防止煤場自燃對于火電企業(yè)的機組安全運行而言是一項至關(guān)重要的工作。

1 煤自然機理及自燃過程

煤自燃過程是一個包括物理、化學作用的極其復雜的過程，其影響因素包括煤化程度、水分、粒度、硫鐵礦含量、氣溫氣壓等[1]。自燃機理目前主流上以煤氧復合作用學說為主，其主要認為是煤與氧的相互作用，即煤內(nèi)部的無機物或者有機物煤樣復合體在不同階段的相互作用，從而引發(fā)一系列的吸/放熱反應(yīng)，進而引發(fā)自燃[2]。

2 煤場溫度檢測技術(shù)

對儲煤場中存在自燃隱患的煤堆進行實時檢測和及早發(fā)現(xiàn)，是儲煤場安全監(jiān)管的重點與難點。

氧化自燃過程會造成表面溫度升高[3]，因此可采用測溫法對煤炭自燃隱患進行檢測及預警。早些年的實際工作中，多采用人工手持測溫桿進行煤垛內(nèi)部溫度的測量，但人工方式存在著工作量大、效率低、測溫范圍小、遍及性差、可重復性低等諸多問題，因此現(xiàn)階段也已經(jīng)淘汰。目前成功應(yīng)用于煤場溫度檢測的技術(shù)主要有溫度傳感器測溫法、光纖測溫技術(shù)及紅外測溫法。

2.1 溫度傳感器測溫法

溫度傳感器測溫法具有預測可靠、直觀的優(yōu)點，但是由于儲煤場煤炭轉(zhuǎn)運頻繁，無法在煤堆內(nèi)部布設(shè)溫度傳感器，該方法目前以圓形煤場應(yīng)用為主，沿擋煤墻分層布置一定數(shù)量的溫度傳感器即可實現(xiàn)對于圓形煤場的溫度監(jiān)測。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了以ZigBee技術(shù)構(gòu)建樹形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)煤溫的實時監(jiān)測[4]。

2.2 光纖測溫技術(shù)

已有不少學者通過在煤場放置分布式光纖溫度傳感器對煤場溫度進行實時監(jiān)測，特別是對于圓形煤場，光纖測溫裝置安裝在擋煤墻內(nèi)壁，沿擋煤墻高度方向多層布置[5]。該方法的缺點是光纖測溫技術(shù)也屬于接觸式測溫，需要進行監(jiān)測點的傳感器布放，沿擋煤強布置也存在容易損壞、不易更換等問題[6]。

2.3 紅外測溫技術(shù)

紅外測溫技術(shù)是通過測量煤體表面發(fā)出的紅外輻射特性來分析和預測煤體溫度情況。劉晨耀[7]、裘叢杰[8]、王長安[9]等研究了紅外熱像儀在煤場、煤層的溫度檢測及自燃隱患點探測方面的應(yīng)用，驗證了紅外熱像儀在煤堆自然預防方面的可行性。

由于紅外測溫屬于非接觸式測溫，被測煤垛和紅外測溫裝置之間存在一定的測量距離，測溫精度易受到測量距離內(nèi)大氣輻射傳輸?shù)挠绊憽榱耸辜t外熱像儀輸出的測溫精度符合用戶的需求，大連海事大學的季園園[10]研究了影響紅外熱像儀測溫精度的因素，論述了溫度校正模型等。谷紅偉[11]針對儲煤場露天煤垛堆放特點和檢測要求，綜合考慮大氣輻射傳輸效應(yīng)、煤垛反射輻射效應(yīng)與紅外成像系統(tǒng)空間效應(yīng)的溫度校正方法。

目前，紅外測溫裝置根據(jù)不同的煤場類型可安裝在堆取料機中心柱頂端或者料臂上、封閉煤場頂部鋼結(jié)構(gòu)上以及安裝在露天煤場外圈加裝的立桿上，結(jié)合導軌及云臺可實現(xiàn)對全部區(qū)域的掃描[12]。近些年，無人機搭載紅外測溫裝置的技術(shù)也被成功開發(fā)，大大提高了紅外測溫的適用性[13]。

3 燃煤阻燃技術(shù)

基于煤炭發(fā)生低溫氧化過程的基本要素，煤堆的阻燃主要從降低煤的低溫氧化反應(yīng)特性、減少或隔絕氧氣供給、改變散熱條件、降低溫度等方面采取相應(yīng)措施?？煞譃槲锢碜枞技夹g(shù)、堆煤管理阻燃技術(shù)以及阻燃劑阻燃技術(shù)。

3.1 物理阻燃技術(shù)

物理阻燃技術(shù)主要是采用一些物理手段來減少和隔絕氧氣或者降低堆煤溫度。

采用水噴淋方法可以直接降低煤堆溫度，并提高煤堆的表觀比熱容。該方法實施簡單、成本低，但該方法只能具有短暫效果，因為水分可能對低溫氧化起到催化和促進作用。煤堆壓實，可以降低煤堆內(nèi)部的孔隙率，減少空氣的滲透，從而減弱低溫氧化過程;采用風障及小傾角堆煤方式來改變煤堆表面氧氣供給的邊界條件，通過降低煤堆表面的風壓減小氧氣進入煤堆的速率。此外還可以在煤堆表面采用水灰漿覆蓋，可以限制氧氣與煤堆表面的接觸，但該方法煤堆用于爐膛燃燒時由于水灰漿的不可燃性，降低了燃料的燃燒熱值。

3.2 堆煤管理阻燃技術(shù)

在火電企業(yè)的實際運行中，煤堆管理也是阻燃環(huán)節(jié)的一個重要方面。不同煤場類型，不同燃料來源以及不同的摻燒條件對于煤場管理均有不同的要求?？傮w而言，可預防或者降低煤炭自燃風險的管理措施有：

（1）控制存煤周轉(zhuǎn)時間，避免長時間堆放;

（2）對于不同的燃煤、不同時間的燃煤分區(qū)堆放，盡量壓實;

（3）對于高水分、高硫份等易自燃煤種應(yīng)單獨存放，優(yōu)先燃燒，并采用大跨度、低堆高的堆煤方式，以促進水分的自然蒸發(fā)。

國華電力研究院的李樹軍[14]結(jié)合國華盤電公司煤場的燃料結(jié)構(gòu)，采用了分堆存放、層層碾壓、用舊存新的技術(shù)措施，實現(xiàn)了有效控制煤場熱值損失的管控目標。

3.3 阻燃劑阻燃技術(shù)

在諸多類型的阻燃劑中，鹵鹽等吸水性鹽類阻化劑一般添加量較大（濃度高于20%），會顯著降低燃料熱值;銨鹽類阻化劑、氣溶膠阻化劑等失效溫度較低且會放出有害氣體氣體危害工作人員健康;Ca（OH）2阻燃劑會腐蝕設(shè)備，抗氧化阻燃劑、酸性阻燃劑阻化效率低，離子液體阻燃劑成本過高。因此目前研究多集中在有機高聚物阻燃劑以及無機-有機復合阻燃劑。

高聚物阻燃劑的可選范圍較多，目前已有聚乙酸乙烯酯乳液[15]、FR-1泡沫阻燃劑[16]、聚磷酸銨[17]、聚丙烯酸酯[18]等多種高聚物均被用于煤炭阻燃，因為能在煤體表面形成薄膜阻斷空氣的接觸，因此具有較好的阻燃效果。

無機-有機復合阻燃劑因為兼具無機阻燃劑及高聚物阻燃劑的特點也被諸多研究者所關(guān)注。于水軍等[20]研究了MgCl2-抗氧劑A復合阻化劑的阻化效果，司書芳等[21]以阻燃劑A、表面活性劑AEC和CaCl2合成了新型復合阻化劑。

但目前多數(shù)阻燃劑的研發(fā)與使用針對的煤礦的自燃防火，針對火電企業(yè)儲煤場自燃防火阻燃劑多以實驗室研發(fā)為主，應(yīng)用較少。據(jù)廣東省科學技術(shù)廳報道廣東電網(wǎng)有限責任公司研制了一種高效、廉價、環(huán)境友好的新型有機阻燃劑，實現(xiàn)了對煤堆低溫氧化和自燃抑制，相關(guān)研究成果在廣東珠海金灣發(fā)電有限公司成功應(yīng)用，可減少熱值損耗2.45%。

4 結(jié)語

隨時掌握整個儲煤場煤垛的溫度狀態(tài)、準確及時對煤自然隱患進行預報并采取有效的自燃防止措施是現(xiàn)代化儲煤場安全管理不可缺少的重要內(nèi)容。

如何消除紅外測溫各復雜因素的干擾，并以煤氧化動力學理論為基礎(chǔ)，基于傳熱、傳質(zhì)及燃燒理論的煤堆自燃過程的數(shù)學模型，開發(fā)出準確的煤堆自燃預報新技術(shù)，同時研制出能夠適用于火電企業(yè)的儲煤場環(huán)境且阻燃效果好的有機-無機復合型阻燃劑是煤場防自燃技術(shù)的重要發(fā)展方向。

【參考文獻】

[1]谷紅偉.煤巖組分的物化性質(zhì)對煤自燃的影響[J].潔凈煤技術(shù)，2008，14（6）：59-61.

[2]煤低溫氧化過程中煤氧相互作用的實驗研究[D].太原理工大學，2016.

[3]王聰，李君，付彭賓.煤自燃過程中的溫升及CO生成特性[J].燃燒科學與技術(shù)，2017，23（5）：458-464.

[4]琳娜，寶力高，孫可，et al.基于zigbee的火電廠儲煤自燃監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].內(nèi)蒙古民族大學學報：自然科學版，2015（4）：287-291.

[5]常瑞麗，鄭祖東，謝忠泉.火電廠封閉式圓形貯煤場及其防自燃安全措施研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（11）：63-65.

[6]吳迪，周孟然，胡苓苓，et al.光纖傳感器在煤場溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭科學技術(shù)，2011（1）：80-82.

[7]劉晨瑤.烏蘭煤礦煤層露頭及渣臺火區(qū)紅外探測和治理技術(shù)研究[D].西安科技大學，2010.

[8]裘叢杰，吳永朋.火電廠煤場自燃監(jiān)測系統(tǒng)探討[J].發(fā)電與空調(diào)，2012，33（1）：21-24.

[9]王長安.松散煤體溫度變化規(guī)律的熱紅外實驗研究[D]. 西安科技大學，2011.

[10]季園園.儲煤基地煤垛高溫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].大連海事大學，2011.

[11]谷紅偉.儲煤場溫度監(jiān)測技術(shù)研究[D].大連海事大學， 2014.

[12]王艷春，尹新偉，陳婷.一種圓形封閉煤場無死角紅外測溫技術(shù)的應(yīng)用①[J].科技資訊，2016，14（35）：60-60.

[13]任曉夢.基于無人機的露天煤場溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].西安科技大學，2017.

[14]李樹軍.淺談煤場管理[J].煤質(zhì)技術(shù)，2010（1）：33-34.

[15]王立芹.防治煤層自燃的聚乙酸乙烯酯乳液的合成及其性能研究[D].山東科技大學，2007.

[16]時虎，袁興友，張永武，等.FR-1阻化泡沫材料的研發(fā)及在煤礦防滅火中的應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2010，2010（1）：59-60.

[17]趙云，吳雪云，莫曉杰，et al.煤阻燃體系應(yīng)用開發(fā)研究[J].蘇州大學學報（工科版），2012，32（3）：31-37.

[18]李力成，王磊，趙學娟，等.聚丙烯酸酯褐煤阻化劑的熱分析[J].中國安全科學學報，2016，26（11）：54-58，共5頁.

[19]于水軍，謝鋒承，路長，等.不同還原程度煤的氧化與阻化特性[J].煤炭學報，2010，35（s1）：136-140.

[20]司書芳，劉剛，熊偉，et al.阻化劑抑制煤自然發(fā)火的實驗研究[J].中國煤炭，2012，38（7）：81-84.