利用低溫?zé)峁芗夹g(shù)防止圓形封閉煤場(chǎng)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?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013；3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)有限公司 北京 100120）

0 引言

煤場(chǎng)是煤炭?jī)?chǔ)存、供應(yīng)的重要設(shè)施。目前，在運(yùn)煤系統(tǒng)中常用的儲(chǔ)存方法有常規(guī)露天儲(chǔ)存（帶干煤棚）、室內(nèi)儲(chǔ)存和筒倉(cāng)儲(chǔ)存三種方式；室內(nèi)儲(chǔ)存可采用的方案有斗輪堆取料機(jī)條形封閉煤場(chǎng)、人字形條形封閉煤場(chǎng)、圓形封閉煤場(chǎng)等。

封閉煤場(chǎng)與常規(guī)露天煤場(chǎng)相比，具有占地面積小、場(chǎng)地利用率高、自動(dòng)化作業(yè)水平高、可靠性高等多方面的優(yōu)點(diǎn)，并且采用全密閉結(jié)構(gòu)，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(yùn)煤系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

隨著國(guó)內(nèi)煤炭?jī)?chǔ)運(yùn)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求和環(huán)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)煤場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求也越來越高。受電廠周邊環(huán)境、景觀要求和圓形封閉煤場(chǎng)整體造價(jià)降低，越來越多的燃煤電廠經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比較后選用圓形封閉煤場(chǎng)方案。

圓形封閉煤場(chǎng)主要由一臺(tái)堆取分開的圓形堆取料機(jī)、薄殼球拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、土建結(jié)構(gòu)以及溫度、可燃?xì)怏w等監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置和自然通風(fēng)、自動(dòng)抑塵系統(tǒng)、自動(dòng)消防水炮系統(tǒng)等構(gòu)成。

圓形封閉煤場(chǎng)的擋煤墻上設(shè)有網(wǎng)架支座柱子和推煤機(jī)出入門洞，網(wǎng)架支座柱子上方設(shè)有屋面網(wǎng)架，屋面網(wǎng)架頂部設(shè)有與室外連通的排風(fēng)口。室外空氣從擋煤墻上的網(wǎng)架支座柱子間和推煤機(jī)出入門洞進(jìn)入圓形封閉煤場(chǎng)內(nèi)，煤棚內(nèi)的可燃?xì)怏w、粉塵從屋面網(wǎng)架頂部上的排風(fēng)口自然排至室外。

目前內(nèi)蒙褐煤、印尼褐煤等在電廠中的使用比例不斷升高，但其長(zhǎng)時(shí)間堆放容易出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，提質(zhì)或成型褐煤也無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離安全運(yùn)輸和存儲(chǔ)，目前在全球范圍內(nèi)暫無工業(yè)化解決辦法[1]。相比條形封閉煤場(chǎng)存儲(chǔ)褐煤自燃容易處理，在圓形封閉煤場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)管理中，造成影響最大，引起后果最嚴(yán)重的就是褐煤自燃問題。嚴(yán)重時(shí)場(chǎng)內(nèi)白霧彌漫，能見度非常低，甚至運(yùn)維人員需穿防毒化服才能進(jìn)入，這影響了員工生命健康安全和電廠正常生產(chǎn)，造成大量人力、物力浪費(fèi)，設(shè)施損壞。表現(xiàn)在混凝土擋煤墻內(nèi)、外壁引起較大的溫差和溫度應(yīng)力，造成局部結(jié)構(gòu)混凝土碳化、鋼筋斷裂，甚至側(cè)墻燒穿，影響整體結(jié)構(gòu)的安全。由于目前技術(shù)手段有限，圓形封閉煤場(chǎng)中煤堆自燃現(xiàn)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(guó)電廠圓形封閉煤場(chǎng)技術(shù)已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平不相稱；另外，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，入廠煤與入爐煤的熱值差不能超過502kJ/kg的考核指標(biāo)要求，因此，尋找防止圓形封閉煤場(chǎng)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(chǎng)煤堆自燃原因分析

設(shè)計(jì)煤種為褐煤的圓形封閉煤場(chǎng)更容易發(fā)生自燃，主要原因如下：

（1）由于機(jī)組負(fù)荷、機(jī)組檢修、煤炭市場(chǎng)供求關(guān)系、市場(chǎng)煤價(jià)波動(dòng)等因素造成煤場(chǎng)庫(kù)存高，煤炭“燒舊存新”的周轉(zhuǎn)速度與供煤、卸煤的節(jié)奏發(fā)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(shí)清理。存煤無法做到真正意義上的“先進(jìn)先出”。

（2）煤場(chǎng)庫(kù)存量大，相應(yīng)臨界自燃著火點(diǎn)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(dǎo)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(shí)煤塊滾動(dòng)離析分層的緣由，中心部位處顆粒較細(xì)，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(jìn)風(fēng)口，煤堆迎風(fēng)側(cè)表面存在正風(fēng)壓，且煤堆迎風(fēng)側(cè)下部風(fēng)壓高于上部風(fēng)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(guān)，煤堆存在大量漏風(fēng)給煤氧化創(chuàng)造良好的自然對(duì)流條件，且熱導(dǎo)率隨空隙度增大而減小[2]，同時(shí)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(cè)易發(fā)生自燃。

（5）無法進(jìn)行壓實(shí)、整理、清底等工作，使煤炭處于自然堆積狀態(tài)[3]。也就是堆放時(shí)通過扒機(jī)和勾機(jī)的配合將煤一層一層壓實(shí)的方法和存儲(chǔ)期間通過人工測(cè)溫反復(fù)翻堆、碾壓的方法很難實(shí)施；取料機(jī)刮板很難將煤場(chǎng)底部的煤炭刮取干凈；地坪斜度較大，不利于推煤機(jī)作業(yè)；為防止弧線擠車，推煤機(jī)作業(yè)時(shí)無法對(duì)擋煤墻側(cè)的煤堆整形清底[3]，取煤死角處存煤長(zhǎng)期滯留煤場(chǎng)，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(duì)氧的物理、化學(xué)吸附能力增強(qiáng)，還會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并放出吸附熱和反應(yīng)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(luò)合物的形成，導(dǎo)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(huì)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(fā)生氧化反應(yīng)，但散熱條件好，所以不會(huì)發(fā)生自燃，但會(huì)使氧化層產(chǎn)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(jù)工程實(shí)際情況反饋，靠擋煤墻處煤堆的氧化層可達(dá)擋煤墻中部位置[5]。氧化層下面的低溫窒息層相對(duì)壓實(shí)，漏風(fēng)強(qiáng)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(fā)生自燃。

（8）褐煤較高的內(nèi)水，使其易氧化但不利于水分的蒸發(fā)從而散發(fā)熱量。

（9）除褐煤、長(zhǎng)焰煤外，都是不易自燃煤。揮發(fā)分含量越高，自燃傾向性越強(qiáng)。特別是未低溫?zé)峤饧庸さ暮置海匀及l(fā)火期較短，1個(gè)月左右即冒煙[6]。

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

（11）煤的變質(zhì)程度越高，煤堆內(nèi)部的空隙度越低，煤對(duì)氧的吸附能力越低[7]?？砂?0℃常壓干煤的吸氧量（cm3/g）進(jìn)行判別。

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

2 圓形封閉煤場(chǎng)常用的防止煤堆自燃的方法

目前圓形封閉煤場(chǎng)防止煤堆自燃的常用方法有如下幾種：

（1）儲(chǔ)煤容量按對(duì)應(yīng)機(jī)組10～25d的耗煤量設(shè)計(jì)。按照先進(jìn)先出、燒舊存新、定期置換、合理庫(kù)存、分堆存放的存煤原則，將存煤天數(shù)控制在自燃周期內(nèi)。這是破壞煤堆蓄熱環(huán)境防止煤堆自燃的最可靠方法。

（2）創(chuàng)造良好的通風(fēng)條件帶走煤堆散發(fā)的熱量。建議進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)面風(fēng)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(shè)計(jì)和實(shí)際堆角往往＞60°），降低煤堆自然發(fā)火危險(xiǎn)性[10]，減輕“風(fēng)筒效應(yīng)”。

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

（5）經(jīng)常倒堆破壞氧化層以延緩或阻止自燃，同時(shí)噴灑水，但在噴灑降溫過程中產(chǎn)生的帶酸性物的氣體，氣體里的水蒸氣會(huì)在鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上冷凝造成腐蝕，使鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(huì)因煤燃燒不充分產(chǎn)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(qiáng)煤場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)管理，盡早發(fā)現(xiàn)煤堆自燃征兆，并采取處理措施，如檢測(cè)主要指標(biāo)氣體CO濃度（褐煤一接觸空氣就會(huì)緩慢氧化產(chǎn)生CO氣體。）；每日測(cè)量擋煤墻側(cè)煤堆中部位置處溫度T中部（T中部＞T頂部＞T底部），當(dāng)T中部≥60℃（煤堆自熱的拐點(diǎn)溫度，隨煤變質(zhì)程度的升高而增高）[8,13,14]時(shí)，必須優(yōu)先安排取用，這是因?yàn)镃O和CO2產(chǎn)生率、耗氧速率、活化能、放熱強(qiáng)度在此溫度以上將明顯增加，也就是煤堆將自發(fā)燃燒。

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

3 利用低溫?zé)峁芗夹g(shù)防止煤堆自燃方案

因著火點(diǎn)往往埋藏較深，圓形封閉煤場(chǎng)煤堆發(fā)生自燃后的處理難度大、時(shí)間長(zhǎng)，需大量人力、物力才能完全將燃煤轉(zhuǎn)場(chǎng)，所以必須迅速采取有效措施，防止自燃范圍擴(kuò)大。故需要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)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(xiàn)所謂的冷皮熱心現(xiàn)象”的缺陷。

根據(jù)防治結(jié)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(yīng)用熱管技術(shù)，通過在擋煤墻側(cè)設(shè)置重力式低溫?zé)峁?，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(dá)到著火點(diǎn)而發(fā)生自燃。自燃使擋煤墻溫度達(dá)60～70℃[15]。入夜后，熱管的移熱能力得到提高，同時(shí)減少煤堆里水分的蒸發(fā)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(qǐng)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?017100624282）的主要內(nèi)容和具體實(shí)施方式如下：

（1）考慮熱管工作時(shí)內(nèi)部壓強(qiáng)、工質(zhì)性質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇低碳鋼管作為熱管的管殼材料。

（2）重力式低溫?zé)峁艽怪辈贾貌⑼ㄟ^三根型鋼支架與擋煤墻固定，且熱管距擋煤墻按0.5m～1m設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定相關(guān)工作參數(shù)再進(jìn)行調(diào)整。中部支架為固定支架，兩端為滑動(dòng)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(zhì)的循環(huán)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(duì)圓形封閉煤場(chǎng)無論是采用高位進(jìn)料還是低位進(jìn)料方式均不受影響。

（3）將重力式低溫?zé)峁艿恼舭l(fā)段埋入圓形封閉煤場(chǎng)的煤堆的氧化層中。

（4）重力式低溫?zé)峁艿睦淠尾贾迷趫A形封閉煤場(chǎng)的室外空氣進(jìn)入處，暨網(wǎng)架支座柱子間高度處。合理的迎面風(fēng)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?zé)峁艿膫鳠嵝屎头乐姑簤m積聚在鰭片上，在熱管外壁增加鰭片（縱向翅片）結(jié)構(gòu)。

（6）根據(jù)煤質(zhì)不同，管內(nèi)壁全段另可設(shè)置溝槽，并在蒸發(fā)段設(shè)置內(nèi)插件（內(nèi)循環(huán)管），內(nèi)插件上設(shè)置氣孔，以提高熱管的總換熱系數(shù)、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(dòng)時(shí)間。

（7）受煤堆堆高的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整重力式低溫?zé)峁苷舭l(fā)段與冷凝段的面積，改變熱管內(nèi)飽和蒸汽壓力和溫度，相應(yīng)改變熱管的管殼壁面溫度，實(shí)現(xiàn)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(yùn)行。

（8）重力式低溫?zé)峁艿拈g距（有效冷卻半徑）按0.5m～1m設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定相關(guān)工作參數(shù)再進(jìn)行調(diào)整。

（9）每根重力式低溫?zé)峁艿睦淠谓壎ㄓ袦y(cè)溫鋼纜，每根測(cè)溫鋼纜分別和溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置連接，當(dāng)煤堆溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)消防水炮系統(tǒng)對(duì)此處區(qū)域進(jìn)行滅火。

（10）圓形封閉煤場(chǎng)的隔熱設(shè)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(shè)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(shè)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(yuǎn)探火管長(zhǎng)度不超過25m。探火管滅火裝置簡(jiǎn)單可靠、成本低、無需電源和煙、溫感探測(cè)器，獨(dú)立自動(dòng)滅火，利用自身儲(chǔ)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(chǎng)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(kuò)散，加上空隙里的空氣在CO2氣體壓力作用下被向上驅(qū)趕，因此，當(dāng)探火管探測(cè)到火災(zāi)，直接釋放CO2氣體能較好地實(shí)現(xiàn)惰化保護(hù)，最終起到保護(hù)熱管的作用。

需說明的是：同樣是褐煤，但來自不同地區(qū)，在煤質(zhì)上還是相差較大。上述技術(shù)涉及到的熱管間距等參數(shù)如在不同電廠應(yīng)用，需要根據(jù)實(shí)際已取得的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論計(jì)算模型加以確定，以得到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 經(jīng)濟(jì)性分析及估算

以單倉(cāng)內(nèi)徑為120m的圓形封閉煤場(chǎng)為例，球形倉(cāng)高75m，擋煤墻高19.6m，擋墻側(cè)堆高18.1m，堆煤峰線約33m，單倉(cāng)儲(chǔ)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(shè)置的假設(shè)條件成立。

以上海某電廠為例，圓形封閉煤場(chǎng)全年僅少數(shù)月份未發(fā)生煤自燃，假設(shè)其他月份因煤自燃擋煤墻處煤堆質(zhì)損共約50%，本方案實(shí)施后，每年節(jié)約煤量：

本設(shè)計(jì)方案還需投入的人力、物力費(fèi)用約為60萬元，約3年時(shí)間即可將成本收回。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T 2589-2008），原煤的二氧化碳排放系數(shù)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(jié)語

本文提出一種圓形封閉煤場(chǎng)防止煤堆自燃的方法，通過在擋煤墻側(cè)設(shè)置重力式低溫?zé)峁軄磲尫琶旱难趸療?，利用自然冷源使煤堆降溫，減緩煤堆溫度隨存煤時(shí)間逐漸升高的趨勢(shì)，從而避免煤長(zhǎng)期堆積使煤的熱值下降，降低煤的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)運(yùn)行過程穩(wěn)定，無能耗。該方法人工維護(hù)量小，初投資低，易于實(shí)施。

結(jié)合市場(chǎng)需求，并從本方法帶來的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)收益看，其具有較大優(yōu)越性，具有較好的應(yīng)用前景，通過技術(shù)創(chuàng)新和在電力工程建設(shè)中采用新工藝、新技術(shù)，推動(dòng)行業(yè)科技進(jìn)步。