研究封閉式圓形煤場(chǎng)煤堆自燃與環(huán)境溫度、可燃?xì)怏w濃度的關(guān)系

焦凱迪，陳劍

（1.神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)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(zāi)是輸煤系統(tǒng)的重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象。煤堆自燃或著火必須及早探測(cè)并撲滅，否則，將是一場(chǎng)災(zāi)難。室外火災(zāi)的早期探測(cè)比室內(nèi)煙霧要困難得多。由于室外空間比室內(nèi)大得多，火災(zāi)煙氣濃度比室內(nèi)小得多，無(wú)處不在的風(fēng)會(huì)減弱火災(zāi)煙氣濃度。此外，室外濕度、日照、高低溫也會(huì)影響傳感器的檢測(cè)靈敏度。因此，本文選擇了一種靈敏的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)形煤場(chǎng)的早期火災(zāi)危險(xiǎn)。利用紅外熱成像測(cè)溫、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、煙霧圖像識(shí)別等多種技術(shù)手段，構(gòu)建智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)自燃的科學(xué)防治。

1 煤堆自燃過(guò)程

揮發(fā)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(fā)分含量。揮發(fā)分含量越高，自燃傾向越強(qiáng)，自燃時(shí)間相應(yīng)縮短。封閉式煤場(chǎng)通風(fēng)散熱條件差，散熱不及時(shí)。煤堆表面松散，與空氣充分接觸，煤與空氣充分接觸，逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)，并同時(shí)產(chǎn)生熱量，沒(méi)有得到及時(shí)的熱量疏散，煤便會(huì)發(fā)生自燃。煤堆自燃的發(fā)生一般經(jīng)歷三個(gè)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(yīng)形成氧化物或過(guò)氧絡(luò)合物。在此階段，煤的低溫氧化速率較慢，釋放的低溫反應(yīng)熱和煤的溫度變化很小，一般難以測(cè)量。煤的潛伏期長(zhǎng)短主要受到外部條件的影響與煤自身發(fā)生的變質(zhì)程度。

當(dāng)煤的溫度達(dá)到自熱60°的臨界溫度時(shí)，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?xì)浠衔锏瓤扇細(xì)怏w，這些氣體易于用常規(guī)檢測(cè)儀器測(cè)量。當(dāng)自熱期煤溫上升到燃點(diǎn)Ti溫度時(shí)，煤堆將發(fā)生明火，釋放出大量煙氣Co、CO2和各種可燃?xì)怏w。如果煤溫未達(dá)到臨界溫度T或上升后由于外界條件下降，煤的升溫過(guò)程將減慢，進(jìn)入冷卻階段。此時(shí)，煤炭將進(jìn)入風(fēng)化狀態(tài)。

2 煤堆自燃的原因

封閉式圓形煤場(chǎng)的貯煤自燃有以下幾個(gè)主要原因：

（1）煤種。封閉式圓形煤場(chǎng)煤儲(chǔ)存嚴(yán)格按照順序使用，儲(chǔ)存時(shí)間必須在15天內(nèi)。其實(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)槌杀镜扔绊?，很難實(shí)現(xiàn)這種“先進(jìn)先出”的狀況。而且有一個(gè)普遍的常識(shí)，與露天煤場(chǎng)相比，封閉式圓形煤場(chǎng)因?yàn)閮?nèi)部場(chǎng)地小，面積有限，只能通過(guò)空間來(lái)提高儲(chǔ)煤能力，不同的煤種按照空間區(qū)域存放。如果滿倉(cāng)儲(chǔ)煤堆內(nèi)發(fā)生大面積自燃，煤場(chǎng)就不能再為自燃煤堆的處置騰出空間，如翻轉(zhuǎn)、隔離等，這往往使儲(chǔ)煤自燃的預(yù)防工作處于十分被動(dòng)的狀態(tài)。

（2）氧化可燃?xì)怏w濃度增大。當(dāng)煤炭自然堆放時(shí)，中心的顆粒越細(xì)，顆粒越粗，可燃?xì)怏w濃度越高，越容易著火。因此，從中心到周圍，間隙越來(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。自燃多發(fā)生在氧化層中，伴隨著溫升、熱氣、煙霧等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤堆上某處釋放出熱氣或煙霧時(shí)，自燃點(diǎn)或自燃點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)、損失大，必須迅速采取有效措施，防止自燃范圍擴(kuò)大。

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

3 研究實(shí)驗(yàn)

本文將在壽光電廠2個(gè)圓形煤場(chǎng)做試驗(yàn)，通過(guò)紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤堆表層溫度，當(dāng)某個(gè)點(diǎn)或區(qū)域溫度超過(guò)閾值，前端設(shè)備可向后臺(tái)自動(dòng)推送報(bào)警和高溫位置信息。利用環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤場(chǎng)粉塵、CO、SO2等大氣濃度變化，間接反映煤堆是否自燃。系統(tǒng)后臺(tái)將構(gòu)建多維數(shù)據(jù)分析模型，結(jié)合煤種、煤堆監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，挖掘自燃現(xiàn)象與煤堆表層溫度、煤揮發(fā)分、大氣濃度等因素的客觀規(guī)律，降低系統(tǒng)誤報(bào)率，最終實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)自燃防控。多維度煤場(chǎng)自燃防控應(yīng)用圖如圖1。

圖1 多維度煤場(chǎng)自燃防控應(yīng)用

圓形煤場(chǎng)可燃、有毒有害氣體傳感器通過(guò)RS-485連接線進(jìn)行信號(hào)上傳，經(jīng)串口網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將485信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信號(hào)，智能巡檢平臺(tái)內(nèi)含動(dòng)環(huán)組件，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)接入。經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)研，壽光電廠燃煤屬于低硫高揮發(fā)分燃煤，主要監(jiān)測(cè)因子應(yīng)包括：CH4，H2S和CO，行業(yè)內(nèi)暫無(wú)煤場(chǎng)有毒有害可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，故按照產(chǎn)品性能，建議按照40m間距設(shè)置1臺(tái)防爆型三合一傳感器，傳感器部署于圓形煤場(chǎng)四周圍墻巡檢走廊。煤場(chǎng)有出入口用于汽車運(yùn)煤入廠，該位置常年不易堆煤故不需要監(jiān)測(cè)煤堆自燃。按照變更后方案，每座煤場(chǎng)需部署9套傳感器。

4 預(yù)防煤炭自燃的措施

4.1 建立管理檔案

為加強(qiáng)煤場(chǎng)管理，使煤場(chǎng)儲(chǔ)煤合理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)配煤，杜絕煤炭自燃，采取了三項(xiàng)措施，加快儲(chǔ)煤周轉(zhuǎn)，減少煤炭熱值損失，減少儲(chǔ)煤損失，便利煤炭堆放和回收工作，確保機(jī)組安全運(yùn)行以及煤場(chǎng)庫(kù)存和計(jì)量的順利開(kāi)展。不同類型的煤應(yīng)儲(chǔ)存在不同的堆中。嚴(yán)禁堆放，嚴(yán)禁攪拌，盡量減少煤場(chǎng)庫(kù)存。建立煤堆文件，每天跟蹤并隨時(shí)更新。通過(guò)煤堆電子文件，在線顯示煤堆日期、煤種、數(shù)量、含硫量、發(fā)熱量等相關(guān)信息，促進(jìn)煤場(chǎng)運(yùn)行方式的優(yōu)化，方便煤場(chǎng)按計(jì)劃運(yùn)行，真正做到定期更換。

4.2 控制煤炭可燃?xì)怏w濃度

由于煤的偏析特性，當(dāng)煤從高到低堆放時(shí)，煤塊總是繞著煤堆滾動(dòng)。由于煤塊之間的間隙較大，氧氣通過(guò)間隙不斷進(jìn)入煤堆內(nèi)部，這有助于煤的自燃。由于圓形煤場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定推煤機(jī)或耙煤機(jī)運(yùn)行期間擋煤墻側(cè)面的煤堆無(wú)法成型，大部分煤炭自燃從這里開(kāi)始。因此，在擋煤墻根部堆放一圈煤渣，防止氧氣從排水管進(jìn)入煤堆內(nèi)部，防止推煤機(jī)或耙子在清理現(xiàn)場(chǎng)時(shí)損壞擋煤墻上鋪設(shè)的耐火磚和安裝在內(nèi)壁上的感溫線，并取得了一定的處理效果。

4.3 及時(shí)處理火災(zāi)

嚴(yán)格執(zhí)行檢查制度。如果發(fā)現(xiàn)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(dāng)煤堆內(nèi)部溫度小于或等于45℃時(shí)，仍可儲(chǔ)存煤；當(dāng)煤堆內(nèi)部溫度大于或等于60℃時(shí)，必須優(yōu)先進(jìn)入，因?yàn)檫M(jìn)入需要時(shí)間，煤自燃幾乎發(fā)生在距地表1m的煤內(nèi)。燃料作業(yè)專業(yè)根據(jù)測(cè)量記錄修改堆取料方式，防止煤炭自燃。

4.4 嚴(yán)控自燃煤的環(huán)境溫度

卸煤船作業(yè)前或作業(yè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)煤炭溫度大于或等于60℃或有自燃煤炭時(shí)，必須立即通知船舶采取冷卻和消防措施，卸船作業(yè)或連續(xù)作業(yè)須經(jīng)燃料作業(yè)主管同意后方可進(jìn)行。進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后，船舶煤炭必須分開(kāi)堆放。嚴(yán)禁與相鄰煤炭堆放，并記錄堆放地點(diǎn)和堆放區(qū)域。為了防止底煤長(zhǎng)時(shí)間堆積，加速溫升，必須盡快取出，并及時(shí)使用耙推機(jī)將底煤全部清除。噴霧當(dāng)局部或地表深度小于1m且發(fā)生煤自燃時(shí)，可采用噴水降溫滅火，或在煤堆較深處采用注水方式進(jìn)行噴霧。當(dāng)煤炭自燃重新點(diǎn)燃時(shí)，可將鍍鋅管直接插入煤層深部，并與注水水源相連，以達(dá)到冷卻的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析煤炭自燃的主要原因與其發(fā)生的自燃過(guò)程：堆煤可燃?xì)怏w氧化層增大、進(jìn)煤煤質(zhì)較雜、環(huán)境溫度等，從表面溫度、可燃?xì)怏w煙霧濃度等方面研究，發(fā)現(xiàn)建立健全煤質(zhì)管理檔案、減少可燃?xì)怏w濃度、降低與煤的接觸面、嚴(yán)控自燃煤的環(huán)境溫度、遇到問(wèn)題及時(shí)處理等措施，能夠提高煤場(chǎng)及操作人員的安全、電廠的經(jīng)濟(jì)效益。