利用低温热管技术防止圆形封闭煤场煤堆自燃

李文胜 李建勋 刘旭东 康 慧

（1.中电投电力工程有限公司 上海 200233；2.山东电力工程咨询院有限公司 济南 250013；3.中国电力工程顾问集团有限公司 北京 100120）

0 引言

煤场是煤炭储存、供应的重要设施。目前，在运煤系统中常用的储存方法有常规露天储存（带干煤棚）、室内储存和筒仓储存三种方式；室内储存可采用的方案有斗轮堆取料机条形封闭煤场、人字形条形封闭煤场、圆形封闭煤场等。

封闭煤场与常规露天煤场相比，具有占地面积小、场地利用率高、自动化作业水平高、可靠性高等多方面的优点，并且采用全密闭结构，不受外界天气的影响，避免降雨等原因造成煤的流失损耗，保证运煤系统的稳定运行，达到保护环境的目的。

随着国内煤炭储运设施建设规模的不断扩大，以及越来越严格的环保要求和环评标准的提高，对煤场的设计要求也越来越高。受电厂周边环境、景观要求和圆形封闭煤场整体造价降低，越来越多的燃煤电厂经过经济技术性比较后选用圆形封闭煤场方案。

圆形封闭煤场主要由一台堆取分开的圆形堆取料机、薄壳球拱形钢网架结构、土建结构以及温度、可燃气体等监测报警装置和自然通风、自动抑尘系统、自动消防水炮系统等构成。

圆形封闭煤场的挡煤墙上设有网架支座柱子和推煤机出入门洞，网架支座柱子上方设有屋面网架，屋面网架顶部设有与室外连通的排风口。室外空气从挡煤墙上的网架支座柱子间和推煤机出入门洞进入圆形封闭煤场内，煤棚内的可燃气体、粉尘从屋面网架顶部上的排风口自然排至室外。

目前内蒙褐煤、印尼褐煤等在电厂中的使用比例不断升高，但其长时间堆放容易出现自燃现象，提质或成型褐煤也无法实现长距离安全运输和存储，目前在全球范围内暂无工业化解决办法[1]。相比条形封闭煤场存储褐煤自燃容易处理，在圆形封闭煤场的运营管理中，造成影响最大，引起后果最严重的就是褐煤自燃问题。严重时场内白雾弥漫，能见度非常低，甚至运维人员需穿防毒化服才能进入，这影响了员工生命健康安全和电厂正常生产，造成大量人力、物力浪费，设施损坏。表现在混凝土挡煤墙内、外壁引起较大的温差和温度应力，造成局部结构混凝土碳化、钢筋断裂，甚至侧墙烧穿，影响整体结构的安全。由于目前技术手段有限，圆形封闭煤场中煤堆自燃现象还得不到有效处理，如福建嵩屿电厂、海南东方电厂、浙江宁海电厂、广东河源电厂。

这与我国电厂圆形封闭煤场技术已达国际先进水平不相称；另外，按行业标准，入厂煤与入炉煤的热值差不能超过502kJ/kg的考核指标要求，因此，寻找防止圆形封闭煤场煤堆自燃的解决方案具有十分重要的意义。

1 圆形封闭煤场煤堆自燃原因分析

设计煤种为褐煤的圆形封闭煤场更容易发生自燃，主要原因如下：

（1）由于机组负荷、机组检修、煤炭市场供求关系、市场煤价波动等因素造成煤场库存高，煤炭“烧旧存新”的周转速度与供煤、卸煤的节奏发生冲突，新到煤直接堆在存煤上，有自燃隐患的存煤无法得到及时清理。存煤无法做到真正意义上的“先进先出”。

（2）煤场库存量大，相应临界自燃着火点温度低，煤堆升温速率大，容易自燃。

（3）煤堆高度＞10m，高于2m的安全高度。热导率越小的煤，煤堆垂向温度梯度越大[2]。

（4）由于在自流堆煤时煤块滚动离析分层的缘由，中心部位处颗粒较细，越往四周颗粒越粗，在煤堆四周坡边特别是靠挡煤墙地带的贮煤基本上是大块煤堆叠，煤堆疏松且多空隙。该地带靠近进风口，煤堆迎风侧表面存在正风压，且煤堆迎风侧下部风压高于上部风压，室外较冷的空气较容易下沉，而煤堆渗透率和空隙度呈正相关，煤堆存在大量漏风给煤氧化创造良好的自然对流条件，且热导率随空隙度增大而减小[2]，同时空气中的水蒸汽被煤吸附冷凝并释放出大量热量，所以煤堆坡边尤其是挡煤墙侧易发生自燃。

（5）无法进行压实、整理、清底等工作，使煤炭处于自然堆积状态[3]。也就是堆放时通过扒机和勾机的配合将煤一层一层压实的方法和存储期间通过人工测温反复翻堆、碾压的方法很难实施；取料机刮板很难将煤场底部的煤炭刮取干净；地坪斜度较大，不利于推煤机作业；为防止弧线挤车，推煤机作业时无法对挡煤墙侧的煤堆整形清底[3]，取煤死角处存煤长期滞留煤场，容易引起自燃。

（6）通常采用喷洒水的方法阻止煤堆自燃，但水分使煤对氧的物理、化学吸附能力增强，还会产生化学反应，并放出吸附热和反应热，致使煤堆温度升高。且水分的催化作用随煤温的增高而增大，暨加快自由基和过氧化络合物的形成，导致此后氧化过程加速。水分含量过高的煤立即送去燃烧，还会影响锅炉效率。

（7）煤堆表层约0.5～1.5m厚[4]是低温冷却层，该层煤较松散，与空气接触充分，虽发生氧化反应，但散热条件好，所以不会发生自燃，但会使氧化层产生的热量得以积聚。冷却层以下是高温氧化层，从中心部位往四周，冷却层和氧化层越来越厚，据工程实际情况反馈，靠挡煤墙处煤堆的氧化层可达挡煤墙中部位置[5]。氧化层下面的低温窒息层相对压实，漏风强度低，供氧不充分，且此层褐煤外水很高，水分难以汽化，而且由于水分具有极高的蒸汽压力将阻碍氧气与煤表面接触，使其不易发生自燃。

（8）褐煤较高的内水，使其易氧化但不利于水分的蒸发从而散发热量。

（9）除褐煤、长焰煤外，都是不易自燃煤。挥发分含量越高，自燃倾向性越强。特别是未低温热解加工的褐煤，自燃发火期较短，1个月左右即冒烟[6]。

（10）煤是不良导体，易聚热，尤其是变质程度低的褐煤。煤的变质程度越低，热导率越小。

（11）煤的变质程度越高，煤堆内部的空隙度越低，煤对氧的吸附能力越低[7]。可按30℃常压干煤的吸氧量（cm3/g）进行判别。

（12）煤堆温度低于80℃时，相同温度下放热强度随煤质变质程度加深而降低，超过100℃后，相同温度下放热强度随煤质变质程度加深反而逐渐增大[8]。

2 圆形封闭煤场常用的防止煤堆自燃的方法

目前圆形封闭煤场防止煤堆自燃的常用方法有如下几种：

（1）储煤容量按对应机组10～25d的耗煤量设计。按照先进先出、烧旧存新、定期置换、合理库存、分堆存放的存煤原则，将存煤天数控制在自燃周期内。这是破坏煤堆蓄热环境防止煤堆自燃的最可靠方法。

（2）创造良好的通风条件带走煤堆散发的热量。建议进风口设计面风速＞2m/s[9]（有利于煤堆升温速率变缓）。

（3）建议煤堆自然堆积角≯45°（设计和实际堆角往往＞60°），降低煤堆自然发火危险性[10]，减轻“风筒效应”。

（4）煤场底部可设排水管或沟，但在挡煤墙外须设存水弯，避免室内、外空气连通。

（5）经常倒堆破坏氧化层以延缓或阻止自燃，同时喷洒水，但在喷洒降温过程中产生的带酸性物的气体，气体里的水蒸气会在钢网架结构上冷凝造成腐蚀，使钢网架结构存在安全隐患；排除至室外的气体将造成空气污染；喷洒水处理还会因煤燃烧不充分产生大量的CO气体。

（6）采用同一电站的粉煤灰泥浆覆盖煤堆[11,12]。

（7）加强煤场现场管理，尽早发现煤堆自燃征兆，并采取处理措施，如检测主要指标气体CO浓度（褐煤一接触空气就会缓慢氧化产生CO气体。）；每日测量挡煤墙侧煤堆中部位置处温度T中部（T中部＞T顶部＞T底部），当T中部≥60℃（煤堆自热的拐点温度，随煤变质程度的升高而增高）[8,13,14]时，必须优先安排取用，这是因为CO和CO2产生率、耗氧速率、活化能、放热强度在此温度以上将明显增加，也就是煤堆将自发燃烧。

上述方法仍存在理想化、针对性不够等客观问题，因此，需要找到符合圆形封闭煤场煤堆自燃的机理和规律的新方法。

3 利用低温热管技术防止煤堆自燃方案

因着火点往往埋藏较深，圆形封闭煤场煤堆发生自燃后的处理难度大、时间长，需大量人力、物力才能完全将燃煤转场，所以必须迅速采取有效措施，防止自燃范围扩大。故需要解决的技术问题是克服传统防止煤堆自燃方法存在“煤在氧化过程中的热量不易释放至外界，致使煤堆各层之间温度分布不均匀，出现所谓的冷皮热心现象”的缺陷。

根据防治结合，以防为主的防止煤堆自燃的原则，防止煤堆自燃可以考虑应用热管技术，通过在挡煤墙侧设置重力式低温热管，来释放煤在氧化过程中的散热量，避免热量聚集使煤温上升，达到着火点而发生自燃。自燃使挡煤墙温度达60～70℃[15]。入夜后，热管的移热能力得到提高，同时减少煤堆里水分的蒸发量，均有利于防止煤堆自燃。中电投电力工程有限公司已申请专利（申请号：2017100624282）的主要内容和具体实施方式如下：

（1）考虑热管工作时内部压强、工质性质和现场条件，选择低碳钢管作为热管的管壳材料。

（2）重力式低温热管垂直布置并通过三根型钢支架与挡煤墙固定，且热管距挡煤墙按0.5m～1m设计。通过实验测定相关工作参数再进行调整。中部支架为固定支架，两端为滑动支架，避免因热胀冷缩造成热管损坏。垂直布置可提高热管工质的循环速率和热管的显热效率，从而提高换热量，增大温升。也可斜插布置，冷凝段偏向室外。以上布置方式对圆形封闭煤场无论是采用高位进料还是低位进料方式均不受影响。

（3）将重力式低温热管的蒸发段埋入圆形封闭煤场的煤堆的氧化层中。

（4）重力式低温热管的冷凝段布置在圆形封闭煤场的室外空气进入处，暨网架支座柱子间高度处。合理的迎面风速能保证热管高效的换热，最大限度地释放煤在氧化过程中的热量。

（5）为增大重力式低温热管的传热效率和防止煤尘积聚在鳍片上，在热管外壁增加鳍片（纵向翅片）结构。

（6）根据煤质不同，管内壁全段另可设置沟槽，并在蒸发段设置内插件（内循环管），内插件上设置气孔，以提高热管的总换热系数、降低热管的工作温度、增大热管的工作温度范围、消除携带限和沸腾限的约束、缩短热管的启动时间。

（7）受煤堆堆高的影响，通过现场调整重力式低温热管蒸发段与冷凝段的面积，改变热管内饱和蒸汽压力和温度，相应改变热管的管壳壁面温度，实现煤堆中不同热量的释放。改变了工作温度，也就改变了工作压力，也就保证了热管的安全运行。

（8）重力式低温热管的间距（有效冷却半径）按0.5m～1m设计。通过实验测定相关工作参数再进行调整。

（9）每根重力式低温热管的冷凝段绑定有测温钢缆，每根测温钢缆分别和温度监测报警装置连接，当煤堆温度超过设定温度时，启动自动消防水炮系统对此处区域进行灭火。

（10）圆形封闭煤场的隔热设施采用带空气隔热层的槽形板。上述支架采用槽钢，槽钢腰端朝上。最下部槽钢支架两腿之间敷设一根探火管支管（直径6mm，壁厚1mm），探火管支管与布置在空气隔热层里的探火管干管通过专用三通接头连接，探火管干管再和直接式探火管灭火装置连接，探火管干管敷设处的槽形板需至挡煤墙顶部。在煤堆的空隙容积为2～3m3条件下，选用灭火剂充装量为6kg的直接式探火管灭火装置，最远探火管长度不超过25m。探火管灭火装置简单可靠、成本低、无需电源和烟、温感探测器，独立自动灭火，利用自身储压，探火管受热破裂，立即释放灭火剂灭火。由于煤堆的低温窒息层及煤场中部煤堆的空隙度非常小，往往形成较封闭的空间，且CO2气体比空气重，CO2气体留在空隙里，不易扩散，加上空隙里的空气在CO2气体压力作用下被向上驱赶，因此，当探火管探测到火灾，直接释放CO2气体能较好地实现惰化保护，最终起到保护热管的作用。

需说明的是：同样是褐煤，但来自不同地区，在煤质上还是相差较大。上述技术涉及到的热管间距等参数如在不同电厂应用，需要根据实际已取得的现场实验数据结合理论计算模型加以确定，以得到更好的经济效益。

4 经济性分析及估算

以单仓内径为120m的圆形封闭煤场为例，球形仓高75m，挡煤墙高19.6m，挡墙侧堆高18.1m，堆煤峰线约33m，单仓储煤量约18万吨。已知条件如表1所示。

表1 已知条件Table 1 Known Conditions

热管带走的氧化热Q1：

煤堆蓄积的总热量Q2：

Q1＞Q2，方案设置的假设条件成立。

以上海某电厂为例，圆形封闭煤场全年仅少数月份未发生煤自燃，假设其他月份因煤自燃挡煤墙处煤堆质损共约50%，本方案实施后，每年节约煤量：

本设计方案还需投入的人力、物力费用约为60万元，约3年时间即可将成本收回。根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2008），原煤的二氧化碳排放系数为1.9003kg/kg，还可减排二氧化碳4048t。若考虑CO2的减排收益，CO2的单位减排成本为85元/t，每年减排收益约为34.4万元。

5 结语

本文提出一种圆形封闭煤场防止煤堆自燃的方法，通过在挡煤墙侧设置重力式低温热管来释放煤的氧化热，利用自然冷源使煤堆降温，减缓煤堆温度随存煤时间逐渐升高的趋势，从而避免煤长期堆积使煤的热值下降，降低煤的质量和经济价值。同时运行过程稳定，无能耗。该方法人工维护量小，初投资低，易于实施。

结合市场需求，并从本方法带来的社会效益、经济收益看，其具有较大优越性，具有较好的应用前景，通过技术创新和在电力工程建设中采用新工艺、新技术，推动行业科技进步。