研究封闭式圆形煤场煤堆自燃与环境温度、可燃气体浓度的关系

焦凯迪，陈剑

（1.神华国华寿光发电有限责任公司，山东 潍坊 262700；2.北京电科智擎科技有限公司，北京 100000）

煤堆火灾是输煤系统的重点防护对象。煤堆自燃或着火必须及早探测并扑灭，否则，将是一场灾难。室外火灾的早期探测比室内烟雾要困难得多。由于室外空间比室内大得多，火灾烟气浓度比室内小得多，无处不在的风会减弱火灾烟气浓度。此外，室外湿度、日照、高低温也会影响传感器的检测灵敏度。因此，本文选择了一种灵敏的可燃气体监测装置来监测环形煤场的早期火灾危险。利用红外热成像测温、工业环境监测传感器、烟雾图像识别等多种技术手段，构建智能物联网监测系统，实现煤场自燃的科学防治。

1 煤堆自燃过程

挥发分含量高的煤有自燃倾向。煤在室温下的氧化能力主要取决于挥发分含量。挥发分含量越高，自燃倾向越强，自燃时间相应缩短。封闭式煤场通风散热条件差，散热不及时。煤堆表面松散，与空气充分接触，煤与空气充分接触，逐渐发生氧化反应，并同时产生热量，没有得到及时的热量疏散，煤便会发生自燃。煤堆自燃的发生一般经历三个阶段：孕育期、自燃期和自燃期。在潜伏期，煤表面将形成一层氧吸附层，煤氧反应形成氧化物或过氧络合物。在此阶段，煤的低温氧化速率较慢，释放的低温反应热和煤的温度变化很小，一般难以测量。煤的潜伏期长短主要受到外部条件的影响与煤自身发生的变质程度。

当煤的温度达到自热60°的临界温度时，煤的低温生成速率加快，煤的温度急剧上升，并释放出H2、Co、CO2和碳氢化合物等可燃气体，这些气体易于用常规检测仪器测量。当自热期煤温上升到燃点Ti温度时，煤堆将发生明火，释放出大量烟气Co、CO2和各种可燃气体。如果煤温未达到临界温度T或上升后由于外界条件下降，煤的升温过程将减慢，进入冷却阶段。此时，煤炭将进入风化状态。

2 煤堆自燃的原因

封闭式圆形煤场的贮煤自燃有以下几个主要原因：

（1）煤种。封闭式圆形煤场煤储存严格按照顺序使用，储存时间必须在15天内。其实，在实际生产过程中因为成本等影响，很难实现这种“先进先出”的状况。而且有一个普遍的常识，与露天煤场相比，封闭式圆形煤场因为内部场地小，面积有限，只能通过空间来提高储煤能力，不同的煤种按照空间区域存放。如果满仓储煤堆内发生大面积自燃，煤场就不能再为自燃煤堆的处置腾出空间，如翻转、隔离等，这往往使储煤自燃的预防工作处于十分被动的状态。

（2）氧化可燃气体浓度增大。当煤炭自然堆放时，中心的颗粒越细，颗粒越粗，可燃气体浓度越高，越容易着火。因此，从中心到周围，间隙越来越大，通风散热条件越来越好，冷却层和氧化层越来越厚。自燃多发生在氧化层中，伴随着温升、热气、烟雾等现象。当发现煤堆上某处释放出热气或烟雾时，自燃点或自燃点必须位于该部分垂直向下的氧化层中。由于煤堆自燃后处理难度大、时间长、损失大，必须迅速采取有效措施，防止自燃范围扩大。

（3）温度影响。由于季节气候的变化，秋冬两季气温下降时，渗入煤堆的空气量增加。在渗透过程中，水蒸气被煤吸附冷凝，放出热量，导致封闭圆形煤场的储煤堆中产生大量的湿热，为煤堆自燃创造温度条件。因此，煤场中的煤炭一般在11月～次年3月的秋冬季节容易自燃，煤烟自燃通常从煤堆的斜坡和侧壁开始。因此，为了防止密闭圆形煤场储存的煤炭自燃，必须尽量防止储存的煤炭凝结水和热吸附。

3 研究实验

本文将在寿光电厂2个圆形煤场做试验，通过红外热成像测温技术，动态监测煤堆表层温度，当某个点或区域温度超过阈值，前端设备可向后台自动推送报警和高温位置信息。利用环境监测传感器，实时监测煤场粉尘、CO、SO2等大气浓度变化，间接反映煤堆是否自燃。系统后台将构建多维数据分析模型，结合煤种、煤堆监测等数据进行综合分析，挖掘自燃现象与煤堆表层温度、煤挥发分、大气浓度等因素的客观规律，降低系统误报率，最终实现煤场自燃防控。多维度煤场自燃防控应用图如图1。

图1 多维度煤场自燃防控应用

圆形煤场可燃、有毒有害气体传感器通过RS-485连接线进行信号上传，经串口网关进行协议转换，将485信号转换为网络协议信号，智能巡检平台内含动环组件，实现传感器网络协议数据接入。经过详细调研，寿光电厂燃煤属于低硫高挥发分燃煤，主要监测因子应包括：CH4，H2S和CO，行业内暂无煤场有毒有害可燃气体监测标准规范，故按照产品性能，建议按照40m间距设置1台防爆型三合一传感器，传感器部署于圆形煤场四周围墙巡检走廊。煤场有出入口用于汽车运煤入厂，该位置常年不易堆煤故不需要监测煤堆自燃。按照变更后方案，每座煤场需部署9套传感器。

4 预防煤炭自燃的措施

4.1 建立管理档案

为加强煤场管理，使煤场储煤合理，实现科学配煤，杜绝煤炭自燃，采取了三项措施，加快储煤周转，减少煤炭热值损失，减少储煤损失，便利煤炭堆放和回收工作，确保机组安全运行以及煤场库存和计量的顺利开展。不同类型的煤应储存在不同的堆中。严禁堆放，严禁搅拌，尽量减少煤场库存。建立煤堆文件，每天跟踪并随时更新。通过煤堆电子文件，在线显示煤堆日期、煤种、数量、含硫量、发热量等相关信息，促进煤场运行方式的优化，方便煤场按计划运行，真正做到定期更换。

4.2 控制煤炭可燃气体浓度

由于煤的偏析特性，当煤从高到低堆放时，煤块总是绕着煤堆滚动。由于煤块之间的间隙较大，氧气通过间隙不断进入煤堆内部，这有助于煤的自燃。由于圆形煤场的结构特点，确定推煤机或耙煤机运行期间挡煤墙侧面的煤堆无法成型，大部分煤炭自燃从这里开始。因此，在挡煤墙根部堆放一圈煤渣，防止氧气从排水管进入煤堆内部，防止推煤机或耙子在清理现场时损坏挡煤墙上铺设的耐火砖和安装在内壁上的感温线，并取得了一定的处理效果。

4.3 及时处理火灾

严格执行检查制度。如果发现煤堆局部温升、热气、烟气、一氧化碳浓度升高，则可判断氧化层自燃。当煤堆内部温度小于或等于45℃时，仍可储存煤；当煤堆内部温度大于或等于60℃时，必须优先进入，因为进入需要时间，煤自燃几乎发生在距地表1m的煤内。燃料作业专业根据测量记录修改堆取料方式，防止煤炭自燃。

4.4 严控自燃煤的环境温度

卸煤船作业前或作业过程中，发现舱内煤炭温度大于或等于60℃或有自燃煤炭时，必须立即通知船舶采取冷却和消防措施，卸船作业或连续作业须经燃料作业主管同意后方可进行。进入现场后，船舶煤炭必须分开堆放。严禁与相邻煤炭堆放，并记录堆放地点和堆放区域。为了防止底煤长时间堆积，加速温升，必须尽快取出，并及时使用耙推机将底煤全部清除。喷雾当局部或地表深度小于1m且发生煤自燃时，可采用喷水降温灭火，或在煤堆较深处采用注水方式进行喷雾。当煤炭自燃重新点燃时，可将镀锌管直接插入煤层深部，并与注水水源相连，以达到冷却的目的。

5 结语

本文通过分析煤炭自燃的主要原因与其发生的自燃过程：堆煤可燃气体氧化层增大、进煤煤质较杂、环境温度等，从表面温度、可燃气体烟雾浓度等方面研究，发现建立健全煤质管理档案、减少可燃气体浓度、降低与煤的接触面、严控自燃煤的环境温度、遇到问题及时处理等措施，能够提高煤场及操作人员的安全、电厂的经济效益。