白音華褐煤自燃規律與倉儲周期研究

張士金，劉 娟，李慶盛

（1.國家電投集團物流有限責任公司，北京 100011；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.赤峰白音華物流有限責任公司，內蒙古 赤峰 024001）

白音華褐煤自燃規律與倉儲周期研究

張士金1，劉 娟2，李慶盛3

（1.國家電投集團物流有限責任公司，北京 100011；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.赤峰白音華物流有限責任公司，內蒙古 赤峰 024001）

白音華褐煤煤化程度較低，具有高揮發分、高水分、低熱值等特點，露天倉儲存在易自燃、熱損大、粉塵多等問題。通過對不同季節、不同倉儲方式煤堆溫度的測試，結合褐煤低溫氧化反應機理，研究白音華褐煤溫度變化、自燃規律，確定露天倉儲的合理周期，為各電廠倉儲白音華褐煤提供參考。

白音華褐煤；露天倉儲；煤堆；溫度；自燃；倉儲周期

國家電投集團在內蒙古錫林郭勒白音華礦區擁有探明儲量為23.28億t、核準年產能力為2 900萬t的白音華褐煤，該公司利用自建的兩路一港 （白音華至赤峰鐵路331 km、赤峰至錦州鐵路296 km、錦州港煤碼頭）以及松山等儲運中心，向赤峰、大板、元寶山、朝陽燕山湖、錦州、阜新、清河電廠以及華東沿海部分電廠供應白音華褐煤，年供應量2 000萬t以上。

由于白音華褐煤煤化程度較低，露天煤場倉儲時受氣溫、風力、降水等因素影響較大，倉儲過程中存在較強的低溫氧化反應，易自燃、熱損大、粉塵多，露天倉儲的經濟性較低。

松山儲運中心是國家電投集團煤電路港產業鏈的重要物流節點設施，位于內蒙古赤峰市松山區，與赤峰至白音華鐵路連接，場內鐵路專用線可滿足整列火車 （45節）接卸，設計倉儲及中轉能力300萬t／a，儲煤場地長710 m、寬112 m，儲煤場地與卸煤平臺坡度為35°，卸煤平臺距鐵路軌道高度4 m。鐵路專用線從煤場中間通過，分為東部（背風側）和西部 （迎風側）煤場。松山儲運中心煤場見圖1。

由于赤峰與朝陽、錦州及阜新等地區氣候相似，選定松山儲運中心倉儲的白音華褐煤作為自燃規律和倉儲周期研究對象。進一步了解露天倉儲白音華褐煤的煤溫與氣溫、降水、風力等氣候條件的關系，掌握自燃規律，確定合理倉儲周期，為相關電廠提供控制煤炭自燃、減少熱損的管理經驗，提高倉儲經濟性。

圖1 松山儲運中心煤場

1 白音華褐煤主要特性及指標

白音華褐煤具有高揮發分、高水分、中灰分、低硫分、低熱值、低可磨性等特點［1］，煤質穩定，售價較低，是蒙東、遼寧及吉林等地區火電廠的設計煤種和校核煤種，華東沿海部分電廠也將其作為主要摻燒煤種。煤質主要參數見表1。

表1 白音華褐煤煤質主要參數

2 研究內容

2.1 煤溫測試

煤炭在自然堆積倉儲時，煤堆各部位的蓄熱條件不同，致使煤堆不同深度的煤溫不同，形成了煤堆氧化反應的冷卻層、氧化層和窒息層。由于煤堆在3 m左右氧氣濃度為5%，此處氧化反應強度較弱，是氧化反應的窒息層。為此利用3 m長測溫桿的熱電偶測試白音華褐煤倉儲溫度，結合煤炭氧化反應機理，分析白音華褐煤在不同倉儲條件下煤堆溫度與氣溫、降水、風力的關系，研究倉儲時水蒸氣析出 （冒氣）和自燃 （冒煙）規律，確定合理倉儲周期和方法。

2.2 確定測試深度及測試點

2015年1月，西部煤場55—57號柱區域倉儲白音華褐煤為4 000 t，設8個測試點，按不同深度依次測試煤溫 （1個測試點設14個深度，第1個測試深度為10 cm，第2個為20 cm，依次每增加20 cm為1個測試深度）。

通過測試，煤堆表面至50 cm區域煤溫平均值為20℃，由于煤堆表面與外界環境幾乎完全接觸，表明煤炭低溫氧化放出的熱量容易散發，不具備較好的蓄熱環境，此范圍處在氧化反應的冷卻層。隨著測試深度增加，煤堆內部溫度逐漸升高，表明煤堆內部氧氣供應條件及蓄熱環境越來越好，煤堆在140 cm、180 cm、200 cm和260 cm處的煤溫平均值分別為51℃、60℃、52℃和41℃。煤堆煤溫與深度的關系見圖2。

圖2 煤堆溫度與深度的關系

由圖2可以發現，煤溫較高值在180～220 cm區域，表明該區域氧化反應條件及蓄熱條件比較理想，此范圍處在氧化層。隨著測深繼續增加，煤溫逐漸下降，表明擴散和滲透到該區域的氧氣濃度較低，無法滿足氧化反應的供氧量，氧化反應強度減弱，此范圍處在氧化反應的窒息層。為此，將180～220 cm作為后續測試煤溫的深度范圍。綜合場地面積、煤堆數量、幾何體積以及測試人員安全等因素，以煤場東西防塵網立柱為基準點，東西各設100個測試點，以煤堆標高3 m和10 m處開展溫度測試。

3 煤炭低溫氧化反應及自燃機理

3.1 煤炭自燃條件

煤炭自燃是煤在低溫環境下發生氧化而產生大量熱量，并不斷積聚，使煤溫逐漸上升到著火點而自發燃燒的過程。煤炭自燃發生的必要條件是具有自然發火傾向性的煤以粉煤或碎煤堆積狀態存在，具有適宜的通風供氧條件和良好的蓄熱環境條件。上述條件在同一地點同時存在，且時間足夠長，煤炭將發生自燃。煤被空氣中的氧氣氧化是煤炭自燃的根本原因。煤中的碳、氫等元素在常溫下就會發生反應，生成可燃物CO、CH4及其它烷烴物質。煤的氧化反應是放熱過程，如果熱量不能及時散發掉，將使煤堆內部溫度逐漸升高，煤溫升高又加速了煤的氧化速度，放出更多的可燃物質和熱量。當熱量聚集、溫度上升到一定值時，就引起可燃物質燃燒［2］。

煤低溫氧化反應要經過潛伏期、自熱期和燃燒期3個階段［3］。潛伏期，煤的低溫氧化反應處于緩慢狀態，煤表面與空氣中的氧氣相互作用而在煤的表面形成過氧絡合物，生成的熱量以及煤的溫度變化較小。潛伏期后，被活化的煤炭能夠更快地吸收氧氣，煤氧化的速度加快，氧化產生的熱量大幅增加，如果不及時散發出去，煤堆溫度逐漸上升，當達到煤的自熱臨界溫度60～80℃時，煤的吸氧能力將快速加大，致使煤的氧化速度急劇上升，煤溫同步快速上升，生成可燃物CO、CO2、CH4及其他烷烴可燃物質，此階段為煤的自熱期。當煤溫達到著火溫度 （一般210～350℃）時，引發煤炭自燃，此時有煤煙和明火冒出，通常稱著火現象，即燃燒期［4］。

3.2 白音華褐煤自燃現象

由于煤在常溫下的氧化反應主要取決于揮發分含量，揮發分越高，自燃傾向性越強，長時間倉儲易自燃。由于白音華褐煤煤化程度較低，具有高揮發分 （Vdaf≥47%）、高水分 （Mt≥32%）、易風化碎裂、燃點低、易自燃等屬性［5－6］，白音華褐煤具有較強的自燃傾向性。

白音華褐煤露天倉儲，具備較好的通風供氧條件。由于倉儲的煤炭是粒煤和末煤混在一起，煤堆內部間隙較大，暴露陽光下，煤堆表面與空氣充分接觸，空氣通過間隙滲透到煤堆內部，給煤堆內部氧化創造了有利的供氧條件。

白音華褐煤露天倉儲數量多、體積龐大，具備較好的蓄熱條件，長時間倉儲煤堆氧化過程釋放大量熱量無法散發出去，熱量聚集致使煤堆內部溫度逐步上升，達到自燃著火條件時就發生自燃。

4 自燃規律及倉儲周期分析

4.1 煤堆溫度與氣溫測試

2015年，對東西部煤場200個固定點開展煤堆溫度測試，測試深度為180～220 cm，測試平均煤溫作為統計分析數據。最高氣溫出現在7月，平均最高氣溫達30.43℃；最低氣溫是12月上旬至次年2月上旬，平均最低溫度達－13.6℃。煤堆較高溫度出現在5—10月，平均48.1℃，8月上旬至9月上旬煤溫最高，達53.7℃；煤堆最低煤溫出現在12月至次年2月，平均11.15℃。數據表明，白音華褐煤倉儲煤溫與環境溫度密切相關，煤溫隨氣溫同步變化。夏季氣溫高，氧分子的平均動能增大，擴散和滲透能力增強，到達煤堆內部空隙的幾率增大；煤溫越高煤表面的活性分子數目越多，活潑程度越大，與氧結合的能力增強，氧化反應放出的熱量增大，致使煤堆溫度上升［7］。

4.2 冬季倉儲周期測試

2015年12月至次年2月，西部煤場55—57號柱區域自然堆積白音華褐煤4 000 t，選定8個測試點，測試深度為180～220 cm，測試平均煤溫作為統計分析數據。測試期間最低平均氣溫－12.37℃，最高平均氣溫－0.72℃。測試期間第1天煤溫為7℃；第80天煤溫開始緩慢上升；第81天煤溫上升至58℃，局部有水蒸氣析出現象；第86天煤溫上升至190℃，水蒸氣析出面積擴大并有冒煙現象；第87天煤溫上升至286℃，冒煙面積擴大并有明火出現。

4.3 春秋季背風側和迎風側倉儲周期測試

2016年4—5月，以自然堆積方式分別在東部煤場81—83號柱和西部煤場55—57號柱區域倉儲白音華褐煤各4 000 t，各選定8個測試點，測試深度為180～220 cm，平均煤溫作為統計分析數據。測試期最高平均氣溫22.12℃，最低平均氣溫9.31℃，11天有微量降雨，3天有零散降雪，刮風50天，以西北風為主，風力多為4～5級。

背風側煤堆倉儲第1天煤溫為10℃，51天后煤溫上升至55℃，煤堆有水蒸氣析出，57天后煤溫到達271℃出現自燃；迎風側煤堆倉儲第1天煤溫為10℃，43天后上升至57℃，有水蒸氣析出，47天后煤溫達到284℃出現自燃。測試中發現煤堆倉儲初期煤溫上升不明顯，表明煤的低溫氧化反應速度緩慢。測試數據表明，在相同倉儲條件下迎風側更容易自燃，主要原因是當地刮風時間多，以西北風為主，風力較大，迎風側煤堆受風吹的強度遠大于背風側，在煤堆表面形成風壓，致使大量空氣通過煤堆間隙滲透到內部，為煤堆發生氧化反應創造有利條件，加快了煤堆內部氧化反應速度。另外，西部煤場陽光直射時間大于東部，這是煤堆溫度升高、易自燃的原因之一。

4.4 夏季自然和壓實堆積倉儲周期測試

2016年 6—8月，西部煤場 55—57號柱和57—59號柱區域分別倉儲白音華褐煤各4 000 t，各設8個測試點，測試深度為180～220 cm，平均煤溫作為統計分析數據。

自然堆積倉儲測試期為37天，20天有降水，降水天氣占比為54%，最高平均氣溫25.9℃，最低平均氣溫14.5℃，23天風力3～4級，多為西南向和東北向。煤堆倉儲至第30天時，煤溫由倉儲時的21℃緩慢升至55℃，第37天煤溫升至280℃，煤堆局部冒煙并有明火出現。

壓實堆積倉儲測試期為68天，32天有降水，降水天氣占比為47%，最高平均氣溫28.5℃，最低平均氣溫16.4℃，刮風56天，風力3～4級，多為西南向和東北向。煤堆倉儲至第68天時，煤溫由倉儲時的21℃升至277℃，煤堆冒煙并有局部明火出現［8］。

5 倉儲自燃熱損測試分析

2016年4月20日，檢驗西部煤場55—57號柱區域煤堆倉儲30天后發熱量變化情況，采樣點采樣深度為50 cm、200 cm和300 cm，分析倉儲熱損情況。熱損檢驗指標見表2。

表2 熱損檢驗指標

通過檢驗，煤堆50 cm處，收到基水分由倉儲時的33.8%降至32.1%，收到基低位發熱量上升510 kJ／kg。由于煤的水分蒸發致使煤堆發熱量升高，表明煤堆表面至50 cm區域散熱條件較好，煤的氧化反應較弱。煤堆200 cm處，收到基水分由33.8%降至33.6%，干燥基全硫分由0.82%降至0.69%，收到基低位發熱量降低347 kJ／kg，表明該區域煤的氧化反應條件及蓄熱條件比較理想，煤中硫分降低也證明其參與了氧化反應。煤堆300 cm區域，收到基水分、灰分、發熱量等主要指標與倉儲初期變化不大，表明該區域煤的氧化反應強度較弱。

6 結論

a. 白音華褐煤露天倉儲，煤堆深度為180～220 cm區域內煤溫最高。自然堆積倉儲初期，煤堆內部煤溫緩慢升至自熱臨界溫度 （60～80℃）時，一般需要35～85天；倉儲后期，煤堆內部溫度上升速度加快，由自熱臨界溫度上升至著火溫度（260～280℃），一般不超過2天。

b. 白音華褐煤露天倉儲，自燃與氣溫、降水、風力等氣象條件密切相關。氣溫高、降水多、風力大，煤自燃機會增加，倉儲周期縮短。迎風側比背風側煤堆容易自燃，自然堆積比碾壓堆積煤堆容易自燃。

c. 白音華褐煤露天倉儲初期，煤的水分蒸發，發熱量上升；隨著倉儲時間延長，煤溫上升，熱損、發熱量下降。

［1］ 張振杰，王彥海.摻燒褐煤對350 MW機組煙煤鍋爐經濟性影響研究 ［J］.東北電力技術，2011，32 （3）：17－19.

［2］ 方文沐，杜慧敏，李天榮.燃料分析技術問答 ［M］.北京：中國電力出版社，2001：190－197.

［3］ 秦紅星.基于煤低溫氧化試驗下的標志氣體優選及應用方案 ［J］.煤炭科學技術， 2015， 43 （6）： 65－70.

［4］ 王光友，吳國光，張永建，等.煤堆自燃影響因素及防治［J］. 能源技術與管理， 2008， 33 （1）： 70－72.

［5］ 邢振中，劉 忠，冷 杰.超超臨界大型燃煤機組摻燒褐煤試驗研究 ［J］.東北電力技術，2012，33（7）：12－16.

［6］ 陳建國，翟德雙，天 罡，等.煙煤鍋爐摻改燒褐煤的研究與實踐 ［J］.東北電力技術，2017，38 （6）：41－44.

［7］ 呂昭雙.煤炭自燃機理的探討 ［J］.煤炭安全，1994，27（9）： 41－43.

［8］ 王 強，孟瑞艷.煤的自燃傾向性淺析 ［J］.能源技術與管理， 2009， 34 （2）： 84－85.

The Study on the Spontaneous Combustion Law and Storage Cycle of Baiyinhua Lignite Coal

ZHANG Shijin1， LIU Juan2，LIQingsheng3

（1.State Power Investment Corporation Logistics Co.， Ltd.， Beijing 100011， China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；3.Chifeng Baiyinhua Logistics Co.， Ltd.， Chifeng， Inner Mongolia 024001， China）

Baiyinhua Lignite Coal has the characteristics of high volatileness， highmoisture， low heat value and low gelatinization degree， etc.The outdoor storage of Baiyinhua Lignite Coal could easily cause spontaneous combustion， huge heat loss， more dustand other issues.Through the temperature testof the coal heap in different seasons and differentways of storage，this article analyzes the temperature change and the spontaneous combustion rule of Baiyinhua Lignite Coalby using low temperature oxidation reaction mechanism of lignite coal.This article also gives a reasonable period of outdoor storage which could providematuremanagement experience of the storage of Baiyinhua Lignite Coal to power plants.

baiyinhua lignite coal； outdoor storage area； coal heap； temperature； spontaneous combustion； storage period

TM621

A

1004－7913（2017）11－0040－04

張士金 （1963），男，學士，高級工程師，主要從事電力燃料管理工作。

2017－07－17）