曾　彬，秦　嶺，張　磊，陸　超，汪后港，李小江，王嘉瑞(華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030)

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褐煤存儲管理及損耗試驗研究*

曾彬，秦嶺，張磊，陸超，汪后港，李小江，王嘉瑞
(華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030)

摘要:為了解褐煤在存儲過程中的煤質(zhì)及溫度變化規(guī)律，優(yōu)化褐煤的存儲管理，對云南區(qū)域某種常見褐煤進行現(xiàn)場存儲試驗。通過現(xiàn)場進行煤堆組堆，預(yù)埋熱電偶監(jiān)測試驗煤堆溫度變化規(guī)律，得出了試驗煤堆溫度變化與存儲時間呈指數(shù)函數(shù)的變化趨勢，分析了煤堆易發(fā)生自燃部位以及自燃的原因，提出了具體的防治措施和處理方法。通過對試驗煤堆按照標準方法進行采制樣及化驗，分析了試驗煤種在存儲過程中的主要煤質(zhì)指標變化，得出了試驗煤種的煤質(zhì)指標隨存儲時間的變化規(guī)律，并擬合出試驗煤堆煤質(zhì)隨存儲時間變化的回歸公式。通過結(jié)合褐煤存儲過程中的煤質(zhì)變化及試驗煤種市場價格，分析了不同存儲時間的煤炭價值損失，為該試驗煤種如何進行經(jīng)濟性存煤提供了數(shù)據(jù)參考，研究將對煤炭的存儲管理起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞:褐煤;存儲;溫度;經(jīng)濟性

0　引言

煤炭是中國主要的消耗能源，在中國日常的經(jīng)濟生產(chǎn)中起著非常重要的作用［1］，隨著高品質(zhì)煤炭資源含量減少，褐煤資源高效利用越來越受到重視［2］。中國褐煤資源豐富，已探明儲量達1 300多億t，占全國煤炭儲量的13%左右［3］。褐煤主要分布于內(nèi)蒙古東部、黑龍江東部和云南東部，東北和內(nèi)蒙古東部地區(qū)褐煤資源量約占該地區(qū)煤炭資源量的70%以上，褐煤在中國煤炭生產(chǎn)中的比例將不斷提高［4］。煤炭儲存是選煤廠必不可少的中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)，起到緩沖、生產(chǎn)保障作用［5］。就褐煤作為火力發(fā)電廠燃煤使用來說，燃煤進廠后，部分燃煤通常要在煤場儲存一段時間才會入爐燃燒。煤場儲存的煤量通常根據(jù)燃料供應(yīng)市場形勢、季節(jié)特點、機組每天燃煤數(shù)量等因素決定，存煤太少有因缺煤停機的危險，存煤太多則會增加煤的損失。但由于褐煤成煤時間短，煤化程度低，熱穩(wěn)定性差，風干時易爆裂成碎煤，在儲存過程中易因氧化而發(fā)熱、自燃導(dǎo)致煤質(zhì)下降［6］。因而，如何保證褐煤存儲過程中煤質(zhì)損耗最低，管理效益的最大化需要做相關(guān)方面的研究。

褐煤的存儲管理主要是做好防自燃的工作，要以預(yù)防為主，采取防治結(jié)合的治理辦法。主要措施是減少煤炭與空氣、水分的接觸，定期測溫，防止熱量堆積。低溫氧化是煤堆自燃的內(nèi)部原因，煤堆的外部條件如煤堆傾角、外部通風條件等也起相當大的作用，在空氣循環(huán)的2種極端情況下煤堆是安全的:一是無循環(huán);二是大量循環(huán)［7］。在實際情況下不可能出現(xiàn)這種極限情況，但可以采取一些措施使煤堆內(nèi)的空氣向這2個方向靠近。如通過將煤堆壓實來限制空氣循環(huán)，使得煤發(fā)生低溫氧化的機會減少;通過加強通風，使得煤堆的散熱條件好，使得煤堆發(fā)生低溫氧化放出的熱量及時散發(fā)出去，不在煤堆內(nèi)部聚集，從而降低自燃的趨勢。而通過將煤堆壓實來限制空氣循環(huán)比加強通風來防止煤堆發(fā)火更加有效。

然而，電廠存煤的管理主要依據(jù)電廠工作人員在工作中的管理經(jīng)驗，并未實現(xiàn)煤場管理效益的最大化。而對煤場存煤在煤質(zhì)、煤量等各項指標的變化情況很少有單位進行系統(tǒng)的研究，盡管吉林電科院的李春艷以及內(nèi)蒙古京隆發(fā)電公司的梁滿倉等［8］一些單位對褐煤的存放進行了相關(guān)的模擬試驗研究，但從這些單位和個人的研究情況來看，研究內(nèi)容不夠全面，只是在一些大指標(如發(fā)熱量等)上進行了一些研究，不能很好的從理論上支持和獲得煤炭在存儲和應(yīng)用過程中的變化規(guī)律，且沒有將存煤的煤質(zhì)變化對電廠的經(jīng)濟效益影響結(jié)合一起進行綜合分析。

文中對云南區(qū)域某種褐煤進行了存儲試驗，通過測定試驗場所環(huán)境的變化、煤堆升溫情況以及煤堆在儲存過程中的煤質(zhì)變化，對試驗煤種在不同存放期的主要煤質(zhì)指標變化進行了分析，對試驗煤種的存儲安全性進行了評價，對試驗煤種如何實現(xiàn)經(jīng)濟性存儲提出了相關(guān)建議。通過對存煤損耗的研究，獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)支持，結(jié)合各種經(jīng)濟影響因素，不僅可實現(xiàn)對電廠目前存煤方式的優(yōu)化，而且通過結(jié)合電廠從煤炭采購到應(yīng)用的整個過程進行系統(tǒng)的優(yōu)化。

1　試驗部分

1. 1試驗煤種煤質(zhì)分析及自燃傾向性

選取剛開采出來的試驗煤種，用汽車運輸?shù)姆绞綄⒃囼炗妹哼\往試驗場地，卸車前按照GB/ T19494－2004［9－10］完成試驗煤種進行采制樣工作，并化驗得出該試驗煤種的各項煤質(zhì)指標，見表1．

表1　試驗煤種煤質(zhì)指標Tab．1 Coal quality indicators

根據(jù)GB/T20104－2006《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》［11］對試驗煤種的傾向性指標進行測定，以每克干煤在常溫(30℃)、常壓(1. 013 3× 105Pa)下測定試驗煤種的吸氧量為0. 80 ml/g，屬于Ⅰ類容易自燃的煤。

采用PYRIS型TGA熱分析儀對試驗煤種的燃燒特性進行了分析。從TG曲線可以看出，0～80 ℃TG失重曲線先下降后保持平穩(wěn)，觀察DTG曲線此溫度階段先升高后降低，表明此溫度階段煤樣對周圍環(huán)境產(chǎn)生吸附作用，與氧氣發(fā)生氧化復(fù)合反應(yīng)。隨著溫度升高，水分析出，TG失重曲線下降，隨著溫度繼續(xù)升高，揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段，當溫度達到305℃時試驗煤種達到著火點，開始進入燃燒階段。存放30 d煤樣在0～80℃TG失重曲線較存放60 d煤樣TG失重曲線平緩，存放60 d煤樣水分析出量較存放30 d水分析出量小，表明此溫度階段隨著煤樣堆放時間加長，水分損失導(dǎo)致析出量減小。另從圖中可以看出，隨著煤樣堆放時間加長，TG曲線向右偏移，煤樣反應(yīng)著火溫度升高，不易燃燒。觀察升溫氧化失重量，發(fā)現(xiàn)存放60 d煤樣失重量較存放30 d煤樣失重量少，表明隨著存放時間加長，灰分增加，可燃物質(zhì)減少。

圖1　試驗煤種不同存儲時間的TG曲線Fig．1　TG curve of the coal during the test

1. 2試驗用煤的堆放

試驗用煤于干煤棚內(nèi)堆放，對選取的試驗場地進行清理平整，確保試驗場地沒有陳舊煤的存在。試驗煤堆的堆放形狀如圖2所示。煤堆四面梯形，組成底部約為20 m×20 m，按自然堆積角(約60°)堆放，高度6 m，頂部平整。試驗用煤煤量大約為1 000 t．

煤炭在自然堆積的狀況下，一般可以分為3 層:冷卻層、氧化層和窒息層。冷卻層，煤堆表面開始至1. 5 m左右。雖與氧氣充分接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，但位于表層，散熱條件非常好，一般來講，不容易引起自燃。氧化層位于冷卻層以下1～4 m之間，自燃的條件全部具備，一旦達到煤的自然發(fā)火期，立即發(fā)生自燃。窒息層位于氧化層以下，該層煤炭之間間隙較小，供氧量較小，氧化反應(yīng)不充分，一般不會發(fā)生自燃［12］。設(shè)計如圖2所示的試驗煤堆堆放形狀，可監(jiān)測煤堆不同層面深度的溫度變化，充分了解3種層面下煤堆溫度隨存儲時間的變化規(guī)律。此外，煤堆形狀的設(shè)計考慮了采樣的便利性，可在煤堆的四面及頂部完成采樣工作。

1. 3試驗場地環(huán)境情況及煤堆溫度測試

每天4個班組，每間隔6小時對試驗場所的溫濕度及煤堆4個面、煤堆頂部的風向及風速進行測試，并進行數(shù)據(jù)的記錄。

測溫點布置圖如圖3所示，將煤堆設(shè)為1. 0，2. 5，5. 0 m 3個層面高度，在煤堆各層面四角(設(shè)為東南、東北、西南、西北)以及東、南、西、北各面與每層面的中心點、煤堆頂部中心部位，按0. 2，1. 5，5. 0 m不同深度預(yù)埋熱電偶進行溫度測定，每天對試驗煤堆進行溫度測定。

1. 4試驗煤堆采制化方法

按GB475－2008的采樣要求進行采樣點的布置［13］。初次采樣完成后，對采樣點進行標記，下一次的采樣點位置應(yīng)位于上一次采樣點的附近，但2次采樣點不能重復(fù)，采樣坑及時覆蓋。每次采樣時，分別采集表層煤樣(深度0. 2 m)、下層(深度1. 0～2. 0 m)的子樣，按深度將采集的子樣合并成一個分樣。采集完的煤樣，按GB474－2008的要求當天完成制樣工作［14］。首先應(yīng)進行全水分煤樣的制取，后制取一般分析煤樣。煤樣的制備和化驗嚴格按照按相關(guān)的國家或電力行業(yè)標準執(zhí)行。粒度試驗煤樣單獨采取，使用方孔篩進行粒度S的篩分試驗，分別測出S＜3 mm，3≤S＜6 mm，6≤S＜13 mm，13≤S＜25 mm，25≤S＜50 mm，S≥50 mm的煤樣占樣品總量的百分率。

圖2　試驗用煤組堆形狀圖Fig．2　Shapes of the coal storage pile

圖3　測溫點布置圖(東面及東南角)Fig．3 Layout drawing of temperature measurement point

2　試驗結(jié)果及分析

2. 1試驗場地環(huán)境情況

試驗期間天氣基本處于多云或晴的狀況。大氣溫度平均14. 2℃;濕度平均65. 7% RH．表2為測定的試驗煤堆不同位置的風向及風速情況，通過對試驗周期內(nèi)煤場風向情況的統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)，試驗煤堆在有風的情況下主要受到南邊方向和北邊方向吹過來的風的影響。試驗煤堆所受“南風+東南風+西南風”的比例平均占39%，“北風+東北風+西北風”的比例平均占39%，這主要是試驗煤堆的北面和南面無高大的建筑物阻擋，空氣的流動主要是南北方向。此外，從表中可以發(fā)現(xiàn)，試驗煤堆頂部的平均風速最大，其余各面的平均風速為人工在煤堆底部測定的結(jié)果，相對煤堆頂部的風速情況，煤堆底部的平均風速較小。

表2　試驗煤堆不同方位的風向和風速情況Tab．2 Wind speed and direction of the coal storage pile at different azimuth

2. 2煤堆溫度變化情況

通過對試驗煤堆各測溫的溫度變化進行監(jiān)測，其中煤堆有24(共計55)個測溫點的溫度在試驗周期內(nèi)超過70℃，溫度最高達到了88. 7℃．其余大部分測溫點溫度均在50℃以下，且溫度上升幅度不大。對在試驗周期內(nèi)溫度超過70℃的測溫點進行分析發(fā)現(xiàn)，這些測溫點主要位于煤堆中上部(2. 5 m層面以及5. 0 m層面)及煤堆南北方位。其可能的原因是試驗煤堆所處位置為南北風向通道口，且煤堆上部的平均風速較大，導(dǎo)致煤堆中上部的煤風化程度大，使得煤炭的機械強度降低，粒度減小，致使煤堆的氧化速度加快，溫度升高。

圖4為溫度超過70℃的西南測溫點溫度變化與堆放時間的變化關(guān)系圖。通過對測溫點的溫度進行數(shù)據(jù)擬合分析發(fā)現(xiàn)，溫度變化與堆放時間呈指數(shù)函數(shù)的變化關(guān)系，見表3．煤堆堆放時間在30 d內(nèi)時的溫度上升速率較大，超過30 d后溫度上升幅度較小。其余測溫點的溫度變化趨勢與圖1基本一致。

圖5不同深度測溫點溫度變化情況，從圖中可以看出，煤堆內(nèi)部5. 0 m處溫度最高，這是由于煤堆內(nèi)部氧化放熱產(chǎn)生的熱量小于向外界散失的熱量，由于煤自燃氧化放熱效應(yīng)，熱量在煤堆內(nèi)部逐漸蓄積，內(nèi)部溫度開始緩慢升高。此外，煤堆各層溫度均要比環(huán)境溫度高，溫度較高的測溫點高出環(huán)境溫度50～60℃(試驗周期內(nèi)環(huán)境溫度低于20 ℃)，由此也說明了煤堆深層的溫度變化與環(huán)境不存在相關(guān)性。

圖6為各測溫面深度為0. 2 m測溫點的溫度變化與堆放時間的關(guān)系圖。從圖中可以看出，4個表層測溫點的溫度均高于環(huán)境溫度，這是由于煤堆作為松散煤體，由于導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度對熱量傳遞的影響，煤堆內(nèi)部的熱量會逐漸傳到表層隨著堆煤時間的增長，煤堆深處的氧化放熱過程逐漸增強，當傳遞到煤堆表面的熱流密度大于煤堆表面散熱的熱流密度時，煤堆表層開始升溫。但從圖中發(fā)現(xiàn)，東－1. 0－0. 2，南－1. 0－0. 2的測溫點的溫度是逐漸降低的，說明此處的煤與環(huán)境溫度的熱交換大于從內(nèi)部提供的熱量，由此說明了煤堆表層的溫度變化與環(huán)境是存在一定相關(guān)性的。

圖4　試驗煤堆某一區(qū)域溫度變化情況Fig．4 Temperature change of the coal storage pile in particular region

圖5　試驗煤堆不同深度溫度變化情況Fig．5 Temperature change of the coal storage at various depths

表3　試驗煤堆溫度變化與堆放時間的函數(shù)關(guān)系Tab．3 Functional relationship between temperature and testing time of the coal storage pile

圖6　試驗煤堆表層溫度變化情況Fig．6 Surface temperature change of the coal storage pile

2. 3試驗煤堆煤質(zhì)變化情況

2．3．1試驗煤堆粒度變化情況

從圖7中可以看出，試驗煤堆的較大顆粒煤樣隨著與堆放時間呈負相關(guān)性，而較小顆粒的煤樣與堆放時間呈正相關(guān)性，且大顆粒的煤塊(粒度＞50 mm)含量降低最為明顯，大顆粒煤樣所占百分率減少的同時，小顆粒煤樣的百分率相應(yīng)的增大。試驗煤堆平均粒度呈減小趨勢。

2．3．2煤堆全水分變化情況

試驗煤堆全水Mt隨堆放時間的變化趨勢如圖8所示，從圖中可以看出，隨著存儲時間的延長，煤堆表層和下層的全水Mt發(fā)生了較大幅度減小。煤堆表層全水含量均比下層全水含量小，表明表層與空氣接觸，受外界環(huán)境影響較大，減少量較下層大。但是表層全水下降趨勢較下層弱，斜率稍小。通過體積、質(zhì)量加權(quán)平均可求出試驗煤堆全水分隨堆放時間的變化關(guān)系式

Mt(x) =－0．082x +50．8．

圖7　試驗煤堆粒度隨堆放時間變化Fig．7　Particle size of the coal storage pile varying with time

圖8　試驗煤堆Mt隨堆放時間的變化趨勢Fig．8　Mtof the coal storage pile varying with time

2．3．3煤堆熱值變化情況

圖9為煤堆干基熱值隨堆放時間的變化趨勢，圖10為不同層面下，煤堆熱值隨深度的變化趨勢。

從圖9可以看出，煤堆在存儲的初始階段，熱值變化較小，但隨著存儲時間的延長，煤堆熱值降低加劇，這是由于煤堆粒度減小、氧化速度加快等一系列的因素綜合影響所致，煤堆內(nèi)部溫度升高是其主要的客觀原因，試驗煤種自身的揮發(fā)分高則是其內(nèi)在因素。從圖10中可以看出，煤堆內(nèi)部熱值較外層高，由此說明，雖然煤堆內(nèi)部溫度高，但氧化較外層慢，氧氣不易滲透到煤堆內(nèi)部。

通過對圖9及圖10擬合出的函數(shù)關(guān)系式，可求出試驗煤堆熱值隨堆放時間的變化關(guān)系式

Qgr．d(x) =－12．168x +17 755，

Qnet．a(chǎn)r(x) =－0．009 92x2+9．66x +7 309．

圖9　試驗煤堆Qgr，d隨堆放時間的變化趨勢Fig．9　Qgr，dof the coal storage pile varying with time

圖10　試驗煤堆Qgr，d隨深度的變化趨勢Fig．10　Qgr，dof the coal storage pile varying with depth

2. 4煤炭存儲經(jīng)濟性分析

試驗用煤進廠時驗收值，Qnet，ar為7 309 J/g，Mt為50. 8%，根據(jù)該煤種市場價格以收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar1 800大卡(即7 534. 8 J/g)為基準價格，73元/t，每變化100大卡(418. 6 J/g)價格相應(yīng)變化6元。由此可知進廠時該試驗煤堆價格為73(單價) +39(運費) =112元/t，試驗煤堆按1 000 t計，該試驗煤堆組堆時總價為108 874元。

假設(shè)煤堆質(zhì)量變化主要由煤堆水分蒸發(fā)以及灰分升高引起，堆水分蒸發(fā)以及灰分升高引起，通過現(xiàn)場試驗得出試驗煤種全水分與存儲時間的關(guān)系式為Mt(x) =－0．081 5x + 50．8，干基灰分與堆放時間的關(guān)系式Ad(x) = 0．007 3x + 29．7可計算出煤堆質(zhì)量與堆放時間的關(guān)系式為

試驗煤堆在試驗周期內(nèi)收到基熱值與堆放時間符合Qnet，ar(x) =－0. 009 92x2+ 9. 66x + 7 309的函數(shù)關(guān)系式，結(jié)合煤堆質(zhì)量與堆放時間的關(guān)系式M(x)，可求出不同存儲時間的煤堆總熱量情況

Q總(x) = Qnet．a(chǎn)r(x)×M(x)．

試驗煤堆不同存儲時間的價值損失見表4．煤炭在堆放過程中存在了價值損失，也就是說，只有當煤炭市場單價在儲存時間內(nèi)上漲(上漲價格=價值損失值/進廠煤量)才能保證不會造成價格虧損。

表4　試驗煤堆不同存儲時間的價值損失Tab．4 Value loss of different storage time

3　結(jié)論

1)通過對試驗煤堆在試驗周期內(nèi)的溫度變化情況進行數(shù)據(jù)的擬合，試驗煤種溫度變化與堆放時間呈指數(shù)函數(shù)(y = axb，x為煤堆堆放時間)的變化關(guān)系;盡管試驗煤堆溫度持續(xù)升高區(qū)域主要集中于煤堆中上部，其原因除了與煤堆中上部風速較大，空氣流動性強有關(guān)外，煤堆在組堆過程中由于粒度離析，煤堆下部空隙較大，空氣從下部進入煤堆內(nèi)部，熱量被帶入中上部聚集，使溫度上升。在儲煤的過程中，可對煤堆下部或整個煤堆進行覆蓋處理，以限制空氣的滲透。

2)煤炭存儲過程中煤質(zhì)的變化導(dǎo)致了存煤價值的變化，煤炭存儲的經(jīng)濟性需結(jié)合存儲管理成本、存儲損耗及煤炭市場價格等多方面的因素進行考慮。

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［14］GB 474－2008，煤樣的制備方法［S］．GB 474－2008，Method for preparation of coal sample ［S］．

Research on coal storage loss test and management

ZENG Bin，QIN Ling，ZHANG Lei，LU Chao，WAGN Hou-gang，LI Xiao-jiang，WANG Jia-rui
(Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China)

Abstract:A field testing are carried out for a kind of lignite of Yunnan Province in order to obtain the change of coal quality index and temperature during the test，and optimize the coal storage management．The position and reasons of spontaneous combustion are analyzed，it is found that the coal temperature varies exponentially with time，and concrete countermeasures and precautions are suggested．The change of coal quality index during the test are analyzed．According to the interrelated property of coal quality index and time we have reached several relevant linear regression equations．The economy of the lignite storage are evaluated and relevant proposals for the lignite storage are put forward．The research will play a certain role in the coal storage management

Key words:lignite; storage; temperature; economy

通訊作者:曾彬(1986－)，男，湖南新化人，碩士，工程師，E-mail: 315049847@ qq．com

*收稿日期:2015－10－20責任編輯:劉潔

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0211

文章編號:1672－9315(2016) 02－0213－07

中圖分類號:TD 984

文獻標志碼:A