宋明光　王群英　張雪芳　岳益鋒

【摘 要】介紹了煤炭自燃機(jī)理及自燃過(guò)程，針對(duì)其自燃特性總結(jié)了目前采用測(cè)溫法對(duì)燃煤火電企業(yè)儲(chǔ)煤場(chǎng)煤炭自燃隱患進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)警的技術(shù)類別。從煤炭自燃的影響因素出發(fā)分析了煤炭阻燃的機(jī)理，并從物理阻燃、堆煤管理、阻燃劑阻燃三個(gè)方面介紹了儲(chǔ)煤場(chǎng)煤炭的阻燃技術(shù)。對(duì)火電企業(yè)煤場(chǎng)的自燃防護(hù)在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】?jī)?chǔ)煤場(chǎng);煤炭自燃;煤場(chǎng)測(cè)溫;煤炭阻燃;阻燃劑

中圖分類號(hào)： F426.61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.102

0 引言

對(duì)于燃煤火電企業(yè)，煤的氧化自燃，不僅造成熱值大大降低，增加了機(jī)組的耗煤量，并且煤的自燃還會(huì)嚴(yán)重影響燃料輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并威脅到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的身心安全。因此防止煤場(chǎng)自燃對(duì)于火電企業(yè)的機(jī)組安全運(yùn)行而言是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。

1 煤自然機(jī)理及自燃過(guò)程

煤自燃過(guò)程是一個(gè)包括物理、化學(xué)作用的極其復(fù)雜的過(guò)程，其影響因素包括煤化程度、水分、粒度、硫鐵礦含量、氣溫氣壓等[1]。自燃機(jī)理目前主流上以煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)為主，其主要認(rèn)為是煤與氧的相互作用，即煤內(nèi)部的無(wú)機(jī)物或者有機(jī)物煤樣復(fù)合體在不同階段的相互作用，從而引發(fā)一系列的吸/放熱反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)自燃[2]。

2 煤場(chǎng)溫度檢測(cè)技術(shù)

對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)中存在自燃隱患的煤堆進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和及早發(fā)現(xiàn)，是儲(chǔ)煤場(chǎng)安全監(jiān)管的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

氧化自燃過(guò)程會(huì)造成表面溫度升高[3]，因此可采用測(cè)溫法對(duì)煤炭自燃隱患進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)警。早些年的實(shí)際工作中，多采用人工手持測(cè)溫桿進(jìn)行煤垛內(nèi)部溫度的測(cè)量，但人工方式存在著工作量大、效率低、測(cè)溫范圍小、遍及性差、可重復(fù)性低等諸多問(wèn)題，因此現(xiàn)階段也已經(jīng)淘汰。目前成功應(yīng)用于煤場(chǎng)溫度檢測(cè)的技術(shù)主要有溫度傳感器測(cè)溫法、光纖測(cè)溫技術(shù)及紅外測(cè)溫法。

2.1 溫度傳感器測(cè)溫法

溫度傳感器測(cè)溫法具有預(yù)測(cè)可靠、直觀的優(yōu)點(diǎn)，但是由于儲(chǔ)煤場(chǎng)煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)頻繁，無(wú)法在煤堆內(nèi)部布設(shè)溫度傳感器，該方法目前以圓形煤場(chǎng)應(yīng)用為主，沿?fù)趺簤Ψ謱硬贾靡欢〝?shù)量的溫度傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于圓形煤場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了以ZigBee技術(shù)構(gòu)建樹形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)煤溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

2.2 光纖測(cè)溫技術(shù)

已有不少學(xué)者通過(guò)在煤場(chǎng)放置分布式光纖溫度傳感器對(duì)煤場(chǎng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)于圓形煤場(chǎng)，光纖測(cè)溫裝置安裝在擋煤墻內(nèi)壁，沿?fù)趺簤Ω叨确较蚨鄬硬贾肹5]。該方法的缺點(diǎn)是光纖測(cè)溫技術(shù)也屬于接觸式測(cè)溫，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器布放，沿?fù)趺簭?qiáng)布置也存在容易損壞、不易更換等問(wèn)題[6]。

2.3 紅外測(cè)溫技術(shù)

紅外測(cè)溫技術(shù)是通過(guò)測(cè)量煤體表面發(fā)出的紅外輻射特性來(lái)分析和預(yù)測(cè)煤體溫度情況。劉晨耀[7]、裘叢杰[8]、王長(zhǎng)安[9]等研究了紅外熱像儀在煤場(chǎng)、煤層的溫度檢測(cè)及自燃隱患點(diǎn)探測(cè)方面的應(yīng)用，驗(yàn)證了紅外熱像儀在煤堆自然預(yù)防方面的可行性。

由于紅外測(cè)溫屬于非接觸式測(cè)溫，被測(cè)煤垛和紅外測(cè)溫裝置之間存在一定的測(cè)量距離，測(cè)溫精度易受到測(cè)量距離內(nèi)大氣輻射傳輸?shù)挠绊?。為了使紅外熱像儀輸出的測(cè)溫精度符合用戶的需求，大連海事大學(xué)的季園園[10]研究了影響紅外熱像儀測(cè)溫精度的因素，論述了溫度校正模型等。谷紅偉[11]針對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)露天煤垛堆放特點(diǎn)和檢測(cè)要求，綜合考慮大氣輻射傳輸效應(yīng)、煤垛反射輻射效應(yīng)與紅外成像系統(tǒng)空間效應(yīng)的溫度校正方法。

目前，紅外測(cè)溫裝置根據(jù)不同的煤場(chǎng)類型可安裝在堆取料機(jī)中心柱頂端或者料臂上、封閉煤場(chǎng)頂部鋼結(jié)構(gòu)上以及安裝在露天煤場(chǎng)外圈加裝的立桿上，結(jié)合導(dǎo)軌及云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部區(qū)域的掃描[12]。近些年，無(wú)人機(jī)搭載紅外測(cè)溫裝置的技術(shù)也被成功開發(fā)，大大提高了紅外測(cè)溫的適用性[13]。

3 燃煤阻燃技術(shù)

基于煤炭發(fā)生低溫氧化過(guò)程的基本要素，煤堆的阻燃主要從降低煤的低溫氧化反應(yīng)特性、減少或隔絕氧氣供給、改變散熱條件、降低溫度等方面采取相應(yīng)措施。可分為物理阻燃技術(shù)、堆煤管理阻燃技術(shù)以及阻燃劑阻燃技術(shù)。

3.1 物理阻燃技術(shù)

物理阻燃技術(shù)主要是采用一些物理手段來(lái)減少和隔絕氧氣或者降低堆煤溫度。

采用水噴淋方法可以直接降低煤堆溫度，并提高煤堆的表觀比熱容。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單、成本低，但該方法只能具有短暫效果，因?yàn)樗挚赡軐?duì)低溫氧化起到催化和促進(jìn)作用。煤堆壓實(shí)，可以降低煤堆內(nèi)部的孔隙率，減少空氣的滲透，從而減弱低溫氧化過(guò)程;采用風(fēng)障及小傾角堆煤方式來(lái)改變煤堆表面氧氣供給的邊界條件，通過(guò)降低煤堆表面的風(fēng)壓減小氧氣進(jìn)入煤堆的速率。此外還可以在煤堆表面采用水灰漿覆蓋，可以限制氧氣與煤堆表面的接觸，但該方法煤堆用于爐膛燃燒時(shí)由于水灰漿的不可燃性，降低了燃料的燃燒熱值。

3.2 堆煤管理阻燃技術(shù)

在火電企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行中，煤堆管理也是阻燃環(huán)節(jié)的一個(gè)重要方面。不同煤場(chǎng)類型，不同燃料來(lái)源以及不同的摻燒條件對(duì)于煤場(chǎng)管理均有不同的要求?？傮w而言，可預(yù)防或者降低煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn)的管理措施有：

（1）控制存煤周轉(zhuǎn)時(shí)間，避免長(zhǎng)時(shí)間堆放;

（2）對(duì)于不同的燃煤、不同時(shí)間的燃煤分區(qū)堆放，盡量壓實(shí);

（3）對(duì)于高水分、高硫份等易自燃煤種應(yīng)單獨(dú)存放，優(yōu)先燃燒，并采用大跨度、低堆高的堆煤方式，以促進(jìn)水分的自然蒸發(fā)。

國(guó)華電力研究院的李樹軍[14]結(jié)合國(guó)華盤電公司煤場(chǎng)的燃料結(jié)構(gòu)，采用了分堆存放、層層碾壓、用舊存新的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了有效控制煤場(chǎng)熱值損失的管控目標(biāo)。

3.3 阻燃劑阻燃技術(shù)

在諸多類型的阻燃劑中，鹵鹽等吸水性鹽類阻化劑一般添加量較大（濃度高于20%），會(huì)顯著降低燃料熱值;銨鹽類阻化劑、氣溶膠阻化劑等失效溫度較低且會(huì)放出有害氣體氣體危害工作人員健康;Ca（OH）2阻燃劑會(huì)腐蝕設(shè)備，抗氧化阻燃劑、酸性阻燃劑阻化效率低，離子液體阻燃劑成本過(guò)高。因此目前研究多集中在有機(jī)高聚物阻燃劑以及無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合阻燃劑。

高聚物阻燃劑的可選范圍較多，目前已有聚乙酸乙烯酯乳液[15]、FR-1泡沫阻燃劑[16]、聚磷酸銨[17]、聚丙烯酸酯[18]等多種高聚物均被用于煤炭阻燃，因?yàn)槟茉诿后w表面形成薄膜阻斷空氣的接觸，因此具有較好的阻燃效果。

無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合阻燃劑因?yàn)榧婢邿o(wú)機(jī)阻燃劑及高聚物阻燃劑的特點(diǎn)也被諸多研究者所關(guān)注。于水軍等[20]研究了MgCl2-抗氧劑A復(fù)合阻化劑的阻化效果，司書芳等[21]以阻燃劑A、表面活性劑AEC和CaCl2合成了新型復(fù)合阻化劑。

但目前多數(shù)阻燃劑的研發(fā)與使用針對(duì)的煤礦的自燃防火，針對(duì)火電企業(yè)儲(chǔ)煤場(chǎng)自燃防火阻燃劑多以實(shí)驗(yàn)室研發(fā)為主，應(yīng)用較少。據(jù)廣東省科學(xué)技術(shù)廳報(bào)道廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司研制了一種高效、廉價(jià)、環(huán)境友好的新型有機(jī)阻燃劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤堆低溫氧化和自燃抑制，相關(guān)研究成果在廣東珠海金灣發(fā)電有限公司成功應(yīng)用，可減少熱值損耗2.45%。

4 結(jié)語(yǔ)

隨時(shí)掌握整個(gè)儲(chǔ)煤場(chǎng)煤垛的溫度狀態(tài)、準(zhǔn)確及時(shí)對(duì)煤自然隱患進(jìn)行預(yù)報(bào)并采取有效的自燃防止措施是現(xiàn)代化儲(chǔ)煤場(chǎng)安全管理不可缺少的重要內(nèi)容。

如何消除紅外測(cè)溫各復(fù)雜因素的干擾，并以煤氧化動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于傳熱、傳質(zhì)及燃燒理論的煤堆自燃過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出準(zhǔn)確的煤堆自燃預(yù)報(bào)新技術(shù)，同時(shí)研制出能夠適用于火電企業(yè)的儲(chǔ)煤場(chǎng)環(huán)境且阻燃效果好的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合型阻燃劑是煤場(chǎng)防自燃技術(shù)的重要發(fā)展方向。

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