燃煤电厂储煤自燃倾向特性试验研究

张磊，秦岭，包军，陈剑，李小江（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

燃煤电厂储煤自燃倾向特性试验研究

张磊，秦岭，包军，陈剑，李小江
（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

为了解燃煤电厂煤炭的自燃倾向特性，通过试验研究了3种褐煤、3种烟煤、3种无烟煤的氧化温升特性，试验结果表明：褐煤氧化温升速率最快，烟煤次之，无烟煤最慢。并现场开展了褐煤存储试验研究，发现随着堆放时间的增加，煤堆温度前期升温较快，后期升温缓慢，干基高位热值呈线性减小趋势。

燃煤电厂；煤炭；自燃倾向特性；现场试验；温升速率

0 引言

煤炭自燃是煤炭开采、存储过程中的主要灾害之一，而煤炭低温氧化是自燃的必经阶段。目前已有的研究主要采用活化能[1]、参比氧化法[2]、红外分析法[3]等手段研究煤自身属性对自燃的影响，但是试验条件较煤场储煤实际堆放条件差别较大。苏攀[4]等人通过煤场试验研究了煤炭自燃氧化特性，但是试验周期长、费用高。靳玉萍[5]等人利用偏微分方程数值解法，对煤自燃进行了数值模拟分析，模拟结果与试验结果相符合。

对火力发电企业而言，煤炭在存储过程中氧化自燃给电厂造成一定经济损失，研究燃煤电厂储煤自燃倾向特性十分必要。此文设计一套煤自燃氧化温升特性测定装置及系统，能够较为真实地模拟煤炭真实堆积条件测定煤炭自燃倾向特性，为判定煤炭自燃及其动态发展变化的过程提供理论依据，并通过现场试验研究，指导煤炭存储，防止煤炭自燃的发生。

1 试验煤样及装置

1.1 试验煤样

选取褐煤、烟煤、无烟煤各3种，按照G B 475商品煤样人工采取方法[6]的规定在煤场采取煤样。按照G B474煤样的制备方法[7]制备煤样，将原煤样制备成标称最大粒度为6mm，经二分器缩分出两份2.5k g左右的煤样，一份煤样按照正常程序制成一般分析试验煤样，另一份煤样以备氧化升温试验，其余煤样密封后放置合适位置存放。9种煤样的煤质数据见表1。

从表1中可以看出，3种褐煤水分、挥发分含量较高，固定碳含量较低，热值也较低，3种无烟煤水分、挥发分含量较低，固定碳含量、硫含量较高，热值也较高，3种烟煤的工业分析等参数在褐煤与无烟煤之间。相同煤种不同煤样之间也存在差异，可见开展不同煤种、不同煤样的自燃倾向特性研究十分必要。

1.2 试验装置

试验测试系统主要由气瓶、气体预热铜管、煤样反应器、铂电阻温度计、恒温箱、数据采集器、计算机等部分组成，具体如图1所示。

试验装置能较为真实地模拟煤场储煤状况，试验煤样为原煤，煤样标称最大粒度为6mm，煤样湿度与真实煤堆相近，煤样反应器内设有增压装置，模拟煤堆真实堆积压力。

表1 试验煤样煤质数据

图1 煤自燃倾向性试验装置1-氮气瓶2-空气瓶3、4-减压阀5、6-气体开关阀7、8-质量流量计9-三通阀10、13-硅胶管11-恒温箱12-气体预热铜管14-煤样反应器15、16-铂电阻温度计17-数据采集器18-计算机

2 煤样温升速率的测定

将制备好的煤样装入煤样反应器中，连接好气路，检查气路气密性，首先通入氮气，将煤样中空气排空，然后设定恒温箱以2℃/min升温速率升温，待煤样反应器中煤样温度升至69℃时，且煤样中心温度与对应恒温箱中心温度温差小于0.1℃时，打开空气阀，通入空气，流量为50ml/min，同时打开数据采集装置采集数据。

气体经预热铜管预热，确保送入煤样反应器中的气体温度与控温箱环境温度接近，煤样由自身氧化导致温度升高，设定恒温箱升温程序，跟踪煤样温度但不高于煤样温度，确保煤样是由自身氧化导致的升温，数据采集装置按2次/min的频率采集煤样中心点温度及对应恒温箱温度，待煤样中心温度升至71℃时，试验结束，保存数据并处理。

9种煤样从69℃升温至71℃所用时间及煤样此温度段的温升速率见表2，从表中可以看出，3种褐煤升温2℃所需时间最短，升温速率最快，3种烟煤次之，3种无烟煤升温所需时间最长，升温速率最慢。

表2 煤样温升速率

煤样升温速率的快慢可以看作是由于煤炭自身发生一定的物理化学反应，煤炭氧化产生大量的热，热量的积聚使煤体温度持续上升[8]。煤样成煤时间、煤化程度、堆积密度、热稳定性、水分含量、挥发分含量、外界环境等均对煤样温升速率有影响。由于褐煤堆积密度小，存在大量的微小孔隙，这些孔隙对物理吸附起到重要作用，增加了煤与氧气接触的表面积。另外，水分对煤炭自燃氧化既有促进作用，也有抑制作用。所以煤炭在存储过程中，为防止煤炭自燃氧化，煤体的含水量要保持在较高的程度[9]。

3 现场试验与结果

现场试验煤种为褐煤，试验煤堆的堆放形状如图2所示。对试验场地进行清理平整，确保试验场地没有陈旧煤。为排除天气下雨等原因对试验的影响，将煤堆置于干煤棚内，煤样最大标称粒度小于100mm。煤堆四面梯形，组成底部约为20m×20m，按自然堆积角（约60度）堆放，高度6m，顶部平整。

按G B475的采样要求进行采样点的布置。初次采样完成后，对采样点进行标记，下一次的采样点位置位于上一次采样点的附近，但两次采样点不能重复，采样坑及时覆盖，将采集的子样合并成一个总样。采集完的样品立即密封保存，当天完成制样工作，煤样的制备、化验应严格按照按相关的国家或电力行业标准执行。

3.1 煤堆温度变化

煤堆温度变化如图3所示，煤堆堆放时间在30天内时的温度上升速率较大，这是由于煤堆内部缓慢氧化放热产生热量，热量难以及时排出，在煤堆内部逐渐蓄积，内部温度开始缓慢升高，温度升高又加速了煤的氧化自燃过程，化学吸附和化学反应速率增大，氧化放热强度也增加，温升速率加快。

图2 试验用煤组堆形状

图3 煤堆温度变化趋势

超过30天后温度上升幅度较小，此时煤堆内部温度已超过70℃，由于褐煤水分含量较多，在此阶段，煤堆氧化产生的热量主要被煤中水分蒸发吸收，同时蒸发的水蒸气还会带走部分热量，致使煤堆温度上升极为缓慢，另外由于导热系数和温度梯度的影响，煤堆内部的热量会逐渐传到表层，造成煤堆温度上升缓慢。

3.2 煤堆热值变化

煤堆热值变化如图4所示，可以看出，随着堆放时间的增加，干基高位热值呈线性减小趋势且相关性较好，主要是因为煤堆与空气接触，缓慢氧化放出热量，热值降低，产生的热量不能及时与周围环境进行热交换，导致煤堆温度升高，进一步促进了煤样氧化自燃过程，导致热值下降。

建议燃煤电厂存储煤炭时间不易过长，在煤场内应设置温度、烟雾监测监控装置，对煤堆应进行定期测温，发现有自燃征兆，如局部温度升高、冒热气、冒烟等现象时，严禁对该区域使用喷淋，以防煤堆自燃扩大与蔓延。在组堆或倒垛过程中，应做好煤堆温度监测，不应将火源或有自燃倾向的煤带入新煤堆。

图4 Qgr.ad变化趋势

4 结语

（1）3种褐煤水分、挥发分含量较高，固定碳含量较低，热值也较低，3种无烟煤水分、挥发分含量较低，固定碳含量、硫含量较高，热值也较高，3种烟煤的工业分析等参数在褐煤与无烟煤之间。

（2）3种褐煤升温所需时间最短，升温速率最快，3种烟煤次之，3种无烟煤升温所需时间最长，升温速率最慢。

（3）燃煤电厂存储煤炭时间不易过长，随着堆放时间的增加，煤堆温度前期升温较快，后期升温缓慢，干基高位热值呈线性减小趋势且相关性较好。

[1]程根银，周逸飞，程宥,等.蒙西侏罗纪煤差示扫描量热试验及动力学研究[J].中国煤炭，2016，42（11）：91-95.

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[3]褚廷湘，杨胜强，孙燕，等.煤的低温氧化实验研究及红外光谱分析[J].中国安全科学学报，2008，18（1）：171-176.

[4]苏攀，王群英，张琨，等.燃煤电厂印尼褐煤氧化自燃过程实验研究[J].煤炭转化，2014，37（4）：58-63.

[5]靳玉萍，张兵.基于非稳态对流扩散方程高阶紧致差分的煤自燃数值模拟[J].科学技术与工程，2014，14（14）：27-32.

[6]G B475-2008，商品煤样人工采取方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[7]G B474-2008，煤样的制备方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

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Spontaneous Combustion Tendency Characteristic Test Research of Coal-fired Power Plant Coal

ZHANG Lei，LU Chao，QIN Ling，BAO Jun，CHEN Jian，LI Xiao-jiang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

For coal-f ire d p o w er p lant o f coal sp ontaneou s com b u s tion ten d ency an d f eature s，T h rou gh t h e e xp erimental s tu d y，t h ree k in ds o f li g nite，t h ree k in ds o f b ituminou s coal，t h ree k in ds o f ant h racite h a v e s electe d to re s earc h t h e coal h eatin g rate c h aracteri s tic s f or tem p erature o x i d ation，t h e f iel d e xp erimental re s ult s sh o w e d t h at li g nite h a s t h e lar g e s t tem p erature o x i d ation h eatin g rate，wh ile ant h racite h a s minimal.An d t h e s cene to carry out t h e s tu d y o f coal s tora g e te s t,t h e e xp erimental re s ult s al s o sh o w e d t h at w it h t h e increa s e o f la b oratory li g nite s tora g e time，t h e coal a v era g e p article s i z e d ecrea s e s f or t h e d ecrea s in g o f lar g e p article s an d increa s in g o f s mall p article s.T h e coal tem p erature early w armin g f a s ter，late ri s in g s lo w ly，coal calori f ic v alue d ecrea s e d.

coal-f ire d p o w er p lant s；coal；sp ontaneou s com b u s tion ten d ency；f iel d te s tin g s tu d y；tem p erature increa s in g rate

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.003

TD75

B

2095-3429（2017）03-0010-04

2017-03-27

修回日期：2017-05-17

低阶煤的热解成分特性及火力发电应用研究（2013DFG61490）

张磊（1985-），男，河南开封人，硕士，工程师，从事煤炭高效清洁利用及燃料应用技术相关研究工作。