张士金，刘 娟，李庆盛

（1.国家电投集团物流有限责任公司，北京 100011；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.赤峰白音华物流有限责任公司，内蒙古 赤峰 024001）

白音华褐煤自燃规律与仓储周期研究

张士金1，刘 娟2，李庆盛3

（1.国家电投集团物流有限责任公司，北京 100011；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.赤峰白音华物流有限责任公司，内蒙古 赤峰 024001）

白音华褐煤煤化程度较低，具有高挥发分、高水分、低热值等特点，露天仓储存在易自燃、热损大、粉尘多等问题。通过对不同季节、不同仓储方式煤堆温度的测试，结合褐煤低温氧化反应机理，研究白音华褐煤温度变化、自燃规律，确定露天仓储的合理周期，为各电厂仓储白音华褐煤提供参考。

白音华褐煤；露天仓储；煤堆；温度；自燃；仓储周期

国家电投集团在内蒙古锡林郭勒白音华矿区拥有探明储量为23.28亿t、核准年产能力为2 900万t的白音华褐煤，该公司利用自建的两路一港 （白音华至赤峰铁路331 km、赤峰至锦州铁路296 km、锦州港煤码头）以及松山等储运中心，向赤峰、大板、元宝山、朝阳燕山湖、锦州、阜新、清河电厂以及华东沿海部分电厂供应白音华褐煤，年供应量2 000万t以上。

由于白音华褐煤煤化程度较低，露天煤场仓储时受气温、风力、降水等因素影响较大，仓储过程中存在较强的低温氧化反应，易自燃、热损大、粉尘多，露天仓储的经济性较低。

松山储运中心是国家电投集团煤电路港产业链的重要物流节点设施，位于内蒙古赤峰市松山区，与赤峰至白音华铁路连接，场内铁路专用线可满足整列火车 （45节）接卸，设计仓储及中转能力300万t／a，储煤场地长710 m、宽112 m，储煤场地与卸煤平台坡度为35°，卸煤平台距铁路轨道高度4 m。铁路专用线从煤场中间通过，分为东部（背风侧）和西部 （迎风侧）煤场。松山储运中心煤场见图1。

由于赤峰与朝阳、锦州及阜新等地区气候相似，选定松山储运中心仓储的白音华褐煤作为自燃规律和仓储周期研究对象。进一步了解露天仓储白音华褐煤的煤温与气温、降水、风力等气候条件的关系，掌握自燃规律，确定合理仓储周期，为相关电厂提供控制煤炭自燃、减少热损的管理经验，提高仓储经济性。

图1 松山储运中心煤场

1 白音华褐煤主要特性及指标

白音华褐煤具有高挥发分、高水分、中灰分、低硫分、低热值、低可磨性等特点［1］，煤质稳定，售价较低，是蒙东、辽宁及吉林等地区火电厂的设计煤种和校核煤种，华东沿海部分电厂也将其作为主要掺烧煤种。煤质主要参数见表1。

表1 白音华褐煤煤质主要参数

2 研究内容

2.1 煤温测试

煤炭在自然堆积仓储时，煤堆各部位的蓄热条件不同，致使煤堆不同深度的煤温不同，形成了煤堆氧化反应的冷却层、氧化层和窒息层。由于煤堆在3 m左右氧气浓度为5%，此处氧化反应强度较弱，是氧化反应的窒息层。为此利用3 m长测温杆的热电偶测试白音华褐煤仓储温度，结合煤炭氧化反应机理，分析白音华褐煤在不同仓储条件下煤堆温度与气温、降水、风力的关系，研究仓储时水蒸气析出 （冒气）和自燃 （冒烟）规律，确定合理仓储周期和方法。

2.2 确定测试深度及测试点

2015年1月，西部煤场55—57号柱区域仓储白音华褐煤为4 000 t，设8个测试点，按不同深度依次测试煤温 （1个测试点设14个深度，第1个测试深度为10 cm，第2个为20 cm，依次每增加20 cm为1个测试深度）。

通过测试，煤堆表面至50 cm区域煤温平均值为20℃，由于煤堆表面与外界环境几乎完全接触，表明煤炭低温氧化放出的热量容易散发，不具备较好的蓄热环境，此范围处在氧化反应的冷却层。随着测试深度增加，煤堆内部温度逐渐升高，表明煤堆内部氧气供应条件及蓄热环境越来越好，煤堆在140 cm、180 cm、200 cm和260 cm处的煤温平均值分别为51℃、60℃、52℃和41℃。煤堆煤温与深度的关系见图2。

图2 煤堆温度与深度的关系

由图2可以发现，煤温较高值在180～220 cm区域，表明该区域氧化反应条件及蓄热条件比较理想，此范围处在氧化层。随着测深继续增加，煤温逐渐下降，表明扩散和渗透到该区域的氧气浓度较低，无法满足氧化反应的供氧量，氧化反应强度减弱，此范围处在氧化反应的窒息层。为此，将180～220 cm作为后续测试煤温的深度范围。综合场地面积、煤堆数量、几何体积以及测试人员安全等因素，以煤场东西防尘网立柱为基准点，东西各设100个测试点，以煤堆标高3 m和10 m处开展温度测试。

3 煤炭低温氧化反应及自燃机理

3.1 煤炭自燃条件

煤炭自燃是煤在低温环境下发生氧化而产生大量热量，并不断积聚，使煤温逐渐上升到着火点而自发燃烧的过程。煤炭自燃发生的必要条件是具有自然发火倾向性的煤以粉煤或碎煤堆积状态存在，具有适宜的通风供氧条件和良好的蓄热环境条件。上述条件在同一地点同时存在，且时间足够长，煤炭将发生自燃。煤被空气中的氧气氧化是煤炭自燃的根本原因。煤中的碳、氢等元素在常温下就会发生反应，生成可燃物CO、CH4及其它烷烃物质。煤的氧化反应是放热过程，如果热量不能及时散发掉，将使煤堆内部温度逐渐升高，煤温升高又加速了煤的氧化速度，放出更多的可燃物质和热量。当热量聚集、温度上升到一定值时，就引起可燃物质燃烧［2］。

煤低温氧化反应要经过潜伏期、自热期和燃烧期3个阶段［3］。潜伏期，煤的低温氧化反应处于缓慢状态，煤表面与空气中的氧气相互作用而在煤的表面形成过氧络合物，生成的热量以及煤的温度变化较小。潜伏期后，被活化的煤炭能够更快地吸收氧气，煤氧化的速度加快，氧化产生的热量大幅增加，如果不及时散发出去，煤堆温度逐渐上升，当达到煤的自热临界温度60～80℃时，煤的吸氧能力将快速加大，致使煤的氧化速度急剧上升，煤温同步快速上升，生成可燃物CO、CO2、CH4及其他烷烃可燃物质，此阶段为煤的自热期。当煤温达到着火温度 （一般210～350℃）时，引发煤炭自燃，此时有煤烟和明火冒出，通常称着火现象，即燃烧期［4］。

3.2 白音华褐煤自燃现象

由于煤在常温下的氧化反应主要取决于挥发分含量，挥发分越高，自燃倾向性越强，长时间仓储易自燃。由于白音华褐煤煤化程度较低，具有高挥发分 （Vdaf≥47%）、高水分 （Mt≥32%）、易风化碎裂、燃点低、易自燃等属性［5－6］，白音华褐煤具有较强的自燃倾向性。

白音华褐煤露天仓储，具备较好的通风供氧条件。由于仓储的煤炭是粒煤和末煤混在一起，煤堆内部间隙较大，暴露阳光下，煤堆表面与空气充分接触，空气通过间隙渗透到煤堆内部，给煤堆内部氧化创造了有利的供氧条件。

白音华褐煤露天仓储数量多、体积庞大，具备较好的蓄热条件，长时间仓储煤堆氧化过程释放大量热量无法散发出去，热量聚集致使煤堆内部温度逐步上升，达到自燃着火条件时就发生自燃。

4 自燃规律及仓储周期分析

4.1 煤堆温度与气温测试

2015年，对东西部煤场200个固定点开展煤堆温度测试，测试深度为180～220 cm，测试平均煤温作为统计分析数据。最高气温出现在7月，平均最高气温达30.43℃；最低气温是12月上旬至次年2月上旬，平均最低温度达－13.6℃。煤堆较高温度出现在5—10月，平均48.1℃，8月上旬至9月上旬煤温最高，达53.7℃；煤堆最低煤温出现在12月至次年2月，平均11.15℃。数据表明，白音华褐煤仓储煤温与环境温度密切相关，煤温随气温同步变化。夏季气温高，氧分子的平均动能增大，扩散和渗透能力增强，到达煤堆内部空隙的几率增大；煤温越高煤表面的活性分子数目越多，活泼程度越大，与氧结合的能力增强，氧化反应放出的热量增大，致使煤堆温度上升［7］。

4.2 冬季仓储周期测试

2015年12月至次年2月，西部煤场55—57号柱区域自然堆积白音华褐煤4 000 t，选定8个测试点，测试深度为180～220 cm，测试平均煤温作为统计分析数据。测试期间最低平均气温－12.37℃，最高平均气温－0.72℃。测试期间第1天煤温为7℃；第80天煤温开始缓慢上升；第81天煤温上升至58℃，局部有水蒸气析出现象；第86天煤温上升至190℃，水蒸气析出面积扩大并有冒烟现象；第87天煤温上升至286℃，冒烟面积扩大并有明火出现。

4.3 春秋季背风侧和迎风侧仓储周期测试

2016年4—5月，以自然堆积方式分别在东部煤场81—83号柱和西部煤场55—57号柱区域仓储白音华褐煤各4 000 t，各选定8个测试点，测试深度为180～220 cm，平均煤温作为统计分析数据。测试期最高平均气温22.12℃，最低平均气温9.31℃，11天有微量降雨，3天有零散降雪，刮风50天，以西北风为主，风力多为4～5级。

背风侧煤堆仓储第1天煤温为10℃，51天后煤温上升至55℃，煤堆有水蒸气析出，57天后煤温到达271℃出现自燃；迎风侧煤堆仓储第1天煤温为10℃，43天后上升至57℃，有水蒸气析出，47天后煤温达到284℃出现自燃。测试中发现煤堆仓储初期煤温上升不明显，表明煤的低温氧化反应速度缓慢。测试数据表明，在相同仓储条件下迎风侧更容易自燃，主要原因是当地刮风时间多，以西北风为主，风力较大，迎风侧煤堆受风吹的强度远大于背风侧，在煤堆表面形成风压，致使大量空气通过煤堆间隙渗透到内部，为煤堆发生氧化反应创造有利条件，加快了煤堆内部氧化反应速度。另外，西部煤场阳光直射时间大于东部，这是煤堆温度升高、易自燃的原因之一。

4.4 夏季自然和压实堆积仓储周期测试

2016年 6—8月，西部煤场 55—57号柱和57—59号柱区域分别仓储白音华褐煤各4 000 t，各设8个测试点，测试深度为180～220 cm，平均煤温作为统计分析数据。

自然堆积仓储测试期为37天，20天有降水，降水天气占比为54%，最高平均气温25.9℃，最低平均气温14.5℃，23天风力3～4级，多为西南向和东北向。煤堆仓储至第30天时，煤温由仓储时的21℃缓慢升至55℃，第37天煤温升至280℃，煤堆局部冒烟并有明火出现。

压实堆积仓储测试期为68天，32天有降水，降水天气占比为47%，最高平均气温28.5℃，最低平均气温16.4℃，刮风56天，风力3～4级，多为西南向和东北向。煤堆仓储至第68天时，煤温由仓储时的21℃升至277℃，煤堆冒烟并有局部明火出现［8］。

5 仓储自燃热损测试分析

2016年4月20日，检验西部煤场55—57号柱区域煤堆仓储30天后发热量变化情况，采样点采样深度为50 cm、200 cm和300 cm，分析仓储热损情况。热损检验指标见表2。

表2 热损检验指标

通过检验，煤堆50 cm处，收到基水分由仓储时的33.8%降至32.1%，收到基低位发热量上升510 kJ／kg。由于煤的水分蒸发致使煤堆发热量升高，表明煤堆表面至50 cm区域散热条件较好，煤的氧化反应较弱。煤堆200 cm处，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%，收到基低位发热量降低347 kJ／kg，表明该区域煤的氧化反应条件及蓄热条件比较理想，煤中硫分降低也证明其参与了氧化反应。煤堆300 cm区域，收到基水分、灰分、发热量等主要指标与仓储初期变化不大，表明该区域煤的氧化反应强度较弱。

6 结论

a. 白音华褐煤露天仓储，煤堆深度为180～220 cm区域内煤温最高。自然堆积仓储初期，煤堆内部煤温缓慢升至自热临界温度 （60～80℃）时，一般需要35～85天；仓储后期，煤堆内部温度上升速度加快，由自热临界温度上升至着火温度（260～280℃），一般不超过2天。

b. 白音华褐煤露天仓储，自燃与气温、降水、风力等气象条件密切相关。气温高、降水多、风力大，煤自燃机会增加，仓储周期缩短。迎风侧比背风侧煤堆容易自燃，自然堆积比碾压堆积煤堆容易自燃。

c. 白音华褐煤露天仓储初期，煤的水分蒸发，发热量上升；随着仓储时间延长，煤温上升，热损、发热量下降。

［1］ 张振杰，王彦海.掺烧褐煤对350 MW机组烟煤锅炉经济性影响研究 ［J］.东北电力技术，2011，32 （3）：17－19.

［2］ 方文沐，杜慧敏，李天荣.燃料分析技术问答 ［M］.北京：中国电力出版社，2001：190－197.

［3］ 秦红星.基于煤低温氧化试验下的标志气体优选及应用方案 ［J］.煤炭科学技术， 2015， 43 （6）： 65－70.

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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

张士金 （1963），男，学士，高级工程师，主要从事电力燃料管理工作。

2017－07－17）