新型阻封材料在防治港口煤堆自燃中的应用_王建乔.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.025新型阻封材料在防治港口煤堆自燃中的应用王建乔1，任万兴2，周炜1，王旭晟1，刘培圆3（1.浙江浙能港口运营管理有限公司，浙江 舟山 316131；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116；3.徐州吉安矿业科技有限公司，江苏 徐州 221116）摘要 以浙能港口的 7#大型露天煤堆为例，研究了新型阻封材料在防治煤堆自燃方面的作用，提出了利用新型阻封材料防治露天煤堆自燃的方案。研究表明，露天煤堆所处环境恶劣，易受风雨侵蚀，导致煤堆自然发火危险性高、自然发火期短。通过利用新型阻封材料覆盖煤堆的方案，使煤堆长期保持完整性，阻碍外部空气进入煤堆，从而提高煤堆安全性。通过在浙能港口的 7#大型煤堆进行应用，并对煤堆温度进行长期监测，喷洒阻封材料的部分比未喷洒的平均温度低 912，煤堆温度最终稳定在 35，为防治煤堆自燃提供了借鉴。关键词 大型煤堆；煤自燃；自然发火；阻封材料中图分类号TD75文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0080-030引言煤自燃每年都会给我国带来很大的经济损失以及严重的环境污染。煤的自燃现象不仅存在于开采过程中，在煤的存储、运输、销售过程中也有严重的自燃问题1。根据相关调查显示，煤炭在我国电力系统中占据重要地位，煤炭发电量超过总发电量的 70%，且我国每年煤炭进口量超过 3 亿 t。在这个过程中，部分大煤堆在几个月的时间里就会由于自燃而损失数吨，不仅损失了煤炭带来的直接经济价值，同时这种露天煤堆自燃会向大气中持续释放大量的有毒有害物质，对环境造成严重的污染。如果煤堆周围存在易燃物，还极容易引起火灾。所以无论从经济方面还是安全方面，非常有必要对煤堆自燃进行预防和治理。根据煤氧复合理论，目前防治煤堆自燃的方法主要有隔绝空气进入煤堆、加强煤堆散热和降低煤堆温度。在隔绝空气进入煤堆的方法中，FierroV等2进行一系列实验表明，压实煤堆、给煤堆设置风障和利用水灰浆覆盖煤堆对隔绝空气进入煤堆效果明显，但是缺点也比较多。压实煤堆耗时耗力成本较大；对露天煤堆设置风障，一方面成本较高，另一方面受环境影响，效果并不好。利用水灰浆及一些高分子聚合物对煤堆进行覆盖，虽然能有效阻碍空气进入煤堆，但是会对煤的品质造成影响，并且对于露天煤堆，外部环境恶劣。由于这些封堵材质的特性缺陷而造成覆盖效果较差，无法有效阻碍外部空气进入煤堆。在加强煤堆散热的方法中，李满花3提出对煤堆进行人为散热，改善煤堆散热条件，但是这一方法成本较高，经济效益差。在降低煤堆温度的方法中，主要是通过向煤堆内部注水，这一方法虽然短时间内可以明显降低煤堆温度，但是会增加煤堆的水含量，甚至还会对煤自热起促进作用。本文针对煤堆自燃问题，从封闭煤堆表面以阻断煤氧接触通道这一思路入手，利用一种新型阻封材料对浙能港口 7#煤堆进行治理，对于类似情况的煤堆防治具有借鉴意义。1工程概况浙能港口位于浙江舟山六横岛内，其中 7#大型煤堆长约 150 m、宽约 50 m、高约 14 m、储存约 5 万 t的富兴澳煤，储存周期近 8 个月。之前采取了包括苫盖土工防渗膜、进口黑白膜等多种措施来防治自燃，发现土工防渗膜、进口黑白膜接连密封性差，且在大风大雨天气下无法有效固定，膜的损坏率较高，并且煤堆温度一旦超过 70，苫布也会被引燃。实验开始前煤堆最高温度为 88，最低温度为 57。由于地区降水量较大，导致煤堆孔隙较多，与外部空气交换更频繁，煤炭对氧的吸附能力增加，煤的氧化处于相对活跃期。由于煤堆堆积厚度大，形成自然风压大，煤堆裂隙存在漏风，极易氧化自燃。浙能港口 7#煤堆在治理前，一些部位已经有明火产生，煤堆边缘因为风吹和雨水的侵蚀出现了边塌和断层，加剧了煤堆自燃，急需采取合理的方案进行治理。能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1802023 年 2 月Feb.,2023王建乔,等新型阻封材料在防治港口煤堆自燃中的应用2防治煤堆自燃方法分析根据煤氧复合理论，目前防治煤堆自燃的方法主要有隔绝空气进入煤堆、加强煤堆散热和降低煤堆温度。2.1隔绝空气进入煤堆的防治方法与分析该方法主要思路是利用封堵的方式阻断煤氧接触通道，抑制煤氧复合。隔绝空气进入煤堆的防治机理如图 1 所示。图 1隔绝空气进入煤堆机理从隔绝外部空气进入煤堆这一治理思路入手，目前主要采用泡沫材料、阻化剂、人工设置风障、压实煤堆等方法对煤堆进行治理。其中常用的泡沫材料主要有三相泡沫、凝胶泡沫等；阻化剂的主要类型包括高聚物阻化剂、复合阻化剂、无机盐阻化剂以及凝胶阻化剂等。FierroV 利用人工风障及水灰浆对煤堆自燃进行治理；肖辉等4通过对高聚物阻化剂进行改良提高了对煤炭的阻化效果；谢之康等5通过隔断煤堆自燃危险带垂直方向上的漏风通道来防治煤堆自燃。这些方法对防治煤堆自燃有显著效果，但是也有很多缺陷。其中利用泡沫材料和阻化剂会增加煤的灰分和改变煤的质量；而隔断漏风通道、压实煤堆方法成本较高。这些方法都有着各自的适应性，广泛应用受到很大限制。2.2加强煤堆散热的防治方法与分析煤自燃过程如图 2 所示。图 2煤自燃过程相关学者对煤自燃做了大量研究，表明煤自燃主要是由于煤和氧气接触发生氧化反应、产生的热量无法及时释放出去、热量堆积最终达到着火点所引起的。在潜伏阶段，煤温变化不大，产热和散热维持均衡状态；在自热阶段，氧化反应所产生的热量超过煤所能散发的热量，热量不断堆积，再经过一段时间的发酵达到着火点就会发生自燃。在自热过程中，如果煤氧接触不均衡，氧气不足或煤散热条件改善也不会发生自燃。产热和散热达到平衡就进入风化状态。从加强煤堆散热这一思路入手，中国矿业大学的研究人员使用导热棒导出煤堆热量，从而加强煤堆散热能力，抑制煤堆自燃。这种方法工程量较大、经济效益不高。2.3降低煤堆温度的防治方法与分析降低煤堆温度的方法主要采用洒水法，通过向煤堆洒水来降低煤堆温度。这种方法不仅可以利用水来降低煤堆温度，还可以用水来阻碍煤堆和空气的接触。利用干冰汽化过程吸收大量的热以及产生的大量惰性气体来抑制煤氧复合反应，可以将干冰放置在煤堆发热点，以此来降低煤堆温度。2015年，我国神华集团曾利用该方式对封闭环境下的煤堆进行治理。该方法对防治密闭环境下的煤堆自燃有一定作用，但不适用于露天煤堆。3阻封材料防治煤堆自燃方案3.1治理方案将浙能港口 7#煤堆分为南北 2 部分进行实验对比。南侧喷洒阻封材料，北侧无措施，粗略估计喷洒面积为 3 000 m2。首先利用装载机把煤堆边坡下侧 2 m左右的松散区域压实，然后利用专用喷涂设备将新型阻封材料混合均匀后喷涂在煤堆南侧的表面，形成 1 层 35 mm厚的阻封层，遇到部分自燃点可配合插管压注复合胶体来达到快速降温的目的。3.2测温点布置煤堆测温点布置如图 3 所示。图 3煤堆温度测点布置在南北两侧布置分布式温度测点，从西侧高温点 50 m处开始布置测温点，测点位于煤堆边坡下部 1.5 m处，每隔 10 m插入 1 根钢管，深度为 1.5 m。氧化带窒息带散热带防护膜气体交换水分交换气体交换热量交换温度/T=70 时间/t潜伏期自热期风化着火点燃烧北侧南侧煤堆150 m50 m1.5 m内径为 25 mm的钢管，深度 1.5 m注浆和测温孔间距 10 m812023 年 2 月Feb.,2023采用煤炭测温仪 SWK2 每日定时定点测温。3.3喷涂工艺与流程利用专用设备将阻封材料混合均匀后喷涂在煤堆南侧的表面，形成 1 层 35 mm厚的阻封层。喷涂时要求在不同的两个方向上（初为上，则复为下；初为左，则复为右）喷涂 2 遍，确保喷涂密实；遇到部分自燃点，为达到快速降温的目的，配合通过插管压注复合胶体，同时可向煤堆中注入惰性气体，强化防治效果。喷涂流程如图 4 所示。图 4喷涂流程3.4治理效果分析阻封材料喷洒完毕后，连续采集 6 d 温度数据。在此期间，环境温度在 25 左右，总体变化不大，天气状况为阴雨。南北两侧的 10 个测点的温度平均值变化趋势如图 5 所示。南侧最高温度的变化趋势如图 6 所示。图 5南北两侧温度变化趋势图 6南侧最高温度变化趋势由图 5 可知，第 1 天北侧平均温度为 56.8，在此后的几天内呈现明显的下降趋势，到第 6 天温度降至最低，为 38。第 1 天南侧平均温度为42.7，此后 2 d 呈现下降趋势，第 3 天后温度基本稳定在 35 左右。对南北两侧温度变化进行对比可知，喷洒阻封材料的南侧温度明显低于北侧，且温度更快地稳定下来。这说明阻封材料对抑制煤堆温度升高起到了明显的作用。由图 6 可知，第 1 天南侧最高温度为 63，在喷洒阻封材料之后的几天，温度总体呈现明显的下降趋势。第 3、4、5 天最高温度小幅度波动维持在56；到第 6 天，温度总体下降了 21，为 42。煤堆已无自然发火危险。新型阻封材料在浙能港口 7#煤堆的成功应用，表明该治理方案在防治大型露天煤堆自燃方面是完全可行的，对类似条件下煤堆的安全储存具有借鉴意义。4结论阻封材料作为治理煤堆自燃的一种新材料，对防治大型煤堆自燃具有显著的效果。通过对浙能港口 7#煤堆进行阻封材料喷涂应用，分析了煤堆温度随时间的变化趋势和阻封材料的实际应用效果，得出以下结论。（1）阻封材料具有良好的封堵性能，将煤炭紧锁于防护膜之内，阻碍了外部空气的进入。（2）喷洒阻封材料的南侧温度相较于未喷洒的北侧平均温度低 912；喷洒阻封材料后煤堆温度每日都有下降，最终煤堆温度稳定在 35，达到了防治煤堆自燃的要求。（3）通过喷洒阻封材料治理了煤尘飞扬和因风雨冲刷造成煤炭资源流失的问题，保持煤堆边坡形状完整，降低了煤堆自燃的风险。参考文献1刘星魁，屈丽娜，常绪华.堆放方式对煤堆自燃升温过程的影响分析 J.西安科技大学学报，2017，37（1）：38-44.2Fierro V，Miranda J L，Romero C，et al.Prevention ofspontaneous combustion in coal stockpiles：Experimentalresults in coal storage yard J.Fuel Processing Technology，1999，59（1）：23-34.3李满花.预防储煤厂储煤堆自燃措施 J.山西焦煤科技，2004（11）：5-6.4肖辉，杜翠凤.新型高聚物煤自燃阻化剂的试验研究 J.安全与环境学报，2006，6（1）：46-48.5谢之康，朱凤山，鲍庆国，等.煤堆自燃防治的分层局部堵漏法 J.煤矿安全，1995（6）：26-27.作者简介王建乔（1969-），男，高级工程师，工商管理硕士，长期从事煤炭港口运营与管理工作。收稿日期：2022-07-20水料表面喷枪搅拌池研磨机储料池喷涂机时间/d0123456南侧北侧6050403020100温度/时间/d123456706050403020100温度/能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.182