煤炭自燃原理分析——煤堆測溫系統(tǒng)

自燃，顧名思義就是自發(fā)燃燒，煤自燃就是煤不經(jīng)點燃而自行著火的現(xiàn)象。直到目前為止，人們對煤的自燃做出了很多研究，先后提出了黃鐵礦導因說、細菌導因說、酚基導因說、煤氧復合學說、自由基作用學說、氫原子作用學說、電化學作用學說、基團作用理論等多種煤自燃理論。但是由于煤的結(jié)構(gòu)復雜，對煤自燃的原因、機理和反應歷程仍然沒有研究透徹。目前被人們廣泛接受的煤氧復合理論認為，煤自燃的主要原因是低溫下煤與空氣中的氧相互作用，導致煤緩慢氧化并釋放熱量，當煤所積聚的熱量無法向四周擴散時，或者熱量保存在煤堆中時，熱量逐漸積累使煤溫不斷上升至著火點，終引發(fā)自燃。煤炭之所以會燃燒，是因為煤炭存在內(nèi)在的自燃性，也就是關(guān)于煤炭自燃難易程度的本質(zhì)屬性。

煤是否容易自燃存在根本因素，那就是是煤大分子結(jié)構(gòu)的化學活性。一般認為，煤的芳香結(jié)構(gòu)的聚合度越高，它的化學穩(wěn)定性也越高，對氧化的抵抗力也越大，自燃的傾向性也越小。其中，煤和空氣接觸發(fā)生氧化反應是煤自燃的根本原因，水分和硫分等其他因素均為促使煤堆自燃發(fā)火的誘因。

近年來，儲煤筒倉中煤炭自燃引起的火災事故嚴重威脅著工作人員的生命安全，筒倉爆炸、燒毀設備等一系列不安全的事故使人們的生產(chǎn)、生活不能正常繼續(xù)。為此，關(guān)注煤的自燃問題也成為了煤炭行業(yè)的緊急要務。煤中含有的C、H等元素在常溫下就可以發(fā)生反應，生成可燃物CO、CH4 及其他烷烴類物質(zhì)。煤的氧化屬于放熱反應，若筒倉內(nèi)的熱量不能及時被釋放掉，將會導致堆煤的溫度升高，反過來就會加速煤的氧化，放出更多的可燃質(zhì)和熱量。當熱量聚集，溫度上升到一定值時，即會引起可燃物質(zhì)燃燒而自燃。另外堆煤發(fā)生自燃要同時具備以下四個條件。

1）自燃傾向性  自燃傾向性是煤的一種自然屬性，反映了煤的變質(zhì)程度，水分、灰分、含硫量、粒度、孔隙度、導熱性是煤自燃的基本條件。煤在常溫下的氧化能力主要取決于揮發(fā)分的含量，揮發(fā)分含量越高，自燃傾向性越強，而且自燃時間也會相應縮短。

2）供氧條件  氧氣的存在是煤發(fā)生自燃的必然條件，堆煤表面暴露于空氣中，與空氣充分接觸，空氣通過煤塊之間的空隙滲透到煤堆內(nèi)部，給煤堆內(nèi)部的氧化創(chuàng)造了條件。煤的塊度越大，煤塊之間的間隙越大，其供氧條件越好。

3）氧化時間  煤從氧化發(fā)展到自燃有一個過程，低溫階段煤氧化過程進展緩慢，放出的熱量也相對較少，而且散失掉大部分熱量，只有少部分熱量促使煤溫緩慢升高，氧化時間達到自燃發(fā)火期才能自燃。煤炭從開始接觸氧氣到自燃，不同的煤種所經(jīng)歷的時間不一樣，人們把煤炭接觸氧氣到自燃的時間叫做自燃發(fā)火期。影響自燃發(fā)火期的因素有很多，如煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)、被開采破壞后的堆積狀態(tài)參數(shù)、裂隙或空隙度等。

4）儲熱條件  煤在氧化的過程中放出熱量，如果環(huán)境不利于熱量積聚，煤體就不會產(chǎn)生明顯的升溫而發(fā)生自燃。而熱量能否積聚主要取決于風流速度。風速過小，供氧量不足，煤不易氧化自燃；風速過大，熱量不易積聚，煤氧化升溫過程難以持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，也不能發(fā)生自燃。只有當放出的熱量大于散發(fā)掉的熱量時，才能使熱量聚積，溫度上升。

煤要發(fā)生自燃上述四個條件缺一不可。此外，根據(jù)煤堆放的位置以及以往發(fā)生自燃的實際情況分析，煤堆發(fā)生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆深部，而是在表層以下的1~4m左右。煤在自然堆積的狀況下，可分為3層，見下圖：

煤堆自然分布剖面圖

1——冷卻層：煤堆的表層，約0.5~1.5m厚，該層煤較松散，有空氣接觸充分，雖發(fā)生氧化反應，但散熱條件好，所以不會發(fā)生自燃。

2——氧化層：該層位于冷卻層以下，厚度在1~4m左右，具備自燃的所有條件，達到自燃發(fā)火期即會自燃。

3——窒息層：該層位于氧化層以下，煤層相對壓實，供氧不充分，且含水率較高，氧化程度較低，不易發(fā)生自燃。

煤在自然堆放時，一般中心部位處顆粒較細，越往四周顆粒越粗，相應的，從中心往四周，空隙越來越大，通風散熱條件越來越好，冷卻層和氧化層越來越厚。自燃一般發(fā)生在氧化層。同時伴隨著溫度升高、冒熱氣、冒煙等現(xiàn)象。當發(fā)現(xiàn)煤堆上某處釋放熱氣或冒煙，那么自熱或自燃點一定在該部位垂直向下的氧化層內(nèi)，因為受煤的自熱或自燃的熱壓作用，氣體流動方向為垂直向上方向。一旦某個部位發(fā)生了自燃，也會改變其上部冷卻層的受熱條件，使冷卻層也自燃。

 總之，影響煤自燃的因素還有很多，煤炭的自燃給人們的生產(chǎn)生活帶來了很多危害，像是給露天礦帶來了邊坡穩(wěn)定問題，增加了日常邊坡管理的難度；給儲煤筒倉的運行帶來了不安全的因素；煤自燃所產(chǎn)生的大量有毒、有害氣體很難排除，使現(xiàn)場工作人員的身體受到傷害，而且還污染了環(huán)境。防治煤炭自燃是一項長期艱巨的任務，只有研發(fā)出先進的儲煤筒倉監(jiān)測監(jiān)控設備，才能更好地監(jiān)測煤炭的自燃，才能更好地防止煤炭危險事故的發(fā)生。

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