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(dǎo)因說、細菌導(dǎo)因說、酚基導(dǎo)因說、煤氧復(fù)合學(xué)說、自由基作用學(xué)說、氫原子作用學(xué)說、電化學(xué)作用學(xué)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(fù)雜，對煤自燃的原因、機理和反應(yīng)歷程仍然沒有研究透徹。目前被人們廣泛接受的煤氧復(fù)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(dǎo)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(xué)活性。一般認為，煤的芳香結(jié)構(gòu)的聚合度越高，它的化學(xué)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(yīng)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(zāi)事故嚴重威脅著工作人員的生命安全，筒倉爆炸、燒毀設(shè)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(wù)。煤中含有的C、H等元素在常溫下就可以發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)，若筒倉內(nèi)的熱量不能及時被釋放掉，將會導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(xué)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(fēng)流速度。風(fēng)速過小，供氧量不足，煤不易氧化自燃；風(fēng)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(yīng)，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(yīng)的，從中心往四周，空隙越來越大，通風(fēng)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(wù)，只有研發(fā)出先進的儲煤筒倉監(jiān)測監(jiān)控設(shè)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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