本发明属于煤炭储运技术领域，具体涉及一种圆形封闭煤场防止煤堆自燃的方法。
背景技术：
煤场是煤炭储存、供应的重要设施。随着国内煤炭储运设施建设规模的不断扩大，以及越来越严格的环保要求，对煤场的设计要求也越来越高。
目前，在运煤系统中常用的储存方法有常规露天储存(必要时设置部分干煤储存设施)、室内储存和筒仓储存三种方式；室内储存可采用的方案有斗轮堆取料机条形封闭煤场、人字形条形封闭煤场、圆形封闭煤场等。封闭煤场与常规露天煤场相比，具有土石方量小、占地面积小、场地利用率高、自动化作业水平高、可靠性高等多方面的优点，并且采用全密闭结构，不受外界天气的影响，保证了运煤系统的稳定运行，达到了保护环境的目的。
圆形封闭煤场主要由一台圆形堆取料机、薄壳球拱形钢网架结构、土建结构以及温度、可燃气体等监测报警装置和自然通风、抑尘装置、自动消防水炮系统等构成。由堆取料机顶部进料，通过其旋转悬臂机可作360°回转堆煤，并且可作360°旋转取煤送到中心柱下部的圆锥形煤斗中，再通过煤斗下的给煤机和地下带式输送机向外供煤。当堆取料机发生故障或检修时，可用推煤机通过地下煤斗向系统供煤。圆形封闭煤场设备周边空间相对较大，维护工作量较小且方便。
在圆形封闭煤场的运营管理中，影响最大，引起后果最严重的是煤炭自燃问题，严重时圆形封闭煤场内能见度非常低。煤自燃既是重大的隐患，危及输煤设备的安全运转，也降低了煤的经济价值，也是“雾霾”元凶之一，因此，了解煤自燃的特性，防止煤自燃具有十分重要的意义。
大储量煤场储煤自燃，必须同时具备以下4个条件：
一、自燃倾向性
燃煤堆放在空气中都会有缓慢被氧化而释放热量的客观特性，即煤自燃就是煤被氧化的过程，煤的自燃倾向性反映了煤的变质程度。它大致分为五个阶段：水吸附阶段；化学吸附阶段；煤氧复合物生成阶段，即煤自燃阶段；燃烧初始阶段；快速燃烧阶段。δt＞40℃的煤为易自燃煤；δt＜20℃的煤是不易自燃煤。煤的着火点越高，自燃倾向性越来越弱。(δt-原煤样的着火点和氧化煤样的着火点的差值。)
二、有连续的供氧条件
空气通过煤块间隙渗透到煤堆内部，空气充分与煤堆表面接触，给煤堆内部氧化创造了条件。煤块大，煤块之间的间隙就越大，其供氧条件也就越好。
三、有积聚氧化热的环境
煤在氧化过程中释放的热量大于散发的热量时，热量聚集使煤温度上升，煤达到着火点就会自燃。
四、自燃发火期
煤中的碳、氢等元素，长期暴露于常温空气中会发生氧化放热，生成可燃物co、ch4及其他烷烃物质，煤从氧化发展到自燃有一个过程，煤炭接触氧气到自燃的时间叫做发火期，氧化时间达到自燃发火期才能自燃。
在其它方面，例如：煤的粒度、挥发分、水分、灰分、环境温度、湿度、压实程度、氧化层厚度、库存等因素，都会影响煤的自燃。具体如下：
1、粒度越细，比表面积越大，氧化反应越剧烈，越易自燃。
2、煤在常温下的氧化能力主要取决于挥发分vdaf的含量，挥发分含量越高，自燃倾向性越强，而且自燃时间也会相应缩短。
3、水份的含量及变化是影响煤自发热最主要的因素，当水蒸发时从外界吸收大量的热，冷凝时就将这些热传给煤粉，水分对煤的自燃起到催化作用，促使煤炭发生放热反应。理论上讲，含水量增加1％将使煤温上升17℃，当煤的含水量达到12％时，不会发生自燃。因此不能用水来冷却已经产生自发热的煤堆，这是因为冷却水很难将全部煤浸透而只是让部份煤温度下降而已。
每年的黄梅雨季，空气潮湿，是煤炭自燃的多发季节。煤中的水分充填于煤体微小的孔隙中，把氮气、二氧化碳、甲烷等气体排除，水分使煤对氧的吸附能力增强，使得煤炭表面与大气中的氧气充分接触，对煤炭自燃起到一定的促进作用并且会加剧氧化。同时煤中硫被氧化成硫的氧化物，遇水生成稀硫酸，并伴随着放热反应，致使煤堆温度升高，从而加速了煤堆的氧化自燃。水分的催化作用随煤温的增高而增大。所以地面煤堆在雨雪之后容易发生自燃，井下灌浆灭火，疏干之后自燃现象更为严重。
4、秋冬季节大气温度下降时，大气密度比煤堆里的空气密度大，渗入煤堆里面空气量增大，同时渗入过程中，空气中的水蒸汽被煤吸附冷凝，释放出大量热量传导给煤堆内部积存，所以贮煤在11月份至3月份较易发生自燃现象。夏季气温高，煤也易自燃。
5、圆形封闭煤场煤炭是通过堆料皮带机，按照环形方式堆放在场地上，无法像条形封闭煤场一样进入煤场进行压实、整理等工作，使煤炭处于自然堆积状态。如果煤堆中空气含量和煤炭挥发分较高，极易引发自燃。
6、煤在自然堆放时，中心部位处颗粒较细，越往四周颗粒越粗。相应的，从中心部位往四周，空隙越来越大，通风散热条件越来越好，冷却层和氧化层越来越厚。由于在堆煤时煤块滚动析离的缘由，在煤堆四周坡边特别是靠挡煤墙边地带的贮煤基本上是大块煤堆叠，煤堆疏松且多空隙，煤自燃冒烟通常都是从煤堆坡边以及侧墙边开始的。
煤堆的结构如图1所示，包括：
冷却层a：煤堆的表层，约0.5～1.5m厚，该层煤较松散，与空气接触充分，虽发生氧化反应，但散热条件好，所以不会发生自燃。
氧化层b：该层位于冷却层以下，厚度在1～4m左右，具备煤自燃的所有条件，达到自燃发火期即会自燃。
窒息层c：该层位于氧化层以下，煤层相对压实，供氧不充分，且含水率较高，氧化程度较低，不易发生自燃。
当发现煤堆上某处释放热气或冒烟，那么自热或自燃点一定在该部位垂直向下的氧化层内，因为受煤的自热或自燃的热压作用，气体流动方向为垂直向上方向。一旦某个部位发生了自燃，也会改变其上部冷却层的受热条件，使冷却层也自燃。
7、由于机组负荷、机组检修、煤炭市场供大于求、市场煤价波动等因素造成煤场库存高时，煤炭“烧旧存新”的周转速度与供煤、卸煤的节奏发生冲突，导致底层的存煤没有取完，新到煤就堆上，有自燃隐患存煤无法及时清理。1～2个月后，就会在底部发生自燃。更严峻的是，此时满仓贮煤堆如发生大面积自燃，煤场再也无法腾出多余空间对自燃煤堆进行翻堆、隔离等处理工作，让防贮煤自燃工作处于很被动的局面。
褐煤是煤化程度最低的煤种，它是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，从煤化过程来看，褐煤是一种相对年轻的煤种，介于植物和烟煤，无烟煤之间的一种物质。
褐煤的特点是高挥发分(超过30％)、高水分、着火点低、相对密度小、不黏结、含有不同数量的腐殖酸、高氧化，化学反应性强，热稳定性差，块煤加热时破碎严重，存放在空气中易风化变质、碎裂成小块乃至粉末状，发热量较低，煤灰熔点也大都较低。
近些年来，有些超临界或超超临界燃煤电厂的锅炉掺烧褐煤。褐煤等煤种存放一个月后必定会冒烟，且来势较猛，必须及时清理。提质或成型褐煤无法实现长距离安全运输和存储。因此，褐煤的储运对外部环境有严格的要求。
煤炭长期堆积会因氧化作用，使煤的灰分升高，固定炭和热值下降，降低煤的质量。煤炭自燃还会造成大量的煤白白烧掉。阴燃的煤被送到输送和研磨设备，会造成燃烧和爆炸事故。
2010年，上海电力股份有限公司委托德国freiburg工业大学褐煤成型实验室对蒙东型煤的自燃进行研究，结论是老年褐煤无黏结剂型煤的自燃在全球范围内暂无工业化解决办法。由于煤堆发生自燃后的处理难度大、时间长、损失大，因此必须迅速采取有效措施进行治理，防止自燃范围扩大。
目前常用的防止煤堆自燃的方法有如下几种：
(1)圆形封闭煤场的储煤容量按对应机组10～25d的耗煤量设计。按照先进先出、烧旧存新、定期置换、自然更新的存煤原则，将存煤天数控制在自燃周期内。
(2)加强煤场现场管理，尽早发现煤自燃征兆，并采取处理措施。每天派人巡查自燃情况，发现有局部温度升高、冒热气、冒烟等现象时，即可判断该处氧化层已发生自燃，煤炭自燃时会散发出co、co2、h2s等气体，因此，用co检测仪能检测出来。针对夏季煤极易自燃这一特性，每日测量煤堆两侧底部0.5～2m部位温度，并进行比较，依据经验，此处是煤极易自燃的部位。燃煤局部自燃时，运行该区域取料机，实现局部取料。当煤堆内部温度小于或等于45℃时，煤炭尚可继续储存；当煤堆内部温度大于或等于60℃时，必须优先安排取用。
(3)采用喷洒水的方法，将水直接洒在煤堆表面上；对于煤堆较小、四周有空间的情况，可把发生自燃部位的外表层扒掉，露出氧化自燃层来散热冷却，并经常倒堆破坏氧化层以延缓或阻止自燃，同时喷洒水；或将注水管直接插入自燃部位，用压力水湿润氧化自燃部位的煤体，降低煤体的自热温度，抑制煤氧化自燃；或挖沟浇灌的方法，但会使渗入煤堆内的水量不均，而且容易流失，把煤冲走，由于受热压作用，进入自燃部位的水量少。
(4)圆形封闭煤场应有良好的通风条件。理论上在松散的煤堆中不流通的空气完全反应将使其温度上升2℃，流畅的空气在提供煤以氧气的同时也会带走大量的热，而不流畅的空气则恰好相反，尽管也提供相当数量的氧气但却不能带走其自发产生的热量。
(5)用推煤机将煤一层一层压实，尤其是要将堆边大块部分压实，这样可以减少煤堆的空隙度，赶走煤堆空隙中的一部分空气，减少煤与氧气的接触，再铺盖一层粘土或沥青更好，特别要注意煤堆侧面要进行压实，以保证压实设备安全运行。
(6)清除周围的杂草勿使草根造成煤堆松质化，使空气容易进入。
(7)采取在挡煤墙根部侧，堆放一圈煤渣，阻止氧气从排水管进入煤堆的内部，并避免推煤机或推耙机在清场时铲坏挡煤墙上铺设的耐火砖和内壁安装的测温传感线。
(8)采用各种形式的化学物质(添加剂、阻燃剂)，处理煤堆表层，通过改变煤的特性，降低氧化与煤表面的反应性和反应速度，达到延缓低温氧化过程、防止煤堆自燃的目的。
上述防止煤堆自燃的方法有如下缺陷：
1)圆形封闭煤场与条形封闭煤场相比，存煤易氧化，同品种的煤炭发生自燃的存放时间要短好多，内部充满度较低。
2)由于圆形封闭煤场的结构特点，决定了推煤机或推耙机作业时无法对挡煤墙侧的煤堆整形，很难彻底清理。大部分煤炭自燃从挡煤墙侧开始，容易将挡煤墙表层混凝土烧坏，为防止此类情况发生，可在煤场挡煤墙内壁10米以下增设耐火砖，以减少煤自燃对煤场混凝土侧墙的烧伤。
3)利用斗轮机进行自然堆存的情况下，煤堆的回取率约为67％。其余需采用推煤机辅助作业，存煤无法做到真正意义上的“先进先出”，易形成部分存煤长期滞留煤场，热值损失严重。
4)为防止燃料堆存过久引起自燃和氧化消耗能量，煤堆要定期进行翻烧，由此造成煤场实际堆存面积减少。另外还需要留出推煤机作业的场地和通道，降低了煤场容积利用率。
5)由于煤场面积大，装卸转运作业频繁，耗水量大，采用喷洒水的方法存在许多不足。
6)在防止煤堆自燃实施喷洒降温过程中，产生了大量带酸性氧化物有毒气体的水蒸气，在圆形封闭煤场上部整个球形网架钢结构上冷凝造成腐蚀，排逸到煤场外面的气体对整个厂区也造成了二次空气污染。
7)不能阻止贮存的燃煤进行凝水热吸附。
8)在煤堆表层铺盖粘土或沥青会增加煤的灰分，对煤质要求较高的情况不适用。
9)采用化学物质处理煤堆表层的方法成本较高，而且增加煤的灰分，对煤质有影响。
防止煤堆自燃要防治结合，以防为主。防止煤堆自燃可以考虑应用热管技术。
1942年，美国工程师提出了热管原理，20世纪60年代初，开始研究和试制，最早被用于航天器与核反应堆，它最初用于人造卫星上解决向阳面和背阴面的受热不均匀，是人造卫星上必备设备之一。
热管工作原理：热管换热器是靠自身内部工质的相变来实现热量传递的传热元件，不需要外加动力即可将大量热量通过很小的横截面积进行传输，热流吸热的一端是蒸发段，工质吸收热后蒸发汽化，流动至另一端即冷凝段放热液化，并依靠重力和压差共同作用下或毛细力作用流回蒸发段，自动完成循环。热管换热器稳定性较佳。
热管具有极高的导热率，由热管的传热量和相应的管壁温差折算而得的表观导热系数，是最优良金属导热体的100～1000倍。其传热系数比相同几何尺寸的金属棒大几个数量级。由于热管管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用在品位较低的工业废热回收、电子器件冷却、地热利用、太阳能热管集热器及暖通空调热回收领域等场所非常经济。
热管内饱和蒸汽移动速度接近当地声速，传热速度是相同金属的数千倍至万倍，当蒸发段从热源吸收的热量发生变化时，0.1℃的温差即有热响应。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服传统防止煤堆自燃方法的“煤在氧化过程中的热量不易释放至外界，致使煤堆各层之间温度分布不均匀，出现所谓的冷皮热心现象”的缺陷，将热管技术应用于圆形封闭煤场，提供一种成本低、能耗少、稳定性高且易于实施的防止煤堆自燃的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种圆形封闭煤场防止煤堆自燃的方法，其特征在于：将重力式低温热管的蒸发段埋入圆形封闭煤场的煤堆中，重力式低温热管的冷凝段布置在圆形封闭煤场的室外空气进入处；重力式低温热管蒸发段内的工质吸收煤在氧化过程中的热量后蒸发汽化，流动至重力式低温热管的冷凝段，在室外空气的作用下放热液化，液化后的工质依靠重力和压差共同作用或毛细力作用流回重力式低温热管的蒸发段，自动完成循环，从而释放煤在氧化过程中的热量，防止热量聚集而致使煤堆自燃。
优选地，所述重力式低温热管的蒸发段埋入圆形封闭煤场的煤堆的氧化层中。
优选地，所述圆形封闭煤场的挡煤墙上设有网架支座柱子和推煤机出入门洞，网架支座柱子上方设有屋面网架，屋面网架顶部设有与室外连通的排风口；室外空气从挡煤墙上的网架支座柱子间和推煤机出入门洞进入圆形封闭煤场内，煤场内的可燃气体、粉尘从屋面网架顶部上的排风口自然排至室外。
更优选地，所述重力式低温热管通过支架与挡煤墙固定，重力式低温热管的冷凝段布置在网架支座柱子间高度处。
优选地，所述重力式低温热管垂直布置并与圆形封闭煤场的挡煤墙平行。
优选地，所述重力式低温热管的“低温”是指：热管内充注的工质的饱和蒸汽温度在100℃以下。
更优选地，所述重力式低温热管内部充注的工质为丙酮、甲醇、乙醇、苯、液氨或氟利昂。
优选地，通过调整所述重力式低温热管蒸发段与冷凝段的面积，改变重力式低温热管的管壳壁面温度，实现煤堆中不同热量的释放。
优选地，所述重力式低温热管的冷凝端管壁设有鳍片结构。
优选地，所述重力式低温热管的蒸发段的外表面设有扶壁肋。
优选地，所述重力式低温热管的管壳由无缝钢管制成。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过设置在挡煤墙地带的重力式低温热管来释放煤在氧化过程中的热量，避免热量聚集使煤的温度上升，达到着火点而发生自燃。该方法设备、人工的投入量均较低，降低了成本，利用自然冷源使煤堆快速降温，而且降温效果明显，各层温差均匀，无能耗，稳定性好，易于实施，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为煤堆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供的圆形封闭煤场防止煤堆自燃的方法，是通过在圆形封闭煤场的挡煤墙地带设置重力式低温热管，来释放煤在氧化过程中的热量，避免热量聚集使煤的温度上升，达到着火点而发生自燃。
重力式热管的结构适应性强，布置灵活。重力式热管具有热二极管特性，并且在热流密度不是太大时，重力式热管可以获得等温性较高的等温表面。每根重力式热管都是永久性密封的，传热时没有额外的能量损耗，无运行部件，运行可靠性高。每根重力式热管完全独立，单根重力式热管损坏不影响其它热管运行。
低温热管一般指管内充注的工质的工作温度(即饱和蒸汽温度)在100℃以下的热管。低温热管内部充注的工质一般有丙酮、甲醇、乙醇、苯、液氨和氟利昂等。
热管结构对热管的各种工作参数，如热管最佳充液率、启动温差以及热管工作压强等影响较大。
充液率定义为：热管蒸发段制冷剂液面高度与热管蒸发段高度的比值，以％为单位。充液率对分离热管的正常启动以及平稳的运行具有很大的影响。充液量是管内流动传热的参变量，影响管内两相流的流动传热性质。相同的工作条件下，给热管灌注不同的充液率，观察热管蒸发端壁温随外界温度的变化情况，热管蒸发端各点温度随室外温度下降最明显时，证明此时充液率是热管的最佳充液率。利用实验法测定热管的最佳充液率。
热管的启动性能是热管瞬态特性的重要组成部分，热管启动性能的好坏决定热管能否顺利地进入所需的稳定工作状态，也制约着热管的实际应用。利用实验法测定热管的启动温差。
影响热管工作压强的关键性因素是充液率及环境温度，不同的充液率及外界环境条件下，热管工作压强不同，对管壳的抗压要求也不一样。
选择合适工质是决定热管传热性能好坏的关键性因素。工质的传热性质与工质的品质因数有关。选择合适工质的关键条件是热管工作温度。一般选择氟利昂类作为热管传热工质。氟利昂r22的热力学性能稳定，工作压力适中、较大的单位容积制冷量，无毒不燃，被广泛应用于空调和低温冰箱中。以r22为工质的低温热管，具有良好的启动性和导热性。
通过调整重力式热管蒸发段与冷凝段的面积，可以改变热管内饱和蒸汽压力和温度，相应改变了热管的管壳壁面温度。改变了工作温度，也就改变了工作压力，也就保证了热管的安全运行。
为了增大冷凝端的传热效率和防止煤尘积聚，在重力式热管冷凝端管壁增加鳍片结构。
考虑热管工作时内部压强、工质性质和试验条件，选择无缝钢管作为热管的管壳材料。无缝钢管与氟利昂r22的相容性良好，并且能很好的承受热管管内压强。
重力式低温热管垂直布置并与挡煤墙平行，可以提高热管工质的循环速率和热管的显热效率，从而提高换热量，增大温升。重力式低温热管通过支架固定在挡煤墙上。重力式热管的蒸发段埋入煤堆氧化层中。
重力式热管的蒸发段的外表面加设一些小的扶壁肋，在不增加热管壁厚的情况下，提高其工作压力，避免因为煤温过高导致热管爆管。
室外空气从煤场挡煤墙上的网架支座柱子间和推煤机出入门洞进入，煤棚内的可燃气体、粉尘从屋面网架顶部上的排风口自然排至室外。重力式低温热管的冷凝段布置在网架支座柱子间高度。合理的迎面风速能保证热管高效的换热，最大限度地释放煤在氧化过程中的热量。
重力式热管能利用自然冷源使煤堆快速降温，而且降温效果明显，各层温差均匀，很适合应用于煤堆中。