防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统和方法

摘要

本发明首次提出在煤炭堆场的温度最高区域或已自燃区域植入或设置低温冷却吹扫气体、例如空气、CO2、N2和/或惰性气体的吹气装置和强制排出残存在煤炭堆场内部空间中导致煤炭自燃的氧化气体、少量低温挥发分气体和冷却吹扫气体尾气的排气装置。上述吹气装置和排气装置可迅速使高温煤炭或自燃煤炭降温，同时快速排出导致自燃的氧化气体、少量低温挥发分气体，进而预防煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭。

说明书

技术领域

本发明涉及防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统和方法，主要用于 预防和解决煤炭，例如，年轻烟煤、褐煤、或提质煤在挖掘、生产、储存、 运输过程中出现自燃的问题。

背景技术

煤炭自燃是煤炭生产、加工、仓储、运输企业以及煤化工企业经常遇 到的一个实际问题，也是一个难以解决的技术难题，现在通用的方法是采 用各种钝化工艺使煤炭表面进行一定程度的氧化而使其失活，例如， US5711769（一种钝化活性煤焦的系统以及工艺）；US5863304（一种钝化 低阶煤的系统和工艺）；US4402706U（一种氧化干燥处理后的低阶煤的设 备）；CN101781596（一种活性煤焦的钝化系统）所公开的钝化和氧化处 理煤炭的装置和方法。

但这种钝化方法仅是降低了煤炭自燃的可能性，在一定的环境条件下， 钝化处理后的煤炭仍然有自燃的可能，为了有效防止煤炭自燃，或使煤炭 自燃熄灭，除煤炭钝化工艺外，还需要寻找一种简便、实用、高效的方法 解决这一技术难题。

在煤炭储存现场经常发现：当煤堆出现自燃或自燃征兆时，仅通过浇 水对煤堆实现冷却以企图将煤炭自燃熄灭的方法往往难以奏效，而且效果 甚至是适得其反。究其原因是因为表面浇水渗透进入煤堆内部很慢，且阻 碍煤氧化产生热量的散出，使热量积累造成温度进一步升高，从而加剧氧 化放热速度；同时，渗透进入的水被煤吸附后易形成水氧络合物，可使煤 氧化加速。因此，对于自燃或出现自然倾向的煤堆，迅速使氧化产生的热 量散出，才是有效的预防方法。

在实际中发现，防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭最有效的方法是对煤场 或煤堆定期进行翻、晾。通过翻、晾，使内部温度高的煤炭爆露在大气中， 经大气的对流传热将煤氧化产生的热量传递出去，降低煤炭堆场的最高温 度，并使高浓度的氧化气体、少量低温挥发分气体逸出，从而通过杜绝自 燃源点，进而达到防止煤炭自燃，或使煤炭自燃熄灭的目的。但这样的方 法需要大量的人力和机械设备。

因此，寻找一种不进行翻、晾，但却起到和翻、晾相同作用的装置系 统和/或方法是本发明的主要目的。

发明内容

根据本发明第一方面，提供一种防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系 统，包括：

至少一个吹气管，用于使冷却吹扫气体进入煤堆最高温度区域或已自燃区 域中以对其中煤炭进行冷却；和

至少一个排气管，用于从煤堆最高温度区域或已自燃区域中强制排出氧化 气体、低温挥发分气体和/或冷却吹扫气体尾气，

其中，所述吹气管和排气管是内部中空的螺旋钻杆，在所述内部中空的螺 旋钻杆的璧上和/或叶片上均匀地或不均匀地分布着多个贯穿通气孔。

根据本发明第二方面，提供一种防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系 统，包括：

至少一个吹气装置，用于使冷却吹扫气体进入煤堆最高温度区域或已自燃 区域中以对其中煤炭进行冷却；

至少一个排气装置，用于从煤堆最高温度区域或已自燃区域中强制排出氧 化气体、低温挥发分气体和/或冷却吹扫气体尾气；和

与所述吹气装置和排气装置相对应的中空螺旋钻杆保护外套，用于使吹气 装置和排气装置在植入煤堆最高温度区域或已自燃区域中时不受损坏，

其中，所述吹气装置和/或排气装置包括：

底端密封的桶，底端优选为锥形；

至少一个位于所述桶的壁上的贯穿通道，用于使冷却吹扫气体、氧化气体、 和/或低温挥发分气体穿过所述通道由所述桶内部进入桶的外部或由所述 桶外部进入桶的内部；

至少一个位于所述贯穿通道上方并被安装在所述桶的壁外表面上的挡料 板，用于阻止煤炭颗粒进入上述桶的内部，其中所述挡料板的垂直投影面 覆盖上述贯穿通道；

位于桶壁上部或顶部的冷却吹扫气体入口。

优选地，上述挡料板的垂直横截面形状为由两条直线的端点交叉形成的 角，其中一条直线为垂直线；所述冷却吹扫气体可为空气、CO₂、N₂和/ 或惰性气体；所述冷却吹扫气体含有1-30重量%的水，或所述冷却吹扫气 体定期间断地被水取代。

优选地，所述吹气管或吹气装置可与压力大于1个大气压的压气机相连 通；而所述排气管或排气装置可与压力小于1个大气压的引风机相连通， 以便在所述吹气管与排气管内部之间或吹气装置与排气装置内部之间形成 1-5，例如2-3个大气压的压差。

通常，所述中空螺旋钻杆保护外套在所述吹气装置和排气装置植入所述 煤堆最高温度区域或已自燃区域中后从所述煤堆最高温度区域或已自燃区 域中取出；所述中空螺旋钻杆保护外套与所述吹气装置和排气装置可通过 螺纹、螺扣、销、卡等机构固定。

优选地，相邻的所述吹气管和排气管或吹气装置和排气装置间隔1-5 米，例如2-3米；所述吹气管和排气管或吹气装置和排气装置还可定期进 行操作互换以防止“璧上的通气孔”堵塞；同时，所述吹气管或吹气装置 的数量可少于或多于所述排气管或排气装置的数量。

通常，所述吹气管和排气管或吹气装置和排气装置可是一节或多节的， 在多节的情况下，所述吹气管和排气管或吹气装置和排气装置可通过螺纹、 螺扣、销、卡等固定机构被串联起来。

根据本发明第三方面，提供一种防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的方 法，其依次包括以下步骤：

（1）确定煤炭最高温度区域或已自燃区域；

（2）将本发明第一和第二方面所述的系统植入所述煤炭最高温度区域或已 自燃区域中，随后将所述中空螺旋钻杆保护外套从所述煤炭最高温度区域 或已自燃区域中取出；

（3）向所述吹气管或吹气装置中强力注入所述冷却吹扫气体，以使所述吹 扫气体将煤炭颗粒空隙中的至少一部分氧化气体和低温挥发分气体吹扫至 所述排气管或吹气装置内部空间中并被排除系统之外，同时冷却吹扫气体 快速冷却上述煤炭最高温度区域或已自燃区域中的煤炭颗粒；

（4）使上述煤炭最高温度区域或已自燃区域中的煤炭温度降低至引发 自燃的温度或自燃温度以下。

优选地，所述冷却吹扫气体含有1-30重量%的水，或向所述吹气管或 吹气装置中交替注入所述冷却吹扫气体和水。

附图说明

图1是作为吹气装置的吹气管和作为排气装置的排气管的示意图；

图2是另一种吹气装置和另一种排气装置的中空螺旋钻杆保护外套；

图3是一种吹气装置和一种排气装置的结构示意图；

图4是另一种吹气装置和另一种排气装置的结构示意图；

图5是借助于吹气装置和排气装置使冷却吹扫气体和氧化气体在煤堆 内部进行流通的示意图；

图6是在煤堆内部间隔布置多个吹气装置和排气装置的示意图；

图7是为防止堵塞吹气装置和排气装置定期进行互换的示意图；

具体实施方式

通过以下参考附图的描述进一步详细解释本发明，但以下描述仅用于 使本发明所属技术领域的普通技术人员能够更加清楚地理解本发明的原理 和精髓，并不意味着对本发明进行任何形式的限制。附图中等同的或相对 应的部件或特征用相同的标记数表示。

本发明包括两种技术方案，一种是针对煤炭颗粒的粒度较大，例如平均 粒度大于15毫米的情况；另一种是针对煤炭颗粒的粒度较小，例如平均粒 度小于15毫米的情况。但不管哪种技术方案，煤炭颗粒之间都具有在一定 压差下足够使气体实现流通的空隙。

当煤炭堆场的煤炭颗粒的粒度较大时，采用如图1所示的冷却吹扫气 体的吹气装置和强制排出氧化气体、低温挥发分气体和冷却吹扫气体尾气 的排气装置，如图1所示，所述装置是内部中空的螺旋钻杆，在内部中空 的螺旋钻杆的璧上和/或叶片上均匀地或不均匀地分布着大量的贯穿通气 孔。

当采用测温装置、例如热电偶或目测发现煤炭堆场的特定区域出现可 能引发自燃的高温区域或已出现自燃区域时，通过吊塔或天车等装置将至 少两个如图1所示的装置植入煤炭堆场的温度最高区域或已自燃区域中， 二者间隔一定且合理的距离、例如1-3米，通过压气机向其中一个中空的 螺旋钻杆内部强力注入吹扫气体，为消除因压缩造成的吹扫气体温度升高， 需进行必要的冷却，例如用冷却水间接冷却的空气、CO₂、N₂和/或惰性气 体作为冷却吹扫气体，而另一个中空的螺旋钻杆内部连通引风机，因此， 两个中空的螺旋钻杆内部之间形成例如1-5、优选2-3个大气压的压差，冷 却吹扫气体在此压差作用下穿过螺旋钻杆璧上和/或叶片上大量的贯穿通 气孔进入煤炭堆场的煤炭颗粒之间的空隙中，并在上述压差作用下流向与 引风机相连通的另一个中空螺旋钻杆的内部。

在此过程中，冷却吹扫气体流动时发挥着两个作用，一个是作为吹扫 气体将大部分氧化气体、例如氧气和煤炭受热时释放的微量或少量低温挥 发分气体吹扫到与引风机相连通的另一个中空螺旋钻杆的内部空间中，并 在引风机的作用下被排出系统之外，另一个作用是由于其与煤炭颗粒的温 度相差几十度甚至上百度，二者将进行快速热交换，煤炭颗粒将被迅速冷 却至无法自燃的温度以下甚至是室温。由于自燃是一个类似燃烧的氧化过 程，在大部分氧化剂（例如氧气）被清除以后，当温度剧烈下降到远离自 燃点温度以下时，就会有效预防煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭。在此过程中， 各种气体的流动方向如图5所示。对于自燃现象严重的情况，为防止因鼓 入吹扫气体中含氧气而引发燃烧，需采用N₂、CO₂或其他惰性气体作为吹 扫气体。

当煤炭堆场的煤炭颗粒的粒度较小时，例如平均粒度小于15毫米、甚 至更低的情况下，图1所示的装置就不是优选的了，因为在图1所示的装 置植入煤炭堆场的温度最高区域或已自燃区域中的过程中，细小的煤炭颗 粒有时可能会堵塞中空螺旋钻杆璧上和/或叶片上的贯穿通气孔，从而使其 失去作用或无法工作。这种情况下，优选的是采用本发明第二种技术方案。

本发明第二种技术方案中的装置如图2-4所示，首先其包括一个图2所 示的中空螺旋钻杆保护外套，以使图3-4所示的吹气装置和排气装置在植 入煤堆最高温度区域或已自燃区域中时不受损坏，与图1所示中空螺旋钻 杆不同的是其璧上和/或叶片上并没有贯穿通气孔，但其内部具有如图3所 示、优选如图4所示的另一种结构的冷却吹扫气体的吹气装置和强制排出 各种气体的排气装置。中空螺旋钻杆与吹气装置或排气装置通过螺纹、螺 扣、销、卡等机构固定。

同样，当采用测温装置、例如热电偶或目测发现煤炭堆场的特定区域出 现可能引发自燃的高温区域或已出现自燃区域时，通过吊塔或天车等装置 将至少两个如图3或图4所示的装置植入煤炭堆场的温度最高区域或已自 燃区域中，二者间隔一定且合理的距离、例如1-5米、优选2-3米。之后 解除中空螺旋钻杆保护外套与吹气装置和排气装置之间的固定构件，从而 将中空螺旋钻杆保护外套从煤堆中取出，而吹气装置和排气装置却被保留 在煤堆温度最高区域或已自燃区域中。

上述吹气装置和/或排气装置可如图3所示包括：底端密封的桶，底端 优选为锥形；至少一个位于桶的壁上的贯穿通道，用于使冷却吹扫气体、 氧化气体、和/或低温挥发分气体穿过所述通道由所述桶的内部进入桶的外 部或由所述桶的外部进入桶的内部；至少一个位于所述通道上方并被安装 在所述桶的壁外表面上的挡料板，用于阻止煤炭颗粒进入上述桶的内部， 其中所述挡料板的垂直投影面覆盖上述贯穿通道；位于桶的壁上部或顶部 的冷却吹扫气体入口。

优选地，上述吹气装置和/或排气装置可如图4所示包括：底端密封的 桶，底端优选为锥形；至少一个位于桶的壁上的贯穿通道，用于使冷却吹 扫气体、氧化气体、和/或低温挥发分气体穿过所述通道由所述桶内部进入 桶的外部或由所述桶的外部进入桶的内部；至少一个位于所述贯穿通道上 方并被安装在所述桶的壁外表面上的挡料板，并且所述挡料板的垂直横截 面形状为由两条直线的端点交叉形成的角，其中一条直线为垂直线，用于 阻止煤炭颗粒进入上述桶的内部，所述挡料板的垂直投影面覆盖上述贯穿 通道；位于桶的壁上部或顶部的冷却吹扫气体入口。

通过压气机向图3或图4所示结构的吹气装置内部强力注入经冷却水 冷却的吹扫气体，吹扫气体可用空气、CO₂、N₂和/或惰性气体，而图3或 图4所示结构的排气装置内部连通引风机，因此，中空的吹气装置和中空 的排气装置内部之间形成例如1-5、优选2-4个大气压的压差，冷却吹扫气 体在此压差作用下穿过上述吹气装置的璧上的贯穿通气孔进入煤炭堆场的 煤炭颗粒之间的空隙中，并在上述压差作用下穿过上述排气装置的璧上的 贯穿通气孔流向与引风机相连通的排气装置的内部。

在此过程中，冷却吹扫气体流动时仍然发挥着两个作用，一个是作为 吹扫气体将氧化气体、例如氧气和煤炭受热时释放的低温挥发分气体吹扫 到与引风机相连通的排气装置内部空间中，并在引风机的作用下被排出系 统之外，另一个作用是由于其与煤炭颗粒的温度相差几十度甚至上百度， 二者将进行快速热交换，煤炭颗粒将被迅速冷却至无法自燃的温度以下甚 至是室温。由于自燃是一个类似燃烧的氧化过程，在大部分氧化剂、例如 氧气被清除以后，当温度剧烈下降到远离自燃点温度以下时，就会有效预 防煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭。在此过程中，各种气体的流动方向仍然如 图5所示。

值得注意的是：本发明第二种技术方案可以替代第一种技术方案，其 同样也适用于煤炭堆场的煤炭颗粒的粒度较大的情况。

在上述第一种和第二种技术方案中，使本发明防止煤炭自燃或使煤炭 自燃熄灭的系统正常工作和高效发挥其功能的关键因素是保证“璧上贯穿 通气孔”不被煤炭颗粒和/或细粉堵塞，从而影响低温冷却吹扫气体、氧化 气体（例如氧气）、少量低温挥发分气体和低温冷却吹扫气体尾气按预定 的方向和方式注入、流动及排出。如果上述各种气体的注入、流动及排出 无法实现或受阻，冷却吹扫气体与煤炭堆场中的煤炭颗粒之间的快速热交 换就无法实现。如果煤炭颗粒无法快速冷却，而氧化气体（例如氧气）、 少量低温挥发分气体又无法及时从煤炭堆场中的煤炭颗粒空隙中被排出或 逸出，就无法有效防止煤炭自燃，或无法使煤炭自燃熄灭。

尽管在本发明第一种和第二种技术方案中，通过依煤炭颗粒的粒度调整 “璧上贯穿通气孔”的大小和设置挡料板等方式来防止“通气孔”堵塞， 但在一些极端的情况下，“通气孔”堵塞可能是无法避免的，这样就会影 响本发明的实施。

为此，可通过吹气装置和排气装置、或吹气管和排气管操作互换来彻底 解决这一问题，如图7所示，通过阀和管道将吹气装置和排气装置、或吹 气管和排气管连通起来，使吹气装置和排气装置、或吹气管和排气管定期 进行互换，从而将沉积在“通气孔”中堵塞“通气孔”的煤炭颗粒和/或细 粉用高压冷却吹扫气体吹出“通气孔”外。如图7所示，在条件1中的吹 气装置或吹气管通过管道上阀的闭合会变为条件2中的排气装置或排气 管，同样，在条件1中的排气装置或排气管通过管道上阀的闭合会变为条 件2中的吹气装置或吹气管。

需要说明的是：在煤炭堆场的最高温度区域或自燃区域中，上述吹气装 置和排气装置、或吹气管和排气管的数量可是单个，也可是多个，而更多 的情况下是多个，例如，如图6所示。相邻排气装置或排气管、或相邻吹 气装置或吹气管的距离可为2～10米、例如2-8米、优选为4-6米。特别 地，为保证氧化气体（例如氧气）、少量低温挥发分气体被迅速、通畅地 排出，吹气管（吹气装置）和排气管（排气装置）应合理均匀对称地排布， 以使送入冷却吹扫气体的吹气管（吹气装置）和用于迅速排出氧化气体（例 如氧气）、少量低温挥发分气体、以及冷却吹扫气体尾气的排气管（排气 装置）间隔1～5米，优选2-3米。由此可见，吹气管（吹气装置）和排气 管（排气装置）的数量取决于煤炭堆场的最高温度区域或自燃区域的大小， 以100平方米的区域为例，可植入或安装9～16根吹气管（吹气装置）和 9～16根排气管（排气装置）。显然，上述吹气管（吹气装置）和排气管 （排气装置）并非必须成对设置或交错排布，吹气管（吹气装置）的数量 也可以少于或多于排气管（排气装置）的数量，只要保证氧化气体和少量 低温挥发分气体以及冷却吹扫气体尾气能迅速且通畅地被排除或逸出即 可。

上述吹气管（吹气装置）和/或排气管（排气装置）可以是单独的一节， 也可以是多节，在多节的情况下，可通过螺纹、螺扣、销、卡等固定机构 将它们串联起来，这样做的好处是它的高度是可以调整的，其在处理不同 高度的煤炭堆场或不同高度的自燃区域时使用会更加灵活和方便。

在上述防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统中，所使用的冷却吹扫气 体也可含有一定比例水、例如1-30重量%的水，所述水经常规雾化装置、 例如文丘里雾化器雾化后，与冷却吹扫气体一起形成气-液二相混和物，经 上述吹气管或吹气装置被注入到煤堆的最高温度区域或已自燃区域中，这 样，在气-液双重传热的情况下，高温煤炭颗粒或自燃煤炭颗粒能被更加迅 速地降温。

当然，在上述防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统使用时，上述冷却 吹扫气体和水也可交替地注入到煤堆的最高温度区域或已自燃区域中，这 样，水不是从煤堆表面渗入，而是直接抵达煤堆的最高温度区域或已自燃 区域。

实施例

实施例1

本实施例选用经干燥处理温度为55℃的褐煤作为煤堆原料，平均粒径在 35mm左右，其工业分析见表1。

表1

固定碳 灰分 挥发分 含水量 42.3% 12.7% 36% 9%

将上述褐煤150吨做成一个锥形煤堆，煤堆与地面用隔板隔开。

用30根热电偶测量料堆的内部温度，堆放11天后，煤料堆内部最高 温度为85℃。这说明上述煤堆将在以后极有可能发生自燃。

上述煤堆在第16天后开始闷烧（自燃）。闷烧（自燃）的标志是煤堆 表面有水蒸汽和烟。

用吊车在煤堆中植入24根图1所示的吹气管和26根图1所示的排气管。 吹气管和排气管的内径均为0.2米，吹气管和排气管的间距为2米，并且 交叉布置，吹气管和排气管的璧表面上平均每5平方厘米分布一个直径为 15毫米的圆形贯穿气体通孔，上述吹气管和排气管的底部均插入到接近煤 堆底部20-30厘米的位置。

通过压气机向上述吹气管中通入经冷却水冷却的吹扫气体（空气），同 时使排气管与引风机相连通，通过调整冷却吹扫气体的压力和流量，在吹 气管和排气管内部之间形成大约2.0-2.5个大气压的压差。

在注入低温冷却吹扫气体15分钟后，观察到煤炭自燃引起的烟明显变 小，40分钟后烟基本消失，这说明煤炭自燃已被熄灭，停止冷却吹扫气体 注入，3小时后，重新启用热电偶测量煤堆的内部温度，发现其最高温度 降低至43℃，远低于可能引发自燃的60℃的温度。

这说明使用本发明图1所示的防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统 和方法有效地使煤炭自燃熄灭了。

实施例2

使用与实施例1相同的经干燥处理的褐煤作为煤堆原料，所不同的是其 粒径为15毫米。

将上述褐煤150吨做成一个与实施例1中完全相同的锥形煤堆，煤堆与 地面用隔板隔开，并与实施例1中的煤堆相邻，以利于比较和观察。

用30根热电偶测量煤堆的内部温度，堆放9天后，煤堆内部最高温度 为87℃。这说明上述煤堆将在以后也极有可能发生自燃。

上述煤堆在第13天后开始闷烧（自燃）。闷烧（自燃）的标志是煤堆 表面有水蒸汽和烟。

用吊车在煤堆中植入26根图4所示的吹气装置和28根图4所示的排气 装置。其中吹气装置和排气装置的内径均为0.2米，吹气装置和排气装置 的间距为2米，并且交叉布置，吹气管和排气管的璧表面上平均每5平方 厘米分布一个直径为10毫米的圆形贯穿气体通孔，贯穿气体通孔上方的挡 料板的折角为135度，上述吹气和排气装置的底部均插入到接近煤堆底部 20-30厘米的位置。在将吹气装置和排气装置插入到煤堆中后，解除图2 所示的中空螺旋钻杆保护外套与图4所示的吹气装置和排气装置的固定连 接，将图2所示的中空螺旋钻杆保护外套从煤堆中取出。

通过压气机向上述吹气装置中通入冷却吹扫气体，吹扫气体为常温的空 气，同时使排气装置与引风机相连通，通过调整冷却吹扫气体的压力和流 量，在吹气装置和排气装置内部之间形成大约2.5-3个大气压的压差。

在注入冷却吹扫气体20分钟后，观察到自燃引起的烟明显变小，在1 小时后烟基本消失，这说明自燃已被熄灭，停止低温冷却吹扫气体注入，3 小时后，重新启用热电偶测量煤堆的内部温度，发现其最高温度降低至47 ℃，远低于可能引发自燃的60℃的温度。

这说明使用本发明图4所示的防止煤炭自燃或使煤炭自燃熄灭的系统 和方法有效地使煤炭自燃熄灭了。

需要说明的是：本发明的系统和方法不仅可有效和便捷地使煤炭自燃 熄灭，还可以预防或防止煤炭自燃，通过测温设备、例如热电偶得知煤堆 局部温度异常或过高，在有可能引发自燃时，及时使用本发明的系统和方 法可使煤堆最高温度区域的温度快速降低，从而杜绝引发自燃的源头，进 而预防或防止煤炭自燃。

本发明的系统和方法达到了对煤炭料堆进行翻、晾、和晒一样的作用 和效果。

本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语 和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或 其组成部分的任何等同物排斥在外。

尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所 描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明 原则和实质的情况下,可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明保 护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。