防止铁路运输煤炭发生自燃的探讨

韩 启

（北京铁路局 张家口车务段，河北 张家口 075000）

煤炭是国家能源经济的重要组成部分，同时也是铁路运输的重点物资。但由于煤炭自燃的特性，在储存和运输过程中煤炭自热与自燃现象非常普遍，不仅影响铁路运输的正常秩序，还将造成财产损失，甚至危及人民生命安全。因此，探究煤炭自燃的原因，制定有效的预防措施，防止铁路运输煤炭发生自燃十分必要。

1 煤炭自燃的原因

煤炭主要由有机物和无机物组成，其可燃元素有碳 (60%～95%)、氢 (1%～6%)、氧 (3%～5%，有时高达 25%）、硫 ( 0.1%～10% )，这些元素构成可燃化合物，称为煤的可燃质。此外，煤还含有一些不可燃的矿物质，如灰分 ( 5%～50% ) 和水分 ( 2%～20% )，这些物质称为煤的惰性质。

为了掌握煤炭发生自燃的规律，国内外学者进行了大量的研究，结合各种论据，煤炭发生自燃的因素有以下几个方面。

（1）化学成份的影响。煤碳所含的硫有3种存在形式：二硫化铁即黄铁矿 ( FeS2)、有机硫和硫酸盐。煤炭发生自燃起主导作用的是硫化铁，其与煤炭吸附相同的氧量而温度的增值比煤碳大3倍，所以黄铁矿在煤炭自燃过程中起着加速的作用。

（2）氧气的影响。煤炭中的碳、氢等元素在常温下会生成可燃物 CO、CH4及其他烷烃物质(烷烃主要是作为燃料)。煤炭的氧化又是放热反应，如果热量不能及时散发出去，煤堆的温度升高后，又加速煤的氧化，放出更多的可燃质和热量。当热量聚集使温度上升到一定值时，即会引起煤炭自燃。

（3）煤炭的含水量促进其氧化进程。研究表明，煤炭自燃前的全水分为 5%～7%，当含水量达到 12%时，不会发生自燃。但随着水分的挥发，加速煤炭的各种反应，如硫份的酸化，产生的热量又加快了氧化反应过程。另外，煤炭中含水量多，则煤质松软，裂隙孔隙因水的蒸发使吸氧表面积增大，吸氧量加强，煤炭更易导致自燃。

（4）气温、气压的影响。煤炭自燃经常发生在大气温度下降、气压增大时，这种气候条件下，大气密度比煤堆的空气密度大，因此渗入煤堆的新鲜空气量增大，导致煤炭自燃加剧。

（5）煤炭的粒度影响。煤炭的粒度越小煤炭的表面积越大，吸氧量越大，越易自燃。煤炭破碎后着火点温度下降，当煤炭粒度为 1.5～2.0 mm3时，着火点温度为 330 ℃～360 ℃。当煤炭粒度＜1.0 mm3时，着火点温度为 190 ℃～220 ℃。

（6）煤种的影响。表1 表明煤种不同其着火点也不同，从褐煤到无烟煤，其着火点越来越高，自燃倾向性越来越弱。

表1 各类煤种的着火点范围

2 煤炭自燃的过程

煤炭从氧化到发生自燃会经历以下 5 个阶段。

（1）水吸附阶段。水吸附阶段是物理过程，煤炭与氧不会发生反应，煤炭吸附水虽不是煤炭自燃的根本原因，但煤炭吸附水会放出大量热，因此该阶段对煤炭自燃起着关键作用。

（2）化学吸附阶段。化学吸附阶段煤炭会产生气体，根据煤炭品级和类型不同，放热量在5.04～6.72 J/g。当煤炭温度达到 60 ℃ 时会分解，煤炭中水分蒸发可以带走一些热量，该过程中产热量的变化范围为 16.8～75.6 J/g，在这个阶段煤炭一般会发生自燃。

（3）煤氧复合物生成阶段。煤氧复合物生成阶段生成一种稳定的化合物，即煤氧复合物。其反应温度范围为 150 ℃～230 ℃，产生的热量为 25.2～103.4 J/g，在这个阶段煤炭必然发生自燃。

（4）燃烧初始阶段。燃烧初始阶段是煤氧复合物生成阶段到煤炭快速燃烧阶段的过渡时期，煤炭温度达到 230 ℃ 时，煤炭的反应热为 42～243.6 J/g，这些热量使煤炭温度迅速上升进而促进煤炭快速燃烧。

（5）快速燃烧阶段。快速燃烧阶段是煤炭的实际燃烧过程。在这个阶段根据氧气供应情况，如果燃烧充分，其反应热等于煤炭的发热量。

3 煤炭自燃的部位

根据煤炭自燃的实际情况，发生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆的深部，而是在煤堆的表层以下。在自然堆积状况下，可将煤堆分为3层，如图1所示。

（1）冷却层。冷却层是煤堆的表层，厚度为0.5～1.5 m。该层煤炭较松散，与空气接触充分，虽然发生氧化反应但是散热条件好，所以一般不会发生自燃。

（2）氧化层。氧化层位于冷却层以下，厚度为1～4 m。该层煤炭具备自燃的所有条件，达到自然发火期即会自燃。

（3）窒息层。窒息层位于氧化层以下，煤层相对压实，供氧不充分，且含水率较高，氧化程度较低，不易发生煤炭自燃。

煤炭在自然堆放时，一般中心部位处颗粒较细，越往四周颗粒越粗。相应地，从中心往四周，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。

煤炭自燃一般发生在氧化层，同时伴随着温度升高，产生冒热气、冒烟等现象。当发现煤堆上某处释放热气或冒烟，则自燃点一定在该部位垂直向下的氧化层内。因为，受煤炭自热或自燃的热压作用，气体流动方向为垂直向上。一旦某个部位的煤炭发生了自燃，也会使其上部冷却层的煤炭自燃。

4 铁路运输煤炭发生自燃的原因

（1）直接装运已自燃煤炭。装车时，如将部分自燃的煤炭装车，在列车运行中，因车速快、风大，为自燃煤炭供应的氧气增加，燃烧将进一步加剧。近年来，随着铁路运输企业严格控制、严格检查，这种情况已很少发生。

（2）装运严重自热煤炭。因检查工作不到位，所装煤炭虽无明火，但已自热到温度接近或超过着火点温度，只因压在煤堆里层，供氧不足，未发生明火。装车后由于车速快、风大、供氧充足，最终导致煤炭自燃。由于此种情况没有明显的烟、火现象，现场不容易发现(尤其是夜间装车)。这是近年来在煤炭运输中发生自燃的主要原因。

5 张家口地区铁路煤炭运输的特点

（1）煤种、煤质构成复杂。张家口地区发运的煤源来自内蒙古、山西及蔚州等地区，而且是多种品质的煤炭掺配混合，其中大部分属于自燃倾向性较强的煤炭。并且大部分煤炭先由汽车远距离调入张家口地区煤场存放、掺配，上报日请求车前再用汽车运至货位等待装车。因煤炭来源杂、经历杂，所以铁路作为承运人根本无法详细掌握煤炭存储时间、煤质、煤种配比、混合均匀与否、有无发生过自燃现象等情况。而这些情况往往决定该批煤炭是否会在运输中发生自燃。

图1 煤堆自燃分布剖面示意图

（2）煤炭质量的检测手段单一。煤炭质量的检查仅依靠托运人提供的煤炭技术参数，而煤炭的温度检测仅依靠在装车前使用移动式煤炭测温仪对煤堆局部进行测温(见图2)，在装车过程中无法监测煤炭温度。

（3）煤炭存放场地不标准。现有煤炭存放场均为软地面，由于反复辗压造成不规则凹坑，下雨过后，造成底层煤炭含水量较高，并逐渐向上传导，导致中部煤炭积水积热，加上张家口地区风大、日照时间长，这些都会导致煤炭久存自燃。

（4）车辆技术状态不良。多数装运煤炭车辆需要使用封堵材料方能封堵严密，封堵材料大多为编织布包裹稻草、密封条、泡沫胶等。一般货主考虑经济成本，使用廉价的编织布包裹稻草的封堵方法。该种材料密封效果差，不能有效隔离车辆在运行中对煤炭的供氧，故引起煤炭自燃频发。

（5）作业人员业务素质较低。有些监装货运员未经过系统培训，安全意识差，对操作规程和作业标准不熟悉，再加上安全意识不强，发现存在煤炭自燃倾向不汇报，从而为煤炭在运输过程中发生自燃埋下隐患。

6 预防煤碳自燃应采取的措施

（1）强化过程控制。结合煤炭自燃条件，设立数据监控表(见表2 ～ 表 4 )，逐项确定关键控制点，并对照加以解决。

表2 煤源参数

表3 装车前检查

当表2或表3中出现√项目，该煤炭列为重点进行监控，采取翻垛、晾晒、测温、压实等措施，降低煤炭温度，密切注意煤炭的动态变化。

图2 装车前对煤堆局部测量温度

表4 装车过程监控

当表4中出现√项目：①采取翻垛、晾晒、测温、压实等措施，降低煤炭温度；②温度超过 60 ℃时，严禁装车；③如发现冒烟现象，将发生自燃的煤炭清理出货位；④车辆有缝隙时，重新封堵，做到严密封堵，并记下问题车号，沿途重点检查。

（2）配备先进的测温设备。给各装车地点配备移动式测温仪和手持测温仪，在装载机上配备固定式测温设备。利用测温设备对存储煤炭的多个深层部位进行检测，选择向阳、迎风、煤垛之间的交叉点等位置，准确探测煤炭内部温度，判定是否存在阴燃现象。在装车过程中，由货运作业人员、托运人、装载机司机根据各自职责对煤炭状态进行监控，发现有煤炭自燃现象，应立即停止装车，积极组织灭火，严禁将着火或冒烟的煤炭装车，确定无自燃隐患后再继续进行作业。

（3）改善煤炭堆放场地条件。堆放煤炭场地以水泥类硬质地面最为理想，地面不宜铺垫空隙较大的衬垫物，以防空气进入煤堆增加自燃风险。

（4）选择合适贮煤场和堆置方式。宜将贮煤场设在宽敞背光的地方，或者设置煤棚，保持贮煤场通风良好，防止煤堆暴晒，同时周围无高温热源。煤炭长期贮存时要喷水压实，尽量减少煤堆中的空气。

（5）采取合理堆煤方式。存贮的煤堆间应留出足够的翻跺距离，特别是对容易自燃的煤种，如褐煤、长焰煤、不粘煤、喷吹煤或经过掺配的煤炭，重点监控堆放通道的预留。尽量在较低的温度下贮存煤炭，避开在中午烈日下进行堆煤，以减少热量的积聚。块煤、末煤混在一起的煤堆，由于煤堆中有相当多的空气使煤炭氧化，导致温度迅速升高，因此，块煤和末煤以分开贮存为宜。末煤单独贮存时可以用推土机一层一层地压紧，尽量减少煤堆中的空气，从而不易引起自燃。

（6）减少堆放的时间。煤炭的存放时间应根据煤质而定，加快煤炭发送周转效率，合理使用货位，有条件的应该做到装车当天上煤，剩余煤炭应及时清理出货位。

（7）避免新、老煤炭混放。新煤堆放在老煤上可能造成煤炭的粒度分离，从而扩大氧化面积。因此，应从源头上避免新、老煤炭混放，并定期对老煤炭状态进行测温和检查。

（8）勤翻煤垛。煤场中长时间存放的煤炭会产生一定的热量，通过翻倒煤垛破坏煤堆氧化层，可有效散放出内部热量，延缓煤炭的自燃过程。

（9）做好车门封堵工作。车门封堵应结合现场实际情况，采取密封条与泡沫胶相结合的方式，在列车运行中隔绝煤炭供氧，做到封堵严密，减少发生自燃的条件。

（10）建立健全培训机制。为提高作业人员的业务素质和安全责任意识，对货场、专用线的作业人员进行严格培训，考核达标后凭岗位合格证上岗，杜绝因违章蛮干造成煤炭自燃事故。

7 结束语

防止铁路运输煤炭发生自燃事故，事关铁路运输安全与和谐发展，应引起路企双方高度重视。这需要路企双方在安全责任上达成共识，密切配合；需要在生产实践中加强学习，不断探索；更需要总结运输事故的经验教训，积极超前预警，制定切实有效措施，并且严格落实，才能真正做到防患于未然。