CN110715878B - 一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法，包括如下步骤：（1）、配制含有20%O2、80%N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察N2对煤吸附氧气的影响；（2）、从电厂采集烟气气样作气体成分分析，计算出烟气中CO2与N2的比例；（3）、配制含有20%O2、80%与烟气同比例的CO2与N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察电厂烟气对煤吸附氧气的影响。本发明方法设计合理，提出适用于注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的计算方法，对将电厂烟气注入采空区进行煤自燃的预防具有指导意义。

Description

一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法
技术领域
本发明属于采空区防灭火领域，涉及注烟气预防采空区煤自燃的方法，具体是一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法。
背景技术
煤自然发火是我国煤矿安全生产面临的重大灾害之一。在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等7个省自治区，煤自燃火区燃烧面积累计超过720km2，每年烧毁煤炭1000～1360万吨，间接呆滞优质煤炭有2亿吨，每年至少造成200亿元的经济损失。另外,煤自燃产生大量有毒有害气体，危害作业人员的健康和生命，污染环境，而且还是诱发瓦斯煤尘爆炸事故的主要火源，严重影响煤矿安全生产。
火电厂烟气属于工业废气，含有大量的有害气体成分，有国家严格限制排放的二氧化硫、氮氧化物，尤其含有能够造成温室效应的二氧化碳。据统计，目前全球二氧化碳排放总量的41％来自电力行业，2018年我国火电厂CO2的排放总量达到约40亿吨，而且从电厂烟气中捕获分离并封存CO2的成本极高且难成规模。
经过检测分析，目前火电厂排放烟气中的主要成分为N2、CO2，均是很好的惰化防灭火材料，将电厂烟气注入煤矿采空区能够有效抑制煤炭自燃的发生和实现CO2的封存。不仅可以有效降低煤矿防灭火的成本，而且实现了电厂烟气的回收利用，对于减少有害气体的排放，从而改善生态环境具有十分重要的意义。
现阶段公认的惰化指标为GB 51078-2015《煤炭设计防火规范》中所规定的，注氮后采空区惰化指标为含氧量不得大于7％。大量国内外学者的研究表明煤吸附CO2、N2和O2的能力大小为：CO2>N2>O2，所以烟气中CO2的存在必定会使得烟气对煤吸附O2的影响效果优于注氮时纯氮气的影响。因此，采用注烟气预防采空区煤自燃时需要确定一个新的采空区惰化指标。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明提出一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法，该方法能够确定出注烟气预防采空区煤自燃的惰化指标，对将电厂烟气注入采空区进行煤自燃的预防具有指导意义，而且可以有限降低因指标不合理而导致的烟气预处理成本。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法，包括如下步骤：
(1)、配制含有20％O2、80％N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察N2对煤吸附氧气的影响。
(2)、从电厂采集烟气气样作气体成分分析，计算出烟气中CO2与N2的比例。
(3)、配制含有20％O2、80％与烟气同比例的CO2与N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察电厂烟气对煤吸附氧气的影响。
(4)、现场取煤样，破碎后筛分出50目以下的煤样，将筛分好的煤样放入真空干燥箱内保存；然后取煤样放入吸附缸内分别对步骤(1)和步骤(3)的实验气体进行等温吸附实验，然后用气相色谱仪测定缸内各气体组分的初始体积分数并记录为吸附初始值，吸附平衡后再用气相色谱仪测定缸内各气体组分的平衡体积分数并记录为吸附平衡值。
(5)、氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x1的计算公式为：
Figure BDA0002194146680000031
氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y1的计算公式为：
Figure BDA0002194146680000032
其中，p为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；p'为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure BDA0002194146680000033
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000034
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000035
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000036
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲。
(6)、烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x2的计算公式为：
Figure BDA0002194146680000037
烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y2的计算公式为：
Figure BDA0002194146680000041
其中，q为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；q'为吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure BDA0002194146680000042
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000043
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000044
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000045
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000046
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内CO2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000047
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内CO2的平衡体积分数，无量纲。
(7)、计算氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，其计算公式为：
Figure BDA0002194146680000048
其中k1为氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，无量纲。
(8)、计算烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，其计算公式为：
Figure BDA0002194146680000049
其中k2为烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，无量纲。
(9)、根据GB 51078-2015《煤炭设计防火规范》中规定，注氮后采空区惰化指标为含氧量不得大于7％，即氮气和氧气的混合气体体系中，氧气在游离相中的体积分数y1≤7％，则利用步骤(7)中氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数k1值，得出氮气和氧气的混合气体体系中氧气在吸附相中的体积分数
Figure BDA0002194146680000051
(10)、当使用注烟气的方法进行灭火时，要保证氧气在吸附相中的体积分数与使用注氮气的方法进行灭火时氧气在吸附相中的体积分数相等，即保证x1＝x2，则得出使用注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的计算公式为：
Figure BDA0002194146680000052
火电厂烟气中氧气的体积分数约为6～8％，如果仍然采用注氮后采空区的惰化指标7％，那氧气体积分数高于7％的烟气就必须先进行降氧处理，但以现有的技术条件，烟气降氧的相关技术不完善而且成本很高。使用本发明提供的方法可以确定出更加合理的惰化指标，且由于烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数大于氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，当注烟气后氧气在吸附相中的体积分数与注氮气后氧气在吸附相中的体积分数相同时(纵坐标相同)，注烟气后氧气在游离相中的体积分数必然大于注氮气后氧气在游离相中的体积分数，即注烟气的惰化指标必然大于注氮气的惰化指标(见附图1)，因此可以有限降低因指标不合理而导致的烟气降氧处理成本，并实现了烟气的回收利用，具有很好的社会效益和经济效益。
本发明方法设计合理，提出适用于注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的计算方法，对将电厂烟气注入采空区进行煤自燃的预防具有指导意义。
附图说明
图1表示组分在游离相中的浓度与其在吸附相中的浓度关系图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但应理解的是本发明的范围并不限于这些实施例。
本发明提出了以注氮预防采空区煤自燃的惰化指标为基础，结合混合气体的竞争吸附原理来确定注烟气预防采空区煤自燃的惰化指标的方法，具体如下：
1、模拟矿井采空区使用注氮防灭火时的储存环境和气体成分，配制含有约20％O2、80％N2的实验气体，进行吸附实验以考察N2对煤吸附氧气的影响。
2、采集塔山矿坑口电厂烟气气样作气体成分分析，计算出烟气中CO2与N2的比例约为1:5。
3、模拟矿井采空区注入烟气防灭火时的储存环境和气体成分，配制含有约20％O2、14％CO2、66％N2的实验气体，进行吸附实验以考察电厂烟气对煤吸附氧气的影响。
4、从塔山矿取煤样，破碎后筛分出50目以下的煤样，将筛分好的煤样放入真空干燥箱内保存。在整个处理过程中尽量缩短样品在空气中的暴露时间以防止其受到氧化等外界因素的影响，然后取煤样5kg放入吸附缸内对两种实验气体分别进行等温吸附实验，然后用气相色谱仪测定缸内各气体组分的初始体积分数并记录为吸附初始值，吸附平衡后再用气相色谱仪测定缸内各气体组分的平衡体积分数并记录为吸附平衡值。
5、使用公式
Figure BDA0002194146680000071
计算出氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x1为17.16％。
6、使用公式
Figure BDA0002194146680000072
计算出氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y1为：19.62％。
其中，p为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；p'为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure BDA0002194146680000073
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000074
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000075
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000076
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲。
7、使用公式
Figure BDA0002194146680000077
计算出烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x2为13.34％。
8、使用公式
Figure BDA0002194146680000078
计算出烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y2为19.36％。
其中，q为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；q'为吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure BDA0002194146680000081
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000082
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000083
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000084
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000085
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内CO2的初始体积分数，无量纲；
Figure BDA0002194146680000086
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内CO2的平衡体积分数，无量纲。
9、使用公式
Figure BDA0002194146680000087
计算出氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数k1为1.178。
10、使用公式
Figure BDA0002194146680000088
计算出烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数k2为1.559。
11、使用公式
Figure BDA0002194146680000089
计算出，当氮气和氧气的混合气体体系中氧气在游离相中的体积分数y1≤7％时，氮气和氧气的混合气体体系中氧气在吸附相中的体积分数x1≤6.00％。
12、使用公式
Figure BDA0002194146680000091
计算出，使用注烟气预防采空区煤自燃惰化指标为y2≤9.68％，即将塔山矿的坑口电厂的烟气注入塔山矿采空区预防煤自燃的惰化指标为9.68％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种注烟气预防采空区煤自燃惰化指标的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、配制含有20％O2、80％N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察N2对煤吸附氧气的影响；
(2)、从电厂采集烟气气样作气体成分分析，计算出烟气中CO2与N2的比例；
(3)、配制含有20％O2、80％与烟气同比例的CO2与N2的实验气体，用于进行吸附实验以考察电厂烟气对煤吸附氧气的影响；
(4)、现场取煤样，破碎后筛分出50目以下的煤样，将筛分好的煤样放入真空干燥箱内保存；然后取煤样放入吸附缸内分别对步骤(1)和步骤(3)的实验气体进行等温吸附实验，然后用气相色谱仪测定缸内各气体组分的初始体积分数并记录为吸附初始值，吸附平衡后再用气相色谱仪测定缸内各气体组分的平衡体积分数并记录为吸附平衡值；
(5)、氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x1：
Figure FDA0002457064470000011
氮气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y1：
Figure FDA0002457064470000012
其中，p为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；p'为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure FDA0002457064470000013
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000021
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000022
为注入氮气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000023
为煤吸附氮气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲；
(6)、烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在吸附相中的体积分数x2：
Figure FDA0002457064470000024
烟气和氧气的混合气体吸附平衡时，氧气在游离相中的体积分数y2：
Figure FDA0002457064470000025
其中，q为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸的初始平衡压力值，MPa；q'为吸附平衡时吸附缸的平衡压力值，MPa；
Figure FDA0002457064470000026
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内O2的初始体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000027
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内O2的平衡体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000028
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内N2的初始体积分数，无量纲；
Figure FDA0002457064470000029
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内N2的平衡体积分数，无量纲；
Figure FDA00024570644700000210
为注入烟气和氧气的混合气体后吸附缸内CO2的初始体积分数，无量纲；
Figure FDA00024570644700000211
为煤吸附烟气和氧气的混合气体达吸附平衡时吸附缸内CO2的平衡体积分数，无量纲；
(7)、计算氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数：
Figure FDA0002457064470000031
其中k1为氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，无量纲；
(8)、计算烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数：
Figure FDA0002457064470000032
其中k2为烟气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数，无量纲；
(9)、根据规定，注氮后采空区惰化指标为含氧量不得大于7％，即氮气和氧气的混合气体体系中，氧气在游离相中的体积分数y1≤7％，则利用步骤(7)中氮气和氧气的混合气体体系的竞争吸附常数k1值，得出氮气和氧气的混合气体体系中氧气在吸附相中的体积分数
Figure FDA0002457064470000033
(10)、当使用注烟气的方法进行灭火时，要保证氧气在吸附相中的体积分数与使用注氮气的方法进行灭火时氧气在吸附相中的体积分数相等，即保证x1＝x2，则得出使用注烟气预防采空区煤自燃惰化指标为：
Figure FDA0002457064470000034
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