CN110735659B - 一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电厂烟气注入井下防灭火时利用煤能吸附氧气的性质降低烟气中氧含量方法。降低氧浓度主要利用11个储煤罐体配合循环使用，根据常压容量法，通过综合通入烟气量，通入烟气时的氧含量，要求排出烟气时的氧含量，计算得到1个储煤罐体中的煤量。罐体进行4个流程，依次是通气、除氧、排气、换煤。11个罐体轮流进行4个流程，交替循环使用保证持续向采空区供气。储煤罐体能方便快捷的进行装煤、卸煤操作，因为煤对氧气的吸附并不会改变煤的性质，所以装入的煤是煤场产的新煤，卸下的煤可以运输到电厂用作燃料。用煤吸附氧气不会引起煤的自燃，井下采空区防灭火因在煤矿上，煤资源丰富，所以成本会大大降低。

Description

一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法

技术领域

本发明涉及煤矿采空区防灭火领域，具体为一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法。

背景技术

煤炭是我国能源主体，煤的自燃灾害严重影响煤炭工业的健康稳定发展，尤其是煤矿井下采空区的遗煤自燃问题，当前迫切需要创新研发成本低效果好的防灭火技术与工艺来防止煤的自燃。

以煤炭为燃料的火力发电厂运行会产生大量含氧的烟气，是很好的防灭火材料，可替代现有的制氮防灭火技术。电厂烟气为低氧工业废气，将电厂烟气注入井下用于预防采空区煤炭自燃并封存多种有害气体，可减少因大量制氮造成的能源浪费，为企业节省大量资金，同时实现电厂烟气的“减量化、无害化、资源化”处理。电厂烟气中的氧气含量大约有4％～7％，为了使烟气注入井下后达到更好的防灭火效果，需要有一种经济高效的降低烟气中氧浓度的方法。现阶段常用的除氧方法有铁屑除氧，碳燃烧除氧，变压吸附除氧等，但这些方法都有成本高，或是生成其它有害物等缺点。而煤本身是一种包含微孔和大孔系统的双重孔隙介质，所以煤是一种天然吸附剂，可以对氧气产生物理与化学吸附。且井下矿边煤源丰富，所以用煤来吸附氧气相比其它方法会更经济高效。

吸附是自然界普遍存在的现象，其定义为“由于物理或化学的作用立场，某种物质分子能够附着或者结合在两相界面上的浓度与两相本体不同的现象”。多孔状固体可以吸附气体，液体或溶质。煤是一种结构十分复杂且极不均一的多孔性混合物，其表面物理化学结构复杂多变，具有粗糙性，不完整性和非均匀性，因此，煤对氧气具有较强的吸附能力。

煤吸附氧气分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是吸附分子在吸附剂表面上的一种吸附，依靠的是吸附剂表面与吸附分子间的范德华力。化学吸附是吸附质与吸附剂之间发生化学反应，会发生粒子间电子的交换，转移或共有，从而导致原子的重排，化学键的形成或破坏。

发明内容

电厂烟气中的氧气含量大约有4％～7％，为了使烟气注入井下后达到更好的防灭火程度，本发明利用煤对氧气的吸附原理，提供一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，设计采用通气、断气、换煤的储煤罐体，将烟气通入储煤罐体中，用煤吸附烟气中的氧气以达到降低氧浓度的目的，再将烟气排出通入煤矿采空区。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，包括如下步骤：

(1)、计算煤对氧气的吸附量，如下：

P_iV_i＝n_iRT

P_kV_k＝n_kRT (1)

其中，P_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

n_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_K：吸附前吸附罐体内气体总压力，Pa；

V_K：吸附罐体内气体总体积，m³；

n_K：吸附罐体内气体总物质的量，mol；

T：体系温度，K；

R：理想气体的气体常数，为8.314J/(mol·K)；

维持吸附过程中温度不变，而吸附罐体内气体总体积V_K也是恒定不变，因此，气体压力之比与所含物质的量的比相同，即：

式中，

吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

由此可计算出P_i：

将式(2)带入理想气体状态方程计算吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量为：

吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量也用此公式，即：

其中，n_i′：吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

P_K′：吸附后某个时间点吸附罐体内气体总压力，Pa；

再根据吸附前后该待测气体组分的物质的量的差值进而求得煤吸附气体的体积为：

其中，V：某个时间点每克煤对气体的吸附体积，cm³·g^-1；

V_m：常温常压下气体摩尔体积，24.5L/mol；

M：煤的质量，g；

根据以上计算公式，以含氧浓度为7％的烟气进行计算，得出：在常温下，240h时平均每克煤能封存0.492cm³的O₂，即每2kg煤每经过240h能够封存1升氧气。

(2)、计算每个储煤罐体的装煤量

设电厂烟气的排放量为100m³/h，烟气中的氧含量为4％～7％，烟气最终要排入采空区，需求氧含量为3％以下，则烟气的氧气量按5％计算，则每小时需要吸附氧气的量为：100m³/h×(5％–3％)＝2m³/h；

一个储煤罐体24h要求除氧的量为：24×2＝48m³；

每个储煤罐体的装煤量为：48000×2kg＝96000kg(96t)。

(3)、设置11个除氧罐体进行除氧操作，以240h为一个周期，每个罐体装煤大于96t，在通入烟气240h后进行排气、换煤；

具体为：电厂烟气排出时先将其接入第一个储煤罐体，持续通气24h后封闭第一个储煤罐体；然后电厂烟气通入第二个储煤罐体，持续通气24h，然后封闭第二个储煤罐体；依次通入第十个储煤罐体，在第十个储煤罐体通完24h烟气后，第一个储煤罐体正好结束了240h的吸附氧气过程，然后将电厂烟气通入第十一个储煤罐体，利用通入第十一个储煤罐体的24h，排出第一个储煤罐体的烟气到采空区，并进行换煤操作；依次循环对第2～11个储煤罐体进行排气、换煤操作。

本发明方法利用电厂烟气注入井下防灭火时，利用煤能吸附氧气的性质降低烟气中氧含量。首先要解决的问题是根据要求通入储煤罐体中烟气的量、烟气中的氧气浓度、排出烟气时所要求达到的氧气浓度标准，来计算储煤罐体中的所需煤量。降低氧浓度主要利用11个储煤罐体配合循环使用，根据常压容量法，通过综合通入烟气量，通入烟气时的氧含量，要求排出烟气时的氧含量，计算得到1个储煤罐体中的煤量。罐体进行4个流程，依次是通气、除氧、排气、换煤。11个罐体轮流进行4个流程，交替循环使用保证持续向采空区供气。储煤罐体能方便快捷的进行装煤、卸煤操作，因为煤对氧气的吸附并不会改变煤的性质，所以装入的煤是煤场产的新煤，卸下的煤可以运输到电厂用作燃料。

本发明方法具有如下优点：

1、电厂烟气本身氧浓度不高，在4％～7％之间，用煤吸附氧气不会引起煤的自燃。井下采空区防灭火因在煤矿上，煤资源丰富，所以利用煤对氧气进行吸附有成本大大降低，方便操作，吸附效果好并且不会生成有害物质的优点。

2、利用常压容量计算方程，可以通过通入烟气的量，所要求达到的氧气浓度标准，来灵活计算储煤罐体中的所需煤量、各罐体各个流程所需的时间，使整个工序高效运行。

3、利用多个罐体对应各个流程循环操作，可以满足使烟气向采空区内持续空气。

4、在储煤罐体中安装温度控制器可以及时防止意外情况发生，保证整个流程安全进行。

附图说明

图1表示不同时长煤对氧气吸附前后浓度对比实验示意图。

图2表示不同时间煤对氧气的吸附量示意图。

图3表示本发明方法储煤罐体吸氧流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

电厂烟气中的氧含量约为4％～7％，该体积分数的氧并不会使煤发生自燃，且不足以生成CO等有害气体，不同时长，煤吸附氧气也有不同。煤在低温下对氧先是物理吸附，此时吸附量与氮气接近，煤对氧的物理吸附过程非常之快，在数秒内物理吸附就能够达到饱和吸氧量的80％左右。随后会逐渐转化为化学吸附，在低常温状态下化学吸附会一直持续，且228h时吸附量仍在增大。煤矿厂煤炭资源丰富，为了保证煤对氧气的吸附效率，和对煤矿采空区的持续供气，还需要解决的问题是如何合理安排储煤罐体的数量和各个储煤罐体吸附烟气的时间。同时因为烟气中不仅只含有氧气，还含有二氧化碳、氮气等气体，而煤对烟气各组分吸附的亲和顺序为二氧化碳>氧气>氮气>一氧化碳>甲烷，这些气体的存在会影响到煤对氧气的吸附，所以储煤罐体中实际需煤量应略大于理论需煤量。

1、针对煤在常温常压条件下对气体的吸附特性研究，测定煤吸附量采用常压容量法来计算煤对氧气的吸附量，计算过程如下：

P_iV_i＝n_iRT

P_kV_k＝n_kRT (1)

其中，P_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

n_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_K：吸附前吸附罐体内气体总压力，Pa；

V_K：吸附罐体内气体总体积，m³；

n_K：吸附罐体内气体总物质的量，mol；

T：体系温度，K；

R：理想气体的气体常数，约为8.314J/(mol·K)；

维持吸附过程中温度不变，而吸附罐体内气体总体积V_K也是恒定不变，因此，气体压力之比与所含物质的量的比相同，即：

式中，

吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

由此可计算出P_i：

将式(2)带入理想气体状态方程可计算吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量为：

吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量也可用此公式，即：

其中，n_i′：吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

P_K′：吸附后某个时间点吸附罐体内气体总压力，Pa；

再根据吸附前后该待测气体组分的物质的量的差值进而求得煤吸附气体的体积为：

其中，V：某个时间点每克煤对气体的吸附体积，cm³·g^-1；

V_m：常温常压下气体摩尔体积，24.5L/mol；

M：煤的质量，g。

根据以上计算，以含氧浓度为7％的烟气进行实验计算，得出如下表1数据：

表1

由此表中数据可以得出煤对氧气的吸附是一个缓慢的过程，吸附量随着吸附时间的增加逐渐加大，吸附过程以化学吸附为主，而化学吸附的快慢主要跟温度有关，在常温下，228h时平均每克煤能封存0.492cm³的O₂，吸附反应进行到228h时仍未达到平衡，还在进行吸附，且吸附速度逐渐减慢。所以，每克煤能封存的氧气量为0.492cm³，那么在此温度和时间下，每2kg煤每经过240h可以封存1升氧气。

2、计算每个储煤罐体的装煤量。

电厂烟气的排放量为100m³/h，烟气中的氧含量为4％～7％，烟气最终要排入采空区，需求氧含量为3％以下，设烟气的氧气量按5％计算，则每小时需要吸附氧气的量为：100m³/h×(5％–3％)＝2m³/h；

一个储煤罐体24h要求除氧的量为：24×2＝48m³；

每个储煤罐体的装煤量为：48000×2kg＝96000kg(96t)；

此方法计算得到的是理论需煤量，实际煤对氧气的吸附还会受到多种条件的影响，比如煤的种类、吸附气体中氧的浓度等，所以实际装煤量应多于96t。

3、设置11个除氧罐体进行除氧操作，以240h为一个周期，每个罐体装煤大于96t，在通入烟气240h后就进行排气、换煤。

为了保证向采空区持续不断的供气，每一个罐体要被分配到24h的通气时间。电厂烟气排出时先将其接入第1个储煤罐体，持续通气24h，然后封闭第1个储煤罐体，让第1个储煤罐体进行240h的吸附氧气流程；在第1个储煤罐体通够24h气后电厂烟气转接到第2个储煤罐体，让第2个储煤罐体重复第2个储煤罐体的操作，依次轮流通入10个储煤罐体，在第10个储煤罐体通完24h烟气后，第1个储煤罐体正好结束了240h的吸附氧气过程，然后将电厂烟气通入第11个储煤罐体，利用通入第11个储煤罐体的24h，这时排出第1个储煤罐体的烟气到采空区，并进行换煤操作，然后新的烟气就可以重新进入第1个储煤罐体。加入第11个储煤罐体的作用是为整个循环过程增加24h的接入烟气时间，所有罐体都可以利用这多出的24h时间进行排气、换煤操作。整个过程循环运作，保证持续向采空区内供气。

最后需要在储煤罐体中安装温度控制器，使储煤罐体内部温度维持在30℃～50℃左右，防止有意外情况发生。在每个储煤罐体的排气口安装氧浓度测试仪器，使烟气在排出时能达到要求的标准。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、计算煤对氧气的吸附量，如下：

P_iV_i＝n_iRT

P_kV_k＝n_kRT (1)

其中，P_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

n_i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_K：吸附前吸附罐体内气体总压力，Pa；

V_K：吸附罐体内气体总体积，m³；

n_K：吸附罐体内气体总物质的量，mol；

T：体系温度，K；

R：理想气体的气体常数，为8.314J/(mol·K)；

维持吸附过程中温度不变，而吸附罐体内气体总体积V_K也是恒定不变，因此，气体压力之比与所含物质的量的比相同，即：

式中，

吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

由此可计算出P_i：

将式(2)带入理想气体状态方程计算吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量为：

吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量也用此公式，即：

其中，n_i′：吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；

P_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；

V_i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积，m³；

吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；

P_K′：吸附后某个时间点吸附罐体内气体总压力，Pa；

再根据吸附前后该待测气体组分的物质的量的差值进而求得煤吸附气体的体积为：

其中，V：某个时间点每克煤对气体的吸附体积，cm³·g^-1；

V_m：常温常压下气体摩尔体积，24.5L/mol；

m ：煤的质量，g；

根据以上计算公式，以含氧浓度为7％的烟气进行计算，得出：在常温下，240h时平均每克煤能封存0.492cm³的O₂，即每2kg煤每经过240h能够封存1升氧气；

(2)、计算每个储煤罐体的装煤量

设电厂烟气的排放量为100m³/h，烟气中的氧含量为4％～6％，烟气最终要排入采空区，需求氧含量为3％以下，则烟气的氧气量按5％计算，则每小时需要吸附氧气的量为：100m³/h×(5％–3％)＝2m³/h；

一个储煤罐体24h要求除氧的量为：24×2＝48m³；

每个储煤罐体的装煤量为：48000×2kg＝96000kg(96t)

(3)、设置11个除氧罐体进行除氧操作，以240h为一个周期，每个罐体装煤大于96t，在通入烟气240h后进行排气、换煤；

具体为：电厂烟气排出时先将其接入第一个储煤罐体，持续通气24h后封闭第一个储煤罐体；然后电厂烟气通入第二个储煤罐体，持续通气24h，然后封闭第二个储煤罐体；依次通入第十个储煤罐体，在第十个储煤罐体通完24h烟气后，第一个储煤罐体正好结束了240h的吸附氧气过程，然后将电厂烟气通入第十一个储煤罐体，利用通入第十一个储煤罐体的24h，排出第一个储煤罐体的烟气到采空区，并进行换煤操作；依次循环对第2～11个储煤罐体进行排气、换煤操作。

2.根据权利要求1所述的一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：每个储煤罐体的烟气排出口安装氧气浓度监测器。

3.根据权利要求2所述的一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：每个储煤罐体内部温度维持在30℃～50℃。

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