CN110819417A

CN110819417A - 一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法

Info

Publication number: CN110819417A
Application number: CN201911173237.9A
Authority: CN
Inventors: 徐连满; 秦志娇; 潘一山; 马柳; 路凯旋; 李云昊; 吴哈萨; 段鑫; 赵勃宣
Original assignee: Liaoning University
Current assignee: Liaoning University
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明涉及一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，步骤如下：1）确定注水参数；2）确定注水添加剂：注水添加剂的质量百分比为：0.1%‑5%的亚氨基二琥珀酸、0.01%‑0.1%的TX‑100、3%‑10%的氯化铵，其余为水；3）注水效果检测：注水结束后通过取水装置在注水孔上方1m处采集水样，利用ICP检测Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg、Cu等离子的含量，通过离子浸出量检测注水效果，通过煤层注水添加注水配方降低煤中无机矿物质的含量，在降低煤矿安全事故的发生概率的同时减少煤燃烧产生的污染物含量。

Description

一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法

技术领域

本发明涉及大气污染源头治理领域，具体是一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法。

背景技术

我国是煤炭生产和消耗大国，近些年，我国一直在努力开发新的清洁能源来替代煤炭资源，如风能、水力等。但由于我国能源现状，煤炭仍然是我国的主要能源，并且这种能源结构在未来的很长时间内不会改变，预计到2050年，我国煤炭资源将会占到一次能源消耗总量的50%以上。原煤的直接燃烧是我国煤炭消耗的其中一个主要特点，数据显示，每年大约有62%的原煤燃烧产生的尾气没有经过净化处理直接排放到大气，这些大气污染物严重污染大气环境，破坏生态环境，影响人类健康。以燃煤产生的硫污染物为例，煤中含有的硫元素燃烧后会形成SO₂，排放到大气中的SO₂与空气中的水和氧气发生反应形成pH小于5.6的酸性降水，我国国土面积已有超过40%的区域遭受过此污染的危害。在酸雨危害中，森林生态系统遭受的破坏最为严重，森林枯萎，植被死亡，森林面积急剧减少；对水生生态系统也会造成一定的破坏，酸雨流入湖泊，严重影响了水生生物的生长繁殖；对土壤生态系统的破坏也是不容小觑的，酸雨会使土壤酸化，造成土壤贫瘠，严重影响农作物的产量。除此之外，酸雨还会腐蚀金属和非金属材料。煤是一种组成复杂的天然矿物质，含有多种有机和无机物质，因此其燃烧过程不只包括有机物质的氧化过程，还包括煤中难以直接利用的无机矿物质的氧化反应。煤燃烧过程中产生的污染是不可避免的。

煤层注水是通过钻孔向工作面煤体注入水溶液，防治煤矿动力灾害的重要技术手段，煤层注水的应用可以有效降低煤炭开采过程释放的巨大能量、提高煤的导热系数、降低煤的温度，防止岩爆、煤与瓦斯突出事故的发生。煤层注水添加表面活性剂可以溶解煤中的矿物质，解络煤中的金属元素，打开煤层的次生孔隙，有效降低水的表面张力，改善注水效果。目前尚无利用煤层注水源头治理燃煤污染问题的相关报道。

发明内容

针对现有大气污染治理技术的难点，本发明的目的是提供一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，主要通过煤层注水添加注水配方降低煤中无机矿物质的含量，在降低煤矿安全事故的发生概率的同时减少煤燃烧产生的污染物含量。

一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，步骤如下：1）确定注水参数；2）确定注水配方：注水配方的质量百分比为：0.1%-5%的亚氨基二琥珀酸、0.01%-0.1%的TX-100、3%-10%的氯化铵，其余为水；3）注水效果检测：注水结束后通过取水装置在注水孔上方1m处采集水样，利用ICP检测Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg、Cu等离子的含量，通过离子浸出量检测注水效果。

所述的步骤1）的具体步骤为：1.1）选取煤样，测量其孔隙率、密度、抗压和抗剪参数；1.2）利用Abaqus软件进行数值模拟分析，模拟煤层的受力情况，确定最佳注水参数；1.3）进行现场注水实验，对注水效果进行检测，对数值模拟结果进行修正；1.4）现场注水实验结果与数值模拟结果相同，则确定数值模拟的结果为注水参数；1.5）不同则重新进行数值模拟实验，直至现场注水实验结果与数值模拟结果相同为止。

所述的注水配方的质量百分比为：1%-5%的亚氨基二琥珀酸、0.01%-0.05%的TX-100、5%-10%的氯化铵，其余为水。

所述的注水参数包括：钻孔长度、孔径、注水压力、封孔方式、注水时间和钻孔间距。

所述的取水装置的结构为：水泵抽水端连接有取水管，取水管外圆周套装有封孔器，封孔器进风管另一端与鼓风机连接，水泵输出端连接带有阀门的集水室。

所述的鼓风机与水泵均通过电池供电。

所述的鼓风机与水泵位于同一箱体内，且箱体内部设有隔板，隔板上部设有鼓风机，隔板下部设有水泵，箱体侧壁设有进风口，进风口位置与鼓风机对应。

本发明具有以下有益的技术效果：

所述的一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，主要通过煤层注水添加注水配方降低煤层中的无机矿物质含量，减少煤燃烧产生污染物含量。以燃煤产生的硫污染为例，煤中的硫来源主要为有机硫、无机硫和单质硫，燃煤产生的硫污染主要来源于煤中的无机硫，煤中无机硫主要以黄铁矿的形式存在于煤层的矿物质中。注水配方中主要成分为螯合剂亚氨基二琥珀酸，亚氨基二琥珀酸可以与煤层中含硫的黄铁矿发生反应，螯合Fe离子并形成性能稳定的配合物，黄铁矿中的硫离子被解络下来并释放到溶液中，硫离子与溶液中钠离子结合形成可溶性物质，降低煤层中硫的含量，从源头减少燃煤产生的大气污染，同时螯合剂亚氨基二琥珀酸是一种环保型螯合剂，煤中残留的亚氨基二琥珀酸经过自然降解或清水清洗可以去除，对环境不会造成任何危害。

附图说明

图1为注水参数确定流程图。

图2取水装置结构示意图。

图3为螯合剂亚氨基二琥珀酸与煤层中含硫矿物质作用原理图。

图4为原煤样XRD测试图。

图5为注水后煤样XRD测试图。

图中：1-滤网；2-取水管；3-封孔器；4-封孔器进气管；5-鼓风机；6-提手；7-电池；8-进风口；9-集水室；10-阀门；11-水泵；12-箱体；12-1-隔板。

具体实施方式

以下将结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明：

1）确定注水孔径为45mm，钻孔长度为50m，孔间距为6m，注水压力为30MPa，注水时间15天，注水方式为高压注水。

2）选用注水配方为：3%的亚氨基二琥珀酸、0.03%的TX-100、8%的氯化铵，其余为水。

3）注水结束后通过取水器在注水孔上方1m处取水样，取水器结构参照附图2，取水管2外侧设有封孔器3，封孔器3进风管4与鼓风机5相连，外部空气通过进风口8进入装置内，经由鼓风机5送入封孔器进风管，最终进入封孔器，完成封孔操作；取水管2内部设有滤网1，过滤所取水样中杂质，防止损坏水泵，取水管2与水泵11相连，经水泵11抽取上来的水样经水管进入集水室9，收集的水样经阀门10放出。

取集的水样利用ICP检测水样中各离子含量，检测结果如表1所示。

表1 水样中离子含量表

元素	Si	Al	Fe	Ca	Na	Mg	Cu	K
									煤层注水后/（μg/mL）	20.14	5.62	6.12	45.36	40.18	15.36	1.32	25.3

水中各种元素含量很低，可以忽略不计。从表1可以看出注水结束后水样中离子含量显著增加，说明金属离子被解络下来，降低煤层矿物质含量，从而降低煤层的冲击倾向性，减少煤层动力灾害的发生。

注水结束后通过取水器分别在湿润半径1-5m处取样，测定Fe离子含量，检测煤层注水除硫效果，测定结果见表2。

表2 不同半径处Fe离子含量

半径	1m	2m	3m	4m	5m
						浓度/（μg/mL）	6.12	7.21	7.56	8.01	8.4

从表2中可以看出，Fe离子含量随着煤层湿润半径的增大而逐渐增加，取样点的煤层注水效果很好；煤层中Fe离子主要是以含硫的黄铁矿的形式存在，Fe离子增加说明煤层中含硫矿物质中的硫被释放，降低煤中硫元素含量，减少燃煤产生的大气污染物，源头治理大气污染。

为了对注水检测情况进行验证，分别对注水前后的煤样进行XRD测试，检测注水前后后煤样的物相组成，结果如附图4、附图5所示。

由煤样的XRD图可以看出煤层注水后，煤中的黄铁矿含量大幅降低，这与上述检测结果相符，证明通过ICP检测水样中各离子含量来检测煤层注水效果是可行的。煤层注水添加注水配方可以降低煤中的以黄铁矿为主的含硫矿物质含量，含硫矿物质含量的降低不仅可以提高煤的孔隙率，提高煤层注水效果，还可以减少煤燃烧时产生的大气污染物的含量。

以上为本发明的优选实施方式，不是对本发明的限制。任何不脱离本发明权利要求范围内，所做出的改进和润饰都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于，步骤如下：1）确定注水参数；2）确定注水配方：注水配方的质量百分比为：0.1%-5%的亚氨基二琥珀酸、0.01%-0.1%的TX-100、3%-10%的氯化铵，其余为水；3）注水效果检测：注水结束后通过取水装置在注水孔上方1m处采集水样，利用ICP检测Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg、Cu等离子的含量，通过离子浸出量检测注水效果。

2.如权利要求1所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的步骤1）的具体步骤为：1.1）选取煤样，测量其孔隙率、密度、抗压和抗剪参数；1.2）利用Abaqus软件进行数值模拟分析，模拟煤层的受力情况，确定最佳注水参数；1.3）进行现场注水实验，对注水效果进行检测，对数值模拟结果进行修正；1.4）现场注水实验结果与数值模拟结果相同，则确定数值模拟的结果为注水参数；1.5）不同则重新进行数值模拟实验，直至现场注水实验结果与数值模拟结果相同为止。

3.如权利要求1所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的注水配方的质量百分比为：1%-5%的亚氨基二琥珀酸、0.01%-0.05%的TX-100、5%-10%的氯化铵，其余为水。

4.如权利要求2所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的注水参数包括：钻孔长度、孔径、注水压力、封孔方式、注水时间和钻孔间距。

5.如权利要求1所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的取水装置的结构为：水泵（11）抽水端连接有取水管（2），取水管（2）外圆周套装有封孔器（3），封孔器进风管（4）另一端与鼓风机（5）连接，水泵（11）输出端连接带有阀门（10）的集水室（9）。

6.如权利要求4所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的鼓风机（5）与水泵（11）均通过电池（7）供电。

7.如权利要求4所述的利用煤层注水治理燃煤大气污染的方法，其特征在于：所述的鼓风机（5）与水泵（11）位于同一箱体（12）内，且箱体（12）内部设有隔板（12-1），隔板（12-1）上部设有鼓风机（5），隔板（12-1）下部设有水泵（11），箱体（12）侧壁设有进风口（8），进风口（8）位置与鼓风机（5）对应。