煤炭地下氣化煤氣爆炸極限的研究

羅娟娟,李文軍,梁 杰,武增禮,鐘毓娟

(1.中國礦業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院,北京 100083;2.煤炭科學研究總院檢測研究分院,北京 100013)

煤炭地下氣化煤氣爆炸極限的研究

羅娟娟1,李文軍1,梁 杰1,武增禮2,鐘毓娟1

(1.中國礦業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院,北京 100083;2.煤炭科學研究總院檢測研究分院,北京 100013)

煤炭在地下氣化過程中生成可燃氣體,存在著許多安全隱患。分析了密閉空間混合氣體的爆炸極限計算公式,研究了最大允許氧含量和惰性氣體對可燃氣體爆炸的影響,結果表明,為了防止氣化煤氣發(fā)生爆炸,可以通過控制氣化劑的進量或加入惰性氣體,使可燃氣體在爆炸極限范圍以外,為煤炭地下氣化的現(xiàn)場安全和可行性提供了依據(jù)。

煤炭地下氣化;煤氣;爆炸極限 ;最大允許氧含量

煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒,通過對煤的熱解作用及化學作用產(chǎn)生可燃氣體,其實質是將物理采煤轉變?yōu)榛瘜W采煤,提取煤中有用組分,將灰渣、矸石、放射物等有害物留在地下,實現(xiàn)了井下無人、無設備的生產(chǎn)工作面,充分回收和利用報廢礦井煤炭資源,充分保障工人人身安全,減少地表環(huán)境破壞,實現(xiàn)清潔燃燒[1]。但其存在著許多安全方面的問題,主要有準備階段存在的安全隱患、氣化過程中混合氣體的爆炸隱患、凈化階段的安全隱患等。煤炭地下氣化是在一個十分嚴密的環(huán)境中進行的,雖然氣化過程中的爆炸會有利于煤層的破碎,但是在出氣孔的混合氣體爆炸后會堵塞出氣孔,從而使氣化過程難以進行。

目前氣化安全方面的研究主要集中在地面氣化,主要包括各種氣化爐的安全系統(tǒng)設計、運行以及煤氣的防毒和防爆。氣化爐的安全系統(tǒng)設計和運行方面研究有很多,主要內(nèi)容有安全監(jiān)測系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖及安全控制系統(tǒng)相結合,當監(jiān)測的參數(shù)不在安全范圍內(nèi)的時候,可以用安全控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)閥門或安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來切斷閥門。通過分析密閉空間混合氣體爆炸極限的計算公式,設計了爆炸極限與最大允許含氧量的測試裝置,通過對測試結果的分析,可通過控制氣化劑的進量,從而防止氣化煤氣發(fā)生爆炸,為煤炭地下氣化的現(xiàn)場安全和可行性提供了依據(jù)。

1 爆炸極限的計算

爆炸極限常用可燃性物質在可燃性混合物中的體積百分比 (濃度)表示,當爆炸性氣體中可燃氣體含量接近化學計算量時 (即理論上完全燃燒時該物質的含量)燃燒最快或最劇烈。若可燃氣體含量減少或增加,火焰蔓延速度則降低;當濃度低于或高于某一極限值時,火焰便不再蔓延。這一范圍的最高點和最低點分別稱為爆炸上限 (UEL)和爆炸下限 (LEL)[2]。當混合濃度低于爆炸下限時,由于過量空氣或氧氣的冷卻作用,阻止了火焰的蔓延;而濃度高于爆炸上限時,由于過量的可燃物質使空氣中的氧含量不足,火焰也不能蔓延。這樣,混合物就不能爆炸。

爆炸極限也可用可燃氣體或蒸汽在每立方米或每升混合氣體中含有的克數(shù)來表示。20℃時兩者有如下關系：式中,M為可燃氣體或蒸汽的分子量;X為可燃物質與空氣混合物的爆炸下限 (以體積百分數(shù)表示,%);Y為可燃物質與空氣混合物的爆炸下限(以體積重量濃度表示,g/m3,mg/l)。

1.1 單一氣體的爆炸極限

若計算混合氣體的爆炸極限,須先知道該條件下的可燃氣體單一組分的爆炸極限,即在當前溫度和壓力的條件下,CH4,H2和 CO的爆炸極限。

(1)根據(jù)含碳原子數(shù)計算爆炸極限：

式中,Ll為爆炸下限;Lh為爆炸上限;nc為鏈烴分子中含碳原子數(shù)。

(2)按完全燃燒反應所需的氧原子數(shù)推薦：

根據(jù)可燃氣體燃燒反應所需的氧原子數(shù)和熱平衡,考慮空氣中的氧含量,推算出可燃氣體的爆炸極限[3-4]。

式中,Ll為可燃氣體爆炸下限;Lh為可燃氣體爆炸上限;N為可燃氣體完全燃燒反應所需要氧原子數(shù),對烴類≥4。

式 (4),(5)一般只適用于烷烴碳氫化合物爆炸極限估算,但不適用于 H2,CO氣體估算。

1.2 混合氣體爆炸極限的計算

理·查特里法則認為,復雜組成的可燃氣體或蒸汽混合物爆炸極限,可根據(jù)各組分已知的爆炸極限求之。該計算適于各組分間不反應,且燃燒時無催化作用的可燃氣體混合物。其計算公式如下[5]：

式中,Lm為混合物的爆炸極限 (體積),%;Li為混合氣體中某組分 i的爆炸下限或上限 (體積),%;Vi為混合氣體中某組分 i的體積百分數(shù),%;n為可燃氣體的組分數(shù)。

式 (6)適用于計算碳氫化合物混合氣時比較準確。但對其他大多數(shù)可燃氣體混合物計算會出現(xiàn)一些偏差。另外,當混合氣體的百分比變化時,Li要重新計算。

1.3 混合氣體中加入惰性氣體的爆炸極限的計算

在可燃氣體混合物中混入 N2,CO2等惰性氣體時,可將惰性氣體和可燃氣體混合物分成各組作為一個單獨成分的方法來計算爆炸極限。假如每一組可燃氣體與不活潑氣體混合物不同組成時的爆炸極限未知,就無法計算。此時,可用下式計算：

式中,Lm為含有惰性氣體的爆炸極限,%;Lf為混合物中可燃部分的爆炸極限,%;B為惰性氣體含量,%。

2 可燃氣體爆炸極限和最大允許氧含量測定

2.1 實驗裝置

目前,對于常溫、常壓下可燃氣體在空氣中的爆炸極限的測試裝置建立了國家標準 GB/T 12474《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》,但對于高溫、高壓混合氣體的爆炸極限的測試,還沒有統(tǒng)一的實驗方法和裝置。結合煤炭地下氣化數(shù)據(jù)的采集,設計了一套爆炸極限與最大允許含氧量的測試裝置[6],工藝流程見圖 1.

圖1 爆炸反應工藝流程

本測試裝置主要由爆炸裝置、配氣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)組成。由測試工藝流程圖可以看出,爆炸裝置是整個系統(tǒng)的核心部件,將直接影響氣體爆炸參數(shù)的測試結果,其設計的好壞直接關系到整個試驗過程的工作質量和結果的可靠性。爆炸容器設計總容積為 300ml,耐壓30MPa,為保證試驗安全,在上部裝有安全閥,當壓力大于 20MPa時能自動卸壓。

2.2 實驗原理

爆炸極限和最大允許氧含量的測試方法基本是致。即將一定濃度的可燃氣體與其他氣體 (根據(jù)濃度比等于體積比的規(guī)律)混合。實驗某一種混合氣體時,放電后從經(jīng)壓力傳感器傳送到的 XST智能數(shù)顯系統(tǒng)的壓力變化來確定此次試驗氣體是否發(fā)生爆炸。如果發(fā)生爆炸,則由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所形成的壓力曲線有峰值,且爆炸裝置發(fā)生爆鳴聲。此時改變相關氣體體積,使其減少,繼續(xù)試驗,直到至少 3次連續(xù)試驗不再有點燃爆炸發(fā)生。

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 實驗參數(shù)

(1)溫度、壓力參數(shù)的確定 由山東鄂莊、內(nèi)蒙古烏蘭察布等煤炭地下氣化工業(yè)性試驗可知,處于地下的煤氣溫度都較高,能達到 1000℃以上,但是氣體經(jīng)過煤層的冷卻以及氣化通道的冷卻,到達出氣通道時煤氣的溫度一般會降到 200～300℃,而由于煤炭地下氣化工程中的防爆主要是指出氣通道附近的防爆,所以本實驗的溫度最好在 20～300℃范圍內(nèi)。但是由于本實驗系統(tǒng)的條件限制最高溫度只能達到 100℃,所以選取 20～100℃進行實驗,最后進行修正。

此外,對于煤氣的初始壓力,根據(jù)各煤炭地下氣化的工業(yè)性試驗以及實驗室的實驗結果,選取低壓氣化的煤氣初始壓力為 0.04～0.1MPa,高壓氣化的煤氣初始壓力為 0.2～0.35MPa。

(2)煤氣組分的確定 煤氣組分的確定比較困難,因為不同煤質、不同工藝、不同氣化時段所得到的煤氣組分都不一樣,即影響煤氣組分的因素很多,但是通過多個煤炭地下氣化工業(yè)性試驗結果以及多次實驗室煤炭地下氣化實驗結果,本實驗中選取的煤氣組分是根據(jù)多個煤炭地下氣化實驗所得到的代表組分。空氣氣化組分為 H217.5%,CH42.5%,CO8.5%,N250%,CO221.5%。

2.3.2 爆炸極限及最高氧含量測試實驗結果

(1)初始壓力的影響 實驗根據(jù)煤炭地下氣化工藝中低壓和高壓 2種不同的氣化工藝,初始壓力分別選取低壓 0.04MPa,0.06MPa,0.08MPa,0.1MPa,高 壓 0.2MPa,0.25MPa,0.3MPa,0.35MPa來進行實驗,具體實驗結果見表 1。

由表 1可以看出,當混合氣體中的氧含量超過7.8%的時候,初始壓力在 0.04～0.35MPa范圍內(nèi),混合煤氣都會發(fā)生爆炸。而當混合氣體當中的氧含量低于一定數(shù)值 (5.9%)的時候,初始壓力在 0.04～0.35MPa范圍內(nèi)都不會發(fā)生爆炸。

(2)初始溫度的影響 根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性煤炭地下氣化試驗數(shù)據(jù)、實驗室各氣化工藝溫度采集數(shù)據(jù)以及本實驗條件溫度限制,選取溫度20℃,

表1 空氣氣化煤氣爆炸特性實驗結果

40℃,60℃,80℃和 100℃進行實驗,具體實驗結果見表 2。

表2 各溫度下最大允許氧含量實驗結果

由表 2可以看出,隨著煤氣初始溫度的升高,其最大允許氧含量也隨之有所減小,即發(fā)生爆炸所需要的氧氣量減少,爆炸可能性變大;但是最大允許氧含量的減小量很小,基本呈直線變化,尤其是在壓力較高的情況下,從 20～100℃的最大允許氧含量沒有發(fā)生變化。

因此,在本實驗的條件下,初始溫度在 20～100℃的范圍內(nèi)時,煤炭地下氣化煤氣的最大允許氧含量基本穩(wěn)定。

(3)惰性氣體的影響 隨著惰性氣體的不斷加入,最大允許氧含量最小值和最大值不斷接近,直至重合,乃至退出爆炸范圍。

最小值上升主要因為加入惰性氣體后,其分子會使可燃氣體分子與氧分子分散隔離,在兩者之間形成一道屏障,使 2種分子不能有效碰撞,減小了兩者反應機會,同時當活化分子撞擊惰性氣體分子時,則會減少甚至失去活化能,要想不致反應鏈中斷,必須提高氧含量以抵消其損失。

最大值下降主要是由于惰性氣體的加入,空氣相對減少,導致氧氣的直接減少,同時也使可燃氣濃度相對降低了。氧氣和可燃氣體的減少、惰性氣體分子的阻隔及活化分子與惰性氣體分子撞擊的損失,使反應熱急劇降低,從而也導致了爆炸上限的下降。

3 結論

(1)通過減少混合物中的氧濃度,將可燃氣體控制在爆炸下限以下,從而防止發(fā)生爆炸。

(2)通過加入惰性氣體,可以縮小爆炸極限范圍,增大該濃度的最大允許氧含量,從而將其控制在爆炸范圍之外。

(3)氧含量和惰性氣體等因素對爆炸極限產(chǎn)生的影響,可通過減少反應中的氧濃度、加入惰性氣體等辦法,以縮小爆炸極限范圍,增大該濃度的最大允許氧含量,從而將其控制在爆炸范圍之外。而要控制爆炸,將可燃氣體控制在爆炸下限以下或最大允許氧含量的最小值以下是最安全的方法。就經(jīng)濟、作業(yè)因素的具體條件而論,將可燃氣體控制在爆炸極限以外或可燃物的最大允許氧含量以外,并適當附加一定的安全系數(shù)即可。

[1]梁 杰 .煤炭地下氣化過程穩(wěn)定性及控制技術 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2002.

[2]徐建平 .防爆基礎概要 [J].自動化儀表,2008,29(3)：66-70.

[3]田貫三 .可燃制冷劑爆炸理論與爆炸極限抑制機理的研究[D].天津：天津大學,2000.

[4]許 文 .化工安全工程概論 [M].北京：化學工業(yè)出版社,2002.

[5]鄔紉云 .煤炭氣化 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1987.

[6]PawelWydro,Maria Paluch.A Study of the Interaction of Dodecyl SulfobetaineW ith Cationic andAnionic Surfactant inMixedMicelles andMonolayers at theAir/Water Interface[J].Journalof Colloid and Interface Science,2005(286).

Research on Explosion L im it of Coal Gas in Underground Coal Gasification

LUO Juan-juan1,L IWen-jun1,L IANG Jie1,WU Zeng-li2,ZHONG Yu-juan1
(1.Chemistry&Environment College,China University of Science&Technology,Beijing 100083,China;2.Detection Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

There aremany safety hidden troubles because of combustible gas for mation in underground coal gasification.Thispaper analyzed calculation formula of explosion limitof compound gases in confined space and researched influence ofmaximum permissible oxygen content and inert gason combustible gas explosion.Results showed thatmaking combustible gaswas beyond explosion limit by controlling input quantity of vaporized chemical or adding inert gasmight prevent gasified coal gas from exploding,which provided a basis for safety and feasibility of underground coal gasification.

underground coal gasification;coal gas;explosion limit;maximum permissible oxygen content

TQ620

A

1006-6225(2010)01-0029-03

2009-06-24

國家自然科學基金項目 (50574096)。

羅娟娟 (1984-),女,湖北荊門人,工學碩士,從事煤炭地下氣化及安全性研究。

施紅霞]

礦壓與災害控制