燃煤電廠煙氣防治煤礦火災(zāi)技術(shù)淺析

景珂寧（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西大同　037003）

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燃煤電廠煙氣防治煤礦火災(zāi)技術(shù)淺析

景珂寧1，2
（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西大同037003）

摘要采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)是目前最常用的礦井火災(zāi)防治技術(shù)之一。為了同步實(shí)現(xiàn)采空區(qū)火災(zāi)治理和節(jié)能、減排，提出了電廠煙道氣體注入礦井替代注氮防滅火技術(shù)。主要分析了電廠煙道氣體成分、電廠煙道氣防滅火原理等。進(jìn)行了電廠煙道氣注入礦井采空區(qū)的可行性研究，確定了煙氣輸送系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)和注入工藝。

關(guān)鍵詞電廠煙道氣；防滅火；替代注氮

0　引言

將電廠煙道氣體通過輸氣管路直接注入井下采空區(qū)，由于煙氣為燃燒產(chǎn)物，氧氣含量低，注入到井下采空區(qū)后稀釋惰化空氣，能夠達(dá)到有效預(yù)防和控制煤炭自燃發(fā)火的目的［1］。煙道氣體是工業(yè)排放廢棄物，相比傳統(tǒng)的制氮技術(shù)成本低廉，可以節(jié)約由于制氮造成的能源浪費(fèi)［2］。且含有二氧化硫、氮氧化物等許多污染空氣的主要污染物，同時(shí)含有能夠造成溫室效應(yīng)的CO2。該技術(shù)即可惰化煤礦采空區(qū)防治煤炭自燃，又可減少廢氣排放保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1　電廠煙道氣防滅火原理

1.1電廠煙道氣防滅火原理

電廠煙道氣是燃燒產(chǎn)生的廢氣，其主要成分為N2、CO2、NO2、SO2等，其中O2含量為4.5%。根據(jù)研究已知，采空區(qū)內(nèi)氣體成分中除O2外，N2、CO2均為惰性氣體［3］。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧濃度在7%～10%時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)防和控制煤炭自燃、瓦斯燃燒與爆炸。電廠煙道氣中氧氣含量低，能夠抑制井下采空區(qū)煤炭的自燃，是很好的防火材料，且成本低廉。目前煤礦通常采用的注氮防滅火技術(shù)，是通過向采空區(qū)注入N2稀釋空氣中的O2，使采空區(qū)遺煤因氧含量稀薄而無法氧化自燃。據(jù)此設(shè)定防火惰化指標(biāo)為采空區(qū)內(nèi)空氣中氧濃度值應(yīng)＜7%，電廠煙氣滿足該條件，因此將電廠煙道氣體通過管路輸送注入到煤礦井下采空區(qū)，同樣可實(shí)現(xiàn)防火的目的。在注氣工藝上可以采取與注氮相似的方法，優(yōu)點(diǎn)在于無需考慮制約注氮防滅火工藝的注氮量限制。

1.2注入煙氣可行性研究

《煤礦安全規(guī)程》第一百三十六條規(guī)定“采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^1.0%或二氧化碳濃度超過1.5%時(shí)，必須停止工作，撤出人員，采取措施，進(jìn)行處理?！贝髿庵蠳2約占78%，O2約占21%，經(jīng)過電廠鍋爐燃燒，排出的煙氣O2濃度下降至4.5%，CO2濃度近似為16.5%。以年產(chǎn)1 000萬t兩個(gè)開采工作面的礦井為例，每個(gè)工作面注氮量1 500 m3/h，兩個(gè)回采工作面共需要3 000 m3/h。向封閉的采空區(qū)注煙氣，則井下每小時(shí)注煙氣量至少需要5 000 m3/h～7 500 m3/h。以塔山坑口電廠為例，2臺(tái)600 MW空冷凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生煙氣流量為3.87×106 Nm3/h。因此電廠產(chǎn)氣量遠(yuǎn)大于所需量，完全能夠滿足要求。

1.3煤炭的吸附作用

煤是一種非晶體物質(zhì)，其具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。煤對(duì)CO2氣體的吸附量比煤對(duì)O2及N2的吸附量大2～3倍左右，電廠煙道氣體注入井下采空區(qū)后，煤會(huì)先吸附CO2，從而阻止煤與氧氣的接觸，有效的阻止煤的氧化自燃。由于煤對(duì)CO2吸附量較大，因此可以封存部分CO2，減少其在空氣中的排放。煤與巖石表面易于與多個(gè)CO2分子發(fā)生物理吸附，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證常溫下，每噸煤對(duì)CO2吸附量為7 kg。因此，采空區(qū)遺煤，能夠吸附大量CO2。

2　應(yīng)用工藝

電廠煙道氣體注入礦井防滅火技術(shù)的系統(tǒng)包括煙氣輸送系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)和注入工藝。電廠燃燒產(chǎn)生的廢氣中含有部分有害污染物質(zhì)，為確保煙氣注入井下和管道輸送的安全，需要脫硫、脫硝、除濕、降溫、除塵，因此需要預(yù)先將煙氣進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后的煙氣需要加壓，然后通過管道輸送到井下采空區(qū)。

2.1煙氣輸送系統(tǒng)

經(jīng)過處理后的電廠煙道氣通過風(fēng)機(jī)從電廠引出，進(jìn)入離心式壓縮機(jī)，對(duì)煙氣進(jìn)行壓縮增壓，然后通過地面輸氣管路輸送至儲(chǔ)氣罐，從儲(chǔ)氣罐引出的管路分兩路，一路通過管路往井下輸送，另一路進(jìn)入增壓機(jī)站［4-5］。由于離心式壓縮機(jī)自身調(diào)節(jié)能力為75%～100%，而井下注煙氣量并不完全恒定，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，當(dāng)煙氣輸送量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，儲(chǔ)氣罐壓力超標(biāo)，壓縮機(jī)調(diào)節(jié)減少供氣，此時(shí)關(guān)閉離心式壓縮機(jī)，開啟增壓機(jī)，通過增壓機(jī)調(diào)節(jié)煙氣輸送量；當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，離心式壓縮機(jī)啟動(dòng)，增壓機(jī)停止工作。管路通過井口，進(jìn)入井下各工作面和采空區(qū)。管路地面部分可根據(jù)實(shí)際情況選擇地面鋪設(shè)或地下鋪設(shè)。煙氣輸送系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　煙氣輸送系統(tǒng)

由于煙氣輸送系統(tǒng)管路長度長，壓力損失較大，因此煙氣輸送設(shè)備選擇離心式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)具有排氣量大、機(jī)組尺寸小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、維護(hù)成本低、動(dòng)壓轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，可完全滿足煙氣的長距離輸送。

雖然煙氣經(jīng)過了脫硫、除塵、降溫等處理，但由于氣體中含有CO2，且含有少量的硫化物，氮氧化物等酸性物質(zhì)，氣體在管道輸送中有液化現(xiàn)象，會(huì)生成酸性液體。因此選擇阻燃、抗靜電、流體阻力小、承壓高、耐腐蝕、抗老化的礦用涂塑復(fù)合鋼管做為輸氣管路。

2.2煙氣處理系統(tǒng)

經(jīng)過脫硫處理后的煙氣由風(fēng)機(jī)輸送到煙氣處理裝置中，煙氣通過噴淋塔進(jìn)行熱交換降溫，這時(shí)煙氣再次脫硫、脫硝、處理有害物質(zhì)，并進(jìn)行二次除塵，從噴淋塔出來的煙氣進(jìn)一步經(jīng)過冷氣機(jī)進(jìn)行冷卻降溫，除去其中的飽和水分，最終輸送到井下采空區(qū)。煙氣處理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　煙氣處理系統(tǒng)

2.3注入工藝

為更好的與開采作業(yè)銜接，采用埋管注氮的礦井，可利用現(xiàn)有的注氮管路改造后將電廠煙氣注入采空區(qū)防火。工藝流程為：將兩趟輸氣管路鋪設(shè)在綜放工作面的進(jìn)風(fēng)巷。其中一趟注氣管路埋設(shè)到開切眼中部，管口向上，距離底板1 m～2 m，頂部設(shè)置隔離罩，防止異物落入管內(nèi)，管子周圍搭建木垛接頂。另一趟注氣管路埋入氧化帶，管口處設(shè)置隔離罩，防止煤巖冒落將管口堵死?；夭晒ぷ髅骈_采后達(dá)到設(shè)計(jì)距離后開始注氣，同時(shí)又埋入第二趟注氣管路，注氣管口的移動(dòng)步距通過三帶考察確定。當(dāng)?shù)诙俗夤芸诼袢氩煽諈^(qū)氧化帶后開始向采空區(qū)注氣，同時(shí)停止第一趟管路的注氣，并重新埋設(shè)注氣管路，往復(fù)循環(huán)，直至工作面采完為止。每日24 h連續(xù)注氣，當(dāng)回風(fēng)巷CO2濃度到達(dá)1.5%以上時(shí)停止注氣。

3　結(jié)論

電廠燃燒產(chǎn)生的煙氣量完全能夠滿足煤礦采空區(qū)防滅火的要求，注入采空區(qū)的煙氣全部回流到回采工作面，也不會(huì)造成CO2濃度超標(biāo)。因此，將煙氣注入井下采空區(qū)防滅火安全可靠。

電廠煙氣注入煤礦井下采空區(qū)替代注氮?dú)夥罍缁?，技術(shù)可行，成本較低，減少能源消耗，降低了電廠污染物排放，環(huán)保效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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Simple Analysis on Flue Gas of Coal Power Plant Preventing and Controlling Fire Technology

Jing Kening1，2
（1. Taiyuan university of technology，Taiyuan Shanxi，030024；2. Datong Coal Mine Group，Datong Shanxi，037003）

Abstract：Nitrogen injection is the most commonly used one of preventing and controlling fire technology at present. In order to synchronously achieve fire control of goaf，energy conservation and emission reduction，flue gas injection of power plant instead of nitrogen injection preventing and controlling fire technology is put forward. Flue gas composition of power plant，flue gas preventing and controlling fire principle of power plant and so on are mainly analyzed. The feasibility study of flue gas of power plant injecting mine goaf is carried on，the flue gas conveying system，flue gas treatment system and injection process are determined.

Key words：flue gas of power plant；preventing and controlling fire；instead of nitrogen injection

中圖分類號(hào)TD75+3.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866（2016）03-0018-03

作者簡(jiǎn)介

景珂寧，1984年出生，男，2009年畢業(yè)于西安科技大學(xué)，本科，工程師，現(xiàn)從事煤礦安全技術(shù)研究工作。

收稿日期：2016-04-11