煤炭地下氣化煤氣擴散規(guī)律數(shù)值模擬研究

李 鑫，張 勇，宋曉婷

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 北京 東燕郊 065201)

煤炭地下氣化煤氣擴散規(guī)律數(shù)值模擬研究

李 鑫1，張 勇2，宋曉婷2

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 北京 東燕郊 065201)

對煤炭地下氣化原理，氣體擴散原理進行分析,以計算流體動力學(xué)軟件(CFD)為基礎(chǔ)，模擬分析CO在不同泄漏速度、不同通風(fēng)速度的情況下在巷道中的體積分數(shù)，得出隨著泄漏速度的增大，煤氣中毒性增大，發(fā)生煤氣爆炸的可能性也逐漸增高；隨著風(fēng)速的加大，危險區(qū)域會逐漸向下風(fēng)向和靠近泄漏口一側(cè)偏移的擴散規(guī)律。當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏應(yīng)采取加大通風(fēng)來稀釋煤氣濃度，保證人員安全的措施。

煤炭地下氣化；煤氣泄漏；數(shù)值模擬：擴散規(guī)律

Abstract: The principle of underground coal gasification and the principle of gas diffusion are analyzed, based on the computational fluid dynamics software (CFD), the volume fraction of CO in the roadway is simulated and analyzed with different leakage rates and different ventilation velocities. A diffusion law is obtained that with the increase of leakage rate, the toxicity in gas increases, the possibility of gas explosion also gradually increases. With the increase of wind velocity, the dangerous area will gradually shift downwind and close to the side of the leakage port. When gas leakage occurs, more ventilation should be adopted to dilute the gas concentration and ensure the safety of personnel.

Keywords:Underground coal gasification; gas leakage; numerical simulation; diffusion law

0 引言

19世紀80～90年代門德列夫首先在世界上提出了煤炭地下氣化原理[1]，并指出了實現(xiàn)的工業(yè)途徑。隨后美國、歐洲[2-3]、中國等相繼開始進行煤炭地下氣化試驗并取得大量成果[4]。但目前對煤炭地下氣化的研究多集中在工業(yè)試驗和生產(chǎn)工藝上[5]，對安全的研究相對較少，而安全是整個項目順利進行的保障，需對煤炭地下氣化安全問題進一步研究。運用流體力學(xué)知識和CFD相關(guān)理論，建立煤氣在巷道中擴散的模型，然后建立物理模型，選取煤氣組分數(shù)據(jù)，通過FLUENT軟件對井下巷道煤氣泄漏進行模擬，分析煤氣在巷道中擴散規(guī)律，然后對不同影響因素下煤氣在巷道內(nèi)的擴散規(guī)律進行分析。根據(jù)模擬結(jié)果對泄露事故提出應(yīng)急對策。

1 煤炭地下氣化原理

煤炭地下氣化定義：將地下煤炭有控制燃燒、產(chǎn)生可燃氣體的一種開發(fā)清潔能源與化工原料的新技術(shù)[6]。主要包括有井式和無井式兩種，而在我國普遍采用有井式。煤炭地下氣化分為三個階段[7]：氧化階段、還原階段、干餾干燥階段如下表所示。經(jīng)過氣化反應(yīng)產(chǎn)出的煤氣包含的主要易燃易爆成分為CO、H2、CH4。(組分危害)，如果煤氣在巷道中泄漏，工作人員并不能及時辨別，造成一氧化碳中毒，釀成嚴重后果。同時煤氣在巷道中泄漏，達到爆炸極限。

2 氣體擴散原理

在模擬氣體泄漏擴散時，需要掌握控制方程包括：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程，能量守恒和理想氣體方程[8]。

(1) 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程，任何流動問題都必需滿足質(zhì)量守恒定律。

(1)

式中：V表示控制體，A表示控制面。

(2) 動量守恒方程(運動方程)

動量方程本質(zhì)是滿足牛頓第二定律。該定律可描述為：對于給定的流體微元體，其動量對時間的變化率等于外界左右能夠在該微元體上的各種力之和。依據(jù)這一定律，可導(dǎo)出x、y和z三個方向的動量方程為：

(2)

(3) 能量守恒方程

自然界任何物質(zhì)運動都符合能量守恒定律，氣體也是。如式所示:

(3)

(4) 理想氣體狀態(tài)方程

在氣體擴散的過程中，可把氣體當(dāng)作理想氣體，體積V、壓力P、n氣體物質(zhì)的量和溫度T之間關(guān)系成為狀態(tài)方程，描述流體理想氣體的狀態(tài)方程為:

f(P,V,T)=0;

(4)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

模擬煤氣在巷道中擴散規(guī)律，為了能夠達到要求，從具體實例中抽象出具有典型意義的模型，本文以氣化爐煤氣鉆孔相鄰巷道為物理模型。根據(jù)巷道圖和巷道斷面圖尺寸題型截面，上邊2400 mm 下邊3100 mm、高2900 mm，通過CFD建模軟件建立物理模型全長90 m，泄漏點位于坐標(biāo)軸-30 m處(鉆空所在位置)聯(lián)絡(luò)巷20 m如圖1所示：

圖1 泄露點(鉆空所在位置)聯(lián)絡(luò)巷

3.2 氣體組分

本文以某煤層氣化項目的物性進行模擬，根據(jù)先導(dǎo)試驗富氧——水蒸汽地下氣化模型試驗實測數(shù)據(jù)(富氧——水蒸汽連續(xù)氣化是一種連續(xù)供給富氧水蒸汽(或純氧水蒸汽)，生產(chǎn)中熱值半水煤氣的地下氣化工藝)如表1所示：

表1 煤氣組分

3.3 假設(shè)條件及邊界條件

(1)泄漏時泄漏面積和泄漏速度不隨時間變化；

(2)泄漏氣體與空氣作為理想氣體，不可壓縮；

(3)在擴散過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng)；

(4)風(fēng)向為水平方向不隨時間、地點和高度變化；

本文中在于煤氣泄漏到巷道中模擬，將邊界條件設(shè)置如下：由于假設(shè)理想條件下，設(shè)置煤氣泄漏口，進風(fēng)口為速度入口，出口為壓力出口，其余為wall。

4 泄漏規(guī)律分析

4.1 煤氣擴散規(guī)律分析

從礦井通風(fēng)量計算可得巷道通風(fēng)速度inlet1為3.7 m/s(可變)，聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)速度inlet2為0.09 m/s， intlet3泄漏速度為10 m/s(以CO為例)。

煤氣的擴散過程主要受到初始射流動量、浮力和環(huán)境風(fēng)速的影響。煤氣在泄露口，以高速氣流的形式噴射而出，此時泄漏的高速氣流與空氣混合的蔓延速度遠遠大于風(fēng)速，在此段內(nèi)以射流動量為主導(dǎo)，且呈扇形分布。隨著時間的推移，初始速度逐漸降低，巷道通風(fēng)開始對煤氣的擴散起主導(dǎo)作用。

圖2 CO濃度

圖3 流線圖及CO濃度與距離圖

煤氣三維流線圖來看，煤氣從泄漏開始，煤氣向上擴散，這是因為煤氣的密度相比空氣密度要小，浮力在氣體擴散中起到重要的作用，因此對CO等傳感器的安裝位置要求距頂板應(yīng)不大于0.3 m。報警范圍大約為26 m左右。由此看出一氧化碳影響的范圍在26 m左右，在此范圍內(nèi)井下傳感器報警，人員長時間逗留都容易造成中毒事故，應(yīng)迅速撤離。

4.2 不同泄漏速度對擴散的影響

為了研究不同泄漏速度下，對煤氣擴散的影響，進風(fēng)速度3.7 m/s不變，比較泄漏速度分別為10 m/s，20 m/s，30 m/s時煤氣在巷道中擴散的情況。

圖4 泄漏速度10 m/s CO體積分數(shù)

圖5 泄漏速度20 m/s CO體積分數(shù)

由于都是在正常礦井通風(fēng)下，發(fā)生煤氣泄漏，泄漏速度30 m/s，20 m/s比10 m/s初始速度大，在初始動量下x方向的噴射距離更遠，高濃度集中在泄漏口另一側(cè)。在相同的通風(fēng)速度下，泄露速度為30 m/s，20 m/s，高濃度的區(qū)域更加大，影響的范圍更加廣。同時看出隨著泄漏速度的增大，向巷道頂部縱向距離也擴散更加充分，在整個巷道高度都受到影響。因此當(dāng)泄漏的速度增大時，高濃度區(qū)域在橫向和縱向方向都不斷增大。顯示相鄰的聯(lián)絡(luò)巷道也會受到影響。因此能夠在早期及時發(fā)現(xiàn)煤氣泄漏采取措施有助于控制煤氣的擴散。并且在人員逃離現(xiàn)場時，聯(lián)絡(luò)巷同樣有可能被煤氣擴散，需要引起重視。

圖6 泄漏速度30 m/s CO體積分數(shù)

從圖5，6來看由于泄漏速度大，紅色和橘黃色區(qū)域明顯增大，CO的中毒報警區(qū)域20 m/s最遠已經(jīng)擴大到35 m，而30 m/s下風(fēng)向70 m區(qū)域都在報警范圍之內(nèi)，引發(fā)中毒的區(qū)域更大。同時x軸方向來看由于泄漏速度變大，在初始動量的作用下，x軸方向上濃度也逐漸變大。由此可知隨著煤氣泄漏速度的增大，煤氣泄漏范圍擴大，必需注意采取防火措施，防止爆炸。因此從模擬看當(dāng)泄漏速度越來越大時，煤氣中毒性增大，發(fā)生煤氣爆炸的可能性也逐漸增高。在煤氣發(fā)生泄漏初期能夠及時的發(fā)現(xiàn)，采取相應(yīng)的堵漏措施，影響的范圍將越小。

4.3 不同通風(fēng)速度對擴散的影響

為了研究不同通風(fēng)速度對煤氣擴散的影響，泄漏速度不變?yōu)?0 m/s，選擇原巷道風(fēng)速3.7 m/s，8 m/s，10 m/s不同的通風(fēng)速度進行分析。

從圖7，圖8，圖9相比來看，在3.7 m/s時，風(fēng)速對煤氣的擴散的影響相比8 m/s，10 m/s的影響相對較小。高濃度區(qū)域在風(fēng)速比較大的8、9圖面積比較小，但是由于風(fēng)速大的原因，擴散的距離比較長，因此來看隨著風(fēng)速的加大，危險區(qū)域會逐漸向下風(fēng)向和靠近泄漏口一側(cè)偏移，同時看出風(fēng)速增大，一氧化碳濃度被稀釋也快，濃度也大幅降低。由此可得，當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏事故時，加大通風(fēng)量將有助于煤氣的稀釋，將煤氣通過回風(fēng)巷及時排出到井外。

圖7 風(fēng)速3.7 m/s CO體積分數(shù)

圖8 風(fēng)速8 m/s CO體積分數(shù)

圖9 風(fēng)速10m/s CO體積分數(shù)

風(fēng)速(m/s)Z軸(m)X軸(m)3.725.50.8～1.18420.6～0.6510380.5～0.6

如表所示雖然增大風(fēng)速有助于煤氣的稀釋擴散距離有可能增長，當(dāng)風(fēng)速增大到一定的風(fēng)速z軸方向的距離也開始減小。而x軸方向由于通風(fēng)的原因x軸方向的濃度隨著風(fēng)速逐漸減小。因此通風(fēng)有助于煤氣的稀釋，在加大通風(fēng)稀釋煤氣的同時，也要注意遠距離操作時也有可能煤氣中毒。

5 結(jié)論

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬，并運用CFD-POST對計算的結(jié)果進行分析，對擴散規(guī)律進行了分析，得出以下結(jié)論：由于煤氣的密度要比空氣小，在垂直方向上，空氣的浮力對煤氣起動力作用，煤氣會在浮力和初始動量的作用下，向上方運動；煤氣泄漏初期以高速噴射，此時速度遠遠大于風(fēng)速，呈一片扇形分布，在泄漏點處濃度很高，隨時間向外擴散，泄漏速度隨著距離逐漸降低，通風(fēng)風(fēng)速在煤氣的擴散開始起主導(dǎo)作用，同時當(dāng)泄漏的速度和泄漏口面積變大時，除了煤氣濃度高的區(qū)域增大，相鄰的聯(lián)絡(luò)巷也會受到煤氣的擴散影響。當(dāng)井下發(fā)生煤氣泄漏時，應(yīng)立即停止供氧。對出事地點嚴加警戒，絕對禁止通行，以防更多的人中毒；掌握井下供電情況，及時切斷井下災(zāi)區(qū)供電，從模擬結(jié)果看，尤其在泄漏點周圍的電器設(shè)備立即斷電。同時根據(jù)模擬，加強通風(fēng)，能夠加快煤氣的稀釋，因此需要保證足夠的風(fēng)量，及時沖淡煤氣，保證煤氣不超限，不聚集。迅速查明事故原因，并采取可靠措施。只有重視煤炭地下氣化安全問題，才能加快發(fā)展煤炭地下氣化技術(shù)，才能推動向大規(guī)模工業(yè)化進程，才能有助于推動節(jié)能減排，保護環(huán)境，提高煤炭開采率。

[1] 范維唐.潔凈煤技術(shù)的發(fā)展與展望[EB/OL]. (2007-04-03)[2014-10-25]. http://www.aqtd.cn/

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NumericalSimulationStudyonGasDiffusionLawofCoalUndergroundGasification

LI Xin, ZHANG Yong, SONG Xiao-ting

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao, 065201,China)

TD844

A

1672-7169(2017)03-0041-08

2017-05-23

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助(3142017055)

李鑫(1991-), 男, 河北張家口人，大學(xué)畢業(yè)，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：安全工程. E-mail:1107767238@qq.com