國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

“煤礦極低濃度抽采瓦斯摻混爆炸特征及利用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(51974322)研究進(jìn)展

煤層氣，又稱為瓦斯，是煤礦井下主要的有害氣體和危險(xiǎn)源，其主要成分是甲烷。我國(guó)目前已探明的煤層氣儲(chǔ)量為36.81萬億立方米，與常規(guī)天然氣儲(chǔ)量(54.36萬億立方米)相當(dāng)。作為煤礦開采的伴生潔凈能源，我國(guó)每年在采煤的同時(shí)抽采瓦斯量巨大，同時(shí)瓦斯也是重要的溫室氣體，單位質(zhì)量的甲烷對(duì)大氣溫室效應(yīng)的影響是二氧化碳的21倍。我國(guó)每年有大量瓦斯直接排放到大氣中，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

1 課題研究目的和意義

我國(guó)煤礦瓦斯抽采量巨大，但由于瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)大、濃度低等原因?qū)е吕寐实?。濃縮提純技術(shù)成本高，投資大；低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是對(duì)于大量濃度低于5%的煤礦瓦斯，利用方法成本較高，還沒有大規(guī)模推廣。因而，如何經(jīng)濟(jì)合理的利用低濃度瓦斯，具有節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境2個(gè)層面的意義。

瓦斯利用率低的主要原因具有2方面：一方面，工業(yè)浪費(fèi)巨大，煤礦抽采瓦斯因不滿足工業(yè)能源使用及化工原料的要求(濃度在工業(yè)要求的30%以下且不穩(wěn)定)，而無法用于工業(yè)生產(chǎn)，故一般選擇直接排放到大氣中或燃燒后排放到大氣中；另一方面，民用瓦斯效率低，煤礦通風(fēng)的低濃度瓦斯能夠滿足民用要求，但是由于瓦斯氣源距離城鎮(zhèn)遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本高，導(dǎo)致無法集中利用而使能源轉(zhuǎn)化效率低。提高瓦斯利用率的有效途徑之一就是向低濃度瓦斯中摻混其他易燃助劑混合物進(jìn)行爆炸發(fā)電，其具有突出優(yōu)點(diǎn)：從能量利用角度，煤塵、甲烷爆炸瞬間釋放大量能量直接用于發(fā)電，能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高；從環(huán)境保護(hù)角度，反應(yīng)后生成物通過管道排出，易于控制和消除有害物質(zhì)；從經(jīng)濟(jì)角度，將無法直接利用的極低濃度瓦斯作為發(fā)電的主要能源，可以大量節(jié)約發(fā)電成本及資源；相對(duì)傳統(tǒng)火力發(fā)電，避開了將煤燃燒放熱傳遞給高溫?zé)嵴羝倪^程，大大減少了能量損耗。

因此，本項(xiàng)目主要針對(duì)0.75%～5%的抽采瓦斯(稱為“極低濃度抽采瓦斯”)資源化利用展開研究。優(yōu)選易燃易爆物質(zhì)作為摻混助燃劑，與極低濃度抽采瓦斯進(jìn)行摻混燃爆發(fā)電利用，不僅能獲得較傳統(tǒng)瓦斯發(fā)電技術(shù)更高的效率，克服傳統(tǒng)瓦斯發(fā)電技術(shù)的瓶頸，改善我國(guó)能源緊缺的現(xiàn)狀，而且能夠有效預(yù)防瓦斯爆炸事故。最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行、理論科學(xué)、技術(shù)合理、工藝可靠、環(huán)境綠色的低濃度煤層氣資源化利用。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 極低濃度瓦斯摻混爆炸可行性分析

優(yōu)選極低濃度瓦斯摻混燃爆助燃劑，根據(jù)理·查特里定律計(jì)算常見的易燃易爆物質(zhì)與極低濃度瓦斯在不同濃度點(diǎn)摻混后的爆炸極限，得出不同濃度甲烷與不同種類易燃易爆助劑摻混時(shí)的爆炸下限、火焰?zhèn)鞑ニ俣取毫ψ兓忍匦詤?shù)，從而確定助燃劑種類、相應(yīng)的添加量及最小點(diǎn)火能的大小，為后續(xù)研究設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 極低濃度瓦斯摻混燃爆特征實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)不同條件下極低濃度瓦斯摻混爆炸實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的20L爆炸球裝置進(jìn)行改造，添加溫度調(diào)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同溫度下?lián)交毂▽?shí)驗(yàn)研究。主要研究極低濃度瓦斯在不同溫度下的摻混爆炸下限和爆炸混合氣體在不同當(dāng)量比、不同爆炸殘余氣體條件下的爆炸參數(shù)及變化規(guī)律，并測(cè)試分析爆炸氣固產(chǎn)物生成規(guī)律，提出處理有毒有害產(chǎn)物的方法。利用CHEMKIN模擬軟件，模擬極低濃度瓦斯和助燃劑摻混燃爆過程中壓力、溫度及反應(yīng)物和生成物濃度的變化；模擬反應(yīng)過程中自由基的濃度變化，分析摻混物爆炸微觀機(jī)理。并研究瓦斯中水分、煤塵顆粒以及初始溫度、壓力等因素對(duì)燃爆的影響；分析不同條件對(duì)于混合物燃爆特性的影響機(jī)理，提出提高燃爆效率的技術(shù)手段。

2.3 極低濃度瓦斯摻混爆炸產(chǎn)物分析

利用氣相色譜儀對(duì)極低濃度瓦斯摻混爆炸后的尾氣成分進(jìn)行分析，根據(jù)不同濃度甲烷和二甲醚的配比爆炸后的殘余氣體各組分濃度可以發(fā)現(xiàn)：隨著當(dāng)量比的增大，爆炸尾氣中CO的濃度表現(xiàn)出先緩慢增大后急劇增大的趨勢(shì)，當(dāng)量比小于0.9時(shí)，反應(yīng)生成的CO處于較低水平(2 500ppm以下)。隨著當(dāng)量比的增大，爆炸生成的CO表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在當(dāng)量比為1.0時(shí)達(dá)到最大值。爆炸尾氣中二氧化碳的濃度變化趨勢(shì)與一氧化碳的變化趨勢(shì)具有一定的關(guān)聯(lián)性。

3 研究成果

本課題的預(yù)期研究成果為：

(1)得出不同種類助燃劑與極低濃度抽采瓦斯燃爆特性，確定合適的摻混助燃劑種類和添加量，得出不同初始條件下的反應(yīng)參數(shù)。

(2)得出極低濃度瓦斯與助燃劑摻混燃爆的反應(yīng)過程和機(jī)理。

(3)提出瓦斯燃爆的能量計(jì)算方法，得到能量特征和利用效率。

(4)建立極低濃度抽采瓦斯燃爆發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。