羅娟娟,李文軍,梁 杰,武增禮,鐘毓娟

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)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(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)研究分院,北京 100013)

煤炭在地下氣化過(guò)程中生成可燃?xì)怏w,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(jì)算公式,研究了最大允許氧含量和惰性氣體對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的影響,結(jié)果表明,為了防止氣化煤氣發(fā)生爆炸,可以通過(guò)控制氣化劑的進(jìn)量或加入惰性氣體,使可燃?xì)怏w在爆炸極限范圍以外,為煤炭地下氣化的現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行有控制地燃燒,通過(guò)對(duì)煤的熱解作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w,其實(shí)質(zhì)是將物理采煤轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)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(shí)現(xiàn)了井下無(wú)人、無(wú)設(shè)備的生產(chǎn)工作面,充分回收和利用報(bào)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(shí)現(xiàn)清潔燃燒[1]。但其存在著許多安全方面的問(wèn)題,主要有準(zhǔn)備階段存在的安全隱患、氣化過(guò)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(gè)十分嚴(yán)密的環(huán)境中進(jìn)行的,雖然氣化過(guò)程中的爆炸會(huì)有利于煤層的破碎,但是在出氣孔的混合氣體爆炸后會(huì)堵塞出氣孔,從而使氣化過(guò)程難以進(jìn)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(shè)計(jì)、運(yùn)行以及煤氣的防毒和防爆。氣化爐的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面研究有很多,主要內(nèi)容有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖及安全控制系統(tǒng)相結(jié)合,當(dāng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)不在安全范圍內(nèi)的時(shí)候,可以用安全控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門或安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來(lái)切斷閥門。通過(guò)分析密閉空間混合氣體爆炸極限的計(jì)算公式,設(shè)計(jì)了爆炸極限與最大允許含氧量的測(cè)試裝置,通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析,可通過(guò)控制氣化劑的進(jìn)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(chǎng)安全和可行性提供了依據(jù)。

1 爆炸極限的計(jì)算

爆炸極限常用可燃性物質(zhì)在可燃性混合物中的體積百分比 (濃度)表示,當(dāng)爆炸性氣體中可燃?xì)怏w含量接近化學(xué)計(jì)算量時(shí) (即理論上完全燃燒時(shí)該物質(zhì)的含量)燃燒最快或最劇烈。若可燃?xì)怏w含量減少或增加,火焰蔓延速度則降低;當(dāng)濃度低于或高于某一極限值時(shí),火焰便不再蔓延。這一范圍的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別稱為爆炸上限 (UEL)和爆炸下限 (LEL)[2]。當(dāng)混合濃度低于爆炸下限時(shí),由于過(guò)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(shí),由于過(guò)量的可燃物質(zhì)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?xì)怏w或蒸汽在每立方米或每升混合氣體中含有的克數(shù)來(lái)表示。20℃時(shí)兩者有如下關(guān)系：式中,M為可燃?xì)怏w或蒸汽的分子量;X為可燃物質(zhì)與空氣混合物的爆炸下限 (以體積百分?jǐn)?shù)表示,%);Y為可燃物質(zhì)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(jì)算混合氣體的爆炸極限,須先知道該條件下的可燃?xì)怏w單一組分的爆炸極限,即在當(dāng)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(jì)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(yīng)所需的氧原子數(shù)推薦：

根據(jù)可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)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?xì)怏w的爆炸極限[3-4]。

式中,Ll為可燃?xì)怏w爆炸下限;Lh為可燃?xì)怏w爆炸上限;N為可燃?xì)怏w完全燃燒反應(yīng)所需要氧原子數(shù),對(duì)烴類≥4。

式 (4),(5)一般只適用于烷烴碳?xì)浠衔锉O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(jì)算

理·查特里法則認(rèn)為,復(fù)雜組成的可燃?xì)怏w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(jì)算適于各組分間不反應(yīng),且燃燒時(shí)無(wú)催化作用的可燃?xì)怏w混合物。其計(jì)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?jǐn)?shù),%;n為可燃?xì)怏w的組分?jǐn)?shù)。

式 (6)適用于計(jì)算碳?xì)浠衔锘旌蠚鈺r(shí)比較準(zhǔn)確。但對(duì)其他大多數(shù)可燃?xì)怏w混合物計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一些偏差。另外,當(dāng)混合氣體的百分比變化時(shí),Li要重新計(jì)算。

1.3 混合氣體中加入惰性氣體的爆炸極限的計(jì)算

在可燃?xì)怏w混合物中混入 N2,CO2等惰性氣體時(shí),可將惰性氣體和可燃?xì)怏w混合物分成各組作為一個(gè)單獨(dú)成分的方法來(lái)計(jì)算爆炸極限。假如每一組可燃?xì)怏w與不活潑氣體混合物不同組成時(shí)的爆炸極限未知,就無(wú)法計(jì)算。此時(shí),可用下式計(jì)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?xì)怏w爆炸極限和最大允許氧含量測(cè)定

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

目前,對(duì)于常溫、常壓下可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限的測(cè)試裝置建立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 12474《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》,但對(duì)于高溫、高壓混合氣體的爆炸極限的測(cè)試,還沒(méi)有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法和裝置。結(jié)合煤炭地下氣化數(shù)據(jù)的采集,設(shè)計(jì)了一套爆炸極限與最大允許含氧量的測(cè)試裝置[6],工藝流程見圖 1.

圖1 爆炸反應(yīng)工藝流程

本測(cè)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(cè)試系統(tǒng)組成。由測(cè)試工藝流程圖可以看出,爆炸裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,將直接影響氣體爆炸參數(shù)的測(cè)試結(jié)果,其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的工作質(zhì)量和結(jié)果的可靠性。爆炸容器設(shè)計(jì)總?cè)莘e為 300ml,耐壓30MPa,為保證試驗(yàn)安全,在上部裝有安全閥,當(dāng)壓力大于 20MPa時(shí)能自動(dòng)卸壓。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

爆炸極限和最大允許氧含量的測(cè)試方法基本是致。即將一定濃度的可燃?xì)怏w與其他氣體 (根據(jù)濃度比等于體積比的規(guī)律)混合。實(shí)驗(yàn)?zāi)骋环N混合氣體時(shí),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(lái)確定此次試驗(yàn)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(shí)改變相關(guān)氣體體積,使其減少,繼續(xù)試驗(yàn),直到至少 3次連續(xù)試驗(yàn)不再有點(diǎn)燃爆炸發(fā)生。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)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(yàn)可知,處于地下的煤氣溫度都較高,能達(dá)到 1000℃以上,但是氣體經(jīng)過(guò)煤層的冷卻以及氣化通道的冷卻,到達(dá)出氣通道時(shí)煤氣的溫度一般會(huì)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(shí)驗(yàn)的溫度最好在 20～300℃范圍內(nèi)。但是由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的條件限制最高溫度只能達(dá)到 100℃,所以選取 20～100℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最后進(jìn)行修正。

此外,對(duì)于煤氣的初始?jí)毫?根據(jù)各煤炭地下氣化的工業(yè)性試驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取低壓氣化的煤氣初始?jí)毫?0.04～0.1MPa,高壓氣化的煤氣初始?jí)毫?0.2～0.35MPa。

(2)煤氣組分的確定 煤氣組分的確定比較困難,因?yàn)椴煌嘿|(zhì)、不同工藝、不同氣化時(shí)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(guò)多個(gè)煤炭地下氣化工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果以及多次實(shí)驗(yàn)室煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)中選取的煤氣組分是根據(jù)多個(gè)煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)初始?jí)毫Φ挠绊?實(shí)驗(yàn)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?jí)毫Ψ謩e選取低壓 0.04MPa,0.06MPa,0.08MPa,0.1MPa,高 壓 0.2MPa,0.25MPa,0.3MPa,0.35MPa來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 1。

由表 1可以看出,當(dāng)混合氣體中的氧含量超過(guò)7.8%的時(shí)候,初始?jí)毫υ?0.04～0.35MPa范圍內(nèi),混合煤氣都會(huì)發(fā)生爆炸。而當(dāng)混合氣體當(dāng)中的氧含量低于一定數(shù)值 (5.9%)的時(shí)候,初始?jí)毫υ?0.04～0.35MPa范圍內(nèi)都不會(huì)發(fā)生爆炸。

(2)初始溫度的影響 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性煤炭地下氣化試驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室各氣化工藝溫度采集數(shù)據(jù)以及本實(shí)驗(yàn)條件溫度限制,選取溫度20℃,

表1 空氣氣化煤氣爆炸特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

40℃,60℃,80℃和 100℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 2。

表2 各溫度下最大允許氧含量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(méi)有發(fā)生變化。

因此,在本實(shí)驗(yàn)的條件下,初始溫度在 20～100℃的范圍內(nèi)時(shí),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?yàn)榧尤攵栊詺怏w后,其分子會(huì)使可燃?xì)怏w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(yīng)機(jī)會(huì),同時(shí)當(dāng)活化分子撞擊惰性氣體分子時(shí),則會(huì)減少甚至失去活化能,要想不致反應(yīng)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(duì)減少,導(dǎo)致氧氣的直接減少,同時(shí)也使可燃?xì)鉂舛认鄬?duì)降低了。氧氣和可燃?xì)怏w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(yīng)熱急劇降低,從而也導(dǎo)致了爆炸上限的下降。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)減少混合物中的氧濃度,將可燃?xì)怏w控制在爆炸下限以下,從而防止發(fā)生爆炸。

(2)通過(guò)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(duì)爆炸極限產(chǎn)生的影響,可通過(guò)減少反應(yīng)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?xì)怏w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(jì)、作業(yè)因素的具體條件而論,將可燃?xì)怏w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(dāng)附加一定的安全系數(shù)即可。

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

[2]徐建平 .防爆基礎(chǔ)概要 [J].自動(dòng)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(jī)理的研究[D].天津：天津大學(xué),2000.

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

[5]鄔紉云 .煤炭氣化 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50574096)。

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

施紅霞]

礦壓與災(zāi)害控制