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煤炭地下氣化煤氣爆炸極限的研究

文檔作者：羅娟娟李文軍梁杰武增禮鐘毓娟文檔來源： 1．中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 2．煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)研究分院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月14日
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第15卷第1期(總第92期)
2010年2月
煤礦 開采
Coal mining Technology
Vo1．15No．1(Series No．92)
February 2010
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(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)
[摘要] 煤炭在地下氣化過程中生成可燃?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)。
[關(guān)鍵詞] 煤炭地下氣化；煤氣；爆炸極限；最大允許氧含量
[中圖分類號(hào)]TQ620 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1006—6225(2010)O1-0029-03
Research on Explosion Limit of Coal Gas in Underground Coal Gasification
LUO Juan—juan‘，LI Wen-jun ，LIANG Jie ，WU Zeng—li ，ZHONG Yu-juan
(1．Chemistry＆Environment College，China University of Science＆Technology，Beijing 100083，China；
2．Detection Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)
Abstract： There are many safety hidden troubles because of combustible gas formation in underground coal gasification．This paper an·
alyzed calculation formula of explosion limit of compound gases in confined space and researched influence of maximum permissible OX—
ygen content and inert gas on combustible gas explosion．Results showed that making combustible gas was beyond explosion limit by
controlling input quantity of vaporized chemical or adding inert gas might prevent gasified coal gas from exploding，which provided a ba·
sis for safety and feasibility of underground coal gasification．
Key words：underground coal gasification；coal gas；explosion limit；maximum permissible oxygen content
煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制
地燃燒，通過對(duì)煤的熱解作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃
氣體，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)了井下無人、無設(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? 。
但其存在著許多安全方面的問題，主要有準(zhǔn)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(gè)十分嚴(yán)密的環(huán)境中進(jìn)行的，雖然氣化過程中的爆
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(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，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分
析，可通過控制氣化劑的進(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
氣體含量接近化學(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)?
體含量減少或增加，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) J。當(dāng)混合濃度低于爆炸下限
時(shí)，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(shí)，由于過量的可燃
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)來表示。20~C時(shí)兩者有
如下關(guān)系：
[收稿日期]2009—06—24
[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50574096)。
[作者簡介]羅娟娟(1984一)，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。
29
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總第92期 煤礦 開 采 2010年第1期
、， ，．1000M
． ．
273 XM ，1 、
而×面× 麗 ()
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／m ，mg／1)。
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，CH ，H 和CO的爆炸極限。
(1)根據(jù)含碳原子數(shù)計(jì)算爆炸極限：
爆炸下限擊=0．1347nc+0．。4343
爆炸上限 =0．01337n。+0．05151
h
(2)
(3)
式中， 為爆炸下限；L 為爆炸上限；17,。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 。
爆炸下限厶= (4)
爆炸上限 = (5)
式中，厶為可燃?xì)怏w爆炸下限；L 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I>4。
式(4)，(5)一般只適用于烷烴碳?xì)浠衔?
爆炸極限估算，但不適用于H：，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
催化作用的可燃?xì)怏w混合物。其計(jì)算公式如下 ]：
： (6)
砉苦
式中， 為混合物的爆炸極限(體積)，％ ；L 為
混合氣體中某組分 的爆炸下限或上限(體
積)，％； 為混合氣體中某組分i的體積百分
數(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)，
要重新計(jì)算。
30
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N ，c0：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，就無法計(jì)算。此時(shí)，可用下式計(jì)算：
㈩
O0+高
式中， 為含有惰性氣體的爆炸極限，％ ；L 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 ，工藝流程見圖1．
1一加熱答器；2-壓力顯不及溫控系統(tǒng)；3，12一三通閥；
4，11-壓力表；5一爆炸容器；6，14一真空表；7，15一真空泵；
8一點(diǎn)火器；9-計(jì)算機(jī)；10一壓力傳感器；13，l7一增壓泵；
l6一配氣貯罐；18一氣瓶(N2，02，CO2，CO，CH4)
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
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羅娟娟等：煤炭地下氣化煤氣爆炸極限的研究 2010年第1期
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~C，
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~(2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~C，所以選取20～100cC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?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?．04—0．1MPa，高壓氣
化的煤氣初始?jí)毫?．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H 17．5％ ，
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)?
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(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
7．8％ 的時(shí)候，初始?jí)毫υ?．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?
在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 c【=，
表1 空氣氣化煤氣爆炸特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
40℃ ，60℃ ，80℃ 和100K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~C的最大允許氧
含量沒有發(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，在兩者之問
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)?
濃度相對(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。 (下轉(zhuǎn)67頁)
31
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劉 軍等：深部開采沖擊礦壓礦井大斷面巷道支護(hù)的探索 2010年第1期
59．3mm，變形速度為0．19mm／d。
20 40 60 8O 1o0 12O 140 160 180 200 220 240 260 280 300
時(shí)間，d
圖2 新舊支護(hù)方式頂?shù)装逡平繉?duì)比
3．1 沖擊礦壓發(fā)生后2種支護(hù)底鼓量對(duì)比
23130下巷1100m巷道觀測(cè)施工過程中，共發(fā)
生7次沖擊礦壓，對(duì)發(fā)生的7次沖擊礦壓進(jìn)行了底
鼓量對(duì)比。
錨網(wǎng)索支護(hù)段最大底鼓量2．7m，破壞巷道長
度70m，錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)段最大底鼓
量0．6m，比采用錨網(wǎng)索支護(hù)底鼓量明顯減小。由
于沖擊礦壓具有發(fā)生突然，來壓劇烈，破壞性強(qiáng)，
對(duì)支護(hù)提出了更高的要求。觀測(cè)結(jié)果表明，錨網(wǎng)索
與“0”型棚復(fù)合支護(hù)可以控制圍巖變形，特別是
底板型沖擊礦壓，即使巷道受較強(qiáng)烈的沖擊仍能保
持一定的空間 。
3．2 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析
從礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)上看出(如圖2)，錨網(wǎng)索支
護(hù)頂?shù)装逡平看螅跗谝平棵黠@增加1倍，中
期移近量起伏比較大，后期相對(duì)比較平穩(wěn)；而錨網(wǎng)
索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)初期移近量小，穩(wěn)定性
好，可有效地抑制煤塊的拋射和破碎煤體的冒落，
避免巷道局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系失衡。觀測(cè)
結(jié)果表明，錨網(wǎng)索與“0”型棚復(fù)合支護(hù)，控制圍
巖變形能力強(qiáng)，抗沖擊礦壓強(qiáng)度高。
4 結(jié)論
(1)錨網(wǎng)索與“O” 型棚復(fù)合支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)
度高，整體穩(wěn)定性好，變形量小，抗沖擊礦壓能力
強(qiáng)，能有效防止沖擊礦壓對(duì)巷道的破壞，保證工作
面人員和設(shè)備的安全。
(2)根據(jù)巷道礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，巷道施工
60d內(nèi)是變形速度最大的時(shí)期，后期巷道變形量明
顯下降?？梢詼p少前掘后修，以及回采期巷道落底
的工程量和勞動(dòng)強(qiáng)度。
(3)錨網(wǎng)索與“0” 型棚復(fù)合支護(hù)施工復(fù)雜，
掘進(jìn)速度慢。
[參考文獻(xiàn)]
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2009(3)，59—61． [責(zé)任編輯：鄒正立]
(上接31頁)
3 結(jié)論
(1)通過減少混合物中的氧濃度，將可燃?xì)?
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(duì)爆炸極限產(chǎn)
生的影響，可通過減少反應(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。
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[責(zé)任編輯：施紅霞]
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