電廠煙氣防治采空區遺煤自燃的可行性研究

邊小峰

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

由于近些年來我國采煤技術的飛速發展，特厚煤層放頂煤開采及瓦斯抽采技術取得空前進步，工作面開采后采空區遺煤較多，自燃問題越發明顯[1-2]。根據最近的統計結果，我國開采的煤層90%以上屬于自燃煤層或者易自燃煤層，因自燃引發的礦井火災達到總數的85%以上[3]。在25個主要產煤大省里，有130個以上礦區因煤層自燃問題而受到不同程度的影響，寧夏寧東礦區、陜北神東礦區等地方每年都發生因為自燃引發CO濃度超限的問題，每年給礦井造成的直接經濟損失超過50億元，甚至會發生人員傷亡事故。

伴隨科學技術的發展，注惰氣滅火(二氧化碳和氮氣)逐步應用于各大礦井。采空區注入惰性氣體后，可營造惰性氣體環境，抑制遺煤自燃，目前在制氣技術還有操作復雜、制氣價格高等一系列難題[4-5]。

電廠煙氣為生產過程中產生的工業廢氣，因煙氣是煤炭燃燒之后的產物，氧氣濃度偏低，同時存在大量的二氧化碳和氮氣等惰性氣體，如果沿著井筒布設管路將煙氣注入工作面采空區，就能有效防治遺煤自燃，與傳統的人工制造惰性氣體(二氧化碳、氮氣)相比，注氣成本低，能減少資金投入。賈寶山等[6-7]通過數值模擬手段研究向采空區，則注入煙道氣治理煤炭自燃，模擬結果證明：通過設置最佳的注氣參數，可實現煙道氣快速覆蓋采空區“氧化升溫帶”，煙道氣用于采空區防滅火是可行的。另外，電廠煙氣中存在好多大氣污染物，像二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等[8-10]，若將煙氣注到采空區，則能夠封存這些大氣污染物。

煤發生自燃過程為由低溫狀態物理吸收氧氣起步，多數人贊同惰性氣體(二氧化碳、氮氣)注入采空區，惰性氣體氣體包裹在遺煤附近，可以營造良好的惰性環境，降低遺煤附近的氧含量，抑制煤吸收氧氣自燃[11-12]。傳統的吸附試驗要求在液氮溫度條件下實測煤吸收各類氣體的量，壓力值可達到幾兆帕[13-14]。但實際生產中工作面采空區為常溫常壓環境，所以在常溫常壓環境下，筆者通過自主設計煤大樣量吸附裝置測試煤吸收煙氣中各類氣體的量，同時分析采空區注入煙氣的可行性和安全性，為采空區防滅火提供新方向。

1 試驗研究

1.1 井下采集煤樣

在斜溝煤礦23105綜放工作面采集新鮮暴露煤樣作為此次試驗研究的煤樣，斜溝煤礦23105綜放工作面開采13號煤，煤層平均厚度為13.88 m，煤層平均傾角為9°，煤種為氣煤、1/3焦煤，屬于中灰、特低硫、低磷煤，主要用途為良好的配焦、動力及民用煤。試驗過程中需要煤樣質量5 kg，煤樣的工業分析見表1。

表1 煤的工業分析

煤樣具體制作步驟：

1) 先使用小型粉碎機，把煤樣品制作為50～80目。

2) 其次在真空干燥箱中裝入煤樣處理。

1.2 試驗過程

1) 試驗裝置。試驗具體過程：在密封吸附缸內裝入經過干燥處理后的煤粉，將裝置密封處理后，對吸附缸使用真空泵開始脫氣；完成脫氣后，向吸附缸內注入氣體，保持缸內壓力處于0.1 MPa左右，通過氣相色譜儀測量各氣體濃度；吸附作用進行一段時間后，接著再通過氣相色譜儀測量各氣體的濃度，根據理想氣體狀態方程核算得到煤樣吸附各氣體量，具體試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

2) 試驗結果。本次試驗以西山煤電斜溝煤礦坑口電廠的煙氣組成為基礎，通過實測得到電廠煙氣成分為氮氣占比79%、二氧化碳占比16.4%、氧氣占比4.5%、二氧化硫占比0.004 6%、二氧化氮占比0.019%、微量一氧化碳及粉塵。試驗過程中選用氬氣作為平衡氣體，采用氣體代替模擬電廠煙氣中含有的幾種氣體含量。煤樣在吸附電廠煙氣前后每種氣體壓力和濃度數據見表2。

表2 煤的吸附試驗數據

2 試驗結果

2.1 原子力顯微鏡簡介

AFM(Atomic Force Microscope)即原子力顯微鏡，是由G.Binning在STM的基礎上于1986年發明的表面觀測儀器。它是繼掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)之后發明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，能夠在大氣和液體環境下探測各種材料和樣品的納米區域物理性質(包括形貌)，或直接進行納米操縱；現已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究試驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。

工作原理：當原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。原子力顯微鏡(接觸式、非接觸式和輕敲式)的工作原理如圖2所示。

圖2 原子力顯微鏡的工作原理

2.2 觀測結果

煤屬于多孔隙物質，為了研究煤的微觀結構需要借助原子力顯微鏡觀測，在原子力顯微鏡觀測下煤的表面微觀結構如圖3所示。由圖3發現：表面看似光滑平整的煤，其實表明凸凹不平，圖中比較明亮的區域代表凸起，比較暗淡的區域代表為下凹，另外還發現煤層表面具有體積不等的裂隙和孔隙，證明煤屬于多孔介質，所以煤才具備吸附各類氣體的性質，例如吸附氮氣、二氧化碳等氣體。

圖3 AFM作用下煤的表面形貌結構的三維圖像

煤自燃時，首先煤要進行低溫物理吸附氧氣，由于這過程是在范德華力作用下，煤吸附氧氣量非常小，但伴隨吸附反應不斷進行，不斷釋放出越來越多的能量，煤中官能團與氧氣分子進行緩慢的化學反應，這時吸附過程由物理吸附逐步轉化為化學吸附，顯著增大了吸附量，依據試驗數據發現：煤中官能團與氧氣分子的化學吸附一直持續到228 h。

2.3 吸附量計算

結合煤在吸附前后的壓力差值和各種氣體在吸附前后的濃度差值，依據理想氣體狀態方程，推到出吸附量的公式見式(1)。

(1)

依據以上公式計算得到煤吸附電廠煙氣的飽和量，具體如圖4所示。從圖4得到：不算煙氣中的氧氣，煤吸附其他四種氣體12 h后形成平衡狀態，其中煤吸附氧氣的過程逐步從物理吸附變成化學吸附，在228 h之后1 g煤能夠吸附氧氣量4.79 cm3；但在物理吸附過程中，煤吸附二氧化碳的量最高，1 g煤能吸附二氧化碳量達到1.2 cm3；其次是氮氣、二氧化硫和二氧化氮，1 g煤能吸附氮氣量達到0.26 cm3，1 g煤能吸附二氧化硫量達到0.64×10-3mL，1 g煤能吸附二氧化氮量達到2.6×10-3mL，試驗得到煤幾乎可全部吸收煙氣中二氧化硫和二氧化氮氣體。依據試驗結果可發現，在惰性氣體環境下，煤吸附二氧化碳的量明顯超過氮氣，所以相比氮氣防滅火，二氧化碳氣體防滅火效果更佳。

圖4 煤吸附煙氣中各氣體的量

電廠煙氣主要成分為氮氣和二氧化碳等惰性氣體，所以向采空區注入煙氣，氮氣和二氧化碳可共同抑制煤吸附氧氣，營造惰性氣體環境，阻止遺煤自燃，另外也可降低惰性氣體的制造成本；煤幾乎可全部吸收電廠煙氣中的二氧化硫和二氧化氮，明顯降低溫室氣體的排放量，減弱電廠煙氣對大氣的污染程度。

3 可行性研究

結合生產實際數據報表等資料得到：斜溝煤礦坑口電廠所產生的煙氣流量約為1.935×106Nm3/h，但礦井防滅火預計所需要的的煙氣流量約為15 000 Nm3/h，只占整個電廠所排出的煙氣的0.78%.通過采取脫硫工藝處理之后，電廠所排出的煙氣中氧氣濃度可達到4.5%以下，其中氧氣傳感器所監測的最高濃度為6.5%，所以氧氣濃度的平均值為4.1%。氧氣濃度小于7%，營造了一種惰性氣體環境，有利于阻止遺煤自燃。

現場測定煙氣中二氧化碳濃度約為16.4%，根據“四算一校核”，核算得出采煤工作面應配風量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區注入煙氣流量預計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區的煙氣發生吸附反應，基本都進入采煤工作面回風巷，那么工作面回風流中二氧化碳最大濃度可達0.62%.根據《煤礦安全規程》(2016版)第一百七十二條：采區回風巷、采掘工作面回風巷風流中甲烷濃度超過1.0%或者二氧化碳濃度超過1.5%時，必須停止工作，撤出人員，采取措施，進行處理。發現向采空區注入煙氣后，工作面回風巷二氧化碳濃度沒有超限報警。

現場測定煙氣中二氧化硫氣體濃度約為0.004 6%，根據“四算一校核”，核算得出采煤工作面應配風量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區注入煙氣流量預計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區的煙氣發生吸附反應，基本都進入采煤工作面回風巷，那么工作面回風流中二氧化硫最大濃度可達0.000 192%，根據《煤礦安全規程》(2016版)第一百三十五條：二氧化硫有害氣體的濃度不超過0.000 5%，發現向采空區注入煙氣后，工作面回風巷二氧化硫濃度沒有超限報警。

現場測定煙氣中一氧化碳氣體濃度為0.015%.根據“四算一校核”，核算得出采煤工作面應配風量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區注入煙氣流量預計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區的煙氣發生吸附反應，基本都進入采煤工作面回風巷，那么工作面回風流中一氧化碳最大濃度可達0.000 56%，根據《煤礦安全規程》(2016版)第一百三十五條：一氧化碳有害氣體的濃度不超過0.002 4%.發現向采空區注入煙氣后，工作面回風巷一氧化碳濃度沒有超限報警。

假想煤體、巖石沒有與注入采空區的煙氣發生吸附反應，基本都進入采煤工作面回風巷，根據《煤礦安全規程》(2016版)第一百三十五條：氧化氮(換算成二氧化氮)有害氣體的濃度不超過0.000 25%，向采空區注入的煙氣中氧化氮氣體含量上限值為208.4 mg/Nm3。因煙氣中的氧化氮氣體濃度為0.019%，明顯不滿足規程要求，為保證電廠煙氣可安全注入工作面采空區，需要通過煙氣處理設施，對電廠煙氣重點開展脫硝處理。

通過以上計算分析得到：除去氧化氮氣體，把電廠煙氣以規定流量向工作面采空區注入，工作面回風巷有毒有害氣體濃度不會發生超限報警。另外，向井下輸送煙氣時，由于井下粉塵濃度高、空氣濕度大將會嚴重影響輸氣管路的安全性，所以在輸送煙氣時需要采取防塵與除濕技術。

4 結 語

1) 向工作面采空區注入電廠煙氣后，1 t煤能吸收煙氣中二氧化碳量、氮氣量、二氧化硫量、二氧化氮量分別為1.2 m3、0.26 m3、0.64 L、2.6×10-3L，其中煤幾乎全部吸收了煙氣中的二氧化硫和二氧化氮；注氣后，不但可營造惰性氣體環境，抑制煤吸收氧氣，而且可降低惰性氣體的制造成本，明顯降低溫室氣體的排放量，減弱電廠煙氣對大氣的污染程度。

2) 依據工作面應配風量與注入采空區的煙氣流量核算工作面回風巷有毒有害氣體濃度發現：假想煙氣注入后未與煤、巖發生吸附反應，控制注入煙氣流量，注氣后工作面回風巷一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫氣體沒有超限，但二氧化氮氣體濃度超限，所以需通過脫硝裝置處理煙氣后方可注入井下。