國家自然科學基金項目

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

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

1 課題研究目的和意義

我國煤礦瓦斯抽采量巨大，但由于瓦斯濃度波動大、濃度低等原因導致利用率低。濃縮提純技術成本高，投資大；低濃度瓦斯發電技術已經較為成熟，但是對于大量濃度低于5%的煤礦瓦斯，利用方法成本較高，還沒有大規模推廣。因而，如何經濟合理的利用低濃度瓦斯，具有節約能源和保護環境2個層面的意義。

瓦斯利用率低的主要原因具有2方面：一方面，工業浪費巨大，煤礦抽采瓦斯因不滿足工業能源使用及化工原料的要求(濃度在工業要求的30%以下且不穩定)，而無法用于工業生產，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遠，運輸成本高，導致無法集中利用而使能源轉化效率低。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行爆炸發電，其具有突出優點：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電，能量密度大、轉換效率高；從環境保護角度，反應后生成物通過管道排出，易于控制和消除有害物質；從經濟角度，將無法直接利用的極低濃度瓦斯作為發電的主要能源，可以大量節約發電成本及資源；相對傳統火力發電，避開了將煤燃燒放熱傳遞給高溫熱蒸汽的過程，大大減少了能量損耗。

因此，本項目主要針對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。優選易燃易爆物質作為摻混助燃劑，與極低濃度抽采瓦斯進行摻混燃爆發電利用，不僅能獲得較傳統瓦斯發電技術更高的效率，克服傳統瓦斯發電技術的瓶頸，改善我國能源緊缺的現狀，而且能夠有效預防瓦斯爆炸事故。最終實現經濟可行、理論科學、技術合理、工藝可靠、環境綠色的低濃度煤層氣資源化利用。

2 研究內容

2.1 極低濃度瓦斯摻混爆炸可行性分析

優選極低濃度瓦斯摻混燃爆助燃劑，根據理·查特里定律計算常見的易燃易爆物質與極低濃度瓦斯在不同濃度點摻混后的爆炸極限，得出不同濃度甲烷與不同種類易燃易爆助劑摻混時的爆炸下限、火焰傳播速度、壓力變化等特性參數，從而確定助燃劑種類、相應的添加量及最小點火能的大小，為后續研究設計提供依據。

2.2 極低濃度瓦斯摻混燃爆特征實驗研究

設計不同條件下極低濃度瓦斯摻混爆炸實驗方案，對實驗室現有的20L爆炸球裝置進行改造，添加溫度調控系統，以實現不同溫度下摻混爆炸實驗研究。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量比、不同爆炸殘余氣體條件下的爆炸參數及變化規律，并測試分析爆炸氣固產物生成規律，提出處理有毒有害產物的方法。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、溫度及反應物和生成物濃度的變化；模擬反應過程中自由基的濃度變化，分析摻混物爆炸微觀機理。并研究瓦斯中水分、煤塵顆粒以及初始溫度、壓力等因素對燃爆的影響；分析不同條件對于混合物燃爆特性的影響機理，提出提高燃爆效率的技術手段。

2.3 極低濃度瓦斯摻混爆炸產物分析

利用氣相色譜儀對極低濃度瓦斯摻混爆炸后的尾氣成分進行分析，根據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現：隨著當量比的增大，爆炸尾氣中CO的濃度表現出先緩慢增大后急劇增大的趨勢，當量比小于0.9時，反應生成的CO處于較低水平(2 500ppm以下)。隨著當量比的增大，爆炸生成的CO表現出先增大后減小的趨勢，在當量比為1.0時達到最大值。爆炸尾氣中二氧化碳的濃度變化趨勢與一氧化碳的變化趨勢具有一定的關聯性。

3 研究成果

本課題的預期研究成果為：

(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參數。

(2)得出極低濃度瓦斯與助燃劑摻混燃爆的反應過程和機理。

(3)提出瓦斯燃爆的能量計算方法，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電實驗系統。