電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術的研究進展

荊 蕊，王雪峰，喬 玲，2，鄧存寶，郝朝瑜，康延雷

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.晉能控股集團有限公司，山西 大同 037010；3.大南湖一礦，新疆 哈密 839112)

21世紀煤炭仍將是我國的主要能源[1]。近十年，煤炭消費量在我國能源消費總量中始終占比50%以上，其根源在于我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構[2]。煤自燃是礦井的常見災害之一[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國主產(chǎn)煤省區(qū)的130余個礦區(qū)中，有煤自燃隱患的煤礦超70%[4]。煤自燃過程失控會造成礦井火災，近十年煤礦事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，礦井火災單次死亡人數(shù)僅次于瓦斯事故[5]。除此，煤自燃災害還會造成能源浪費、環(huán)境污染以及有毒有害氣體的釋放，嚴重影響生態(tài)環(huán)境。煤自燃的發(fā)生需以下條件同時具備：有自燃傾向性的煤呈破碎狀態(tài)、連續(xù)充足的供氧、適宜的蓄熱環(huán)境以及充裕的時間[6]。阻斷煤自燃的主要技術包括堵漏控氧技術、降溫控氧技術、移熱降溫技術及微觀阻化技術，其中注惰防火是一種應用條件較廣的防煤火技術[7]。

注惰防火技術主要包括注(液)氮防火及注(液)CO2防火技術[8]。相較于其他防火技術，注惰防火技術具有操作簡單、應用范圍廣、對礦井機械設備影響小等優(yōu)點，因此被廣泛應用于新疆、陜西、內蒙古等地區(qū)的煤礦中，且注惰技術常與注漿等技術相結合從而達到更好的防火效果[9]。惰性氣體的制備是目前注惰技術中必不可少的一道工序，而電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術無需進行氣體制備，成本相對較低。

電廠煙氣的主要成分有N2、CO2、O2、SOx、NOx及煙塵，其中惰性氣體含量約80%～90%。燃煤電廠是我國CO2集中排放源之一[10]。此外，燃煤電廠排放煙氣中的NOx、SOx、細顆粒物等不僅會危害人體健康，而且可能對環(huán)境及社會造成嚴重影響[11]。雖然國內燃煤機組已基本完成超低排放改造，但機組能耗、經(jīng)濟投入均有一定的提高[12]。鑒于電廠煙氣中氧氣含量低而惰性氣體含量高，在我國承諾實現(xiàn) “2030年碳達峰、2060年碳中和”的大背景下，利用電廠煙氣封存采空區(qū)可以實現(xiàn)CO2減排與煤火災害治理的統(tǒng)一。

本文主要綜述了電廠煙氣注入采空區(qū)防治遺煤自燃的原理及技術應用，從低氧濃度及煤吸附的角度闡明了電廠煙氣封存采空區(qū)的可靠性及可行性，總結了目前的發(fā)展現(xiàn)狀并提出了技術缺陷，為采取更高性價比、更清潔的方式防治煤火提供參考。

1 電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火原理

煤自燃是煤在一定條件下逐步自加熱、自活化的反應過程[13]。抑制煤自燃則應阻斷自燃過程的氧化蓄熱。于斌等[14]基于以下兩個方面首次提出了利用電廠煙氣防滅火：根據(jù)燃燒三角形，電廠煙氣的含氧量低，采空區(qū)煤難以持續(xù)氧化蓄熱從而無法形成煤火；煤對電廠煙氣中各成分的吸附順序不同，尤其煤對O2的吸附次于對CO2的吸附，從而減少了遺煤與O2的接觸，阻斷了采空區(qū)煤的氧化。

1.1 低氧濃度

采空區(qū)是煤礦自燃危險區(qū)之一，其內氧濃度低于常壓大氣[15]。煙氣的含氧量會隨燃煤發(fā)電機組的工況變動而發(fā)生改變，蘇濤[16]、黃戈[17]經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)電廠煙氣的含氧量在4%～10%之間呈動態(tài)變化，且采空區(qū)氧濃度場的分布會因不同含氧量煙道氣的注入發(fā)生改變。氧氣作為煤自燃發(fā)生的要素之一，其濃度對自燃過程發(fā)生的快慢及蓄熱程度均有直接影響。目前鮮有電廠煙氣含氧量對煤自燃影響的研究，因此本部分綜述了低氧氣體條件下變氧濃度對煤自燃的影響。

?zer ?ren、陳龍、Ma Li、Gao Jiancun、Liu Y.、Wen Hu、Deng Jun等[18-24]通過熱重、耗氧量和自燃測量等實驗方法研究發(fā)現(xiàn)，降低氧濃度對煤自燃初始階段的氧化放熱影響較小，而對高溫階段的影響相對明顯。隨著氧濃度的降低，煤樣的TG-DSC曲線和煤氧復合反應的特征溫度均表現(xiàn)出明顯的滯后，平均著火溫度、臨界溫度和裂解溫度升高，煤的氧化反應間隔和燃燒時間增大，活化能呈階梯式上升。氧濃度在15%、10%和5%時煤的放熱量分別比21%氧濃度時降低了約19%、33%和46%，說明降低氧濃度可以明顯減緩煤的氧化放熱，對煤的燃燒有顯著的抑制作用。

李青蔚[25]、辛海會[26]、陳龍剛[27]、Deng Jun等[28]通過定量分析得出氧濃度在1%～10%時，煤氧復合反應最大放熱功率、煤氧復合反應總放熱量、煤的燃盡特性參數(shù)H、綜合燃燒特征參數(shù)Cb、綜合燃燒特性指數(shù)S均隨氧濃度的降低而減小，即氧濃度越低煤的整體燃燒性能表現(xiàn)越差。Xiao Yang[29]、辛海會對不同氧濃度下煤自燃過程的結構變化進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)煤中主要官能團(脂肪烴、芳香烴和含氧官能團)含量隨氧濃度的降低而減少，羥基、醚及不飽和烴的生成受限且當氧氣濃度小于3%時，貧氧對煤氧化反應的抑制作用尤為突出。Li Xueming等[30]對貧氧條件下中性煤和酸性煤的放熱特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)酸性對煤自燃起抑制作用，氧濃度低于7.5%時放熱效果不明顯。Zhou Buzhuang等[31]利用電子自旋共振研究發(fā)現(xiàn)當O2濃度小于或等于9%時，低溫階段自由基反應速度較慢，煤的低溫氧化進程因氧濃度降低而放緩[32]。

因此，當氧濃度在4%～10%之間甚至更低時，煤自燃前期的氧化蓄熱能力大大減弱，低氧濃度限制了部分基團、官能團的生成，煤自燃進程顯著變緩，可有效抑制煤自燃。值得注意的是，不同貧氧濃度對不同煤階的煤會產(chǎn)生不同的抑制效果。從低氧濃度的角度來看，電廠煙氣注入采空區(qū)抑制煤自燃是可行的，在實際應用中應盡量降低煙氣的含氧量，若有必要可采取控氧措施從而保證煙氣注入采空區(qū)的安全性。

1.2 煤吸附

煤自燃的發(fā)生源于低溫階段的物理吸附和化學吸附，吸附熱的不斷累積推動了煤的自燃進程。相較于物理吸附，煤的化學吸附放出的熱量更多[33]。隨著吸附的不斷進行，煤體溫度升高，煤氧化學反應加劇，最終導致了煤的自然發(fā)火[34]。若阻斷煤對氧氣的吸附，就可以達到隔絕氧氣的效果，抑制煤自燃的發(fā)生。

工作時用行車將整個壓緊裝置吊于工位上，通過上部連接套將裝置與壓裝設備中的拉桿固定好，通過控制六個液壓缸及浮動壓頭的聯(lián)動作業(yè)來壓緊定子鐵心。當光學測量找正裝置發(fā)現(xiàn)18根刻線桿某一根高度不同，定子鐵心某一個方位疊壓系數(shù)不夠時，松開此方位的液壓缸進行疊片補償。

從吸附的角度來看，電廠煙氣能有良好的抑制煤自燃的效果主要基于煤對CO2的吸附。高飛、金智新等[35-40]采用煤大樣量吸附實驗裝置對煤吸附電廠煙氣進行了系統(tǒng)的研究與分析。結果表明：氧氣濃度一定時，惰性氣體的存在會使煤對氧氣的吸附量下降；N2和煙氣均可以減少煤對O2的吸附，且煙氣對煤隔絕氧氣的效果明顯優(yōu)于N2；在常溫常壓下吸附12h后，5kg煤能將煙氣中0.0046%的SO2及0.019%的NO2全部吸附；煤對煙氣主要成分的競爭吸附能力大小排序為CO2>O2>N2。煤之所以對CO2的吸附性最強，是由于在電廠煙氣含量最高的三種氣體中，CO2的沸點最高，分子結構最復雜，且CO2是具有極性鍵的非極性分子，根據(jù)吸附基本規(guī)律(吸附質沸點越高、分子結構越復雜、越容易被吸附劑吸附)和吸附定律(極性吸附劑易于吸附極性吸附質)，CO2比非極性分子O2和N2更容易被煤吸附。

由于煤對CO2良好的吸附能力，CO2很容易覆蓋在煤表面形成一層保護膜，而煤樣和環(huán)境需要達到更高的溫度才能將保護膜熔解[41]。此外，羧基含量越多的煤吸附CO2的能力越強[42]；煤階越高，煤對CO2的飽和吸附能力越強[43]；CO2濃度越高，對煤自燃的抑制作用越好[44]。

向采空區(qū)注煙氣相較于注氮氣其優(yōu)點在于：N2注入采空區(qū)僅通過稀釋氧氣來降低氧濃度從而降低煤火發(fā)生的可能性，而電廠煙氣注入采空區(qū)不僅可以降低采空區(qū)的氧濃度，煙氣中的CO2還能置換出吸附于煤炭表面的O2，可以更好地抑制煤自燃。因此與注N2相比，向采空區(qū)注煙氣能達到更好的防火效果。

2 電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火的技術應用

“十九大”以來，煤電的低碳、安全、高效、清潔發(fā)展進入了新階段，減少燃煤電廠大氣污染物的排放尤其是CO2的排放任重而道遠[45]。為實現(xiàn)我國“2030年碳達峰、2060年碳中和”的目標，我國尤為重視碳減排技術的發(fā)展。作為全球公認的實現(xiàn)碳減排的重要手段——碳捕集與封存技術(carbon capture and storage，CCS)可以短期內有效減少碳排放，具有良好的發(fā)展前景[46]。由于碳捕集技術還未成熟，直接封存電廠煙氣等CO2含量高的排放氣亦可以達到良好的減排效果，成為目前較為可行的減排方式之一。

2.1 電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火的技術背景

將電廠煙氣注入采空區(qū)是基于CCS技術的一種CO2封存技術。CCS技術是指將二氧化碳收集起來并封存，從而減少碳排放的一種技術[47]。CO2捕集技術包括空氣直接捕集、燃燒前捕集、燃燒后捕集以及富氧燃燒捕集技術[48]。各捕集技術中應用最廣、發(fā)展最成熟的是化學吸收技術，但吸收劑的循環(huán)利用率低，成本較高[49]。捕集的大量CO2可用于能源產(chǎn)品的轉化如制氫、制甲烷，但成本高昂，因此封存CO2更具性價比[50]。

目前研究較多且具有應用價值的 CO2地下封存方式主要有：深部咸水層封存、油氣田封存、無開采價值的深部煤層封存[51]。2012年神華集團建成了中國首個地下咸水層封存CO2工程，投產(chǎn)一年多累計封存CO24萬t以上，取得了中國碳捕集與封存技術領域的突破性進展[52]。2020年挪威的北極光項目(Northern Lights)是歐洲CCS示范的旗艦項目，該項目將通過管道把CO2注入海床下約2500m處永久儲存，預計年儲CO2量可達500萬t。

Zeng Rongshu、楊圣云、安洪光等[53-55]提出中國CCS技術發(fā)展的瓶頸在于CO2捕獲既昂貴又耗能，且CO2封存方式大都能耗高、泄漏風險大。因此在碳捕集技術還未成熟前，碳捕集工程不宜盲目推廣[56]。但如果該技術在我國發(fā)展成熟并成功應用，據(jù)統(tǒng)計，單位發(fā)電碳排放將減少85%～90%，全國若有10%的電廠完成碳捕集裝置的安裝，則至少可減排CO23.5億t/a。

2.2 電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術流程及工藝

電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術主要應用于伴生的燃煤電廠與礦井[57]，防治煤火的同時可將CO2就地封存，實現(xiàn)防災與減排的統(tǒng)一[58]。經(jīng)測算，電廠產(chǎn)氣量遠大于封存需氣量，完全能夠滿足封存需求[59]。與CCS技術相比，電廠煙氣封存采空區(qū)無需進行碳捕集，技術成本大大降低，可行性更高。

圖1 電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術流程

注煙氣時要確保作業(yè)環(huán)境與作業(yè)人員的安全，尤其要注意瓦斯爆炸危險區(qū)域的安全性[61]；同時，應對關鍵位置的各氣體濃度進行實時監(jiān)控，且各氣體濃度應符合《煤礦安全規(guī)程》的要求[62]。若出現(xiàn)危險或異常情況，必須停止作業(yè)，撤出人員，采取措施排查危險源。于斌根據(jù)理論和實際測算，認為采空區(qū)內煤巖若能充分發(fā)揮其吸附能力，預計每年可封存CO219.76萬t以上，封存效果可觀[59]。

2.3 我國電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術在我國目前仍處于項目研究階段，還未推廣應用。2012年于斌等首次提出利用坑口電廠煙氣防治采空區(qū)煤火，以同煤集團塔山礦為例，詳細介紹了注氣流程及工藝，確定防火惰化指標為氧含量小于7%，提出注煙氣量的計算方法如下：

式中，QY為注煙氣流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶內漏風量，m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內平均氧濃度，其值介于10%～20%；C2為采空區(qū)惰化防火指標，7%；CN為注入煙氣中的不助燃氣體濃度，其值介于90%～96%；k為備用系數(shù)，一般取1.2～1.5。于斌等經(jīng)計算得出塔山礦采空區(qū)注煙氣流量約為5000m3/h，日需最大煙氣量約1.2×105m3，而塔山礦坑口電廠的日產(chǎn)煙氣量可達2×106m3，遠大于采空區(qū)需氣量，可以滿足注氣需求。

2021年新疆哈密市生態(tài)環(huán)境局推動發(fā)展國神集團“大南湖一礦火電廠煙氣預防采空區(qū)煤炭自燃及預處理技術研究與應用”項目，該項目將利用電廠煙氣替代現(xiàn)有的注氮防滅火系統(tǒng)，實現(xiàn)煙氣的固定封存及井下采空區(qū)遺煤自燃的預防，預計每年可減少CO2排放8000t。

目前電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術缺乏對注煙氣后漏氣處理的研究。選取何種防漏方式，以及一旦發(fā)生煙氣泄漏，選取何種措施進行堵漏、如何進行漏氣處理都是需要后續(xù)討論及研究的問題。此外，電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術的現(xiàn)有研究僅局限于伴生的燃煤電廠與煤礦，但并不是所有大型電廠都與煤礦伴生，該技術后續(xù)的研究重點在于煙氣的收集與輸送，解決遠距離煙氣的輸送問題，擴大其應用范圍。

3 結論與展望

研究表明，電廠煙氣防治采空區(qū)煤火既可行又可靠且對CO2的封存效果可觀。通過對電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術進行綜述，認為利用電廠煙氣封存采空區(qū)是一項極具性價比且具有發(fā)展前景的防火技術，主要結論如下：

1)電廠煙氣之所以能防治采空區(qū)煤火主要基于其低氧濃度及煤對CO2的吸附：氧濃度低于10%時對煤自燃有明顯的抑制作用，且煤對CO2的吸附優(yōu)于對O2的吸附，CO2可以置換出煤表面吸附的氧氣。與向采空區(qū)注氮氣相比，注煙氣具有更好的防滅火效果；與CCS技術相比，電廠煙氣封存采空區(qū)無需碳捕集，且目前該技術主要針對伴生的燃煤電廠與礦井，輸送距離短，技術要求低，更易于發(fā)展應用。

2)針對電廠煙氣注入采空區(qū)防滅火技術的應用，目前還需對煙氣注入后氣體的堵漏防漏方式進行選擇與研究。該技術今后的研究重點在于解決煙氣的收集與輸送問題，盡可能實現(xiàn)煙氣的遠距離封存。望該技術能逐漸趨于成熟化、智能化，得到廣泛應用，為采空區(qū)防滅火提供新思路的同時助我國早日實現(xiàn)“2030年碳達峰、2060年碳中和”的目標。