燃煤电厂烟气防治煤矿火灾技术浅析

景珂宁（1.太原理工大学，山西太原030024；2.大同煤矿集团有限责任公司，山西大同　037003）



燃煤电厂烟气防治煤矿火灾技术浅析

景珂宁1，2
（1.太原理工大学，山西太原030024；2.大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003）

摘要采空区注氮防灭火技术是目前最常用的矿井火灾防治技术之一。为了同步实现采空区火灾治理和节能、减排，提出了电厂烟道气体注入矿井替代注氮防灭火技术。主要分析了电厂烟道气体成分、电厂烟道气防灭火原理等。进行了电厂烟道气注入矿井采空区的可行性研究，确定了烟气输送系统、烟气处理系统和注入工艺。

关键词电厂烟道气；防灭火；替代注氮

0　引言

将电厂烟道气体通过输气管路直接注入井下采空区，由于烟气为燃烧产物，氧气含量低，注入到井下采空区后稀释惰化空气，能够达到有效预防和控制煤炭自燃发火的目的［1］。烟道气体是工业排放废弃物，相比传统的制氮技术成本低廉，可以节约由于制氮造成的能源浪费［2］。且含有二氧化硫、氮氧化物等许多污染空气的主要污染物，同时含有能够造成温室效应的CO2。该技术即可惰化煤矿采空区防治煤炭自燃，又可减少废气排放保护生态环境。

1　电厂烟道气防灭火原理

1.1电厂烟道气防灭火原理

电厂烟道气是燃烧产生的废气，其主要成分为N2、CO2、NO2、SO2等，其中O2含量为4.5%。根据研究已知，采空区内气体成分中除O2外，N2、CO2均为惰性气体［3］。当采空区内氧浓度在7%～10%时，能够实现预防和控制煤炭自燃、瓦斯燃烧与爆炸。电厂烟道气中氧气含量低，能够抑制井下采空区煤炭的自燃，是很好的防火材料，且成本低廉。目前煤矿通常采用的注氮防灭火技术，是通过向采空区注入N2稀释空气中的O2，使采空区遗煤因氧含量稀薄而无法氧化自燃。据此设定防火惰化指标为采空区内空气中氧浓度值应＜7%，电厂烟气满足该条件，因此将电厂烟道气体通过管路输送注入到煤矿井下采空区，同样可实现防火的目的。在注气工艺上可以采取与注氮相似的方法，优点在于无需考虑制约注氮防灭火工艺的注氮量限制。

1.2注入烟气可行性研究

《煤矿安全规程》第一百三十六条规定“采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1.0%或二氧化碳浓度超过1.5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。”大气中N2约占78%，O2约占21%，经过电厂锅炉燃烧，排出的烟气O2浓度下降至4.5%，CO2浓度近似为16.5%。以年产1 000万t两个开采工作面的矿井为例，每个工作面注氮量1 500 m3/h，两个回采工作面共需要3 000 m3/h。向封闭的采空区注烟气，则井下每小时注烟气量至少需要5 000 m3/h～7 500 m3/h。以塔山坑口电厂为例，2台600 MW空冷凝汽式汽轮发电机组产生烟气流量为3.87×106 Nm3/h。因此电厂产气量远大于所需量，完全能够满足要求。

1.3煤炭的吸附作用

煤是一种非晶体物质，其具有复杂的表面结构。煤对CO2气体的吸附量比煤对O2及N2的吸附量大2～3倍左右，电厂烟道气体注入井下采空区后，煤会先吸附CO2，从而阻止煤与氧气的接触，有效的阻止煤的氧化自燃。由于煤对CO2吸附量较大，因此可以封存部分CO2，减少其在空气中的排放。煤与岩石表面易于与多个CO2分子发生物理吸附，实验室验证常温下，每吨煤对CO2吸附量为7 kg。因此，采空区遗煤，能够吸附大量CO2。

2　应用工艺

电厂烟道气体注入矿井防灭火技术的系统包括烟气输送系统、烟气处理系统和注入工艺。电厂燃烧产生的废气中含有部分有害污染物质，为确保烟气注入井下和管道输送的安全，需要脱硫、脱硝、除湿、降温、除尘，因此需要预先将烟气进行处理。经过处理后的烟气需要加压，然后通过管道输送到井下采空区。

2.1烟气输送系统

经过处理后的电厂烟道气通过风机从电厂引出，进入离心式压缩机，对烟气进行压缩增压，然后通过地面输气管路输送至储气罐，从储气罐引出的管路分两路，一路通过管路往井下输送，另一路进入增压机站［4-5］。由于离心式压缩机自身调节能力为75%～100%，而井下注烟气量并不完全恒定，需要根据实际情况进行实时调节，当烟气输送量小于设计值时，储气罐压力超标，压缩机调节减少供气，此时关闭离心式压缩机，开启增压机，通过增压机调节烟气输送量；当储气罐的压力低于标准值时，离心式压缩机启动，增压机停止工作。管路通过井口，进入井下各工作面和采空区。管路地面部分可根据实际情况选择地面铺设或地下铺设。烟气输送系统如图1所示。

图1　烟气输送系统

由于烟气输送系统管路长度长，压力损失较大，因此烟气输送设备选择离心式压缩机。离心式压缩机具有排气量大、机组尺寸小、重量轻、运转平稳可靠、维护成本低、动压转换效率高的特点，可完全满足烟气的长距离输送。

虽然烟气经过了脱硫、除尘、降温等处理，但由于气体中含有CO2，且含有少量的硫化物，氮氧化物等酸性物质，气体在管道输送中有液化现象，会生成酸性液体。因此选择阻燃、抗静电、流体阻力小、承压高、耐腐蚀、抗老化的矿用涂塑复合钢管做为输气管路。

2.2烟气处理系统

经过脱硫处理后的烟气由风机输送到烟气处理装置中，烟气通过喷淋塔进行热交换降温，这时烟气再次脱硫、脱硝、处理有害物质，并进行二次除尘，从喷淋塔出来的烟气进一步经过冷气机进行冷却降温，除去其中的饱和水分，最终输送到井下采空区。烟气处理系统如图2所示。

图2　烟气处理系统

2.3注入工艺

为更好的与开采作业衔接，采用埋管注氮的矿井，可利用现有的注氮管路改造后将电厂烟气注入采空区防火。工艺流程为：将两趟输气管路铺设在综放工作面的进风巷。其中一趟注气管路埋设到开切眼中部，管口向上，距离底板1 m～2 m，顶部设置隔离罩，防止异物落入管内，管子周围搭建木垛接顶。另一趟注气管路埋入氧化带，管口处设置隔离罩，防止煤岩冒落将管口堵死。回采工作面开采后达到设计距离后开始注气，同时又埋入第二趟注气管路，注气管口的移动步距通过三带考察确定。当第二趟注气管口埋入采空区氧化带后开始向采空区注气，同时停止第一趟管路的注气，并重新埋设注气管路，往复循环，直至工作面采完为止。每日24 h连续注气，当回风巷CO2浓度到达1.5%以上时停止注气。

3　结论

电厂燃烧产生的烟气量完全能够满足煤矿采空区防灭火的要求，注入采空区的烟气全部回流到回采工作面，也不会造成CO2浓度超标。因此，将烟气注入井下采空区防灭火安全可靠。

电厂烟气注入煤矿井下采空区替代注氮气防灭火，技术可行，成本较低，减少能源消耗，降低了电厂污染物排放，环保效果显著。

参考文献

［1］文虎，徐精彩，葛岭梅，等.采空区注氮防灭火参数研究［J］.湘潭矿业学院学报，2001，16（2）：15-18.

［2］程卫民.矿井煤炭自燃的综合防治技术及其实践［J］.西北煤炭，2007 （3）：17-22.

［3］刘昆，强栓榜，韩小东.燃煤电厂CO2减排技术进展［J］.中国环境管理干部学院学报，2011，21（2）:54-57.

［4］湛腾西，郭观七.电厂烟气含氧量的智能混合预测方法［J］.仪器仪表学报，2010，31（8）：26-33.

［5］梁运涛，罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势［J］.煤炭学报，2008（2）：126-130.

Simple Analysis on Flue Gas of Coal Power Plant Preventing and Controlling Fire Technology

Jing Kening1，2
（1. Taiyuan university of technology，Taiyuan Shanxi，030024；2. Datong Coal Mine Group，Datong Shanxi，037003）

Abstract：Nitrogen injection is the most commonly used one of preventing and controlling fire technology at present. In order to synchronously achieve fire control of goaf，energy conservation and emission reduction，flue gas injection of power plant instead of nitrogen injection preventing and controlling fire technology is put forward. Flue gas composition of power plant，flue gas preventing and controlling fire principle of power plant and so on are mainly analyzed. The feasibility study of flue gas of power plant injecting mine goaf is carried on，the flue gas conveying system，flue gas treatment system and injection process are determined.

Key words：flue gas of power plant；preventing and controlling fire；instead of nitrogen injection

中图分类号TD75+3.3

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）03-0018-03

作者简介

景珂宁，1984年出生，男，2009年毕业于西安科技大学，本科，工程师，现从事煤矿安全技术研究工作。

收稿日期：2016-04-11