煤炭地下气化煤气扩散规律数值模拟研究

2017-10-11宋晓婷

华北科技学院学报 2017年3期

关键词：煤气气化风速

李鑫，张勇，宋晓婷

(华北科技学院安全工程学院, 北京东燕郊 065201)

煤炭地下气化煤气扩散规律数值模拟研究

李鑫1，张勇2，宋晓婷2

(华北科技学院安全工程学院, 北京东燕郊 065201)

对煤炭地下气化原理，气体扩散原理进行分析,以计算流体动力学软件(CFD)为基础，模拟分析CO在不同泄漏速度、不同通风速度的情况下在巷道中的体积分数，得出随着泄漏速度的增大，煤气中毒性增大，发生煤气爆炸的可能性也逐渐增高；随着风速的加大，危险区域会逐渐向下风向和靠近泄漏口一侧偏移的扩散规律。当发生煤气泄漏应采取加大通风来稀释煤气浓度，保证人员安全的措施。

煤炭地下气化；煤气泄漏；数值模拟：扩散规律

Abstract: The principle of underground coal gasification and the principle of gas diffusion are analyzed, based on the computational fluid dynamics software (CFD), the volume fraction of CO in the roadway is simulated and analyzed with different leakage rates and different ventilation velocities. A diffusion law is obtained that with the increase of leakage rate, the toxicity in gas increases, the possibility of gas explosion also gradually increases. With the increase of wind velocity, the dangerous area will gradually shift downwind and close to the side of the leakage port. When gas leakage occurs, more ventilation should be adopted to dilute the gas concentration and ensure the safety of personnel.

Keywords:Underground coal gasification; gas leakage; numerical simulation; diffusion law

0 引言

19世纪80～90年代门德列夫首先在世界上提出了煤炭地下气化原理[1]，并指出了实现的工业途径。随后美国、欧洲[2-3]、中国等相继开始进行煤炭地下气化试验并取得大量成果[4]。但目前对煤炭地下气化的研究多集中在工业试验和生产工艺上[5]，对安全的研究相对较少，而安全是整个项目顺利进行的保障，需对煤炭地下气化安全问题进一步研究。运用流体力学知识和CFD相关理论，建立煤气在巷道中扩散的模型，然后建立物理模型，选取煤气组分数据，通过FLUENT软件对井下巷道煤气泄漏进行模拟，分析煤气在巷道中扩散规律，然后对不同影响因素下煤气在巷道内的扩散规律进行分析。根据模拟结果对泄露事故提出应急对策。

1 煤炭地下气化原理

煤炭地下气化定义：将地下煤炭有控制燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术[6]。主要包括有井式和无井式两种，而在我国普遍采用有井式。煤炭地下气化分为三个阶段[7]：氧化阶段、还原阶段、干馏干燥阶段如下表所示。经过气化反应产出的煤气包含的主要易燃易爆成分为CO、H2、CH4。(组分危害)，如果煤气在巷道中泄漏，工作人员并不能及时辨别，造成一氧化碳中毒，酿成严重后果。同时煤气在巷道中泄漏，达到爆炸极限。

2 气体扩散原理

在模拟气体泄漏扩散时，需要掌握控制方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程，能量守恒和理想气体方程[8]。

(1) 质量守恒方程(连续性方程)

连续性方程即质量守恒方程，任何流动问题都必需满足质量守恒定律。

(1)

式中：V表示控制体，A表示控制面。

(2) 动量守恒方程(运动方程)

动量方程本质是满足牛顿第二定律。该定律可描述为：对于给定的流体微元体，其动量对时间的变化率等于外界左右能够在该微元体上的各种力之和。依据这一定律，可导出x、y和z三个方向的动量方程为：

(2)

(3) 能量守恒方程

自然界任何物质运动都符合能量守恒定律，气体也是。如式所示:

(3)

(4) 理想气体状态方程

在气体扩散的过程中，可把气体当作理想气体，体积V、压力P、n气体物质的量和温度T之间关系成为状态方程，描述流体理想气体的状态方程为:

f(P,V,T)=0;

(4)

3 数值模拟

3.1 模型的建立

模拟煤气在巷道中扩散规律，为了能够达到要求，从具体实例中抽象出具有典型意义的模型，本文以气化炉煤气钻孔相邻巷道为物理模型。根据巷道图和巷道断面图尺寸题型截面，上边2400 mm 下边3100 mm、高2900 mm，通过CFD建模软件建立物理模型全长90 m，泄漏点位于坐标轴-30 m处(钻空所在位置)联络巷20 m如图1所示：

图1 泄露点(钻空所在位置)联络巷

3.2 气体组分

本文以某煤层气化项目的物性进行模拟，根据先导试验富氧——水蒸汽地下气化模型试验实测数据(富氧——水蒸汽连续气化是一种连续供给富氧水蒸汽(或纯氧水蒸汽)，生产中热值半水煤气的地下气化工艺)如表1所示：

表1 煤气组分

3.3 假设条件及边界条件

(1)泄漏时泄漏面积和泄漏速度不随时间变化；

(2)泄漏气体与空气作为理想气体，不可压缩；

(3)在扩散过程中，不发生化学反应和相变反应；

(4)风向为水平方向不随时间、地点和高度变化；

本文中在于煤气泄漏到巷道中模拟，将边界条件设置如下：由于假设理想条件下，设置煤气泄漏口，进风口为速度入口，出口为压力出口，其余为wall。

4 泄漏规律分析

4.1 煤气扩散规律分析

从矿井通风量计算可得巷道通风速度inlet1为3.7 m/s(可变)，联络巷通风速度inlet2为0.09 m/s， intlet3泄漏速度为10 m/s(以CO为例)。

煤气的扩散过程主要受到初始射流动量、浮力和环境风速的影响。煤气在泄露口，以高速气流的形式喷射而出，此时泄漏的高速气流与空气混合的蔓延速度远远大于风速，在此段内以射流动量为主导，且呈扇形分布。随着时间的推移，初始速度逐渐降低，巷道通风开始对煤气的扩散起主导作用。

图2 CO浓度

图3 流线图及CO浓度与距离图

煤气三维流线图来看，煤气从泄漏开始，煤气向上扩散，这是因为煤气的密度相比空气密度要小，浮力在气体扩散中起到重要的作用，因此对CO等传感器的安装位置要求距顶板应不大于0.3 m。报警范围大约为26 m左右。由此看出一氧化碳影响的范围在26 m左右，在此范围内井下传感器报警，人员长时间逗留都容易造成中毒事故，应迅速撤离。

4.2 不同泄漏速度对扩散的影响

为了研究不同泄漏速度下，对煤气扩散的影响，进风速度3.7 m/s不变，比较泄漏速度分别为10 m/s，20 m/s，30 m/s时煤气在巷道中扩散的情况。

图4 泄漏速度10 m/s CO体积分数

图5 泄漏速度20 m/s CO体积分数

由于都是在正常矿井通风下，发生煤气泄漏，泄漏速度30 m/s，20 m/s比10 m/s初始速度大，在初始动量下x方向的喷射距离更远，高浓度集中在泄漏口另一侧。在相同的通风速度下，泄露速度为30 m/s，20 m/s，高浓度的区域更加大，影响的范围更加广。同时看出随着泄漏速度的增大，向巷道顶部纵向距离也扩散更加充分，在整个巷道高度都受到影响。因此当泄漏的速度增大时，高浓度区域在横向和纵向方向都不断增大。显示相邻的联络巷道也会受到影响。因此能够在早期及时发现煤气泄漏采取措施有助于控制煤气的扩散。并且在人员逃离现场时，联络巷同样有可能被煤气扩散，需要引起重视。

图6 泄漏速度30 m/s CO体积分数

从图5，6来看由于泄漏速度大，红色和橘黄色区域明显增大，CO的中毒报警区域20 m/s最远已经扩大到35 m，而30 m/s下风向70 m区域都在报警范围之内，引发中毒的区域更大。同时x轴方向来看由于泄漏速度变大，在初始动量的作用下，x轴方向上浓度也逐渐变大。由此可知随着煤气泄漏速度的增大，煤气泄漏范围扩大，必需注意采取防火措施，防止爆炸。因此从模拟看当泄漏速度越来越大时，煤气中毒性增大，发生煤气爆炸的可能性也逐渐增高。在煤气发生泄漏初期能够及时的发现，采取相应的堵漏措施，影响的范围将越小。

4.3 不同通风速度对扩散的影响

为了研究不同通风速度对煤气扩散的影响，泄漏速度不变为10 m/s，选择原巷道风速3.7 m/s，8 m/s，10 m/s不同的通风速度进行分析。

从图7，图8，图9相比来看，在3.7 m/s时，风速对煤气的扩散的影响相比8 m/s，10 m/s的影响相对较小。高浓度区域在风速比较大的8、9图面积比较小，但是由于风速大的原因，扩散的距离比较长，因此来看随着风速的加大，危险区域会逐渐向下风向和靠近泄漏口一侧偏移，同时看出风速增大，一氧化碳浓度被稀释也快，浓度也大幅降低。由此可得，当发生煤气泄漏事故时，加大通风量将有助于煤气的稀释，将煤气通过回风巷及时排出到井外。

图7 风速3.7 m/s CO体积分数

图8 风速8 m/s CO体积分数

图9 风速10m/s CO体积分数

风速(m/s)Z轴(m)X轴(m)3.725.50.8～1.18420.6～0.6510380.5～0.6

如表所示虽然增大风速有助于煤气的稀释扩散距离有可能增长，当风速增大到一定的风速z轴方向的距离也开始减小。而x轴方向由于通风的原因x轴方向的浓度随着风速逐渐减小。因此通风有助于煤气的稀释，在加大通风稀释煤气的同时，也要注意远距离操作时也有可能煤气中毒。

5 结论

通过FLUENT软件数值模拟，并运用CFD-POST对计算的结果进行分析，对扩散规律进行了分析，得出以下结论：由于煤气的密度要比空气小，在垂直方向上，空气的浮力对煤气起动力作用，煤气会在浮力和初始动量的作用下，向上方运动；煤气泄漏初期以高速喷射，此时速度远远大于风速，呈一片扇形分布，在泄漏点处浓度很高，随时间向外扩散，泄漏速度随着距离逐渐降低，通风风速在煤气的扩散开始起主导作用，同时当泄漏的速度和泄漏口面积变大时，除了煤气浓度高的区域增大，相邻的联络巷也会受到煤气的扩散影响。当井下发生煤气泄漏时，应立即停止供氧。对出事地点严加警戒，绝对禁止通行，以防更多的人中毒；掌握井下供电情况，及时切断井下灾区供电，从模拟结果看，尤其在泄漏点周围的电器设备立即断电。同时根据模拟，加强通风，能够加快煤气的稀释，因此需要保证足够的风量，及时冲淡煤气，保证煤气不超限，不聚集。迅速查明事故原因，并采取可靠措施。只有重视煤炭地下气化安全问题，才能加快发展煤炭地下气化技术，才能推动向大规模工业化进程，才能有助于推动节能减排，保护环境，提高煤炭开采率。

[1] 范维唐.洁净煤技术的发展与展望[EB/OL]. (2007-04-03)[2014-10-25]. http://www.aqtd.cn/

[2] ALEXANDER Y K. Early Ideas in Underground Coal Gasification and Their Evolution[J]. Energies, 2009, (2): 456-476.

[3] SURY M, WHITE M, KIRTON J, et al. Review of Environmental Issues of Underground Coal Gasification[R].London: Department of Trade and Industry, 2004.

[4] 马驰，余力，梁杰中国煤炭地下气化技术的发展[J]中国能源，2003, (2): 11-15.

[5] 沈芳, 梁新星, 毛伟志,等. 中国煤炭地下气化的近期研究与发展[J]. 能源工程, 2008(1):5-10.

[6] 刘过兵. 煤炭地下气化[J]. 当代矿工, 1999(7).

[7] 杨兰和. 煤炭地下气化多阶段数学模型[J]. 上海交通大学学报, 2001, 35(8):1203-1207.

[8] 潘旭海,军成.化学危险性气体泄漏扩散模拟及其影响因素[J].南京化工大学学报.2001,3(1):19-22.

NumericalSimulationStudyonGasDiffusionLawofCoalUndergroundGasification

LI Xin, ZHANG Yong, SONG Xiao-ting

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao, 065201,China)

TD844

1672-7169(2017)03-0041-08

2017-05-23

中央高校基本科研业务费资助(3142017055)