煤矿瓦斯固化防突及低浓度瓦斯固化分离新技术分析

2021-05-31

当代化工研究 2021年10期

关键词：水合水合物瓦斯

（河南省新郑煤电有限责任公司河南 452384）

瓦斯是一种以甲烷为主的气体，是煤矿安全开采的一项重大安全隐患，煤矿开采期间，多数瓦斯事故都是因为落煤或揭煤而导致大量瓦斯涌出造成的。由此可见，在煤矿开采期间，延缓落煤或揭煤时瓦斯发生集中涌出现象预防该类事故发生的一项有效途径。

1.煤矿瓦斯水合化装置

煤矿瓦斯水合化装置主要有水和反应釜、数据采集系统、恒温控制箱等共同构成。水和反应釜是整个装置中的核心构成部件，该装置的常见型号有两种，具体情况如表1所示。

表1 常用的水和反应釜

煤矿瓦斯水合化装置中采用恒温箱，在具体应用期间，能够将温度控制在-10～60℃，对于温度的波动来说，不会超过±1.8℃。对于采用的反应釜来说，其温度通过深入到内部的温度传感器进行测定，测定温度范围在-10～60℃，在实际测量过程中，为了确保测量结果能够为后续各项工作开展提供支持，要将温度测量误差控制在±0.01℃以内[1]。对于采用的气象色谱仪性能必须良好，通过对气象色谱仪的应用能够精准对瓦斯气样及水合物分解气体组成和摩尔分数进行精准测量，平行分析获取到混合气体摩尔系数绝对误差要控制在0.01%以内，同时，装置在具体应用过程中，能够完成实验开展期间，各种图像、压力、温度等各项数据内容的精准、实时记录[2]。

2.实验分析探讨

气样A主要由C2H6、CH4、C3H8、CO2构成，气体的体积分数分别为4.19%、85.77%、3.84%、6.12%。

气样B主要由N2、O2、CH4构成，体积分数分别为59.11%、14.89%、26.00%。

气样C主要由N2、O2、CH4构成，气体的体积分数分别为50.09%、10.11%、39.81%。

气样D主要由N2、O2、CH4构成，气体的体积分数分别为35.08%、5.12%、58.89%。

(1)实验气样

(2)实验条件

实验系统参数如表2所示。

表2 各项实验参数

(3)实验结果探讨

①瓦斯水合物的生成

实验1中制冷时长达到403min后，在釜内形成了宏观可视化水合物晶体，在水合物生成期间要对水合物生产期间的压力、温度进行观察，通过分析可以发现，在生成水合物期间，随着气体消耗量的增大，高压釜内压力会不断降低，造成该现象的原因是生成水合物的速度快，而在该期间释放热量的速度较慢，这将会使高压釜内温度不断升高。水合物生成主要从煤体表面开始，并且生成的水合物会不断朝下方延伸，并非在饱和溶液中均匀生成[3]。

实验2制冷在809min中时出现宏观可视化水合物晶体，因此，高压釜内部瓦斯气体会参与到化学反应中，经过一系列反应，最终会转变为水合物，瓦斯气体体积量将会不断减小，在整个生成期间，水合物会以煤体和水交界面为两者的分界线，水合物将会不断朝着向下和向上两个方向发展[4]。在实验2中，瓦斯水合物生成速度快，整个生产作业能够在175min内完成，这一特性的存在，采用瓦斯水能够实现对瓦斯各种事故的合理防治，进而减少各种事故的发生，为煤矿开采作业进行提供支持。

实验3的开展是以前一次水合物作为基础进行，简单来说就是完成前一次水合物生成结束后，通过降压法分解水合物，完成分解后，要排出分解后的气液，然后吸液，进行加压，开展相应实验。加压后期就开始生成水合物，该期间诱导时长仅为46.5min。通过实验可以发现，瓦斯水合物能够在含有煤表面活性剂溶解中快速生成，因此，采用瓦斯水合作用对煤开采时的瓦斯事故预防，从理论上来说是可行的[5]。在实验3中，水合物生成的诱导时间相对较短，仅为46.5min，但是，从具体情况来看，受温度、环境等各项因素影响，会残留部分结构，在该情况下，若温度再次降低，则会再次生成水合物。随着人们对分子力学研究的逐渐深入，人们发现水的五体面等各种残余结构能够在315K温度下保持稳定，因此，会使水合物成核平均诱导时间随着水源的变化而发生改变，这一效应被称作“记忆效应”[6]。通过对“记忆效应”的合理应用，能够促进瓦斯水合物生成，能够将自然状态下的冰融化为冰水状态，将其作为煤层高压注水的水源，这可以大幅度降低矿井煤层中瓦斯水合物生成周围温度，同时，高压水中会存在大量冰粒，这些冰粒能够起到添加晶种作用，这可以大幅度缩短水合物生成时的诱导时间，而且也可以加快瓦斯水合进程，这对后续煤矿开采作业的进行提供支持，减少事故发生，促进行业发展。

②分离不同瓦斯水合物效果

实验4采用瓦斯气样B，采用的THF的溶液浓度为1mol/L，实验开始的初始压力大小为9.8MPa，实验时间达到7.8min时，在溶液中产生一定量的白色晶粒，而当实验时间达到了11.8min时，在溶液中会产生大量水合物颗粒，此时，水合物将会沿着界面处不断朝着视窗处生长，当实验时间达到33.0min后，生长的水合物基本覆盖了观察视窗口，而当实验时间达到了81.5min后，水合物会将观察视窗口全部覆盖[7]。在实验过程中，当水合物生成完成后，要通过人工方式将反应釜内剩余气体全部都排出，同时，要让真空度保持在0.1MPa，通过升高温度方式，分解水合物。

实验5采用的瓦斯气样C，SDS溶液浓度为0.4mol/L，实验起初压力位7.8MPa，当实验时间达到106.5min时自反应釜中溶液终会产生几片白色羽毛状水合物晶体，产生的晶体会在溶液中快速生长，当实验时间达到118.0min时，溶液会被白色羽毛状水合物充满，而当时间来到133.5min时，溶液则会成为白色水合物柱。

实验6采用的瓦斯气样D，SDS溶液浓度为0.2mol/L，实验开展初期阶段的压力大小为8.8MPa。在实验开展期间，缓慢制冷，当实验时间来到95.8min时，在溶液中会出现大量细小球状晶体颗粒，时间达到118.0min后，溶液中形成大量棉絮状晶体，而当时间达到142.5min时，溶液转变为了白色松软固体，同时，在气—水合物界面形成水合物膜。生成水合物膜，取水合物分解气体，采取气相色谱法对水解气体进行分析，在该过程中，可以利用外标法对水合物分解气体中CH4体积分数进行计算。实验结果如下：

实验4：瓦斯气样中CH4体积分数为25.58%，水合物分离后CH4的体积分数为40.58%，体积分数的提高值为15.00%。

实验5：瓦斯气样中CH4体积分数为39.28%，水合物分离后CH4的体积分数为60.39%，体积分数的提高值为21.11%。

实验6：瓦斯气样中CH4体积分数为59.68%，水合物分离后CH4的体积分数为81.78%，体积分数的提高值为22.10%。

由此可见，采用水合原理对矿井瓦斯进行分离提纯是可行的。