电厂烟气防治采空区遗煤自燃的可行性研究

边小峰

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

由于近些年来我国采煤技术的飞速发展，特厚煤层放顶煤开采及瓦斯抽采技术取得空前进步，工作面开采后采空区遗煤较多，自燃问题越发明显[1-2]。根据最近的统计结果，我国开采的煤层90%以上属于自燃煤层或者易自燃煤层，因自燃引发的矿井火灾达到总数的85%以上[3]。在25个主要产煤大省里，有130个以上矿区因煤层自燃问题而受到不同程度的影响，宁夏宁东矿区、陕北神东矿区等地方每年都发生因为自燃引发CO浓度超限的问题，每年给矿井造成的直接经济损失超过50亿元，甚至会发生人员伤亡事故。

伴随科学技术的发展，注惰气灭火(二氧化碳和氮气)逐步应用于各大矿井。采空区注入惰性气体后，可营造惰性气体环境，抑制遗煤自燃，目前在制气技术还有操作复杂、制气价格高等一系列难题[4-5]。

电厂烟气为生产过程中产生的工业废气，因烟气是煤炭燃烧之后的产物，氧气浓度偏低，同时存在大量的二氧化碳和氮气等惰性气体，如果沿着井筒布设管路将烟气注入工作面采空区，就能有效防治遗煤自燃，与传统的人工制造惰性气体(二氧化碳、氮气)相比，注气成本低，能减少资金投入。贾宝山等[6-7]通过数值模拟手段研究向采空区，则注入烟道气治理煤炭自燃，模拟结果证明：通过设置最佳的注气参数，可实现烟道气快速覆盖采空区“氧化升温带”，烟道气用于采空区防灭火是可行的。另外，电厂烟气中存在好多大气污染物，像二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等[8-10]，若将烟气注到采空区，则能够封存这些大气污染物。

煤发生自燃过程为由低温状态物理吸收氧气起步，多数人赞同惰性气体(二氧化碳、氮气)注入采空区，惰性气体气体包裹在遗煤附近，可以营造良好的惰性环境，降低遗煤附近的氧含量，抑制煤吸收氧气自燃[11-12]。传统的吸附试验要求在液氮温度条件下实测煤吸收各类气体的量，压力值可达到几兆帕[13-14]。但实际生产中工作面采空区为常温常压环境，所以在常温常压环境下，笔者通过自主设计煤大样量吸附装置测试煤吸收烟气中各类气体的量，同时分析采空区注入烟气的可行性和安全性，为采空区防灭火提供新方向。

1 试验研究

1.1 井下采集煤样

在斜沟煤矿23105综放工作面采集新鲜暴露煤样作为此次试验研究的煤样，斜沟煤矿23105综放工作面开采13号煤，煤层平均厚度为13.88 m，煤层平均倾角为9°，煤种为气煤、1/3焦煤，属于中灰、特低硫、低磷煤，主要用途为良好的配焦、动力及民用煤。试验过程中需要煤样质量5 kg，煤样的工业分析见表1。

表1 煤的工业分析

煤样具体制作步骤：

1) 先使用小型粉碎机，把煤样品制作为50～80目。

2) 其次在真空干燥箱中装入煤样处理。

1.2 试验过程

1) 试验装置。试验具体过程：在密封吸附缸内装入经过干燥处理后的煤粉，将装置密封处理后，对吸附缸使用真空泵开始脱气；完成脱气后，向吸附缸内注入气体，保持缸内压力处于0.1 MPa左右，通过气相色谱仪测量各气体浓度；吸附作用进行一段时间后，接着再通过气相色谱仪测量各气体的浓度，根据理想气体状态方程核算得到煤样吸附各气体量，具体试验装置如图1所示。

图1 试验装置

2) 试验结果。本次试验以西山煤电斜沟煤矿坑口电厂的烟气组成为基础，通过实测得到电厂烟气成分为氮气占比79%、二氧化碳占比16.4%、氧气占比4.5%、二氧化硫占比0.004 6%、二氧化氮占比0.019%、微量一氧化碳及粉尘。试验过程中选用氩气作为平衡气体，采用气体代替模拟电厂烟气中含有的几种气体含量。煤样在吸附电厂烟气前后每种气体压力和浓度数据见表2。

表2 煤的吸附试验数据

2 试验结果

2.1 原子力显微镜简介

AFM(Atomic Force Microscope)即原子力显微镜，是由G.Binning在STM的基础上于1986年发明的表面观测仪器。它是继扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，能够在大气和液体环境下探测各种材料和样品的纳米区域物理性质(包括形貌)，或直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究试验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

工作原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。原子力显微镜(接触式、非接触式和轻敲式)的工作原理如图2所示。

图2 原子力显微镜的工作原理

2.2 观测结果

煤属于多孔隙物质，为了研究煤的微观结构需要借助原子力显微镜观测，在原子力显微镜观测下煤的表面微观结构如图3所示。由图3发现：表面看似光滑平整的煤，其实表明凸凹不平，图中比较明亮的区域代表凸起，比较暗淡的区域代表为下凹，另外还发现煤层表面具有体积不等的裂隙和孔隙，证明煤属于多孔介质，所以煤才具备吸附各类气体的性质，例如吸附氮气、二氧化碳等气体。

图3 AFM作用下煤的表面形貌结构的三维图像

煤自燃时，首先煤要进行低温物理吸附氧气，由于这过程是在范德华力作用下，煤吸附氧气量非常小，但伴随吸附反应不断进行，不断释放出越来越多的能量，煤中官能团与氧气分子进行缓慢的化学反应，这时吸附过程由物理吸附逐步转化为化学吸附，显著增大了吸附量，依据试验数据发现：煤中官能团与氧气分子的化学吸附一直持续到228 h。

2.3 吸附量计算

结合煤在吸附前后的压力差值和各种气体在吸附前后的浓度差值，依据理想气体状态方程，推到出吸附量的公式见式(1)。

(1)

依据以上公式计算得到煤吸附电厂烟气的饱和量，具体如图4所示。从图4得到：不算烟气中的氧气，煤吸附其他四种气体12 h后形成平衡状态，其中煤吸附氧气的过程逐步从物理吸附变成化学吸附，在228 h之后1 g煤能够吸附氧气量4.79 cm3；但在物理吸附过程中，煤吸附二氧化碳的量最高，1 g煤能吸附二氧化碳量达到1.2 cm3；其次是氮气、二氧化硫和二氧化氮，1 g煤能吸附氮气量达到0.26 cm3，1 g煤能吸附二氧化硫量达到0.64×10-3mL，1 g煤能吸附二氧化氮量达到2.6×10-3mL，试验得到煤几乎可全部吸收烟气中二氧化硫和二氧化氮气体。依据试验结果可发现，在惰性气体环境下，煤吸附二氧化碳的量明显超过氮气，所以相比氮气防灭火，二氧化碳气体防灭火效果更佳。

图4 煤吸附烟气中各气体的量

电厂烟气主要成分为氮气和二氧化碳等惰性气体，所以向采空区注入烟气，氮气和二氧化碳可共同抑制煤吸附氧气，营造惰性气体环境，阻止遗煤自燃，另外也可降低惰性气体的制造成本；煤几乎可全部吸收电厂烟气中的二氧化硫和二氧化氮，明显降低温室气体的排放量，减弱电厂烟气对大气的污染程度。

3 可行性研究

结合生产实际数据报表等资料得到：斜沟煤矿坑口电厂所产生的烟气流量约为1.935×106Nm3/h，但矿井防灭火预计所需要的的烟气流量约为15 000 Nm3/h，只占整个电厂所排出的烟气的0.78%.通过采取脱硫工艺处理之后，电厂所排出的烟气中氧气浓度可达到4.5%以下，其中氧气传感器所监测的最高浓度为6.5%，所以氧气浓度的平均值为4.1%。氧气浓度小于7%，营造了一种惰性气体环境，有利于阻止遗煤自燃。

现场测定烟气中二氧化碳浓度约为16.4%，根据“四算一校核”，核算得出采煤工作面应配风量为2 000 m3/min左右，向工作面采空区注入烟气流量预计为4 500 m3/h左右，假想煤体、岩石没有与注入采空区的烟气发生吸附反应，基本都进入采煤工作面回风巷，那么工作面回风流中二氧化碳最大浓度可达0.62%.根据《煤矿安全规程》(2016版)第一百七十二条：采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中甲烷浓度超过1.0%或者二氧化碳浓度超过1.5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。发现向采空区注入烟气后，工作面回风巷二氧化碳浓度没有超限报警。

现场测定烟气中二氧化硫气体浓度约为0.004 6%，根据“四算一校核”，核算得出采煤工作面应配风量为2 000 m3/min左右，向工作面采空区注入烟气流量预计为4 500 m3/h左右，假想煤体、岩石没有与注入采空区的烟气发生吸附反应，基本都进入采煤工作面回风巷，那么工作面回风流中二氧化硫最大浓度可达0.000 192%，根据《煤矿安全规程》(2016版)第一百三十五条：二氧化硫有害气体的浓度不超过0.000 5%，发现向采空区注入烟气后，工作面回风巷二氧化硫浓度没有超限报警。

现场测定烟气中一氧化碳气体浓度为0.015%.根据“四算一校核”，核算得出采煤工作面应配风量为2 000 m3/min左右，向工作面采空区注入烟气流量预计为4 500 m3/h左右，假想煤体、岩石没有与注入采空区的烟气发生吸附反应，基本都进入采煤工作面回风巷，那么工作面回风流中一氧化碳最大浓度可达0.000 56%，根据《煤矿安全规程》(2016版)第一百三十五条：一氧化碳有害气体的浓度不超过0.002 4%.发现向采空区注入烟气后，工作面回风巷一氧化碳浓度没有超限报警。

假想煤体、岩石没有与注入采空区的烟气发生吸附反应，基本都进入采煤工作面回风巷，根据《煤矿安全规程》(2016版)第一百三十五条：氧化氮(换算成二氧化氮)有害气体的浓度不超过0.000 25%，向采空区注入的烟气中氧化氮气体含量上限值为208.4 mg/Nm3。因烟气中的氧化氮气体浓度为0.019%，明显不满足规程要求，为保证电厂烟气可安全注入工作面采空区，需要通过烟气处理设施，对电厂烟气重点开展脱硝处理。

通过以上计算分析得到：除去氧化氮气体，把电厂烟气以规定流量向工作面采空区注入，工作面回风巷有毒有害气体浓度不会发生超限报警。另外，向井下输送烟气时，由于井下粉尘浓度高、空气湿度大将会严重影响输气管路的安全性，所以在输送烟气时需要采取防尘与除湿技术。

4 结 语

1) 向工作面采空区注入电厂烟气后，1 t煤能吸收烟气中二氧化碳量、氮气量、二氧化硫量、二氧化氮量分别为1.2 m3、0.26 m3、0.64 L、2.6×10-3L，其中煤几乎全部吸收了烟气中的二氧化硫和二氧化氮；注气后，不但可营造惰性气体环境，抑制煤吸收氧气，而且可降低惰性气体的制造成本，明显降低温室气体的排放量，减弱电厂烟气对大气的污染程度。

2) 依据工作面应配风量与注入采空区的烟气流量核算工作面回风巷有毒有害气体浓度发现：假想烟气注入后未与煤、岩发生吸附反应，控制注入烟气流量，注气后工作面回风巷一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫气体没有超限，但二氧化氮气体浓度超限，所以需通过脱硝装置处理烟气后方可注入井下。