国家自然科学基金项目

“煤矿极低浓度抽采瓦斯掺混爆炸特征及利用的应用基础研究”(51974322)研究进展

煤层气，又称为瓦斯，是煤矿井下主要的有害气体和危险源，其主要成分是甲烷。我国目前已探明的煤层气储量为36.81万亿立方米，与常规天然气储量(54.36万亿立方米)相当。作为煤矿开采的伴生洁净能源，我国每年在采煤的同时抽采瓦斯量巨大，同时瓦斯也是重要的温室气体，单位质量的甲烷对大气温室效应的影响是二氧化碳的21倍。我国每年有大量瓦斯直接排放到大气中，造成严重的资源浪费和环境污染。

1 课题研究目的和意义

我国煤矿瓦斯抽采量巨大，但由于瓦斯浓度波动大、浓度低等原因导致利用率低。浓缩提纯技术成本高，投资大；低浓度瓦斯发电技术已经较为成熟，但是对于大量浓度低于5%的煤矿瓦斯，利用方法成本较高，还没有大规模推广。因而，如何经济合理的利用低浓度瓦斯，具有节约能源和保护环境2个层面的意义。

瓦斯利用率低的主要原因具有2方面：一方面，工业浪费巨大，煤矿抽采瓦斯因不满足工业能源使用及化工原料的要求(浓度在工业要求的30%以下且不稳定)，而无法用于工业生产，故一般选择直接排放到大气中或燃烧后排放到大气中；另一方面，民用瓦斯效率低，煤矿通风的低浓度瓦斯能够满足民用要求，但是由于瓦斯气源距离城镇远，运输成本高，导致无法集中利用而使能源转化效率低。提高瓦斯利用率的有效途径之一就是向低浓度瓦斯中掺混其他易燃助剂混合物进行爆炸发电，其具有突出优点：从能量利用角度，煤尘、甲烷爆炸瞬间释放大量能量直接用于发电，能量密度大、转换效率高；从环境保护角度，反应后生成物通过管道排出，易于控制和消除有害物质；从经济角度，将无法直接利用的极低浓度瓦斯作为发电的主要能源，可以大量节约发电成本及资源；相对传统火力发电，避开了将煤燃烧放热传递给高温热蒸汽的过程，大大减少了能量损耗。

因此，本项目主要针对0.75%～5%的抽采瓦斯(称为“极低浓度抽采瓦斯”)资源化利用展开研究。优选易燃易爆物质作为掺混助燃剂，与极低浓度抽采瓦斯进行掺混燃爆发电利用，不仅能获得较传统瓦斯发电技术更高的效率，克服传统瓦斯发电技术的瓶颈，改善我国能源紧缺的现状，而且能够有效预防瓦斯爆炸事故。最终实现经济可行、理论科学、技术合理、工艺可靠、环境绿色的低浓度煤层气资源化利用。

2 研究内容

2.1 极低浓度瓦斯掺混爆炸可行性分析

优选极低浓度瓦斯掺混燃爆助燃剂，根据理·查特里定律计算常见的易燃易爆物质与极低浓度瓦斯在不同浓度点掺混后的爆炸极限，得出不同浓度甲烷与不同种类易燃易爆助剂掺混时的爆炸下限、火焰传播速度、压力变化等特性参数，从而确定助燃剂种类、相应的添加量及最小点火能的大小，为后续研究设计提供依据。

2.2 极低浓度瓦斯掺混燃爆特征实验研究

设计不同条件下极低浓度瓦斯掺混爆炸实验方案，对实验室现有的20L爆炸球装置进行改造，添加温度调控系统，以实现不同温度下掺混爆炸实验研究。主要研究极低浓度瓦斯在不同温度下的掺混爆炸下限和爆炸混合气体在不同当量比、不同爆炸残余气体条件下的爆炸参数及变化规律，并测试分析爆炸气固产物生成规律，提出处理有毒有害产物的方法。利用CHEMKIN模拟软件，模拟极低浓度瓦斯和助燃剂掺混燃爆过程中压力、温度及反应物和生成物浓度的变化；模拟反应过程中自由基的浓度变化，分析掺混物爆炸微观机理。并研究瓦斯中水分、煤尘颗粒以及初始温度、压力等因素对燃爆的影响；分析不同条件对于混合物燃爆特性的影响机理，提出提高燃爆效率的技术手段。

2.3 极低浓度瓦斯掺混爆炸产物分析

利用气相色谱仪对极低浓度瓦斯掺混爆炸后的尾气成分进行分析，根据不同浓度甲烷和二甲醚的配比爆炸后的残余气体各组分浓度可以发现：随着当量比的增大，爆炸尾气中CO的浓度表现出先缓慢增大后急剧增大的趋势，当量比小于0.9时，反应生成的CO处于较低水平(2 500ppm以下)。随着当量比的增大，爆炸生成的CO表现出先增大后减小的趋势，在当量比为1.0时达到最大值。爆炸尾气中二氧化碳的浓度变化趋势与一氧化碳的变化趋势具有一定的关联性。

3 研究成果

本课题的预期研究成果为：

(1)得出不同种类助燃剂与极低浓度抽采瓦斯燃爆特性，确定合适的掺混助燃剂种类和添加量，得出不同初始条件下的反应参数。

(2)得出极低浓度瓦斯与助燃剂掺混燃爆的反应过程和机理。

(3)提出瓦斯燃爆的能量计算方法，得到能量特征和利用效率。

(4)建立极低浓度抽采瓦斯燃爆发电实验系统。