煤炭地下氣化化學(xué)點(diǎn)火研究

第34卷第2期煤炭轉化Vol, 34 No. 22011年4月COAL CONVERSIONApr.2011煤炭地下氣化化學(xué)點(diǎn)火研究鐘毓娟)梁杰2)劉鑫3)鄧生富"尤東光"劉豐"摘要針對無(wú)井式煤炭地下氣化在深部盲孔中點(diǎn)火的特點(diǎn),研究了化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑和點(diǎn)火方法.利用基體燃料甲醇、凝固劑硬脂酸、催化劑甲醇鈉、助燃劑鋁粉和碳粉、氧化劑高氣酸鉀、黏結劑硝化棉、增塑劑石蠟以及穩定劑大蘇打制取了性能穩定、燃燒焓為14 246.5 kJ/kg的化學(xué)點(diǎn)火劑.點(diǎn)火實(shí)驗表明,在點(diǎn)火開(kāi)始后75 min煤層溫度達到其燃點(diǎn);點(diǎn)火后85 min出口氣體可燃組分(H2 +CO+CH4)含量超過(guò)20%,煤層點(diǎn)火成功.關(guān)鍵詞煤炭地下氣化,化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑,點(diǎn)火參數中圖分類(lèi)號TD841,TQ530劑選用粒度為200目的球形鋁粉,用以提高點(diǎn)火劑0引言的能量水平,為保證煤層的穩定加熱其添加量不超過(guò)8%10];非金屬助燃添加劑選用碳粉,用以延長(cháng)燃無(wú)井式煤炭地下氣化火力貫通氣化通道首先要燒時(shí)間,進(jìn)一步提高點(diǎn)火劑比熱并降低燃燒速度.為在深部盲孔中將煤層點(diǎn)燃.現有的焦炭點(diǎn)火和電點(diǎn)避免導致燃燒速度過(guò)于緩慢,影響點(diǎn)火劑的比熱以火等方法存在點(diǎn)火過(guò)程復雜和操作難度大等缺及單位時(shí)間的發(fā)熱量,其添加量不超過(guò)3%;氧化劑點(diǎn). [田尤其對于深部煤層而言,由于鉆孔深度大和選用高氯酸鉀.由于高氯酸鉀添加量的增加會(huì )導致地下水等各種不利因素的存在,給煤層點(diǎn)火帶來(lái)許點(diǎn)火劑的氧化性增強,為便于長(cháng)期儲存和運輸,確定多困難.為此,本文提出并研究了一種適合深部含水高氯酸鉀與鋁粉的質(zhì)量比為6 : 5;黏結劑選用硝化煤層點(diǎn)火的化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑及點(diǎn)火參數.棉.[13由于其易燃易爆,溫度超過(guò)40 C會(huì )分解自燃,含量應低于6.5%;增塑劑選用石蠟,用來(lái)提高1實(shí)驗部分點(diǎn)火劑的可塑性和比熱,降低燃速,延長(cháng)燃燒時(shí)間,使點(diǎn)火劑的燃燒更穩定和均勻. [i4為保證點(diǎn)火根據現代固體火箭推進(jìn)劑的組成原理,篩選化劑儲藏運輸的安全性和穩定性,選用大蘇打作穩學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑的基體燃料、凝固劑、催化劑、助定劑. [16]燃劑、氧化劑、黏結劑、增塑劑以及穩定劑[315],配制Cagulant preparation化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑,對該點(diǎn)火劑進(jìn)行性能測試,并Cure reaction J進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗.Combustion improver addition |1.1原料Stabilizer addition |深部含水煤層點(diǎn)火劑應具有以下特性:易燃(水中亦易燃) ,燃燒熱值高,時(shí)間長(cháng),殘渣少,易儲存.考Solidifieation慮其安全性,在燃燒過(guò)程中應始終保持固體狀態(tài).[5]Label and store ]甲醇燃燒熱值較高,固化難度小,燃燒產(chǎn)物二氧圖1 點(diǎn)火劑制取流程化碳和水對地下水環(huán)境無(wú)污染,選用其作為基體燃Fig. 1 Fabrication process of ignitin agent料的制備材料;固化劑選用硬脂酸鈉;金屬助燃添加中國煤化工*國際科技合作項日(2009DFR60180).1)碩士生;2)教授、博士生導師,中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,0008MYHC N M H G行股份有限公司山西分行,030002太原收稿日期:2010-09-17;修回日期，2010-11-02第2期鐘毓娟等煤炭地下氣化化學(xué)點(diǎn)火研究23合后并不立刻固化，自然冷卻后可制得均勻一致的1.2 點(diǎn)火劑制取過(guò)程及方法基體燃料,因此60C是較為理想的反應溫度.點(diǎn)火劑制取方法:稱(chēng)取一定量金屬鈉與甲醇溶表2溫度對固化反應的影響液反應生成甲醇鈉，作為固化反應的反應物;將一定Table 2 Cure reaction results at different temperatures量硬脂酸與甲醇溶液在恒溫水浴條件下加熱溶解，Temperaure/CRection results直至溶液清澈透明;在攪拌條件下，慢慢滴加甲醇20Cannot competely dssolved3(Generate main fuel inedisely,poor uiformit鈉,使甲醇逐漸固化得到白色半透明結晶體;反應結Generate main fuel imediatelypoor uniformity束后,保持恒溫水浴條件不變,依次加人穩定劑、氧5(Cenerate a litle main fuel化劑、發(fā)熱劑和熔融石蠟,攪拌均勻,將所得產(chǎn)品靜Do not generate main fuel immediately, good unifornity70Do not generate main fuel imediately, good uniformity置冷卻，密封避光保存.通過(guò).上述實(shí)驗及計算,最終確定了點(diǎn)火劑的配1.2.1硬脂酸與 Na的配比兩份溶液混合后,硬脂酸與甲醇鈉進(jìn)行酸堿中方(見(jiàn)表3).燃燒后剩余灰渣主要包括硬脂酸鈉、氧和反應.反應方程式如下:化鋁以及氯化鉀固體,對地下水環(huán)境無(wú)污染.表3點(diǎn)火劑試劑及含量2CH,OH+ 2Na= 2CHsONa+ H2Table 3 Ingredients and contents of ignition agentCr HsCOOH+CH,ONa= C, HsCOONa+CH,OH硬脂酸與甲醇鈉的配比主要影響點(diǎn)火劑的燃燒ReagentMass fraction/%Methanol60~65殘渣量,實(shí)驗結果見(jiàn)表1.0. 46表1硬脂酸與金屬鈉在不同配比情況下的燃燒殘渣量Sodium thiosuCarbon powderTable 1 Residual ignition agent content in different ratioAluminum powderbetween stearie acid and NaPotassium perchlorate8~10NitroceluloseStearic acid $ NaResidual content/%6~85.2: 1. 001.07Stearie acid4~65.210.755.2:0.501.3點(diǎn)火劑性能測定5.2:0.460.52由實(shí)驗結果可知,隨著(zhù)Na比例的增加,燃燒殘.配置好的化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑成絮凝狀,可塑渣量也不斷增大.選定硬脂酸: Na=5.2 $ 0. 46(即性較強,硬度適中,混合均勻.測得點(diǎn)火劑的比密度甲醇:硬脂酸:金屬鈉=92.4: 7.0: 0. 6),在這種.P點(diǎn)大期=1.236 kg/L;點(diǎn)火劑的閃點(diǎn)為310. 22 K配比情況下可以制得性能優(yōu)良的固態(tài)基體燃料.(37. 22 C).1.2.2加料方式采用差熱-熱重分析法對所制備點(diǎn)火劑的燃燒在一定溫度(60 C)下比較了一步法和兩步法熱進(jìn)行測定,結果見(jiàn)圖2.兩種不同的加料方式.一步法:將硬脂酸和鈉同時(shí)加Exo900人甲醇中,加熱攪拌.加料5 min后部分甲醇開(kāi)始固90+70080-n00化,包覆在硬脂酸和鈉周?chē)?阻止了溶解反應的進(jìn)s 70h行,需要60min才能反應完全;兩步法:將硬脂酸和s0鈉分別在甲醇中加熱溶解,然后趁熱混合.30 min406203040即可完成溶解反應,反應時(shí)間短,能耗小，因此選用! min兩步法作為加料方式.圖2點(diǎn)火劑燃燒的差熱 熱重曲線(xiàn)1.2.3反 應溫度.Fig.2 TG-DSC curve of ignition agent combustion反應溫度對固化反應的影響見(jiàn)表2.由表2可1一- TG;2-- DSC;3-- Tempersture知,低溫時(shí)(20C)硬脂酸不能完全溶解,不能制得由圖2可以看出，樣品完全熱解后質(zhì)量損失約基體燃料;30 C~40 C時(shí),硬脂酸溶解時(shí)間長(cháng),溶.為63.中國煤化工k劑的燃燒焓:液混合后立即生成基體燃料.由于固化速度太快,導YHCNMHG+3 723.3+致生成的產(chǎn)品均勻性較差;溫度達70 C以上接近甲; 600.0-14 4u.5 J/g=14 246.5 kJ/kg醇溶液的沸點(diǎn),甲醇揮發(fā)速度過(guò)快;60 C時(shí),溶液混24煤炭轉化2011年劇上升,2# ,3*,4#熱電偶高溫分別達到950 C，1.4點(diǎn)火實(shí)驗742 C,650 C,三個(gè)熱電偶溫度上升速率平均為實(shí)驗爐體主要由三部分構成:金屬網(wǎng)內簡(jiǎn)、燃燒13.1 C/min,此時(shí)煤層已經(jīng)充分燃燒,停止通人空氣.腔體和助燃劑通道(通至爐體底部的G1/2鋼管).1000其結構見(jiàn)圖3.800600” 4006! 200-020406080100120Igion time 1 min圖4煤樣溫度與點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relation between coal temperatureand ignition time■-Thermocouple 2:●一Thermocouple 3;圖3爐體結構1一Thermocouple 4Fig. 3 Schematic representation of furnace structure點(diǎn)火成功的標志是出口氣體中可燃組分(H2 +1#一-Inlet of electric ignition;2# ,3# ,4#-Inlet ofthermocouple;5#一Inlet of combustionCO+CH,)大于20%.圖5為出口氣體組分與點(diǎn)火improver;6*- -Outlet of gas時(shí)間的關(guān)系.煤樣取自?xún)让晒糯笱闳V西二采區17號煤層.80制取煤樣時(shí)加入一定量水,使煤樣達到最大含水量，且有水剩余.實(shí)驗時(shí)將煤樣和剩余水分- -起加入爐體中,模擬地下含水煤層狀態(tài).50-20-實(shí)驗時(shí)先將制備好的煤樣填人中心鐵網(wǎng)的外部高10f1空間,壓實(shí)后向鐵網(wǎng)內加入點(diǎn)火劑,然后向點(diǎn)火劑上5060708090100110方投人少量金屬鈉，使其與煤中水分反應放熱點(diǎn)燃Igitin time/ min點(diǎn)火劑.隨后向爐體中通入助燃劑,使煤層點(diǎn)燃.本圖5出口氣體組分 與點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系實(shí)驗采用空氣為助燃劑,首先加入點(diǎn)火劑507 g,投Fig. 5 Relation between concentrations of different人少量金屬鈉引燃點(diǎn)火劑,然后以流量600 L/h通exit gas components and ignition time人空氣;30 min后加大空氣流量至800 L/h;再過(guò).■一 H:▲一-O2;▼--Nz;●- -CH430min后加大空氣通入量至1000L/h.實(shí)驗過(guò)程--CO;( 一-CO中記錄熱電偶溫度變化值,并取樣測定出口氣體組由圖5可以看出,第85min時(shí)出口氣體有效組分判斷煤層是否點(diǎn)燃.分超過(guò)20%,表明煤層已經(jīng)被充分點(diǎn)燃,可燃組分含量.上升速率為0. 17%/min.2結果與討論3結論爐體不同位置煤樣溫度與點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4.由圖4可知,通人助燃劑初期熱電偶溫度處于相1)通過(guò)點(diǎn)火實(shí)驗確定了化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑對穩定的狀態(tài),這是因為爐體底部的水分蒸發(fā)吸收的各組分及其含量.了部分熱量;當4#熱電偶溫度上升至100 C,表明.2)測定了點(diǎn)火劑的性能:堆積密度:p點(diǎn)火刪=.水分基本蒸發(fā)完畢,但熱電偶溫度上升緩慢甚至下1. 236 kg/L;閃點(diǎn):310. 22 K(37. 22 C);燃燒焓:降,這表明氧氣不足,點(diǎn)火劑燃燒緩慢;加大通氣量Qa中國煤化工:36.9%.燃燒后剩后溫度.上升趨勢加快,在第40 min~65 min內,溫余灰YHCNMHG3以及氯化鉀固體，度上升速率達到7.8 C/min;當溫度升至300 C，不會(huì )的地「小水玩 工影啊點(diǎn)火劑性能穩定,在存表明煤層已被點(diǎn)燃;繼續加大通氣量,熱電偶溫度急放 期間無(wú)自燃自爆現象,適合車(chē)輛運輸.第2期鐘毓娟等煤炭地下氣化化學(xué) 點(diǎn)火研究253)以空氣為助燃劑進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗,通人空氣上升速率為0. 17%/min.65min后2*熱電偶溫度升至313C,超過(guò)褐煤燃4)化學(xué)液體凝固點(diǎn)火劑具有高效節能、穩定可點(diǎn).通人空氣85 min時(shí),出口氣體可燃組分含量超靠、成本低廉、對煤層點(diǎn)火環(huán)境要求低和適用范圍廣過(guò)20% ,表明煤層已經(jīng)被充分點(diǎn)燃，可燃組分含量泛的特點(diǎn),適合深部煤層無(wú)井式地下氣化爐點(diǎn)火.[1] 聞全,梁杰,錢(qián)路新等.新河煤層地下氣化模型試驗研究[].煤炭轉化，2005 ,28(4).11-16.2] 魏傳玉,梁 杰,孫加亮等.煤炭地下氣化多孔爐增加產(chǎn)氣量的研究[J].煤炭轉化,2008,31(1):17-20.[3] 梁杰.煤炭地下氣化過(guò)程穩定性及控制技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,0029-2.24] 劉鑫,梁新星,梁 杰煤炭地下氣化點(diǎn)火方法的分析[].能9工程，2009(1);10-12.[5]宋明德,葉定友 膏體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑藥漿穩態(tài)燃燒研究[J].固體火箭技術(shù),1998,21(4);7-12.6] 成一,陳守文.點(diǎn)火藥點(diǎn)火性能的研究[J].火工品，2001(4):21-22,31.[7]辛振東,劉亞青 ,付一政等.幾種高能固體推進(jìn)劑的研兗進(jìn)展[].現代制造技術(shù)與裝備,2008(2);74-76.8] 冉秀倫.楊榮杰高燃速推進(jìn)劑研制現狀分析[J].飛航導彈2009)45404[9]禹天福. 膠體推進(jìn)劑的研究與應用[].導彈與航天運載技術(shù)，2002(5) :36-43.10] 張煒,萬(wàn)丁西,朱慧等.鎂鋁貧氧推進(jìn)劑的能量分析[J].固體火箭技術(shù),1998,21(4):31-35.11] 崔瑞禱,周 克.球形鋁粉對低燃連T羥推進(jìn)劑燃燒特性的影響[J].固體火箭技術(shù),1999 ,23)29-33.3[12]劉晶如,羅 運軍.固體推進(jìn)劑用金屬燃燒劑的研究及應用[J]化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2007 ,5<4) :6-12.[13]朱艷輝,高俊國,田春雷. 一種高能點(diǎn)火藥吸濕性的研兗[].軍械工程學(xué)院學(xué)報,2007 19(1)55-57.5[14]張君啟,張 煒,朱慧等. 固體推進(jìn)劑用含能點(diǎn)合劑體系研究進(jìn)展[].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料20064(3);6-9.15] 習大慶,周宏民,單建勝.凝膠膏狀推進(jìn)劑研究發(fā)展狀況[J].火箭推進(jìn),003,29(1);39-46.[16]雷志剛,鄭傳 明.韓榮生等.四種穩定劑對化學(xué)鍍鎳液及鍍層耐蝕性的影響[J].廣蝕與防護,2007 ,28(3);135.137. .STUDY ON SOLIDIFIED LIQUID CHEMICAL IGNITION AGENTFOR UNDERGROUND COAL GASIFICATIONZhong Yujuan Liang Jie Liu Xin"Deng Shengfu You Dongguang and Liu Feng(School of Chemical and Environmental Engineering, CUMTB, 100083 Beijing; * ChinaDevelopment Bank Cor poration Shanxi Branch , 030002 Taiyuan)ABSTRACT The soldified liquid chemical ignition agent and ignition method are investiga-ted in consideration of characteristics of the ignition in deep blind hole of the non- well under-ground coal gasification. The chemical ignition agent with stable performance and a combustionenthalpy of 14 246. 5 kJ/kg is prepared with methanol as main fuel, stearic acid as coagulant, so-dium methoxide as catalyst, aluminum and carbon powder as combustion improver, potassiumperchlorate as oxidizer, nitrocellulose as binder, paraffin as plasticizer and sodium thiosulfate asstabilizer. The ignition test result shows that the coal seam temperature reaches ignition point 75min after ignition; 85 min after ignition combustible component (H2 + CO+ CH) composition ofexit gas exceeds 20% and this indicates that the coal seam is successfully ignited.KEY WORDS underground coal gasification, solidified liquid chemical ignition agent, igni-tion parameters中國煤化工MYHCNMHG