变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用

针对提取煤矿低浓度瓦斯中甲烷过程中的安全问题,研发了两种专用吸附剂,分别用于瓦斯中甲烷的富集及瓦斯的脱氧,并测试了二者的分离性能,详细考察了专用吸附剂对瓦斯的抑爆性能;介绍了变压吸附法提浓瓦斯中甲烷的工艺,进行了脱氧及抑爆组合技术在瓦斯变压吸附法脱氧中的应用试验,结果表明,专用吸附剂脱氧效率高,经富集、脱氧工艺后瓦斯中甲烷浓度能由20%提浓至65%,且工艺运行平稳安全.     

变压吸附法富集低体积分数含氧煤层气的研究

为了解决低体积分数含氧煤层气无法富集利用的问题,研究了甲烷体积分数为20%的煤矿抽排瓦斯的变压吸附富集过程。为了保证富集过程的安全,吸附过程中使用混合吸附剂,同时吸附甲烷和氧气,使得排放气和解吸气中甲烷和氧气体积分数都处在安全范围内。实验研究了吸附塔高径比、吸附时间、吸附剂比例、节流孔直径、反吹时间等对分离效果的影响。结果表明：在碳分子筛和活性炭作为混合吸附剂的体系中,其质量之比为3.4时可以将甲烷体积分数安全地提浓到30%以上,此时排放气中甲烷体积分数低于3%,氧气体积分数低于10%。     

管道内瓦斯爆炸变点火能系统构建与爆炸初期火焰三维分析

为了更好研究不同点火能量下瓦斯爆炸初期光学特征,为瓦斯爆炸的快速抑爆积累经验数据,实验从瓦斯爆炸点火能量出发,构建稳定可靠的变点火实验平台,并利用强弱2种比较极端的点火能量来引爆管道瓦斯,然后利用高速摄影仪进行拍摄,通过MATLAB软件分析高速摄影仪所捕获的照片,最终得到了不同点火能作用下瓦斯爆炸初期光学特性三维规律,指出强弱点火能作用下瓦斯爆炸初期反应都存在3个阶段,弱点火存在瓦斯爆炸低速反应阶段,快速增加阶段,稳定发展阶段,强点火存在瓦斯爆炸反应速率急速衰减阶段,快速增加阶段,稳定发展阶段。     

七氟丙烷抑制甲烷空气预混气体爆炸的实验研究

为寻找既环保又能抑制瓦斯爆炸的气体抑爆介质,解决瓦斯输送过程中的爆炸安全问题,分析了七氟丙烷作为抑爆介质的抑爆机理,并采用20 L爆炸特性测试系统,研究了不同体积分数的七氟丙烷对甲烷体积分数为9.5%的甲烷空气预混气体最大爆炸压力、最大压力上升速率和峰值压力的影响。研究发现:在实验条件下,点火延迟时间为60 ms时,七氟丙烷抑制甲烷空气预混气体爆炸的最低体积分数为17.4%;七氟丙烷体积分数为5%~17%时,随着其体积分数的增大,最大爆炸压力逐渐升高,最大压力上升速率增大,对甲烷空气预混气体爆炸有促进作用。研究表明,七氟丙烷可作为新型环保气体抑爆介质抑制瓦斯爆炸,但在使用过程中应根据使用场所合理确定七氟丙烷的用量。     

点火能量对瓦斯爆炸传播影响的实验研究

在Φ700 mm管道中进行了瓦斯爆炸压力峰值、火焰传播速度的试验研究,对不同点火能量条件下的瓦斯—空气混合气体爆炸试验研究结果表明:爆炸压力峰值在沿管道的传播过程中,从爆源点附近是先增大后减小,然后再逐渐增大的,且最大压力峰值出现在出口附近;火焰传播速度随着传播距离的增大而逐渐增大;点火能量对爆炸压力峰值、火焰传播速度等都有重要影响。这些研究结果为煤矿井下隔抑爆装置和瓦斯输送管道隔抑爆装置的研制及安装技术规范的制订奠定了理论基础,也为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供了理论依据。     

煤矿井下自动抑爆装置的研制

煤矿瓦斯爆炸是一种极其严重的灾害性事故,我国煤矿井下主要通过安装被动隔爆装置和主动抑爆装置来抑制瓦斯爆炸,传统隔爆装置以隔爆水袋和岩粉棚为主,时常有缺水和岩粉结块等问题出现,抑爆效果十分有限,因此文章研制了一款纯机械式自动抑爆装置,具备高效、节能、易于安装等特点,并对自动抑爆装置抑爆性能及可靠程度进行实验验证,结果表明,自动抑爆装置可有效抑制瓦斯爆炸。     

变压吸附法分离富集乏风瓦斯的实验研究

利用变压吸附分离技术,富集分离煤矿采煤矿井的巷道内部乏风瓦斯,目的在于保证煤炭生产安全,同时实现低浓度甲烷资源再利用。实验采用自行设计的双塔式变压吸附设备和改性活性炭吸附剂,整个流程由常压吸附联合真空解吸2个部分构成。实验比较了2种不同的活性炭吸附剂对瓦斯的吸附性能,通过调整切换时间、改变反吹流量等参数考察了吸附分离前后甲烷浓度的变化规律,进一步优化了工况参数。结果表明,变压吸附法能够有效实现乏风瓦斯的分离与富集。     

煤矿密闭墙抗暴冲击压力的数值模拟及实验分析

煤矿隔爆密闭墙是保障采空区安全的重要设施,为保证矿井安全生产并为密闭墙设计提供科学依据,以山西某矿隔爆密闭墙为研究对象,通过球形爆炸测试装置进行密闭的抗暴压力实验,得出爆炸室内最大理论压力;并基于Fluent软件进行瓦斯爆炸冲击压力的数值模拟分析,得出瓦斯煤尘爆炸对密闭墙的最大冲击压力,以验证其安全性。结果表明,爆炸实验与数值模拟测得的压力分别为1.04、0.7 MPa,皆远远小于该矿密闭墙设计方案中的5.3 MPa,安全系数达到了5.1。     

基于爆炸强度与隔爆屏障作用技术的巷道隔爆实验

为了提升煤矿瓦斯煤尘爆炸灾害的防治技术和效果,基于不同爆炸能量和隔爆屏障粉体质量浓度研究了大尺度巷道内主动隔爆系统的隔爆灭火性能。在敞开空间采用高速摄影技术测试了主动巷道隔爆系统隔爆屏障的形成过程及动态分布特征,隔爆器粉体能在120 ms时刻形成8.04 m~2有效断面,在1 200 ms时刻覆盖20 m,在空间内持续作用5 000 ms以上,得出驱动气体压力是影响隔爆屏障动态分布和覆盖距离的直接因素。在此基础上,采用断面7.2 m~2大型地下巷道,进行了瓦斯(煤尘)爆炸传播实验和隔爆实验,分析了实验过程中压力波、火焰阵面的传播特性。研究结果表明:粉体隔爆屏障能有效起到衰减压力波和扑灭爆炸火焰的作用,在粉体质量浓度较低时,爆炸火焰将穿越隔爆屏障,而随着质量浓度的增加,隔爆效果增强。在瓦斯隔爆实验中粉体质量浓度为277.8 g/m~3时,40 m位置爆炸超压衰减为36.4 kPa;在瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中,粉体质量浓度为625.0 g/m~3时,70 m位置爆炸超压降低至54.0 kPa,对比同等强度的爆炸传播实验,最大压力下降率均大于60%。瓦斯(煤尘)爆炸隔爆实验中,驱动氮气和粉体所形成的隔爆屏障能有效起到冷却降温、隔绝窒息和消耗自由基的作用。随着粉体质量浓度的增加,爆炸火焰传播速度迅速下降,整个传播过程中的最大火焰速度位置前移,出现在隔爆器前端,爆炸火焰在隔爆器后20 m区域内被完全扑灭。     

抑爆材料对低浓度煤层气爆炸的隔爆性研究

采用大小球连通容器,进行了甲烷浓度为10%,不同压力下,连通容器大球点火,无/有抑爆材料时连通容器内预混气体爆炸实验。实验结果表明:无抑爆材料时,小球容器先于大球容器到达压力峰值,且小球容器的压力峰值远大于大球容器的压力峰值,大、小球容器内的气体均发生爆炸;有抑爆材料时,大球压力快速上升,小球压力则紧随其后缓慢上升,然后缓缓平滑下降,只有大球容器内的气体发生爆炸,小球容器内的气体未发生爆炸,证明抑爆材料能起到有效的隔爆作用;随着初始压力的上升,大、小球压力峰值随着上升。     

等比例变压吸附法富集低浓度煤层气的安全性分析

在Coward爆炸三角形的基础上分析研究了低浓度煤层气（CH4浓度低于30%）吸附富集过程的安全性.研究结果表明,如果采用常规的变压吸附方法,使用单一吸附剂富集低浓度煤层气,在吸附过程中CH4浓度会进入爆炸极限,存在安全隐患.基于安全性和可行性分析,提出了一种安全的分离富集低浓度煤层气方法--等比例变压吸附法,采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,通过调节混合吸附剂中AC/CMS质量比,使低浓度煤层气中甲烷和氧气能按比例同时被吸附,确保整个吸附富集过程中吸附器内、排放气以及解吸气中的甲烷和氧气浓度都处于安全范围内,实现低浓度煤层气的安全有效吸附富集。     

煤层气中甲烷/氮气分离用椰壳活性炭的制备

为解决变压吸附法提纯煤层气中甲烷遇到的吸附剂难题,以我国海南产椰壳炭化料为原料,采用二次炭化-水蒸气物理活化工艺制备生物质基活性炭,采用高压电子天平测量了298 K、0～1. 0 MPa下CH_4/N_2在制备得椰壳活性炭上的吸附等温线,利用比表面积和孔径吸附仪测量了活性炭的孔径结构,详细研究了活化工艺参数对CH_4/N_2吸附分离性能及孔隙结构的影响。通过变压吸附装置检验了最佳工艺参数条件下制备椰壳活性炭的CH_4提浓效果。研究结果表明,随着活化温度的提高,平衡分离系数逐步减小,吸附容量逐步增加,最佳活化温度为850℃;平衡分离系数和饱和吸附容量均随水蒸气流量的增加呈先增加后减小的趋势,最佳水蒸气流量为2.0 kg/h;平衡分离系数随活化时间延长先增加后减小,甲烷饱和吸附容量逐渐递增,最佳活化时间为40 min。升高活化温度对孔结构的发育影响显著,比表面积、微孔孔容和总孔容均呈递增趋势,表明升高温度有利于微孔的发育,可制备出微孔发达的活性炭。变压吸附评价结果表明在水蒸汽活化工艺最优条件下制备得椰壳活性炭可将20%CH_4-80%N_2模拟煤层气中的CH_4体积分数提高到48. 3%,提浓幅度大于25%,回收率为80.58%,产能达到108.82 m~3/(t·h);同时,该吸附剂对中高浓度煤层气也具有较好的分离效果,体现出较好的分离性能。     

隔爆外壳爆炸压力测试方法与影响因素分析

结合对国家标准GB 3836.2—2010中爆炸压力测试的要求及对大量测试结果的研究,分析了隔爆外壳内爆炸气体点燃产生压力及其压力变化的过程,介绍了爆炸压力的测试方法,分析了影响爆炸压力测试的试验气体浓度、初始压力、气体置换过程与试验工艺孔的选择等因素,提出了相应的建议,同时,对特殊设备爆炸压力测试注意事项进行了阐述。     

点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响

为研究不同湍流环境下,煤尘对甲烷爆炸特性的影响,基于20 L爆炸球采用0、25、50、100、200 g/m^3的煤尘分别与6.5%、9.5%、12%的甲烷在点火延迟时间60 ms和120 ms的条件下进行混合爆炸实验。结果表明:点火延迟时间的增大对单相甲烷爆炸最大爆炸压力影响较小,显著降低最大压力上升速率;有煤尘参与时,3种甲烷浓度下,点火延迟时间的提高能够降低最大爆炸压力和最大压力上升速率,当甲烷浓度为9.5%时,2种点火延迟时间下,对应的最佳煤尘浓度不同,点火延迟时间越小,最佳煤尘浓度越小,甲烷浓度为12%时,点火延迟时间为60 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对高浓度煤尘比较敏感,火延迟时间为120 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对低浓度煤尘较为敏感。     

低浓度含氧煤层气吸附富集过程中吸附塔高径比的影响规律

根据Coward爆炸三角形提出一种安全的分离富集低浓度含氧煤层气的设想——等比例变压吸附法,通过实验证明采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,可以在保证解吸气、排放气中甲烷浓度和氧气浓度不进入爆炸范围的前提下将煤层气中的甲烷浓度从20%富集到30%以上。实验研究了吸附塔高径比对解吸气和排放气中甲烷、氧气的浓度分布以及高径比对反吹时间的影响。结果表明提高高径比、增加反吹过程均能降低排放气和解吸气的爆炸性,实现低浓度含氧煤层气安全富集的可行性。但高径比过大,吸附时间过长,单位时间内吸附循环数减少,会降低吸附剂的利用率,增大床层阻力,增加压缩机能耗。     

煤液化残渣基炭材料吸附瓦斯实验研究

实验采用自行设计的单塔高流量、常压吸附装置和煤液化残渣基炭材料吸附剂,讨论了不同吸附剂用量、不同装柱方式对CH4/N2分离性能的影响。结果表明:在550℃,KOH活化下所制备煤液化残渣基活性炭的比表面积可达1721 m2/g,其中微孔占到开孔数量的89.5%;在相同吸附剂装填量下,分层装填方式对甲烷的吸附性能要优于混合式装填方式;在分层装填方式下,随着吸附剂装填数量的增加,甲烷的吸附量增加,饱和吸附性能提高20%。     

基于活性炭从煤层气中分离甲烷

为探索不同工艺条件下活性炭204-Ⅱ用于从煤层气中分离CH4的效果,在温度253.2~313.2 K、压力0~0.8 MPa,采用容积法测试CH4,N2纯组分在活性炭204-Ⅱ上的吸附平衡,并在293.2 K、0.1~0.5 MPa进行CH4,N2纯组分及其混合体系在活性炭204-Ⅱ固定床上的动态穿透曲线两塔变压吸附分离试验。采用Langmuir-Freundlich模型描述纯CH4,N2在活性炭204-Ⅱ上的吸附等温线,分析不同温度和压力条件下CH4对N2的吸附选择性,明确降低压力和升高温度可以提高CH4和N2的吸附平衡差异。通过动态微分模型对CH4,N2纯组分的固定床穿透曲线进行理论模拟并计算得到传质系数,结果表明,二者传质系数基本相等,确定了CH4和N2在活性炭上的分离是基于吸附平衡差异的机理。低浓度的煤层气通过一步变压吸附过程的分离效果有限,CH4含量为20.13%和47.46%的煤层气可分别提纯至39.83%和71.38%,不同操作压力下的提纯效果接近(0.1~0.5 MPa)。     

低压变压吸附法分离净化低浓度瓦斯的试验研究

本文探讨了用变压吸附法对低浓度瓦斯气体进行分离净化的相关研究。在双塔变压吸附装置上，研究切换时间、反吹阻力对分离效果的影响。实验研究表明用变压吸附法能实现低浓度瓦斯的分离与净化，运用反吹流程可以在增加产品气量的同时保证分离效果。     

初始压力对矿井瓦斯爆炸过程影响的理论研究

初始压力是矿井瓦斯爆炸的发生和传播过程中的一个重要影响因素,本文研究了初始压力对于瓦斯混合气体的最低点燃温度、可燃上限的影响,并根据质量、动量、能量守恒原理,推导建立了考虑初始压力p0时的爆轰参数计算公式,计算出煤矿巷道不同初始压力下的爆轰参数,分析瓦斯混合气体的初始压力p0对于瓦斯爆轰各个参数的影响。     

低浓度煤层气脱氧浓缩工艺技术开发与应用

为了解决低浓度煤层气安全输送利用方面存在的问题,提高低浓度煤层气利用率,依托国家科技重大专项课题,以"十一五"科研成果为基础,研究开发出了可工业化应用的低浓度煤层气脱氧与变压吸附浓缩工艺技术及装备,并利用煤基炭材料研发平台自主研制了高效吸附专用煤基碳分子筛。通过脱氧浓缩,将体积分数20%~30%的低浓度煤层气浓缩至90%以上,O2体积分数降低至1%以下,CH4回收率在90%以上。工艺采用一次增压、二级浓缩的方式,吸附压力为0.3~0.5MPa,运行能耗为0.5~0.6kW·h/m3CNG。浓缩后的气体可加工成压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。