煤炭地下气化化学点火研究

第34卷第2期煤炭转化Vol, 34 No. 22011年4月COAL CONVERSIONApr.2011煤炭地下气化化学点火研究钟毓娟)梁杰2)刘鑫3)邓生富"尤东光"刘丰"摘要针对无井式煤炭地下气化在深部盲孔中点火的特点,研究了化学液体凝固点火剂和点火方法.利用基体燃料甲醇、凝固剂硬脂酸、催化剂甲醇钠、助燃剂铝粉和碳粉、氧化剂高氣酸钾、黏结剂硝化棉、增塑剂石蜡以及稳定剂大苏打制取了性能稳定、燃烧焓为14 246.5 kJ/kg的化学点火剂.点火实验表明,在点火开始后75 min煤层温度达到其燃点;点火后85 min出口气体可燃组分(H2 +CO+CH4)含量超过20%,煤层点火成功.关键词煤炭地下气化,化学液体凝固点火剂,点火参数中图分类号TD841,TQ530剂选用粒度为200目的球形铝粉,用以提高点火剂0引言的能量水平,为保证煤层的稳定加热其添加量不超过8%10];非金属助燃添加剂选用碳粉,用以延长燃无井式煤炭地下气化火力贯通气化通道首先要烧时间,进一步提高点火剂比热并降低燃烧速度.为在深部盲孔中将煤层点燃.现有的焦炭点火和电点避免导致燃烧速度过于缓慢,影响点火剂的比热以火等方法存在点火过程复杂和操作难度大等缺及单位时间的发热量,其添加量不超过3%;氧化剂点. [田尤其对于深部煤层而言,由于钻孔深度大和选用高氯酸钾.由于高氯酸钾添加量的增加会导致地下水等各种不利因素的存在,给煤层点火带来许点火剂的氧化性增强,为便于长期储存和运输,确定多困难.为此,本文提出并研究了一种适合深部含水高氯酸钾与铝粉的质量比为6 : 5;黏结剂选用硝化煤层点火的化学液体凝固点火剂及点火参数.棉.[13由于其易燃易爆,温度超过40 C会分解自燃,含量应低于6.5%;增塑剂选用石蜡,用来提高1实验部分点火剂的可塑性和比热,降低燃速,延长燃烧时间,使点火剂的燃烧更稳定和均匀. [i4为保证点火根据现代固体火箭推进剂的组成原理,筛选化剂储藏运输的安全性和稳定性,选用大苏打作稳学液体凝固点火剂的基体燃料、凝固剂、催化剂、助定剂. [16]燃剂、氧化剂、黏结剂、增塑剂以及稳定剂[315],配制Cagulant preparation化学液体凝固点火剂,对该点火剂进行性能测试,并Cure reaction J进行点火实验.Combustion improver addition |1.1原料Stabilizer addition |深部含水煤层点火剂应具有以下特性:易燃(水中亦易燃) ,燃烧热值高,时间长,残渣少,易储存.考Solidifieation虑其安全性,在燃烧过程中应始终保持固体状态.[5]Label and store ]甲醇燃烧热值较高,固化难度小,燃烧产物二氧图1 点火剂制取流程化碳和水对地下水环境无污染,选用其作为基体燃Fig. 1 Fabrication process of ignitin agent料的制备材料;固化剂选用硬脂酸钠;金属助燃添加中国煤化工*国际科技合作项日(2009DFR60180).1)硕士生;2)教授、博士生导师,中国矿业大学化学与环境工程学院,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期钟毓娟等煤炭地下气化化学点火研究23合后并不立刻固化，自然冷却后可制得均匀一致的1.2 点火剂制取过程及方法基体燃料,因此60C是较为理想的反应温度.点火剂制取方法:称取一定量金属钠与甲醇溶表2温度对固化反应的影响液反应生成甲醇钠，作为固化反应的反应物;将一定Table 2 Cure reaction results at different temperatures量硬脂酸与甲醇溶液在恒温水浴条件下加热溶解，Temperaure/CRection results直至溶液清澈透明;在搅拌条件下，慢慢滴加甲醇20Cannot competely dssolved3(Generate main fuel inedisely,poor uiformit钠,使甲醇逐渐固化得到白色半透明结晶体;反应结Generate main fuel imediatelypoor uniformity束后,保持恒温水浴条件不变,依次加人稳定剂、氧5(Cenerate a litle main fuel化剂、发热剂和熔融石蜡,搅拌均匀,将所得产品静Do not generate main fuel immediately, good unifornity70Do not generate main fuel imediately, good uniformity置冷却，密封避光保存.通过.上述实验及计算,最终确定了点火剂的配1.2.1硬脂酸与 Na的配比两份溶液混合后,硬脂酸与甲醇钠进行酸碱中方(见表3).燃烧后剩余灰渣主要包括硬脂酸钠、氧和反应.反应方程式如下:化铝以及氯化钾固体,对地下水环境无污染.表3点火剂试剂及含量2CH,OH+ 2Na= 2CHsONa+ H2Table 3 Ingredients and contents of ignition agentCr HsCOOH+CH,ONa= C, HsCOONa+CH,OH硬脂酸与甲醇钠的配比主要影响点火剂的燃烧ReagentMass fraction/%Methanol60~65残渣量,实验结果见表1.0. 46表1硬脂酸与金属钠在不同配比情况下的燃烧残渣量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点火剂性能测定5.2:0.460.52由实验结果可知,随着Na比例的增加,燃烧残.配置好的化学液体凝固点火剂成絮凝状,可塑渣量也不断增大.选定硬脂酸: Na=5.2 $ 0. 46(即性较强,硬度适中,混合均匀.测得点火剂的比密度甲醇:硬脂酸:金属钠=92.4: 7.0: 0. 6),在这种.P点大期=1.236 kg/L;点火剂的闪点为310. 22 K配比情况下可以制得性能优良的固态基体燃料.(37. 22 C).1.2.2加料方式采用差热-热重分析法对所制备点火剂的燃烧在一定温度(60 C)下比较了一步法和两步法热进行测定,结果见图2.两种不同的加料方式.一步法:将硬脂酸和钠同时加Exo900人甲醇中,加热搅拌.加料5 min后部分甲醇开始固90+70080-n00化,包覆在硬脂酸和钠周围,阻止了溶解反应的进s 70h行,需要60min才能反应完全;两步法:将硬脂酸和s0钠分别在甲醇中加热溶解,然后趁热混合.30 min406203040即可完成溶解反应,反应时间短,能耗小，因此选用! min两步法作为加料方式.图2点火剂燃烧的差热 热重曲线1.2.3反 应温度.Fig.2 TG-DSC curve of ignition agent combustion反应温度对固化反应的影响见表2.由表2可1一- TG;2-- DSC;3-- Tempersture知,低温时(20C)硬脂酸不能完全溶解,不能制得由图2可以看出，样品完全热解后质量损失约基体燃料;30 C~40 C时,硬脂酸溶解时间长,溶.为63.中国煤化工k剂的燃烧焓:液混合后立即生成基体燃料.由于固化速度太快,导YHCNMHG+3 723.3+致生成的产品均匀性较差;温度达70 C以上接近甲; 600.0-14 4u.5 J/g=14 246.5 kJ/kg醇溶液的沸点,甲醇挥发速度过快;60 C时,溶液混24煤炭转化2011年剧上升,2# ,3*,4#热电偶高温分别达到950 C，1.4点火实验742 C,650 C,三个热电偶温度上升速率平均为实验炉体主要由三部分构成:金属网内简、燃烧13.1 C/min,此时煤层已经充分燃烧,停止通人空气.腔体和助燃剂通道(通至炉体底部的G1/2钢管).1000其结构见图3.800600” 4006! 200-020406080100120Igion time 1 min图4煤样温度与点火时间的关系Fig. 4 Relation between coal temperatureand ignition time■-Thermocouple 2:●一Thermocouple 3;图3炉体结构1一Thermocouple 4Fig. 3 Schematic representation of furnace structure点火成功的标志是出口气体中可燃组分(H2 +1#一-Inlet of electric ignition;2# ,3# ,4#-Inlet ofthermocouple;5#一Inlet of combustionCO+CH,)大于20%.图5为出口气体组分与点火improver;6*- -Outlet of gas时间的关系.煤样取自内蒙古大雁三矿西二采区17号煤层.80制取煤样时加入一定量水,使煤样达到最大含水量，且有水剩余.实验时将煤样和剩余水分- -起加入炉体中,模拟地下含水煤层状态.50-20-实验时先将制备好的煤样填人中心铁网的外部高10f1空间,压实后向铁网内加入点火剂,然后向点火剂上5060708090100110方投人少量金属钠，使其与煤中水分反应放热点燃Igitin time/ min点火剂.随后向炉体中通入助燃剂,使煤层点燃.本图5出口气体组分 与点火时间的关系实验采用空气为助燃剂,首先加入点火剂507 g,投Fig. 5 Relation between concentrations of different人少量金属钠引燃点火剂,然后以流量600 L/h通exit gas components and ignition time人空气;30 min后加大空气流量至800 L/h;再过.■一 H:▲一-O2;▼--Nz;●- -CH430min后加大空气通入量至1000L/h.实验过程--CO;( 一-CO中记录热电偶温度变化值,并取样测定出口气体组由图5可以看出,第85min时出口气体有效组分判断煤层是否点燃.分超过20%,表明煤层已经被充分点燃,可燃组分含量.上升速率为0. 17%/min.2结果与讨论3结论炉体不同位置煤样温度与点火时间的关系见图4.由图4可知,通人助燃剂初期热电偶温度处于相1)通过点火实验确定了化学液体凝固点火剂对稳定的状态,这是因为炉体底部的水分蒸发吸收的各组分及其含量.了部分热量;当4#热电偶温度上升至100 C,表明.2)测定了点火剂的性能:堆积密度:p点火删=.水分基本蒸发完毕,但热电偶温度上升缓慢甚至下1. 236 kg/L;闪点:310. 22 K(37. 22 C);燃烧焓:降,这表明氧气不足,点火剂燃烧缓慢;加大通气量Qa中国煤化工:36.9%.燃烧后剩后温度.上升趋势加快,在第40 min~65 min内,温余灰YHCNMHG3以及氯化钾固体，度上升速率达到7.8 C/min;当温度升至300 C，不会的地「小水玩 工影啊点火剂性能稳定,在存表明煤层已被点燃;继续加大通气量,热电偶温度急放 期间无自燃自爆现象,适合车辆运输.第2期钟毓娟等煤炭地下气化化学 点火研究253)以空气为助燃剂进行了点火实验,通人空气上升速率为0. 17%/min.65min后2*热电偶温度升至313C,超过褐煤燃4)化学液体凝固点火剂具有高效节能、稳定可点.通人空气85 min时,出口气体可燃组分含量超靠、成本低廉、对煤层点火环境要求低和适用范围广过20% ,表明煤层已经被充分点燃，可燃组分含量泛的特点,适合深部煤层无井式地下气化炉点火.[1] 闻全,梁杰,钱路新等.新河煤层地下气化模型试验研究[].煤炭转化，2005 ,28(4).11-16.2] 魏传玉,梁 杰,孙加亮等.煤炭地下气化多孔炉增加产气量的研究[J].煤炭转化,2008,31(1):17-20.[3] 梁杰.煤炭地下气化过程稳定性及控制技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,0029-2.24] 刘鑫,梁新星,梁 杰煤炭地下气化点火方法的分析[].能9工程，2009(1);10-12.[5]宋明德,叶定友 膏体推进剂和固体推进剂药浆稳态燃烧研究[J].固体火箭技术,1998,21(4);7-12.6] 成一,陈守文.点火药点火性能的研究[J].火工品，2001(4):21-22,31.[7]辛振东,刘亚青 ,付一政等.几种高能固体推进剂的研兖进展[].现代制造技术与装备,2008(2);74-76.8] 冉秀伦.杨荣杰高燃速推进剂研制现状分析[J].飞航导弹2009)45404[9]禹天福. 胶体推进剂的研究与应用[].导弹与航天运载技术，2002(5) :36-43.10] 张炜,万丁西,朱慧等.镁铝贫氧推进剂的能量分析[J].固体火箭技术,1998,21(4):31-35.11] 崔瑞禱,周 克.球形铝粉对低燃連T羟推进剂燃烧特性的影响[J].固体火箭技术,1999 ,23)29-33.3[12]刘晶如,罗 运军.固体推进剂用金属燃烧剂的研究及应用[J]化学推进剂与高分子材料,2007 ,5<4) :6-12.[13]朱艳辉,高俊国,田春雷. 一种高能点火药吸湿性的研兖[].军械工程学院学报,2007 19(1)55-57.5[14]张君启,张 炜,朱慧等. 固体推进剂用含能點合剂体系研究进展[].化学推进剂与高分子材料20064(3);6-9.15] 习大庆,周宏民,单建胜.凝胶膏状推进剂研究发展状况[J].火箭推进,003,29(1);39-46.[16]雷志剛,郑传 明.韩荣生等.四种稳定剂对化学镀镍液及镀层耐蚀性的影响[J].廣蚀与防护,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中国煤化工MYHCNMHG