(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911001283.0
(22)申请日 2019.10.21
(71)申请人 太原理工大学
地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79
号
(72)发明人 郝朝瑜 李静远 王雪峰 邓存宝
吴玉程 金智新 王延生 杨艳国
高涛
(74)专利代理机构 太原科卫专利事务所(普通
合伙) 14100
代理人 朱源 武建云
(51)Int.Cl.
E21F 5/00(2006.01)
E21F 17/18(2006.01)
E21F 17/00(2006.01)
(54)发明名称
氧含量方法
(57)摘要
本发明公开了一种电厂烟气注入井下防灭
循环使用，根据常压容量法，通过综合通入烟气
量，通入烟气时的氧含量，要求排出烟气时的氧
含量，计算得到1个储煤罐体中的煤量。罐体进行
4个流程，依次是通气、除氧、排气、换煤。11个罐
体轮流进行4个流程，交替循环使用保证持续向
采空区供气。储煤罐体能方便快捷的进行装煤、
卸煤操作，因为煤对氧气的吸附并不会改变煤的
性质，所以装入的煤是煤场产的新煤，卸下的煤
可以运输到电厂用作燃料。用煤吸附氧气不会引
起煤的自燃，井下采空区防灭火因在煤矿上，煤
资源丰富，
所以成本会大大降低。权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 110735659 A 2020.01.31
C N 110735659
A
1.一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、计算煤对氧气的吸附量，如下：
P i V i＝n i RT
P k V k＝n k RT (1)
其中，P i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa； V i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积，m3；
n i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；
P K：吸附前吸附罐体内气体总压力，Pa；
V K：吸附罐体内气体总体积，m3；
n K：吸附罐体内气体总物质的量，mol；
T：体系温度，K；
R：理想气体的气体常数，为8.314J/(mol·K)；
维持吸附过程中温度不变，而吸附罐体总体积也是恒定不变，因此，气体压力之比与所含物质的量的比相同，即：
式中，吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；
由此可计算出P i：
将式(2)带入理想气体状态方程计算吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量为：
吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量也用此公式，即：
其中，n i′：吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；
P i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；
V i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积，m3；
吸附后某个时间点吸附缸罐体某待测气体组分的体积分数，％；
P K：吸附后某个时间点吸附罐体内气体总压力，Pa；
再根据吸附前后该待测气体组分的物质的量的差值进而求得煤吸附气体的体积为：
其中，V：某个时间点每克煤对气体的吸附体积，cm3·g-1；
V m：常温常压下气体摩尔体积，24.5L/mol；
M：煤的质量，g；
根据以上计算公式，以含氧浓度为7％的烟气进行计算，得出：在常温下，240h时平均每克煤能封存0.492cm3的O2，即每2kg煤每经过240h能够封存1升氧气；
(2)、计算每个储煤罐体的装煤量
设电厂烟气的排放量为100m3/h，烟气中的氧含量为4％～6％，烟气最终要排入采空区，需求氧含量为3％以下，则烟气的氧气量按5％计算，则每小时需要吸附氧气的量为：100m3/ h×(5％–3％)＝2m3/h；
一个储煤罐体24h要求除氧的量为：24×2＝48m3；
每个储煤罐体的装煤量为：48000×2kg＝96000kg(96t)
(3)、设置11个除氧罐体进行除氧操作，以240h为一个周期，每个罐体装煤大于96t，在通入烟气240h后进行排气、换煤；
具体为：电厂烟气排出时先将其接入第一个储煤罐体，持续通气24h后封闭第一个储煤罐体；然后电厂烟气通入第二个储煤罐体，持续通气24h，然后封闭第二个储煤罐体；依次通入第十个储煤罐体，在第十个储煤罐体通完24h烟气后，第一个储煤罐体正好结束了240h的吸附氧气过程，然后将电厂烟气通入第十一个储煤罐体，利用通入第十一个储煤罐体的24h，排出第一个储煤罐体的烟气到采空区，并进行换煤操作；依次循环对第2～11个储煤罐体进行排气、换煤操作。
2.根据权利要求1所述的一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：每个储煤罐体的烟气排出口安装氧气浓度监测器。
3.根据权利要求2所述的一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，其特征在于：每个储煤罐体内部温度维持在30℃～50℃。
一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤矿采空区防灭火领域，具体为一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法。
背景技术
[0002]煤炭是我国能源主体，煤的自燃灾害严重影响煤炭工业的健康稳定发展，尤其是煤矿井下采空区的遗煤自燃问题，当前迫切需要创新研发成本低效果好的防灭火技术与工艺来防止煤的自燃。
[0003]以煤炭为燃料的火力发电厂运行会产生大量含氧的烟气，是很好的防灭火材料，可替代现有的制氮防灭火技术。电厂烟气为低氧工业废气，将电厂烟气注入井下用于预防采空区煤炭自燃并封存多种有害气体，可减少因大量制氮造成的能源浪费，为企业节省大量资金，同时实现电厂烟气的“减量化、无害化、资源化”处理。电厂烟气中的氧气含量大约有4％～7％，为了使烟气注入井下后达到更好的防灭火效果，需要有一种经济高效的降低烟气中氧浓度的方法。现阶段常用的除氧方法有铁屑除氧，碳燃烧除氧，变压吸附除氧等，但这些方法都有成本高，或是生成其它有害物等缺点。而煤本身是一种包含微孔和大孔系统的双重孔隙介质，所以煤是一种天然吸附剂，可以对氧气产生物理与化学吸附。且井下矿边煤源丰富，所以用煤来吸附氧气相比其它方法会更经济高效。
[0004]吸附是自然界普遍存在的现象，其定义为“由于物理或化学的作用立场，某种物质分子能够附着或者结合在两相界面上的浓度与两相本体不同的现象”。多孔状固体可以吸附气体，液体或溶质。煤是一种结构十分复杂且极不均一的多孔性混合物，其表面物理化学结构复杂多变，具有粗糙性，不完整性和非均匀性，因此，煤对氧气具有较强的吸附能力。[0005]煤吸附氧气分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是吸附分子在吸附剂表面上的一种吸附，依靠的是吸附剂表面与吸附分子间的范德华力。化学吸附是吸附质与吸附剂之间发生化学反应，会发生粒子间电子的交换，转移或共有，从而导致原子的重排，化学键的形成或破坏。
发明内容
[0006]电厂烟气中的氧气含量大约有4％～7％，为了使烟气注入井下后达到更好的防灭火程度，本发明利用煤对氧气的吸附原理，提供一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，设计采用通气、断气、换煤的储煤罐体，将烟气通入储煤罐体中，用煤吸附烟气中的氧气以达到降低氧浓度的目的，再将烟气排出通入煤矿采空区。
[0007]本发明是采用如下技术方案实现的：
[0008]一种电厂烟气注入井下防灭火降低烟气中氧含量方法，包括如下步骤：
[0009](1)、计算煤对氧气的吸附量，如下：
[0010]P i V i＝n i RT
[0011]P k V k＝n k RT (1)
[0012]其中，P i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；
[0013]V i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积，m3；
[0014]n i：吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；
[0015]P K：吸附前吸附罐体内气体总压力，Pa；
[0016]V K：吸附罐体内气体总体积，m3；
[0017]n K：吸附罐体内气体总物质的量，mol；
[0018]T：体系温度，K；
[0019]R：理想气体的气体常数，为8.314J/(mol·K)；
[0020]维持吸附过程中温度不变，而吸附罐体总体积也是恒定不变，因此，气体压力之比与所含物质的量的比相同，即：
[0021]
[0022]式中，吸附前吸附罐体内某待测气体组分的体积分数，％；
[0023]由此可计算出P i：
[0024]
[0025]将式(2)带入理想气体状态方程计算吸附前吸附罐体内某待测气体组分的物质的量为：
[0026]
[0027]吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量也用此公式，即：
[0028]
[0029]其中，n i′：吸附后吸附罐体内某待测气体组分的物质的量，mol；
[0030]P i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的分压力，Pa；
[0031]V i′：吸附后某个时间点吸附罐体内某待测气体组分的体积，m3；
[0032]吸附后某个时间点吸附缸罐体某待测气体组分的体积分数，％；
[0033]P K：吸附后某个时间点吸附罐体内气体总压力，Pa；
[0034]再根据吸附前后该待测气体组分的物质的量的差值进而求得煤吸附气体的体积为：
[0035]
[0036]其中，V：某个时间点每克煤对气体的吸附体积，cm3·g-1；
[0037]V m：常温常压下气体摩尔体积，24.5L/mol；
[0038]M：煤的质量，g；
[0039]根据以上计算公式，以含氧浓度为7％的烟气进行计算，得出：在常温下，240h时平均每克煤能封存0.492cm3的O2，即每2kg煤每经过240h能够封存1升氧气。
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