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          • 论文
          主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

          聂百胜团队提出深部流态化开采中原位煤粉爆轰发电技术构想

          2021-06-07

            据统计,煤炭在我国能源结构中占比高达59%,而发电消耗又占全国煤炭总量的一半以上。

            

            无论是传统的煤粉发电技术,还是超超临界技术,两者的共同特征均为利用煤粉燃烧释放的热量加热水蒸气推动汽轮机运转从而实现发电。这一过程中的能量转化经历了从化学能—蒸汽能—机械能的转换,不仅需要大量的水,而且能量利用效率低,燃煤火力发电效率约为38%,超超临界发电技术约为48%。

            

            为了提高煤粉利用效率,同时解决井下开采的污染及安全问题,近日,中国矿业大学(北京)聂百胜教授团队提出了流态化开采过程中原位煤粉爆轰发电的技术构想,即直接利用煤粉爆轰产生的能量驱动发电机高速运转,该技术构想突破了煤炭资源传统的燃烧热利用方式,推动“边开采、边利用”的安全、高效、清洁化的煤炭资源利用方式的发展。

            

            深部流态化开采中原位煤粉爆轰发电技术构想的关键是煤矿井下流态化智能开采技术的突破、煤粉爆轰发电系统的开发、爆轰产物净化与处理系统的研发及余热余能多级利用系统的研制。具体包括:

            

            (1) 流态化智能开采技术。基于大数据、云平台等互联网技术以及高精度定位导航系统的发展,建立深部矿井地质构造及煤炭资源储量、煤质参数等数据库,研发智能化的煤矿勘探与开采技术。采用先进的无人智能盾构设备开采煤炭资源,在煤矿井下建立发电硐室,边开采边利用,将开采的煤块粉碎处理后传输至发电硐室以备爆轰使用。

            

            (2) 原位煤粉爆轰发电系统。基于煤炭资源智能化数据库,根据不同煤样的煤质特性,分质分级多样化利用。优选合适的助燃剂,研发煤粉燃烧转爆轰的实现方法及装备,实现煤粉-助燃剂掺混爆轰能量驱动发电机发电。

            

            (3) 爆轰产物净化与处理系统。研发高效的烟气净化处理技术,固体残留物经处理后填充至采空区,实现废弃物利用,降低煤炭开采过程中采空区的坍塌风险。

            

            (4) 余热余能多级利用。通过余热回收利用系统,将余热回收利用以供地表供暖,促进能量的多级利用。

             

            煤粉燃烧和爆轰存在本质的区别。传统燃煤发电主要利用煤燃烧产生的热能,燃烧是由扩散现象主导的化学反应支持的亚音速传播过程,燃料的扩散速度和热扩散速度比较低,热效率相对较低。而爆轰则是由化学反应支持的超音速冲击波传播过程,冲击波压缩前方未燃的可燃物,使得可燃物的温度和压力快速增加。同时,化学反应释放出的热量维持冲击波继续向前传播,反应过程近似于等容放热过程,熵增小,热效率高。

            

            研究借鉴连续爆轰发动机的基本原理,采用煤粉和相应的助燃剂代替传统的燃油/ 燃气,探索气固两相燃料连续稳定爆轰的实现方法。在爆炸管道内进行了不同煤样爆炸特性的实验研究,采用浓度为9% 的甲烷点火,测试了从褐煤到无烟煤等19 种煤样的爆炸特性,为进一步探究煤粉在爆炸管道内实现爆轰提供了基础数据。

            

            最后,研究人员指出了原位煤粉爆轰发电能量利用急需解决的问题:

            

            (1)煤粉的点火方式。基于不同煤种的理化性质,有针对性地制定不同的点火方式。对于难爆炸的煤种,通过添加易燃易爆助剂诱发其爆炸,根据储运安全性、爆炸参数及价格等因素优选出最佳助剂;基于煤样和易燃易爆助剂的理化特性,探究不同煤粉和对应的易燃易爆助剂最佳掺混比例、点火能量、点火延迟时间等重要参数。煤粉在封闭空间内能够均匀分散以及助燃剂最佳掺混方式的确定是保证煤粉爆炸的前提。通过PIV 粒子测速法获得煤粉在不同位置、喷射角度、射流压力、粒径条件下的沉降速度时空分布规律,通过激光浓度分析仪测试煤粉和易燃易爆助剂掺混的浓度分布规律,最终确定最佳的喷射参数和掺混方式。

            

            (2)煤粉由燃烧状态转为爆轰状态。煤粉燃烧转爆轰的实现是确保煤粉爆轰发电能量利用的关键,燃烧转爆轰过程的实现需要一定的条件,一般采用强点火源或者在管道中设置障碍物等方式来实现在有限长度的爆轰管内燃烧转爆轰的过程。目前,大量的研究表明障碍物阻塞比为43%时,障碍物对爆炸火焰传播速度的激励作用最为明显。在小型脉冲爆震发动机研究过程中,采用了大量的强化DDT 措施,其中最为常见的是Shchelkin螺旋和多孔板障碍物,Shchelkin 螺旋可使DDT 过程缩短10 倍。

            

            (3)爆轰管道冷却和除尘。建立爆轰管道的温度动态监测平台,实时监测温度动态变化,反馈至控制系统,调节冷却循环系统参数,实现闭环动态智能化监测和控制,避免煤粉连续爆轰造成爆轰管道过热。另一方面,爆轰管道在长期使用过程中,内壁会出现腐蚀和磨损,探究高效的除尘净化技术和优选耐腐蚀、耐高温的陶瓷内衬喷管材料,对于保证煤粉爆轰发电系统的长期运行十分重要。

            

            (4)井下能量的多级利用等。在煤矿井下建立发电硐室,将开采的煤炭粉碎后作为燃料,直接利用煤粉爆轰产生的能量进行发电,爆轰反应物通过管道排至采空区,降低开采过程中采空区的塌陷风险;矿井水经过净化处理去除水中有害杂质和砂土等物质后作为爆轰管道降温的冷却介质;爆炸产生的余热余能通过高效烟气余热回收装置回收,减少烟气排放量,降低烟气内的污染气体含量。借鉴先进的热泵技术和矿用长距离分离式热管换热系统,研发适用于深部井下的长距离热量传输系统,研制一套余热回收利用系统。回收的热量用于加热冷水,为工厂和居民的暖气和热水提供热源,促进了煤炭资源的能量多级利用,热电联产的一体化发展。

            

            这项研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、新疆自然科学基金等多个项目的资金支持,成果以《深部流态化开采中原位煤粉爆轰发电技术构想》为题,发表于《矿业科学学报》2021年第3期。该项成果也是《矿业科学学报》组织的“深地固体资源流态化开发”专题中的一篇。


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           原位煤粉爆轰发电利用技术构想


            责任编辑:宫在芹
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