Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan (ch4) trong các hầm lò khai thác than ở việt nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG THỊ BÌNH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN (CH4) TRONG CÁC HẦM LÒ KHAI THÁC THAN Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội - Năm 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Trần Gia Mỹ. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong công trình nào. Tác giả luận văn Đặng Thị Bình 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................................2 MỤC LỤC ...................................................................................................................3 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................5 DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................6 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................8 CHƢƠNG 1. MÊTAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ ...........................................10 1.1. Sự hình thành mêtan ..................................................................................................10 1.2. Tính chất vật lý của mêtan .........................................................................................13 1.3. Tính chất hóa học của mêtan .....................................................................................14 Kết luận chƣơng 1 .............................................................................................................16 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CHÁY VÀ NỔ CỦA KHÍ MÊTAN...............................18 2.1. Cháy khí mêtan ..........................................................................................................18 2.2. Nổ khí mêtan ..............................................................................................................23 2.3. Áp suất nổ và độ khốc liệt .........................................................................................24 2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự cháy nổ khí mêtan ......................................................26 2.5. Cháy nổ bụi than ........................................................................................................30 2.6. Cháy nổ hỗn hợp mêtan – bụi than ............................................................................31 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................................32 CHƢƠNG 3. THỰC TRẠNG VỀ CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN TRONG CÁC HẦM LÒ KHAI THÁC THAN ............................................................33 3.1. Tình hình khai thác than trên thế giới và ở Việt Nam ...............................................33 3.1.1. Tình hình khai thác than trên thế giới ...........................................................33 3.1.2. Tình hình khai thác than ở Việt Nam ............................................................35 3.2. Thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than ...........................37 3.2.1. Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than trên thế giới ...................38 3.2.2. Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than ở Việt Nam ....................39 3.3. Tổng quan tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan ..............................................40 3 3.3.1. Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan trên thế giới ..............................40 3.3.2. Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan ở Việt Nam ...............................44 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................................49 CHƢƠNG 4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN TRONG CÁC HẦM LÒ Ở MỎ THAN MẠO KHÊ ..........................51 4.1. Đánh giá tiềm năng thoát khí mêtan tại mỏ than Mạo Khê .......................................51 4.1.1. Những yếu tố ảnh hƣởng đến độ chứa khí và khả năng thoát khí ................51 4.1.2. Đánh giá độ chứa khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê ........................................53 4.1.3. Đánh giá độ thoát khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê ........................................56 4.2. Các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan ................................................................... 57 4.2.1. Hệ thống đo cảnh báo nguy hiểm về khí mêtan ............................................57 4.2.2. Các thiết bị phòng cháy nổ khí mêtan sử dụng trong hầm lò .......................61 4.2.3. Cảnh báo mối nguy hiểm về khí mêtan nhờ giải pháp khoan tiến gƣơng ....70 4.3. Một số phƣơng án nâng cấp, hoàn thiện các giải pháp đang áp dụng tại mỏ than Mạo Khê....71 4.3.1. Những tồn tại trong quá trình hoạt động của hệ thống giám sát khí mỏ ......71 4.3.2. Một số giải pháp nâng cao hiệu quả hệ thống giám sát khí mỏ ....................72 4.3.3. Nâng cấp, hoàn thiện giải pháp khoan tiến gƣơng thăm dò và khoan tháo khí mêtan.....72 4.3.4. Cải thiện phƣơng pháp đo bằng thiết bị đo khí mêtan cầm tay ....................76 Kết luận chƣơng 4 .............................................................................................................77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................81 PHỤ LỤC .................................................................................................................81 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Một số tính chất vật lý của mêtan .......................................................................13 Bảng 2. Giới hạn cháy nổ phụ thuộc vào nguồn năng lƣợng kích thích ..........................29 Bảng 3. Nồng độ dễ nổ của bụi than .................................................................................30 Bảng 4. Kích thƣớc bụi than dễ cháy nổ nhất trong hỗn hợp với không khí ....................31 Bảng 5. Một số thảm họa cháy nổ khí mêtan đã diễn ra trên thế giới. .............................39 Bảng 6. Các yêu cầu pháp lý trong công tác quản lý an toàn tại các mỏ than của Nhật Bản ..................................................................................................42 Bảng 7. Xếp loại mỏ theo độ chứa khí mêtan tự nhiên của vỉa than. ...............................53 Bảng 8. Kết quả tổng hợp độ chứa khí cao nhất (ĐCKmax) trong các vỉa thuộc công ty than Mạo Khê năm 2011 .....................................................................54 Bảng 9. Kết quả dự báo ĐCKmax ở mức khai thác sâu của một số vỉa thuộc mỏ than Mạo Khê ..................................................................................................55 Bảng 10. Xếp loại mỏ theo độ thoát khí mêtan tƣơng đối trong quá trình khai thác than hầm lò...............................................................................................56 Bảng 11. Các vỉa than có độ thoát khí mêtan tƣơng đối cao nhất ở mỏ than Mạo Khê ...57 Bảng 12. Các thông số quan trọng của máy khoan thăm dò ZM15 và máy khoan ZQS-55/5,5S. ...........................................................................................70 Bảng 13. Số lần đo tại các vị trí và cách tính nồng độ CH4 .............................................76 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Các nguồn sinh khí mêtan trên Trái đất. ...................................................................10 Hình 2. Quá trình thoát khí mêtan từ dƣới đáy biển lên khí quyển. .........................................11 Hình 3. Cấu trúc phân tử mêtan............................................................................................14 Hình 4. Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của hỗn hợp mêtan – không khí.....................................20 Hình 5. Vận tốc cháy của hỗn hợp mêtan – không khí. ..........................................................21 Hình 6. Khoảng cách tắt của mêtan ......................................................................................22 Hình 7. Giới hạn cháy nổ của khí mêtan theo nhiệt độ. ..........................................................23 Hình 8. Tác động của nhiệt độ đến giới hạn cháy dƣới của mêtan trong không khí tại áp suất khí quyển. ...........................................................................................24 Hình 9. Áp suất nổ và thời gian tăng áp của khí mêtan theo thời gian. ....................................24 Hình 10. Độ khốc liệt của vụ nổ mêtan phụ thuộc vào vị trí châm mồi ...................................25 Hình 11. Độ khốc liệt của mêtan phụ thuộc vào thể tích theo định luật khối lập phƣơng..........26 Hình 12. Giới hạn bắt lửa của mêtan ....................................................................................27 Hình 13. Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan – không khí ở 260C và áp suất khí quyển ........27 Hình 14. Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan - khí trơ - không khí ở 250C và áp suất khí quyển ....28 Hình 15. Mƣời nƣớc khai thác than nhiều nhất thế giới năm 2009..........................................33 Hình 16. Mƣời nƣớc tiêu thụ than nhiều nhất thế giới năm 2009. ...........................................34 Hình 17. Cung cầu than trên thế giới phân theo châu lục. ......................................................35 Hình 18. Sản lƣợng khai thác than của Việt Nam giai đoạn 1990 - 2008 ................................37 Hình 19. Thay đổi lịch sử trong “các tai nạn nổ khí” tại Nhật Bản..........................................44 Hình 20. Số lƣợng các mẫu than, khí đƣợc phân tích. ............................................................47 Hình 21. Số lƣợng các thiết bị đƣợc kiểm định giai đoạn 2007- 2012. ....................................47 Hình 22. Tƣơng quan giữa số vụ tai nạn, số ngƣời chết do cháy nổ khí mêtan với sản lƣợng khai thác than hầm lò giai đoạn 2000  2012 ...............................................48 Hình 23. Sơ đồ hệ thống giám sát khí mỏ tập trung của Nhật Bản. .........................................59 Hình 24. Trung tâm theo dõi khí mỏ của Công ty Than Mạo Khê. .........................................60 Hình 25. Cấu tạo bộ phận quang học. ...................................................................................61 Hình 26. Cấu tạo vỏ máy của máy đo khí quang học CJG-10. ...............................................62 6 Hình 27. Hình ảnh giao thoa ánh sáng trên bề mặt kính phẳng. ..............................................63 Hình 28. Mặt trƣớc và mặt sau của thiết bị VIELINA – ĐCT.01 ...........................................65 Hình 29. Sơ đồ khối mô tả nguyên lý làm việc của thiết bị đo cảnh báo khí mêtan độc lập VIELINA-ĐCT.01.....................................................................................66 Hình 30. Cấu tạo của bình dập lửa bọt khí kiểu O-5 ...........................................................67 Hình 31. Cấu tạo bình dập lửa O-8Y .................................................................................68 Hình 32. Cấu tạo của bình dập lửa bằng bột kiểu MFZ-4.......................................................69 Hình 33. Sơ đồ bố trí lỗ khoan thăm dò trong gƣơng lò chuẩn bị của công ty than Mạo Khê......71 Hình 34. Sơ đồ bố trí lỗ khoan thăm dò trong gƣơng lò chuẩn bị có độ chứa và độ thoát khí mêtan ở mức siêu hạng. ..............................................................................74 Hình 35. Sơ đồ bố trí lỗ khoan tháo khí trong gƣơng lò chợ có độ chứa và độ thoát khí mêtan ở mức siêu hạng. ..............................................................................75 Hình 36. Vị trí đo khí mêtan trong lò và số lần đo tại các vị trí. ..............................................77 Hình 37. Các ngăn hóa chất trên máy đo khí quang học CJG-10. ...........................................82 Hình 38. Thao tác kiểm tra độ thông thoát ống dẫn khí..........................................................82 Hình 39. Thao tác kiểm tra và điều chỉnh ống nhòm của máy đo khí quang học CJG-10.........83 Hình 40. Vị trí bật/tắt để khởi động máy của thiết bị VIELINA – ĐCT.01. ............................86 Hình 41. Vị trí hiệu chỉnh không (zero), chỉnh span trên thiết bị VIELINA – ĐCT.01 ............86 7 MỞ ĐẦU a. Lý do chọn đề tài Trong ngành than, hoạt động khai thác than luôn tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ mất an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí mêtan. Hoạt động khai thác than ngày càng xuống sâu, độ chứa khí mêtan lại tăng theo chiều sâu khai thác nên nguy hiểm về nổ khí, bục khí và phụt khí bất ngờ càng gia tăng. Lịch sử ngành than Việt Nam và thế giới đã chứng kiến nhiều vụ tai nạn thảm khốc do cháy nổ khí mêtan gây thiệt hại lớn về ngƣời và tài sản. Do đó, an toàn cháy nổ khí mêtan luôn đƣợc coi là vấn đề quan trọng trong khai thác than hầm lò, mức độ nguy hiểm về khí mêtan có ảnh hƣởng rất lớn đối với công tác khai thác than hầm lò và trong nhiều trƣờng hợp còn có ảnh hƣởng mang tính quyết định đến việc lựa chọn mô hình khai thác mỏ, mô hình hệ thống thông gió, chọn quạt và phƣơng pháp mở vỉa chuẩn bị. Vì những lý do trên, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan (CH4) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam”. b. Lịch sử nghiên cứu Mức độ nguy hiểm về khí mêtan góp phần quyết định phƣơng thức khai thác than, thiết bị khai thác than và sản lƣợng than khai thác nên vấn đề nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan luôn đƣợc ngành than Việt Nam và ngành than thế giới quan tâm, tìm ra những giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn lao động do cháy nổ khí mêtan gây ra. Ngành than Việt Nam cũng không ngừng phát triển lĩnh vực nghiên cứu về an toàn trong khai thác than và đƣa ra các giải pháp an toàn cho khai thác than hầm lò, điển hình là thông tƣ số 03/2011/TT-BCT do Bộ Công thƣơng ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò. Đồng thời ngành than Việt Nam còn không ngừng đầu tƣ trang thiết bị, chuyển giao công nghệ với Ba Lan, Nhật Bản về hệ thống giám sát khí mỏ, hệ thống trang thiết bị xác định độ chứa khí và độ thoát khí mêtan để bƣớc đầu phân loại mỏ theo độ nguy hiểm về khí mêtan, cảnh báo khí mêtan. c. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu * Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mêtan (CH4) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị. * Đối tượng nghiên cứu: Khí mêtan trong các hầm lò than. 8 * Phạm vi nghiên cứu: An toàn cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than nói chung và thuộc mỏ than Mạo Khê nói riêng. d. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu, luận văn thực hiện giải quyết các vấn đề dựa trên những luận điểm sau: + Tìm hiểu thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than. + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cháy nổ khí mêtan. + Nghiên cứu giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê. e. Phƣơng pháp nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với khảo sát và phân tích hiện trạng thực tế. Luận văn đƣợc hoàn thành tại Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Gia Mỹ. Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS.TS Trần Gia Mỹ. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Ban lãnh đạo Viện đào tạo sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, KS. Phan Kim Vinh cán bộ phòng Kỹ thuật thông gió, thoát nƣớc thuộc công ty Than Hồng Thái và KS. Lê Kim Hùng cán bộ phòng Kỹ thuật thông gió, thoát nƣớc thuộc công ty Than Mạo Khê. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các cơ quan, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Đến nay luận văn đã hoàn thành, song vì thời gian có hạn, nội dung nghiên cứu của đề tài là rất rộng nên việc giải quyết vấn đề còn hạn chế. Những tồn tại của luận văn tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện trong quá trình công tác. 9 CHƢƠNG 1. MÊTAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ 1.1. Sự hình thành mêtan Khí mêtan đƣợc sinh ra chủ yếu bởi các nguồn: - Từ quá trình phân hủy kị khí ở các vùng ngập nƣớc nhƣ đầm lầy, ao hồ, trầm tích mêtan dƣới đáy biển. - Từ chất thải chăn nuôi, từ dạ dày của các loài động vật nhai lại. - Từ hoạt động khai thác dầu mỏ, khai thác than, đốt nhiên liệu hóa thạch, chƣng cất than đá. Theo nghiên cứu của chƣơng trình băng mêtan Quốc gia của phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lƣợng Mỹ, các nguồn sinh khí mêtan đƣợc đánh giá bởi biểu đồ tròn trên hình 1. Hình 1. Các nguồn sinh khí mêtan trên Trái đất [12]. Nguồn sinh khí mêtan từ thiên nhiên do quá trình phân hủy vật chất hữu cơ ở các vùng đất ngập nƣớc, đầm lầy. Quá trình canh tác lúa nƣớc cũng là một trong những nguyên nhân gây phát thải khí mêtan. Diện tích đất ngập nƣớc ở nhiệt độ nóng ẩm là điều kiện tối ƣu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kị khí. Cƣờng độ phát thải khí mêtan cao nhất vào 9 tuần sau khi cấy (thời kỳ đẻ nhánh rộ), tốc độ phát thải giảm dần đến cuối vụ. Mùa khô lƣợng khí mêtan thải ra ít hơn mùa mƣa do chế độ nƣớc ít ngập hơn. Cƣờng độ phát thải khí mêtan ở các vùng đất là khác nhau, 10 phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, độ sâu, thời gian canh tác và phụ thuộc vào tính chất của đất (hàm lƣợng Mn, chất hữu cơ có trong đất và nồng độ pH) [12]. Ngoài ra, một nguồn khí mêtan khổng lồ khác cũng đƣợc hình thành từ việc phân hủy vật chất hữu cơ trong trầm tích đại dƣơng, tồn tại dƣới dạng methane hydrate (băng mêtan). Methane hydrate là thành phần phổ biến của đại quyển biển nông, và chúng hiện diện cả trong các cấu trúc trầm tích sâu, và lộ ra trên đáy đại dƣơng. Methane hydrate đƣợc giả thiết là do sự di cƣ của khí từ dƣới sâu đại dƣơng dọc theo các đứt gãy địa chất, tiếp theo là sự kết tủa hay kết tinh khi các dòng khí trồi lên tiếp xúc với nƣớc biển lạnh. Methane hydrate cũng có mặt trong lõi băng sâu ở Nam Cực. Ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, mêtan đƣợc giữ ổn định dƣới đáy đại dƣơng, nơi độ sâu của nƣớc từ 300m đến 500m. Tuy nhiên, sự nóng lên toàn cầu bởi hiệu ứng nhà kính tạo nguy cơ tan chảy băng mêtan dƣới đáy biển. Mặt khác, sự di chuyển của các khối lục địa và quá trình nâng cao thềm kiến tạo sẽ làm giảm áp suất dƣới đáy biển và có thể gây ra việc phát thải khí mêtan với quy mô lớn [12]. Hình 2 mô tả quá trình di chuyển của khí mêtan đông lạnh tích tụ sát đáy biển đến khí quyển: Hình 2. Quá trình thoát khí mêtan từ dƣới đáy biển lên khí quyển [12]. Trong chăn nuôi gia súc, đặc biệt là các loài nhai lại nhƣ bò , cừu, ngựa…, khí mêtan đƣợc thải ra chủ yếu trong quá trình tiêu hóa của chúng, mêtan đƣợc sản xuất trong dạ dày nhờ sự phân hủy yếm khí của hai loại vi khuẩn là methanogenic và 11 protozoa. Quá trình này gọi là quá trình lên men enteric. Lƣợng khí mêtan trung bình của một con cừu thải ra là 30 lít/ngày, của một con bò là 200 lít/ngày. Một lƣợng rất lớn khí mêtan đƣợc hình thành trong lòng đất cùng với sự hình thành của các nhiên liệu hóa thạch. Theo thời gian, các trầm tích, bùn, các mảnh vụn đá chồng chất tạo ra một áp suất rất lớn tác dụng lên vật chất hữu cơ (phần còn lại của cây cối hoặc động vật). Áp suất lớn kết hợp với nhiệt độ cao đã phá hủy các cấu trúc cacbon trong vật chất hữu cơ. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình hình thành mêtan do nhiệt. Càng xuống sâu dƣới lớp vỏ Trái đất thì nhiệt độ càng cao và lƣợng khí mêtan nguyên chất càng lớn.Trọng lƣợng riêng của khí mêtan thấp nên khí mêtan có xu hƣớng thoát lên phía trên bề mặt Trái đất qua các lớp nhiên liệu hóa thạch và các vật chất khác. Nhƣng khi gặp các cấu tạo địa chất có bẫy khí trong lòng đất thì khí mêtan bị giữ lại dƣới dạng các túi khí, với lƣợng khí mêtan lớn đƣợc gọi là bể chứa. Sự hình thành khí mêtan do nhiệt đồng hành với quá trình biến chất của than. Vì vậy khí mêtan luôn tồn tại trong các vỉa than. Hàm lƣợng khí mêtan trong các vỉa than tùy thuộc vào chủng loại than và quá trình hình thành than. Trong vỉa than, khí mêtan tồn tại dƣới hai dạng: - Dạng tự do: Khí mêtan tự do nằm ở các lỗ hổng, khe nứt trong than - Dạng hấp thụ: Khí mêtan đƣợc hấp thụ trong than theo kiểu hấp thụ hóa học và hấp thụ vật lý (trên cơ sở lực liên kết phân tử Vander valsa) Có ba hình thức thoát khí mêtan từ vỉa vào bầu không khí mỏ: - Hình thức 1: Thoát khí thông thƣờng. - Hình thức 2: Hiện tƣợng xì khí. - Hình thức 3: Hiện tƣợng phụt khí, thƣờng kèm theo phụt than (đây là hình thức nguy hiểm nhất). Trong các hầm lò khai thác than, do khối lƣợng riêng của khí mêtan (ρk = 0,717kg/m3) thấp hơn không khí (ρkk = 1,29kg/m3) nên chúng thƣờng tích tụ ở trên nóc lò hoặc những khoảng trống không đƣợc thông gió. 12 1.2. Tính chất vật lý của mêtan - Mêtan còn có tên gọi khác là khí đầm lầy hay khí bùn - Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị. - Mêtan nguyên chất không mùi, nhƣng trong công nghiệp, nó thƣờng đƣợc trộn với một lƣợng nhỏ các hợp chất chứa lƣu huỳnh có mùi mạnh nhƣ etyl mecaptan để dễ phát hiện trong trƣờng hợp bị rò rỉ. - Nhiệt cháy của mêtan: Nhiệt cháy là thông số đơn quan trọng quyết định tiềm năng nổ của bất kỳ hóa chất nào và nó chỉ phụ thuộc vào thành phần của chất phản ứng. Đây là lƣợng nhiệt đƣợc giải phóng trong quá trình phản ứng hóa học và có vai trò nhƣ một nguồn năng lƣợng để sinh ra công phá hủy của một vụ nổ. Nhiệt cháy của mêtan là 0,8826 MJ/mol = 55,164 MJ/mol (ở điều kiện áp suất là 1at và nhiệt độ là 298K) Một số tính chất vật lý cơ bản của mêtan đƣợc giới thiệu ở bảng 1. Bảng 1. Một số tính chất vật lý của mêtan Bề ngoài Khí trong suốt, lửa màu xanh da trời Khối lƣợng riêng(ở ĐKTC) 0,717 kg/m3 Điểm nóng chảy −182,5 °C (90,6 K) ở 1 atm Điểm sôi −161,5 °C (111,55 K) Nhiệt trị cao Ho 39 815 kJ/m3 Nhiệt trị thấp Hu 35 880 kJ/m3 Điểm ba thể 90,7 K và 0,117 bar NFPA 704(1) Nhiệt độ bắt lửa 610 °C Nhiệt độ cháy tối đa (trong không khí) 2148 °C 13 (1): NFPA 704 là một tiêu chuẩn được Hiệp hội phòng cháy quốc gia Hoa Kỳ đưa ra. NFPA 704 được đánh giá qua "hình thoi cháy", và được các nhân viên của bộ phận tình trạng khẩn cấp Hoa Kỳ sử dụng để nhanh chóng và dễ dàng xác định các rủi ro gây ra bởi các hóa chất nguy hiểm. Tiêu chuẩn này là cần thiết để xác định các phương tiện, thiết bị và thủ tục cần thiết phải thực hiện để giảm thiểu những rủi ro gây ra bởi hóa chất đó. Hình thoi được chia thành 4 phần với 4 màu mang ý nghĩa tượng trưng: màu xanh lam dùng để chỉ các nguy hiểm đối với sức khỏe, màu đỏ dùng để chỉ khả năng cháy, màu vàng dùng để chỉ khả năng phản ứng hóa học, và màu trắng chứa các mã đặc biệt cho các nguy hiểm lạ thường. Tất cả các khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe, khả năng cháy và phản ứng hóa học được đánh giá theo thang độ từ 0 (không nguy hiểm; chất thông thường) tới 4 (cực kỳ nguy hiểm). 1.3. Tính chất hóa học của mêtan Mêtan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất, là đại diện đơn giản nhất của nhóm ankan (hydrocacbon bão hòa) Cấu trúc phân tử khí mêtan thể hiện trên hình 3: nguyên tử cacbon ở vị trí trung tâm, có 4 cặp điện tử C-H đƣợc liên kết cứng (liên kết chặt chẽ với nhau) và giống nhau, với chiều dài liên kết bằng 0,1095nm; góc liên kết H-C-H là 1090 28’ Hình 3. Cấu trúc phân tử mêtan. 14 * Phản ứng cháy Trong phản ứng cháy của mêtan có một số bƣớc. Trƣớc tiên, mêtan tạo ra gốc metyl (CH3), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc H2CO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit. Quá trình này đƣợc gọi là sự nhiệt phân ôxi hoá: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (điều kiện đủ khí O2) Trong điều kiện thiếu khí O2 thì mêtan cháy theo các phản ứng sau, tùy lƣợng khí O2 có trong hỗn hợp khí cháy: CH4 + O2→ C (rắn) + 2H2O 2CH4 + 3O2→ 2CO + 4H2O Sau đó, hydro bị ôxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình này diễn ra rất nhanh, thƣờng chƣa tới một phần nghìn giây. H2 + ½ O 2 → H2 O Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO2 và giải phóng thêm nhiệt. Quá trình này chậm hơn quá trình trên và thƣờng mất vài phần nghìn giây để phản ứng. CO + ½ O2→ CO2 * Tác dụng với halogen Mêtan phản ứng với halogen cho ra metylhalogenic và axít halogenhidric, ví dụ mêtan phản ứng với clo trong ánh sáng khuếch tán theo nhiều giai đoạn : CH4+ Cl2→ CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl CH2Cl2 + Cl2 → CCl4 + HCl * Phản ứng phân hủy Mêtan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000oC và có chất xúc tác thích hợp: CH4 → C + 2H2 hoặc khi tác dụng với Cl2 dƣới ánh sáng trực tiếp : 15 CH4 + 2Cl2 → C + 4HCl Cách sản suất Từ nhôm cacbua Al4C3 Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4↑ Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4↑ Từ CH3-COONa (phản ứng vôi tôi xút) CH3-COONa + NaOH → Na2CO3 + CH4↑ Phản ứng trực tiếp có xúc tác niken (hiệu suất rất thấp) C + 2H2 → CH4 (phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác thích hợp, khi đó C dạng mịn có thể phản ứng với H2, phƣơng pháp này gọi là phƣơng pháp Bergius – Verfahren). Từ CO: CO + 3H2 → H2O + CH4↑ Từ đƣờng glucose (C6H12O6): C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 Phản ứng đồng thể hình thành khí mêtan: CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O (hơi) * Quá trình phân huỷ Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc hydroxyl (.OH): CH4 + ·OH → ·CH3 + H2O Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lƣu làm cho mêtan tồn tại khoảng 9,6 năm [10]. Kết luận chƣơng 1 Mêtan là khí có nguồn gốc hình thành rất phong phú, chủ yếu từ quá trình phân hủy kị khí của các vật chất hữu cơ dƣới nhiều hình thức khác nhau. Mêtan là khí có ảnh hƣởng rất lớn đến hệ sinh thái của trái đất, là một trong những tác nhân gây hiệu ứng 16 nhà kính. Trong hoạt động khai thác than hầm lò, khí mêtan luôn là mối nguy hiểm đe dọa, rình rập đến sự an toàn của ngƣời lao động vì khả năng cháy nổ rất cao của nó. Những tính chất lý – hóa của khí mêtan cho thấy rằng khí mêtan rất đặc biệt về khả năng tham gia phản ứng, cháy sinh ra nhiệt độ cao và áp suất lớn, đặc biệt trong môi trƣờng khai thác than hầm lò. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu khả năng cháy và nổ của khí mêtan là cần thiết để nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than. 17 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CHÁY VÀ NỔ CỦA KHÍ MÊTAN 2.1. Cháy khí mêtan [3] Cháy là quá trình hoá lý phức tạp, trong đó xảy ra các phản ứng hoá học có toả nhiệt và phát sáng. a, Phản ứng dây chuyền Theo Fristrom và Westenberg, phản ứng cháy mêtan gồm 16 bƣớc phản ứng sau [3]: Phân rã CH4: (1) CH4 + OH CH3 + H2O (2) CH4 + H CH3 + H2 (khi dƣ nhiên liệu) (3) CH4 + O CH3 + OH (chậm) Các phản ứng formaldehyd: (4) CH3 + O2 H2CO +OH (qua H3COO) (5) H2CO +OH HCO + H2O (6) HCO + OH CO + H2O (7) CH3 + O CO + … [thay (4)] Phân rã CO: (8) CO + OH CO2 + H Phân nhánh: (9) H + O2 OH + O (10) O + H2 OH + H (11) O + H2 O OH + OH Phản ứng dây chuyền: (12) H2 + OH H + H2 O Phản ứng tái hợp: (13) H+H+M H2 + M (khi dƣ mêtan) (14) O+O+M O2 + M 18 (15) H+O+M OH + M Kết thúc: (16) H + OH + M H2 O + M b, Cháy mêtan trong không khí Thành phần không khí gồm 21% O2 và 79% N2 nên tỉ lệ giữa các khí thành phần trong không khí là: Do đó, mêtan cháy trong không khí sẽ xảy ra phản ứng hóa học tổng hợp là: (17) CH4 + 2(O2 + 3,762N2) → CO2+ 2H2O + 2*3,762N2 Phản ứng trên cho thấy cứ 1m3 khí CH4 cháy cần có 2*(1+3,762) ≈ 9,5 m3 không khí (đây là lƣợng không khí lý thuyết): lo = 9,5 m3. Lƣợng không khí thực tế (ltt) thƣờng khác so với lƣợng không khí lý thuyết (ltt> lo hoặc llt< lo). , thông thƣờng n > 1. Hệ số tiêu hao không khí: Thể tích hỗn hợp khí cháy lý thuyết (khi cháy 1m3 khí mêtan) là: Vhh = 1 + 9,5 = 10,5 m3. Vậy tỉ lệ khí mêtan trong hỗn hợp khí cháy lý thuyết là (với n = 1): [ ] c, Nhiệt độ bắt lửa của khí mêtan Nhiệt độ bắt lửa là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hỗn hợp bắt đầu cháy đƣợc. Nhiệt độ bắt lửa của khí mêtan (với n = 1 ở áp suất khí quyển) là 6100C (giá trị này đƣợc xác định bằng thực nghiệm) [3]. Quá trình tự bắt lửa của mêtan phụ thuộc vào: - Thành phần hỗn hợp; - Năng lƣợng của nguồn kích thích; 19 d, Năng lượng bắt lửa tối thiểu Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu là nguồn năng lƣợng kích thích thấp nhất mà ở đó xảy ra sự bắt lửa. Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của mêtan đƣợc Lewis và v.Elbe xác định bằng thực nghiệm (kích thích cháy bằng tia lửa điện), thể hiện trên hình 4. Hình 4. Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của hỗn hợp mêtan – không khí [3]. Hỗn hợp mêtan – không khí có năng lƣợng bắt lửa tối thiểu nhỏ nhất bằng 2 kJ khi tỉ lệ mêtan trong hỗn hợp bằng 20% và . (Chỉ cần nguồn năng lƣợng kích thích 2 kJ thì hỗn hợp gồm 20% mêtan, 80% oxy sẽ bắt lửa). e, Vận tốc cháy Vận tốc cháy là vận tốc lan truyền của ngọn lửa trong không gian chứa hỗn hợp khí cháy, ngọn lửa từ nguồn kích thích lan truyền dần ra xung quanh đến hết không gian chứa hỗn hợp khí cháy. 20