煤礦通風瓦斯利用技術探討

馬　毅

(山西潞安礦業(yè)有限責任公司 ， 山西 長治　046204)

?

煤礦通風瓦斯利用技術探討

馬毅

(山西潞安礦業(yè)有限責任公司 ， 山西 長治046204)

摘要：探討了目前煤礦通風瓦斯利用技術，重點介紹了主燃料利用技術中的熱氧化技術和催化氧化技術，指出各技術的優(yōu)劣。認為熱氧化技術比較成熟，值得推廣；催化氧化技術以其獨特的優(yōu)勢在未來會有很好的發(fā)展。

關鍵詞：通風瓦斯 ; 熱氧化 ; 催化氧化

0前言

隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，中國面臨資源匱乏與環(huán)境惡化的雙重壓力，低品位資源的有效利用已經(jīng)成為國家重大需求之一。我國以甲烷為主要成分的煤層氣資源豐富，但利用率不到10%。而且由于未將煤礦礦井中的瓦斯及時抽出，導致重大礦難頻頻發(fā)生，造成大量人員傷亡。即使有些礦井通風良好，但煤礦乏風中低濃度甲烷所含的大量化學能未能得到有效利用。我國在煤礦生產(chǎn)中通過乏風每年排出近100～150億m3純甲烷，目前基本沒有利用。一方面造成了資源的嚴重浪費；另一方面甲烷的溫室效應約為等物質(zhì)的量二氧化碳的21倍，直接排放到大氣中加劇了溫室效應。因此合理利用煤礦乏風中的低濃度瓦斯具有節(jié)能環(huán)保的雙重意義[1]。20世紀80至90年代，國外開始研究通風瓦斯利用技術，我國對該研究技術起步較晚，目前通風瓦斯利用技術可以分為輔助燃料利用技術和主燃料利用技術。

1輔助燃料利用技術

輔助燃料利用技術是將煤礦通風瓦斯用于以其他燃料為主要燃料的應用中。比如以天然氣、煤礦抽放瓦斯為燃料的發(fā)動機、汽輪機或其他鍋爐等燃燒設備，利用礦井乏風作為設備運行時的外界空氣源，以此達到利用和消耗瓦斯的目的。這類應用只能消耗極小部分的煤礦通風瓦斯。

輔助燃料應用技術的主要應用對象是燃氣輪機、內(nèi)燃機、大型鍋爐等，也可用于煤礦風井附近的用能單位，在這些耗能設備的供風系統(tǒng)中引入礦井乏風，同空氣一起送入爐中燃燒，可以降低燃料的使用，提高效率。但是這類項目只是概念示范，不容易進行大規(guī)模的應用和推廣。

2主燃料利用技術

主燃料利用技術是將煤礦通風瓦斯作為主要燃料并且不依賴其他燃料就可以使設備連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。通常在理論上，這種技術是可以消耗掉全部的通風瓦斯。作為主燃料，國內(nèi)外利用通風瓦斯主要有熱氧化方法和催化氧化方法兩種。相比輔助燃料利用技術，以風排瓦斯作為燃料加以利用，燃燒掉低濃度的甲烷得到化學反應熱將會是更有效的利用方式[2-3]。

2.1熱氧化技術

采用熱氧化技術的設備是一種稱作雙向流反應器(Thermal Flow-Reversal Reactor，TFRR)的裝置，其原理如圖1所示，應用的是氣體與固體間再生熱交換原理，在這里氣體為礦井乏風，固體是可高效存儲于傳輸熱量的熱交換介質(zhì)床。它的中心構成是電加熱單元、床體(由石英或陶瓷制作的柵格構成)、熱交換單元。

圖1　熱氧化原理示意圖

運行過程如下：將反應器加熱到1 000 ℃以上，打開閥1、閥4，用鼓風機將常溫風排瓦斯引入到反應器內(nèi)，下部經(jīng)過預熱的蓄熱陶瓷將風排瓦斯加熱到甲烷的自燃溫度(約1 000 ℃)，使其中的甲烷和氧氣發(fā)生化學反應，釋放出化學反應熱。一部分反應熱加熱上部的蓄熱陶瓷，多余的熱量可以向反應器外輸出，可以用于供熱和發(fā)電。經(jīng)過一段時間(半個切換周期)，關閉閥1、閥4，打開閥2、閥3，已經(jīng)加熱了的蓄熱陶瓷會將常溫風排瓦斯加熱到自燃溫度(約為1 000 ℃)，以便用于維持氧化反應的連續(xù)進行。

最早開發(fā)逆流式熱氧化裝置的公司是瑞典的MEGTEC公司，早期裝置主要用于氧化VOC，反應器命名為VOCSIDIZER。2002年在澳大利亞煤礦安裝處理量為6 000 m3/h的試驗裝置，將風排瓦斯氧化釋放的熱量轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的熱水或蒸汽用于取暖或發(fā)電。該公司又于2008年在鄭州煤業(yè)集團安裝了一套處理量為62 500 m3/h的裝置，其甲烷體積分數(shù)為0.3%～0.7%。山西潞安集團高河煤礦于2013年建成一套乏風處理量為108萬m3/h的裝置用于發(fā)電。

2.2催化氧化技術

風排瓦斯催化氧化技術依靠流向變換催化氧化反應器(Catalytic Flow-Reversal Reactor， CFRR)來實現(xiàn)。

其原理示意圖見圖2。

圖2　催化氧化技術示意圖

催化氧化技術是在催化劑的作用下，使其在高壓燃燒室中氧化，產(chǎn)生高壓氣體做功發(fā)電。此類反應器的開發(fā)有以下原因：①一般來說，反應器的體積巨大，內(nèi)部又是高溫，不利于整個設備的制造運行；②高溫燃燒會使空氣中的氮氣發(fā)生反應，生成有害的廢氣和氮氧化物，污染環(huán)境。此反應器是一種蓄熱式催化反應器。反應器內(nèi)部有催化劑床層，使甲烷自燃的溫度大幅度降低(350～800 ℃)，在較低溫度下，甲烷和氧氣能夠發(fā)生反應，釋放出化學反應熱。催化氧化反應器的操作與熱氧化反應器類似，也是采用經(jīng)過一段時間(半個切換周期)切換閥門的開閉，來改變風排瓦斯在反應器內(nèi)的流動方向，利用蓄熱陶瓷蓄積的熱量加熱進入反應器內(nèi)的常溫風排瓦斯，使其達到反應溫度以維持氧化反應連續(xù)進行。多余的熱量可以向反應器外輸出，用于供熱和發(fā)電。加拿大的CANMET公司最先開發(fā)出催化氧化反應器工藝試驗裝置CH4MIN。我國研究流向變化催化氧化反應器的科研機構均來自化工類高校。浙江大學建立了內(nèi)徑60 mm、長2.8 m的實驗裝置研究流向變化催化氧化反應器的操作特性，并進行了簡單的工藝計算。北京化工大學是國內(nèi)最早研究流向變換催化氧化反應器的單位，已開展十余年研究工作，在流向變換原理研究和甲烷催化燃燒的催化劑開發(fā)方面做了大量工作。山西潞安集團五陽煤礦南豐工區(qū)于2013年建成一套30 000 m3/h的乏風瓦斯流向變換催化氧化制熱模塊化工業(yè)裝置用于供熱。

3結語

煤礦通風瓦斯蘊藏著巨大的能源，其開發(fā)利用將會帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，今后將成為煤礦開發(fā)中的重要課題之一。政府應對此提供政策支持，完善法律法規(guī)體系，促進該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，熱氧化技術相對比較成熟，已經(jīng)在國內(nèi)外很多煤礦中成功應用，取得了良好的收益，值得在我國煤礦中推廣；催化氧化技術具有對甲烷濃度要求小，氮氧化物排放低等優(yōu)勢，值得深入研究，應著力開發(fā)合適的催化劑，使其能夠滿足低溫活性和高溫穩(wěn)定性這兩大要求。

參考文獻：

[1]劉文革,張斌川,劉馨,等.中國煤礦區(qū)甲烷零排放[J].中國煤層氣,2005,2(2):6-10.

[2]周亞東,賈志剛.催化氧化技術在風排瓦斯處理應用進展[J].石油化工設備,2011,40(4):45-48.

[3]董之潤,王恒,張積浩,等.礦井通風瓦斯熱氧化與催化氧化技術之比較[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2016(1):56-59.

收稿日期：2016-03-21

作者簡介：馬毅(1982- )，男，工程師，從事煤化工研究和管理工作，電話：15234592399。

中圖分類號：TQ536.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3467(2016)05-0021-03

Discussion on Utilization Technology of Coal Mine Ventilation Air Methane

Ma Yi

(Shanxi Lu′an Mining Co.Ltd , Changzhi046204 , China)

Abstract:The coal mine ventilation air methane utilization technology is discussed,thermal oxidation and catalytic oxidation technology which used in the main fuel utilization technology are focused on,the advantages and disadvantages of each technology are pointed out.Thermal oxidation technology is relatively mature,and it’s worthy to be popularized.The catalytic oxidation technology with its unique advantages will have a good development in the future.

Key words:ventilation air methane ; thermal oxidation ; catalytic oxidation