在礦井廢氣中提取甲烷的探討

牛云龍 李振生

摘 要：煤礦排放的廢氣中含有大量的甲烷，直接排放既浪費資源又污染環(huán)境。在廢氣中提取甲烷，有很大的社會效益跟經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：礦井廢氣；提取甲烷；社會效益；經(jīng)濟效益

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.087

0 引言

煤炭生產(chǎn)企業(yè)，瓦斯礦、高瓦斯礦的井工生產(chǎn)礦井，每分鐘都會有數(shù)千乃至上萬立方米的廢氣源源不斷排出地面。廢氣中含有大量的甲烷氣體（CH4），含量一般為0.3%～0.5%。眾所周知甲烷氣體比空氣輕，會擴散至大氣層，對大氣造成影響，破壞臭氧層。甲烷的溫室效應(yīng)比二氧化碳大25倍。而甲烷又是工需民用的理想燃料和化工原料，在生態(tài)文明建設(shè)的今天，在礦井廢氣中提取甲烷，具有重要意義。

1 礦井廢氣中提取甲烷的技術(shù)流程

通常煤層含瓦斯量的測算方法是：取樣做煤的吸附性能實驗，求出吸附常量a、b值，并在井下相應(yīng)地點測定煤層的瓦斯壓力，以下列公式計算瓦斯含量：

式中：X—煤層瓦斯含量m3/t

a—吸附常數(shù)，試驗溫度下的極限吸附量m3/t

b—吸附常數(shù)Mpa-1

Aad—煤的灰分%

Mad—煤的水分%

k—煤的孔隙體積m3/m3

γ—煤的視密度

礦井瓦斯儲量計算：其公式為：

Wk=w1+w2+w3

式中：Wk—礦井瓦斯儲量Mm3

w1—可采煤層的瓦斯儲量總和Mm3

式中：A1i—礦井每一個可采煤層的煤炭儲量Mt

n—礦井可采煤層數(shù)

X1i—每一個可采煤層的瓦斯含量m3/t

W2—可采煤層采動影響范圍內(nèi)的不可采鄰近煤層的瓦斯儲量總和Mm3

A2i—可采煤層采動影響范圍內(nèi)每一個不可采煤層的煤炭儲量Mt

X2i—可采煤層采動影響范圍內(nèi)每一個不可采煤層的瓦斯含量m3/t

n—礦井可采煤層采動影響范圍內(nèi)的不可采煤層數(shù)

W3=圍巖瓦斯儲量Mm3 當(dāng)圍巖瓦斯很好時，W3=0若含瓦斯量多時，可實測或按下列公式計算：

式中：Q標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯抽采放量m3/min

Q測—測得的瓦斯抽放量m3/min

P1—測定的集氣包內(nèi)氣體絕對壓力

T1—測定時管道內(nèi)氣體絕對溫度 K

T1=t+273

t—測定時集氣包內(nèi)氣體攝氏溫度℃

P標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)絕對壓力101.352Kpa

T標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)絕對溫度（20+273）k

根據(jù)以上測量以及計算數(shù)據(jù)，對于一個采煤工作面絕對瓦斯涌出量小于5m3/min或者一個掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量小于3m3/min，礦井絕對瓦斯出量小于40m3/min的礦井，不需要建立地面永久瓦斯抽放系統(tǒng)或井下移動泵站瓦斯抽放系統(tǒng)時，在主要回風(fēng)井口建立如下甲烷采集系統(tǒng)是比較經(jīng)濟和合理的。

礦井廢氣中，除了N2、O2之外還有CO2、CH4、SO2、H2S等，這些氣體組成混合氣體，其中CH4分子量最小，比重最小，利用這一特征，可以實現(xiàn)定位收集、濃縮，其原理如圖1所示。

礦井廢氣由主通風(fēng)機擴散器排出，排出的氣體進(jìn)入集氣包，由于混合氣體中空氣的平均分子量為29，而CH4只有16，所以CH4集聚在集氣包上部，經(jīng)瓦斯抽放泵抽出進(jìn)入集氣罐進(jìn)行進(jìn)一步分離，再由集氣罐頂部送入下一道工序進(jìn)行濃縮處理，這樣可獲得高濃甲烷氣體。

集氣包在該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵，它的制作根據(jù)擴散氣體排出風(fēng)量、風(fēng)速設(shè)計，不得對主通風(fēng)機二次產(chǎn)生影響或影響微小。

集氣包制成多半球型，下部為全開放，便于氣體順利擴散，上部為封閉狀態(tài)，由瓦斯抽放泵在上部抽取。

集氣包的直徑應(yīng)根據(jù)擴散器出口風(fēng)速設(shè)計，風(fēng)速如下：

根據(jù)風(fēng)速找出擴散器出口風(fēng)流噴射距離S。根據(jù)S確定集氣包的直徑D，一般直徑D不小于S的3～5倍。集氣包的高度H約為直徑D減去擴散器的高度h，S的距離與擴散器擴散角、溫度等有關(guān)，計算很復(fù)雜，因此S可現(xiàn)場實測，也可粗略計算：

2 結(jié)束語

本文是筆者經(jīng)過長期思考所作的探討性研究，尚未進(jìn)行實地試驗，起一個拋磚引玉的作用，意在引導(dǎo)有志者做進(jìn)一步的研試，得出更準(zhǔn)確的數(shù)值，以變廢為寶，取得寶貴的燃?xì)赓Y源作出一點貢獻(xiàn)。