煤矿低浓度甲烷利用技术研究进展

煤矿低浓度甲烷利用技术研究进展

尹敏敏

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摘要：甲烷对温室气体的影响比二氧化碳大25倍，而煤矿开采产生的低浓甲烷（特别是乏风）大量排放，而且直接排放到大气中，没有得到充分的利用，造成了能源的浪费和温室效应的恶化。因此，发展低浓度的甲烷利用技术，是实现能源高效利用、减轻温室效应的关键。对目前国内外低浓度甲烷利用技术的现状进行了分析，并对其发展前景进行了预测。综合了热氧化法中的辅助燃料燃烧技术和催化氧化法的优势，并将其应用于锅炉燃煤和乏风联合的催化燃烧。

关键词：温室效应；甲烷浓度较低；热氧化作用；催化氧化；逆流式反应器

0前言

随着社会和经济的迅速发展，温室气体的排放日益增多，气候变暖问题日益突出，对人们的生产、生活造成了极大的威胁。甲烷是全球第二大温室气体，它比CO2的温室效应高出25倍，而煤矿开采产生的甲烷大约有280亿立方米/a，也就是44亿吨的CO2，也就是人类排放的8%。目前，我国煤层气开发技术已较为成熟，瓦斯含量在30%以上，而低浓度甲烷利用技术尚处在研究开发阶段。尤其是煤矿乏风，由于其浓度较低（通常0.1%~0.75%)，其流动速度快，含有煤尘、硫化物、水分等，目前还没有成熟的开采技术，主要是直接排放到大气中。因此，发展高效的低耗甲烷，特别是无风利用技术，对于缓解温室效应、提高能源利用率，都有着十分重要的作用。从热氧化、催化氧化两个角度，对目前矿井中的低耗甲烷，特别是乏风的利用技术进行了较为详尽的论述，并对这些技术进行了总结。最后，提出了今后矿井低浓度甲烷利用技术的发展趋势。

1 热氧化技术

甲烷中的甲烷是最不活跃的烃类，其在燃烧时具有很高的稳定性；其激活能高达434.72焦耳/摩尔。热氧化工艺是把甲烷和气体预先混和到高温反应装置中，将其完全氧化成CO2和H2O。

1.1 主要燃料燃烧技术

以甲烷为主的燃烧技术是直接参与燃烧和氧化过程的一种燃烧技术。它由一种中间壁回热的燃气透平和一种热的逆向流动。

(1)间壁回热式燃气轮机

EDL研制的间壁回热型燃气涡轮机，其工作方式是通过在燃气中的高温对燃气进行预加热，从而实现燃气的自燃（700~10000摄氏度），再由燃气带动涡轮。其优势在于其升温速度较高，但其不利之处在于：

气体的质量控制是有条件的，当气体质量分数大于1.6%时，气体的质量变化会对发动机的寿命产生不利的作用。

(2) 热逆流反应器

首先，传热媒介由外热源进行加热，以达到所需要的反应温度，然后开启阀 A，关闭阀 B。甲烷与空气的混合气从上方流入反应器，在达到传热媒质后，由于传热媒介的高温，使传热媒介的传热速率不断提高，而上层传热媒介由于连续的恒温气流而逐渐下降。然后，气流的反向流动，混合气由 B阀的下部流入反应室，产生氧化性反应，再将热释放到上部的传热媒介，周而复始。本文介绍了一种新型的新型催化裂解技术，包括了催化裂解过程中的催化裂解、催化裂解、体系稳定、催化裂解等问题。兰波等对一种多层板式换热器进行了实验，结果表明，当进口流速110000Nm3/小时、1.02体积%的甲烷、450秒周期内，可以获得76.3%的能源。在高鹏飞等人的研究中，当甲烷浓度很小时，在90~120 s之间的转换周期对加热逆流反应器的操作稳定是有益的。毛明明等根据热流式换热器的设计原理，推导出了换热器在不同流速条件下的总损耗。在超过0.2 vol%时，可使热反流式反应器达到稳定的自加热，超过0.4 vol%时，其热量恢复较为平稳。与隔壁回热式燃气涡轮机相比，热反向流动反应器可以充分地发挥甲烷的作用，但仍然不能充分发挥甲烷在0.2 vol%以内的无氧气流，且其处理率不高，不适合于高负荷的无氧气流。

自从 MEGTEC于1994年在英国煤矿公司安装第一台 VOCSIDIZER反应炉后，国内和国际上都采用了这种技术。MEGTEC已在阿平因煤矿、韦斯特利夫煤矿等地建立了各种大小不一的设备。胜动公司在王营矿区等地开展了矿井无风热逆流氧化厂的工业性实验，并在义安矿山等地建设了各种规模的设备。淄柴公司在邯郸煤矿进行了一项工业试验，采用0.3%~1%的甲烷浓度，沈煤公司建设了200,000立方米/小时的乏风量。德国杜尔公司于2015年5月在潞安公司建成了世界上最大的贫风乏风电工程。采用常规燃油技术，可以充分发挥局部无氧气流，在较小的流速、较高的密度下进行一定程度的热量恢复，但其处理容量不大，不能充分发挥乏风的作用；这种问题可以通过附加燃油的技术来实现。

1.2辅助燃料燃烧技术

辅燃机燃烧技术是将甲烷与周围的气体一起送入燃气轮机、内燃机、锅炉等燃烧体系。在燃气涡轮和发动机中，它的作用是作为燃料，取代了周围的一些气体；而在混合燃烧中，则是采用了它的易燃性成分和氧。燃气涡轮采用的方法是将主燃油与含有少量甲烷成分的助燃气体通过压气机进入燃烧室内进行燃烧。

2 催化氧化技术

结果表明，在某些过渡金属晶面上，甲烷的表面活化能达到29.26-41.80 kJ/mol，大大低于均相中CH4分子 C- H键分解所必需的激活能，从而实现了在较低温度下进行甲烷的催化氧化。

2.1 贫燃催化燃烧燃气轮机

在这一理论的指导下， Pfefferle于1970年代将其引入到燃气涡轮机中，通过燃油滤清器过滤后，送至离心式压气机并进行加压，在回流式回热器中由涡轮出风口的余热进行加温，再将其送入燃烧室进行催化氧化，使其产生热量，使烟气升温至700~800摄氏度，在涡轮内部产生高温、高压的烟道，使涡轮产生电能，再将其冷却至500摄氏度，再将其送至循环式循环。

2.2整体催化燃烧反应器

整个催化式反应器（CMR）类似于蜂窝状的蜂窝状，它的整个骨架包括若干并联的并行管路，在管路内表面施加催化剂，反应在管路表面的涂料上进行。在超过0.3%的甲烷中， CMR可以实现持续运行，采用 CMR烟尘回收装置，使室内的温度达到500摄氏度。钟北京对含有铅的小型燃烧室中的天然气和气体的混合气体进行了数值仿真，结果表明，由于壁表面的热量损失较大，难以保持燃料的稳定；微孔直径的增加会降低反应速度。王连广通 FLUENT通过一个多规模的多尺度反应动力学分析，结果表明：在相同的孔隙浓度下，增加了催化剂的孔壁层，提高了反应产物的转化速率；然而，当孔内壁厚达到某一特定值时，其转化速率没有显著提高，故必须合理地选取孔内壁板的厚度。一体化催化燃烧装置具有低压力、大流量、大面积和高力学性能的优势，其独有的并连通通道构造在处理同等流量的甲烷中要比采用反向流动的方法更为简便；其不足之处在于，必须有一个回流炉来加热甲烷至反应的温度。

2.3反相催化装置

采用热反向流动技术可以有效地实现对乏空气的预加热，节约能源，但是无法实现超低耗的甲烷。除了多加一层催化剂之外，该催化逆向反应器的工作方式与热逆式反应器基本一致。第2种采用催化式逆向流动的方法，可以充分发挥甲烷在无气条件下的特点，但由于水蒸气、硫化物等会导致催化剂失去活性，因此 Javier Ferndez等开发了一种采用可回收式催化氧化技术来治理煤炭乏风的方法。为了防止在无氧空气进入催化剂前使硫化物等分离，从而防止催化剂失去活性， Chiara Urbani等已经开发了一个一体化的吸收式逆向流动。在甲烷含量大于0.06 vol%的情况下，采用热反流式反应器进行自热式循环系统。所以，在极少量的条件下，采用催化式逆流式反应器具有很大的优越性。同时，相对于热回流式反应器而言，操作温度更低，NOx排放更少。

3结语

最小值为0.2%以上，而在0.4%以上为最佳值。起始点：10000摄氏度

当甲烷含量超过1%时，在500摄氏度以上时，在500摄氏度以上的气体中，在0.06%~0.4%的范围内，在350~800摄氏度之间进行燃烧。综述了近几年我国天然气资源开发的发展状况，主要有： EDL间壁热循环燃气轮机、逆流反应器、燃气轮机、燃气轮机和燃气轮机；催化氧化法主要有燃气轮机、整体式催化燃烧室、催化逆向催化技术。今后对低耗甲烷的开发利用技术的发展具有重要意义。

参考文献：

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