煤矿通风瓦斯利用技术探讨

马　毅

(山西潞安矿业有限责任公司 ， 山西 长治　046204)



煤矿通风瓦斯利用技术探讨

马毅

(山西潞安矿业有限责任公司 ， 山西 长治046204)

摘要：探讨了目前煤矿通风瓦斯利用技术，重点介绍了主燃料利用技术中的热氧化技术和催化氧化技术，指出各技术的优劣。认为热氧化技术比较成熟，值得推广；催化氧化技术以其独特的优势在未来会有很好的发展。

关键词：通风瓦斯 ; 热氧化 ; 催化氧化

0前言

随着国民经济的迅猛发展，中国面临资源匮乏与环境恶化的双重压力，低品位资源的有效利用已经成为国家重大需求之一。我国以甲烷为主要成分的煤层气资源丰富，但利用率不到10%。而且由于未将煤矿矿井中的瓦斯及时抽出，导致重大矿难频频发生，造成大量人员伤亡。即使有些矿井通风良好，但煤矿乏风中低浓度甲烷所含的大量化学能未能得到有效利用。我国在煤矿生产中通过乏风每年排出近100～150亿m3纯甲烷，目前基本没有利用。一方面造成了资源的严重浪费；另一方面甲烷的温室效应约为等物质的量二氧化碳的21倍，直接排放到大气中加剧了温室效应。因此合理利用煤矿乏风中的低浓度瓦斯具有节能环保的双重意义[1]。20世纪80至90年代，国外开始研究通风瓦斯利用技术，我国对该研究技术起步较晚，目前通风瓦斯利用技术可以分为辅助燃料利用技术和主燃料利用技术。

1辅助燃料利用技术

辅助燃料利用技术是将煤矿通风瓦斯用于以其他燃料为主要燃料的应用中。比如以天然气、煤矿抽放瓦斯为燃料的发动机、汽轮机或其他锅炉等燃烧设备，利用矿井乏风作为设备运行时的外界空气源，以此达到利用和消耗瓦斯的目的。这类应用只能消耗极小部分的煤矿通风瓦斯。

辅助燃料应用技术的主要应用对象是燃气轮机、内燃机、大型锅炉等，也可用于煤矿风井附近的用能单位，在这些耗能设备的供风系统中引入矿井乏风，同空气一起送入炉中燃烧，可以降低燃料的使用，提高效率。但是这类项目只是概念示范，不容易进行大规模的应用和推广。

2主燃料利用技术

主燃料利用技术是将煤矿通风瓦斯作为主要燃料并且不依赖其他燃料就可以使设备连续正常运转。通常在理论上，这种技术是可以消耗掉全部的通风瓦斯。作为主燃料，国内外利用通风瓦斯主要有热氧化方法和催化氧化方法两种。相比辅助燃料利用技术，以风排瓦斯作为燃料加以利用，燃烧掉低浓度的甲烷得到化学反应热将会是更有效的利用方式[2-3]。

2.1热氧化技术

采用热氧化技术的设备是一种称作双向流反应器(Thermal Flow-Reversal Reactor，TFRR)的装置，其原理如图1所示，应用的是气体与固体间再生热交换原理，在这里气体为矿井乏风，固体是可高效存储于传输热量的热交换介质床。它的中心构成是电加热单元、床体(由石英或陶瓷制作的栅格构成)、热交换单元。

图1　热氧化原理示意图

运行过程如下：将反应器加热到1 000 ℃以上，打开阀1、阀4，用鼓风机将常温风排瓦斯引入到反应器内，下部经过预热的蓄热陶瓷将风排瓦斯加热到甲烷的自燃温度(约1 000 ℃)，使其中的甲烷和氧气发生化学反应，释放出化学反应热。一部分反应热加热上部的蓄热陶瓷，多余的热量可以向反应器外输出，可以用于供热和发电。经过一段时间(半个切换周期)，关闭阀1、阀4，打开阀2、阀3，已经加热了的蓄热陶瓷会将常温风排瓦斯加热到自燃温度(约为1 000 ℃)，以便用于维持氧化反应的连续进行。

最早开发逆流式热氧化装置的公司是瑞典的MEGTEC公司，早期装置主要用于氧化VOC，反应器命名为VOCSIDIZER。2002年在澳大利亚煤矿安装处理量为6 000 m3/h的试验装置，将风排瓦斯氧化释放的热量转化为高品质的热水或蒸汽用于取暖或发电。该公司又于2008年在郑州煤业集团安装了一套处理量为62 500 m3/h的装置，其甲烷体积分数为0.3%～0.7%。山西潞安集团高河煤矿于2013年建成一套乏风处理量为108万m3/h的装置用于发电。

2.2催化氧化技术

风排瓦斯催化氧化技术依靠流向变换催化氧化反应器(Catalytic Flow-Reversal Reactor， CFRR)来实现。

其原理示意图见图2。

图2　催化氧化技术示意图

催化氧化技术是在催化剂的作用下，使其在高压燃烧室中氧化，产生高压气体做功发电。此类反应器的开发有以下原因：①一般来说，反应器的体积巨大，内部又是高温，不利于整个设备的制造运行；②高温燃烧会使空气中的氮气发生反应，生成有害的废气和氮氧化物，污染环境。此反应器是一种蓄热式催化反应器。反应器内部有催化剂床层，使甲烷自燃的温度大幅度降低(350～800 ℃)，在较低温度下，甲烷和氧气能够发生反应，释放出化学反应热。催化氧化反应器的操作与热氧化反应器类似，也是采用经过一段时间(半个切换周期)切换阀门的开闭，来改变风排瓦斯在反应器内的流动方向，利用蓄热陶瓷蓄积的热量加热进入反应器内的常温风排瓦斯，使其达到反应温度以维持氧化反应连续进行。多余的热量可以向反应器外输出，用于供热和发电。加拿大的CANMET公司最先开发出催化氧化反应器工艺试验装置CH4MIN。我国研究流向变化催化氧化反应器的科研机构均来自化工类高校。浙江大学建立了内径60 mm、长2.8 m的实验装置研究流向变化催化氧化反应器的操作特性，并进行了简单的工艺计算。北京化工大学是国内最早研究流向变换催化氧化反应器的单位，已开展十余年研究工作，在流向变换原理研究和甲烷催化燃烧的催化剂开发方面做了大量工作。山西潞安集团五阳煤矿南丰工区于2013年建成一套30 000 m3/h的乏风瓦斯流向变换催化氧化制热模块化工业装置用于供热。

3结语

煤矿通风瓦斯蕴藏着巨大的能源，其开发利用将会带来巨大的经济效益和环保效益，今后将成为煤矿开发中的重要课题之一。政府应对此提供政策支持，完善法律法规体系，促进该产业发展。目前，热氧化技术相对比较成熟，已经在国内外很多煤矿中成功应用，取得了良好的收益，值得在我国煤矿中推广；催化氧化技术具有对甲烷浓度要求小，氮氧化物排放低等优势，值得深入研究，应着力开发合适的催化剂，使其能够满足低温活性和高温稳定性这两大要求。

参考文献：

[1]刘文革,张斌川,刘馨,等.中国煤矿区甲烷零排放[J].中国煤层气,2005,2(2):6-10.

[2]周亚东,贾志刚.催化氧化技术在风排瓦斯处理应用进展[J].石油化工设备,2011,40(4):45-48.

[3]董之润,王恒,张积浩,等.矿井通风瓦斯热氧化与催化氧化技术之比较[J].环境与可持续发展,2016(1):56-59.

收稿日期：2016-03-21

作者简介：马毅(1982- )，男，工程师，从事煤化工研究和管理工作，电话：15234592399。

中图分类号：TQ536.9

文献标识码：A

文章编号：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