煤矿通风瓦斯氧化技术及氧化热利用方式

李海波

(龙煤七台河矿业有限公司新兴煤矿，黑龙江 七台河 154600)

我国能源消耗不断增多，提高能源利用水平、让有限的化石能源发挥更大的价值是行业工作者关注的重点。瓦斯主要成分为甲烷，其与煤层之间呈共生状态，资源储量极为丰富，但实际利用效率却极为不足，绝大多数被直接排放，如果煤炭开采过程没有及时将矿井内部瓦斯抽出或是矿井内部通风条件不足，极易引发重大矿难。甲烷直接排放会不断加剧温室效应，因此提高对煤矿内部瓦斯气体利用率、采取更为合理的手段使其发挥更高价值，对完善我国能源开采体系、发展高效能源利用技术具有重要意义。

1 我国煤矿通风瓦斯利用现状

相关数据统计显示，我国煤矿井下开采过程中，通风瓦斯排出量占比超过60%，其中甲烷总含量约为120亿m3，以一个百万吨级高瓦斯矿井为例，其每分钟通风瓦斯排出量超过6 000 m3，而甲烷排出量约为50 m3，每年甲烷排放量约为3 000万m3。通过数据可知，甲烷在通风瓦斯中占比很低，如果采用传统变压吸附法或变温吸附分离法很难对其进行提纯，其加温与加压过程所产生的能耗更是远远超出所提取的甲烷能源量，无论从经济利益角度还是能源利用角度来说，这些方式都不具备应用价值。通风瓦斯中甲烷含量比甲烷空燃比更高，所以实际操作也不能采用直接燃烧方式。提纯与燃烧均不具备良好的工程效应，因此很多企业将通风瓦斯直接排放，导致空气污染不断加剧，大量化石能源被消耗。

2 煤矿通风瓦斯氧化技术

2.1 热氧化技术

通风瓦斯热氧化技术需利用双向流反应器，在双向流反应器内部，气体与固体间发生再生热交换，进而形成能量转移，气体为通风瓦斯，固体为热交换介质床，床体+热交换单元+电加热单元共同组成双向流反应器核心构件。操作中，技术人员需要将双向流反应器与电源接通，将双向流反应器的核心加热至1 000℃以上，将通风瓦斯接入阀门打开，在鼓风机与通风管道引导下，通风瓦斯进入预加热区域，当温度上升至甲烷可自燃条件时，甲烷就会与空气中的氧气发生反应，进而释放出化学能，这些化学能将会对加热区域形成二次加热效果，氧化反应后的气体将会直接排出，而多余的热量将会被用于发电与供暖。

2.2 催化氧化技术

催化氧化技术需要利用流向交换催化氧化反应器，使催化剂与加热后的瓦斯气体发生氧化反应，进而释放热能，氧化后所形成的高压气体将会被用于发电。但是这种反应器体积很大，内部温度将会对设备运行带来不利影响，高温也会对设备自身造成一定危害。氧化时所产生的高温气体会使空气中的氮气与氧气发生反应，形成更具危害废气，加重环境污染。从结构角度分析，这种反应器为蓄热式催化反应器，催化剂床为其核心构件，而这一结构亦可有效降低甲烷气体氧化产生的温度，因此开发高效催化剂，确保通风瓦斯与氧气可在较低温度下发生氧化反应，是整个技术与装置的关键节点。其工作过程与热氧化技术相似，氧化过程释放的热能，一部分被用于维持整个装置的催化氧化过程，一部分被用于供暖与发电。

3 煤矿通风瓦斯氧化热利用方式

对煤矿通风瓦斯氧化热利用方式进行研究时，需要对氧化热利用方式及整体经济效益进行全面考量，结合煤矿通风瓦斯现场热电需求及通风瓦斯中甲烷含量，对操作工艺进行调整。相关研究数据表明，如果通风瓦斯内甲烷含量为0.41%，那么氧化反应所产生热能与维持氧化反应所需热能将会保持平衡。

以某矿井开采情况为例，其矿区拥有4个通风瓦斯排放井口，井口位置甲烷含量约为0.41%，结合井口位置通风瓦斯流量等数据，可安装两台通风瓦斯氧化装置，并安装配套附属热电与供暖装置。从工程效益角度分析，氧化装置安装后，不仅可为区域内提供相对可靠的电能与热能，亦可有效降低甲烷排放，降低煤炭资源消耗，增加就业岗位，促进区域经济结构合理调整。

3.1 氧化产热

根据现场调研所得数据，通风瓦斯内甲烷含量为0.41%，如果氧化反应过程产生的热能与保障氧化反应所需热能相等，那么可将氧化后产生的热量替代附属加热装置，达到减少额外资源投入、控制总体成本消耗并保障企业经济效益的目的。以我国相关行业最新技术指标为例，一台氧化装置每小时可处理5万m3通风瓦斯，每年甲烷氧化总量约为200万m3，可减少二氧化碳排放量3万t，减少煤炭资源消耗1 000 t。

3.2 氧化热供电

如果氧化装置内氧化过程产生的热能超过保障氧化反应所需热能，那么可将这些多余热能对锅炉进行加热，利用高温高压蒸汽推动发电机，为矿区工作人员及矿区生产过程提供电能，降低企业生产成本，提高能源利用效率，减少企业用电成本，既可实现节能减排目标，又可充分释放企业发展潜能。以我国相关行业最新技术指标为例，假设一台氧化装置每小时可处理5万m3通风瓦斯，而矿区内同时存在6台氧化装置，那么所产生的额外热量可推动1 000千瓦的蒸汽机发电，而一年所产生的电能为1 500万度，氧化甲烷量为1 500万m3。

3.3 氧化机制冷降温

如果矿区内工作区域存在制冷降温需求，且矿区通风瓦斯氧化过程所产生热量与制冷量需求相等，那么可通过对通风瓦斯氧化产热进行有效利用，有效削减矿区工作区域制冷压力，减少额外能源投入，煤矿开采企业自身的能源消耗与成本投入也将进一步下降，并产生一定的经济效益与社会效益。以当前我国相关行业最新技术指标为例，一台氧化装置每小时氧化处理能力为5万m3，那么每年可处理200万m3的甲烷，制冷总量为700万千瓦。

3.4 氧化反应产生的过热蒸汽

通常情况下，如果矿井内通风瓦斯含量超过0.5%，那么氧化反应产生的多余热能可有效满足发电与制冷、制热需求。煤矿企业可将氧化装置与热电装置有效融合，利用热电冷联合方式，使热蒸汽推动发电机供电，残余热量亦可为制冷装置提供能源。热电冷联合装置的出现，可有效提高通风瓦斯利用效果，实现能源清洁化与高效化使用，并减少污染排放，降低企业生产成本消耗。

4 展望

煤矿通风瓦斯甲烷氧化利用技术在节能减排及提升煤矿企业经济效益方面具有很高的利用价值，其对废弃能源的二次利用。可为未来能源利用方式创新提供有效参考，企业自身生产经营成本得到有效控制，温室气体排放量也大幅度削减，对于我国化石能源领域创新发展及“碳中和”目标的实现有着重要的借鉴意义。