矿井很有价值的超低浓度煤层气

矿井很有价值的超低浓度煤层气

砖瓦是煤矿安全生产的主要威胁。一般来说，屋顶通风法会向井中释放大量通风，形成大量的空气阻力。乏风瓦斯的主要成分甲烷既是一种优质的清洁能源,又是一种温室气体,所产生的温室效应是二氧化碳的21倍,对臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。目前,世界上几乎所有的超低浓度煤层气都未进行回收处理就直接排向大气,超低浓度煤层气的直接排放一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费,另一方面也加剧了大气污染和温室效应。在目前全球初级能源需求中,煤约占26%,而在中国则达62%,每年因采煤排放的甲烷在200亿m3以上,占世界采煤排放甲烷总量的45%,超过天然气西气东输的总量。其中,150多亿m3甲烷通过煤矿乏风排入大气当中。如果将此乏风瓦斯全部利用起来,约折合2300万tce,可以减排1.98亿t当量二氧化碳。因此,治理和利用煤矿乏风瓦斯,是我国充分利用能源、保护大气环境的需要,具有重大意义。矿井乏风具有以下三个特点:(1)乏风量巨大,一个典型煤矿主排风口的乏风量为600000～1000000m3/h;(2)矿井乏风中的瓦斯浓度非常低,一般在0.1%～0.75%范围内;(3)乏风量、瓦斯浓度波动范围大,超低浓度煤层气中的甲烷含量常受到矿井下煤层气含量、煤炭开采量、通风量等多种因素的影响,导致其中的甲烷浓度变化幅度较大,给超低浓度煤层气的利用带来了难度,这些特点决定了乏风瓦斯很难利用传统燃烧器直接进行燃烧。1低浓度瓦斯在术中的应用矿井乏风瓦斯浓度低是制约其利用的主要难题,其技术也都是围绕如何规模化治理和利用低浓度的瓦斯开展的。目前利用方法主要有电站锅炉内混燃烧、浓缩富集技术、用于稀燃燃气轮机的燃料以及逆流氧化技术。1.1混烧超低浓度煤气矿井乏风瓦斯作为辅助燃料,可取代空气用于锅炉的进风。超低浓度煤层气的主要成分为氧气、氮气和少量的可燃气体,可以作为辅助燃料在电站煤粉锅炉、循环流化床内混烧。澳大利亚新南威尔士州的ValesPoint电站实验了在煤粉锅炉上用超低浓度煤层气替代部分空气,证实了该技术的可行性。目前还没有在循环流化床锅炉中混烧超低浓度煤层气的实验研究,其技术可行性以及混烧超低浓度煤层气对流化床锅炉的影响有待于研究和证实。值得注意的是从矿井抽采出来的超低浓度煤层气的气体速率和浓度常是变化的,这就给锅炉燃烧的稳定性和电站操作条件带来了困难。同时,还要求电站建设离矿井较近,便于超低浓度煤层气的输送。1.2煤气的浓缩技术超低浓度煤层气的浓缩技术有流化床浓缩技术、变压吸附技术和膜分离技术。WarmuzinskiK等对含有0.2%～1.5%(体积分数)甲烷的超低浓度煤层气利用变压吸附技术进行了研究,变压吸附过程在两个柱状装置中进行,装置中堆积了5A的碳分子筛,在供气速率为0.49m3/s时获得的气体浓度是送气中甲烷浓度的2倍。对于超低浓度煤层气,无论采用何种浓缩技术,其富集的气体浓度仍很低,通常只能作为逆流反应器或者贫燃气轮机的进气,且富集气体的运行费用超过了气体浓度提升后所产生的经济收益,工业应用受到了限制。因此,超低浓度煤层气的浓缩提纯技术还应在降低成本费用、提高成品气的浓度方面进一步努力。1.3燃烧气轮机的工艺流程澳大利亚能源发展有限公司(EDL)开发的燃烧超低浓度煤层气的间壁回热式稀燃燃气轮机,利用从燃烧过程产生的热量来预热气体,使其达到自动点火的温度(700～1000℃),然后用燃烧气驱动气轮机。据报道,这种气轮机在甲烷体积分数高于1.6%时,就可以把气体加热到700℃,从而使系统能够连续运行,但它需要在矿井通风气中另外增加一定的甲烷来达到要求的浓度。进气在预热腔内被加热到450℃,然后燃烧腔又把燃料-空气混合物加热到着火点,燃料和气体通过不锈钢管通入到燃烧区,燃烧气体在钢管外加热来气,然后驱动气轮机。其缺点是需要添加大量的甲烷。1.4热回流氧化技术无论是电站锅炉内混燃烧、富集浓缩技术还是用于稀燃气轮机燃料,矿井乏风瓦斯都没能得到有效的规模化处理。目前有效的矿井乏风利用方法是采用逆流氧化技术。逆流氧化技术可分为热逆流反应(ThermalFlowReversalReactor,TFRR)和催化逆流反应(CatalyticFlowReversalReactor,CFRR)两种。总部设在瑞典的MEGTEC公司是最早开展TFRR技术研发的公司。该公司最初开发TFRR技术主要用于处理低浓度工业挥发性有机化合物(VOC),在全球共销售了600余套装置。TFRR在处理VOC时,需要补充添加天然气以维持运行。MEGTEC公司后来将该技术改进用于处理矿井乏风瓦斯。该技术的关键是要将送入反应器中的气体不断变换流动方向,使气体在蓄热氧化床中吸热升温,以保证氧化过程的自维持。TFRR的工作原理:首先将蓄热陶瓷氧化床加热到甲烷氧化温度,煤矿乏风以一个方向流入氧化床,气体被蓄热陶瓷加热,温度不断提高,直至甲烷氧化、放热。氧化后的热气体继续向前移动,把热量传递给蓄热陶瓷而逐渐降温。随着乏风气体的不断进入,氧化床入口侧温度逐渐降低,出口侧温度逐渐升高,直至气体流动在控制系统控制下自动换向。催化逆流氧化技术在设计和运行上有着相似之处。与TFRR相比,在换热器和热交换介质之间加了催化剂层,其目的是使风流中甲烷的自燃温度降低,使风流转向的周期延长。由于增加了催化剂层,也使得CFRR燃烧超低浓度煤层气的最低甲烷浓度有所降低。该技术的缺点是需要使用贵金属催化剂,增加了设备制造成本和维护费用。热逆流氧化与催化逆流氧化都是处理矿井乏风的有效方式,但是目前只有热逆流氧化技术得到了商业应用。从热逆流氧化与催化逆流氧化过程可以看出,乏风瓦斯氧化后产生的热量一部分用于自身氧化的维持,多余的热量可以取出并加以利用,不仅实现甲烷的零排放,而且实现资源化利用。目前的主要取热方法是将换热器布置在氧化床高温区附近,采用两种方式取热用于生产饱和蒸汽或过热蒸汽:(1)采用换热器取热;(2)直接取气。直接取气方法入锅炉过程中损失热量,并且热量转化为蒸汽时存在转化效率的问题,目前采用的主要是换热器取热。乏风瓦斯氧化床取热技术非常关键:取热量过少将造成氧化床温度偏高,降低装置运行的可靠性和热量的利用率;取热量过多将使氧化床温度过低,降低装置运行稳定性,严重时导致熄灭。这种适度取热完全不同于传统意义的换热器最大限度取热,换热器的设计依据也发生了变化。2矿井固热瓦斯发电技术研究及应用最早对矿井乏风瓦斯开展取热利用研究的是MEGTEC公司,MEGTEC公司于1994年在英国一家煤矿安装了一套试验装置,其矿井乏风的瓦斯浓度为0.3%～0.6%,流量为8000m3/h。该项目证实了利用TFRR技术氧化矿井乏风瓦斯和回收其中热量的可行性。2001年第二套试验装置安装在澳大利亚比和比拓公司(BHPBilliton)的Applin煤矿,进行工业示范性运行达一年之久。在该矿,矿井乏风中的瓦斯浓度高达1%,热逆流反应器的甲烷氧化率为95%,能量回收率为80%,生产热水。2004年澳大利亚比和比拓公司在WestCliff煤矿安装了4套MEGTEC公司的热逆流反应器,首次进行商业化运作。该项目通过氧化床内置换热器生产过热蒸汽,推动蒸汽涡轮发电机组发电。考虑到安全稳定运行的需要,氧化床内置的换热器构成传统蒸汽锅炉的一部分。发电蒸汽循环系统的其它部件都采用传统技术。该项目于2007年初开始运行,可以将WestCliff煤矿大约20%矿井乏风转化为有用的能源,发电能力为5MW,这是世界上首次利用矿井乏风瓦斯发电的大型项目。2005年2月,山东理工大学开始研究矿井乏风瓦斯热逆流氧化技术。在氧化蓄热陶瓷床蓄热特性、加热起动方法、热量提取方法、温度分布控制等方面进行了初步探索,并取得了一些原创性的成果。2006年4月,自主开发出了处理能力为200m3/h的小型卧式矿井乏风瓦斯热氧化试验装置,该装置通过计算机控制自动运行,稳定运行的最低瓦斯浓度为0.2%,可以生产热水和蒸汽,并通过了一个月的可靠性试验。2006年底,山东理工大学研制了处理能力为10000m3/h的卧式乏风瓦斯热氧化装置,并在胜动集团进行了模拟矿井乏风瓦斯的氧化试验,可以生产饱和蒸汽。2007年胜动集团将该装置