矿井乏风利用技术研究综述

摘 要：由于煤炭开采产生瓦斯气体，从而带来了环境污染问题。然而能源的匮乏则是当今世界比较棘手的问题，如何合理利用，节约利用能源，和开发新能源则成了人们研究的方向。因为总量的巨大，所以如何利用好乏风瓦斯技术对环境和能源方面有着重要的意义。本文主要介绍了不同的利用乏风瓦斯的技术，乏风瓦斯蓄热燃烧技术的特点和应用，总结前人的经验的同时结合自身特点利用先进技术更好地利用乏风瓦斯资源。

关键词：蓄热燃烧技术；矿井乏风瓦斯；甲烷

一、矿井乏风研究意义及现状

瓦斯是煤炭开采过程中伴生的一种可燃气体,主要由空气与甲烷组成的混合物。但是矿井乏风中的甲烷含量极低, 甲烷的体积分数一般为0.10%-0.75%,人们通常将其称为"乏风"。虽然风排瓦斯中甲烷含量极低, 但总量巨大, 约占我国煤矿排放甲烷的80%。这种浓度的瓦斯也不能直接燃烧, 所以长期以来只能向空气中排放。据统计, 我国每年通过乏风排入大气的甲烷相当于2000万吨原油或3000多万吨煤炭。因此,如果能够实现清洁排放, 将有助于我国二氧化碳等温室气体减排任务的实现。

1.1 研究的意义

(1)从排放上考虑，甲烷气体作为温室气体的一种，它的温室效应几乎是二氧化碳的20倍之多。所以清洁排放是乏风中首要考虑的一点。

(2)从能源上考虑，甲烷气体又是作为天然气的主要组成部分，有着相当高的热值，远远高于燃煤的热值。在当今能源匮乏的时代，节能对于人类的主旋律。

(3)从经济上考虑，到目前为止中国作为世界最大的煤层气排放国家，估计潜在的设计价格为380万美元，每年产生的电容为1300兆瓦，以目前价格每吨CO2当量3.00美元成本计算，销售的电量收益为430万美元。

1.2国内外不同浓度范围甲烷处理及利用现状

(1)CH4浓度在30 %～80 %之间的高浓度瓦斯,采用高浓度瓦斯发电机组发电。

(2)CH4浓度在6 %～30 %之间低浓度瓦斯,煤矿低浓度瓦斯安全输送及发电技术。

(3)CH4浓度在4 %～6 %之间的特低浓度的瓦斯采用燃油引燃式发电机组发电。

(4)CH4浓度在4 %以下的,与煤矿乏风混合后,氧化处理,先发电后制冷，制热,进行热量阶梯利用。显然,对于浓度低于1 %的矿井瓦斯的利用,各项技术的开发目前还处于研究和起步阶段。

1.3低浓度乏风瓦斯目前主要利用研究

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）电站锅炉内混燃烧

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Va les Point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。

（2）矿井乏风瓦斯的浓缩富集技术

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。目前对含有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。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。（3）用于稀燃燃气轮机的燃料

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。

（4）逆流氧化技术

煤矿通风瓦斯的气体利用技术:热逆流反应器，催化逆流反应器和整料催化反应器技术均可应用在煤矿通风瓦斯的分离工作中,此时三项技术所要求的煤矿通分甲烷气体含量最低值分别是0.2%,0.1%和0.3%。

瑞典MEGTEC公司的VOCSIDIZER系统在全世界已经安装了多套, 作为一种成熟的技术, 可以有效地减少各种工艺过程中排放的低浓度有机化合物, 但是大部分装置用于回收氧化污染物。加拿大的CANMET公司研制出了煤矿矿井专用的逆流式煤矿乏风催化氧化装置,主要区别是用了氧化催化剂。

二、 高温蓄热燃烧

煤矿通风瓦斯的气体利用技术:热逆流反应器技术,催化逆流反应器技术和整料催化反应，此时三项技术所要求的煤矿通分甲烷气体含量最低值分别是0.2% ,0.1%和0.3%。前两者技术主要的限制在于很难将可以进行发电的部分从煤矿通风瓦斯气体中吸取出来。因此,通常情况下这些技术只能降低甲烷气体的温室气体效应。

2.1 高温蓄热燃烧原理

逆流燃烧反应技术是一种新型燃烧技术,J. M. SomersH和L. Schultz等人对逆流氧化反应器进行了研究和开发，图1,2为原理图，其采用高效蜂窝蓄热体最大限度地回收高温烟气中的热量, 并将燃烧空气加热，使之进入燃烧室与燃料掺混后形成高温燃烧。由于这项技术突出的节能与环保优势, 已经在冶金和工业炉窑上得到广泛应用。

图1逆流氧化反应系统 图2催化氧化反应系统

催化逆流氧化反应是另一种燃烧技术。Shi Su,Jenny Agnew等人对催化逆流氧化反应原理进行了详细的阐述。如图2，在催化剂作用下,将甲烷的自燃温度降低到几百摄氏度以下低于350℃ 。可以把乏风甲烷当作燃料资源而加以利用。

2.2 高温蓄热燃烧实验装置

装置的研发原理是采用主要燃烧处理方法，利用蜂窝陶瓷蓄热体作为氧化床层，需要被燃烧处理的矿井乏风交替从装置的两端流经被预热的蜂窝陶瓷蓄热体构成的蓄热室，是甲烷燃烧，放出的热量一部分用来加热流体下游的蓄热室，用以维持蓄热室内高温，多余热量被换热器吸收，加热换热器内流动的水，产生热水或蒸汽，用以供热、制冷或发电。具体的工作过程如图3所示:

图3 矿井乏风蓄热燃烧工作原理图

在整个装置中，用蜂窝陶瓷蓄热体搭建的蓄热室是装置运行的中心部件。其工作原理相当于一个蓄热式的换热器。当高温流体流过蓄热体时，蓄热体被加热至高温，流体被冷却，此时流体的显热被储存在蓄热体中。紧接着，低温流体流过被加热的蓄热体，被预热至高温，而蓄热体则被冷却下来。如此往复循环，高温流体的物理显热被传递给被预热介质。在装置中，低温流体是需要被氧化处理的煤矿乏风，一般是常温常压气体。如图3所示，蓄热室两端各有一个三通阀，三通阀切换有一定的周期性。在同一周期，两三通阀呈对角切换。在三通阀切换的上半周期，左侧的三通阀和模拟乏风进气管道相通，与此同时，右侧三通阀和排气管道相通。此时，常温常压煤矿乏风通过左侧三通阀进入已经被加热到低浓度甲烷足以发生氧化反应的高温蓄热室，甲烷被氧化，放出热量，产生1000℃以上的高温烟气。高温烟气的热量一部分被下游的蜂窝陶瓷蓄热体吸收，使下游蓄热室维持低浓度甲烷氧化需要的温度；一部分热量被换热器带走，产生热水或蒸汽。经热量交换的高温烟气温度大为降低，经排烟管道排出。

下半个周期，左侧三通阀和排气管道相通，右侧三通阀与模拟乏风进气管道相通，煤矿乏风从蓄热室的右端进入蓄热室，重复上半周期的反应。如此切换，往复运行，使得煤矿乏风交替从蓄热室两端进入进行氧化，达到摧毁甲烷，利用热量的目的。当乏风中甲烷浓度高于一定值后，整个过程只需要在通入煤矿乏风前使用外热源加热蓄热室至氧化温度，不需要其他供热源，整个装置能够达到自维持运行。在装置中，预热蓄热室采用的是燃气启动方式。即使用可以燃烧天然气、高浓度瓦斯或丙烷等可燃气体的燃烧器，产生高温烟气，从蓄热室中部进入蓄热室，预热蓄热体床层。这种启动方式具有快速、经济、方便的特点。

从系统整体来看，乏风从蓄热室的一端进入，流经蜂窝陶瓷蓄热体构成的氧化床层，经过氧化处理后以低温烟气形式从蓄热室的另一端经排烟管道排出。在这一过程中，煤矿乏风经历了被预热、自燃氧化并放热、热量被蓄热体和换热器吸收、低温排放的步骤。当乏风中甲烷达到一定浓度时，其氧化放出的热量除了装置表面散热和烟气排放带走的热量之外，都被蓄热体和换热器吸收。若热量足够，蓄热体吸收的热量足以维持蓄热室的高温，能够使下半周期进入的乏风达到自燃温度，则系统可以自维持稳定运行。

近几年国内也开展类似研究工作。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初步探索, 并取得了一些原创性的成果。

2.3蓄热体研究

蓄热体安装在蓄热室内或直接安装在燃烧器内,是蓄热燃烧系统中的关键部件之一, 蓄热换热系统温度效益及热效率的高低, 直接取决于蓄热体的性能，蓄热体主要有蜂窝陶瓷、蓄热球和蓄热管3种。

影响蓄热室换热效果的因素较多，主要有换向时间、格孔结构、格孔尺寸、蓄热体长度（高度）、气体流速、供风效率等。其中换向时间的设定则是关系到蓄热室余热回收效果的关键因素之一，蜂窝蓄热体的结构形式、格孔尺寸、气体流速、蓄热室的结构和蓄热体布置方式等则是最佳换向时间、换热性能、供风效率等的重要影响参数，因而，有必要对具体的蓄热室进行相关的实验研究，以改善蓄热式燃烧系统的节能效果。然而，目前国内对蜂窝蓄热体的换热特性研究较少，有必要大力推进相应的研究工作。

(1)对于材料的研究，蓄热体材料的一般要求蓄热体在运行中长期经受高温作用，并且还有周期性的冷热转换，因此对蓄热体材料提出了很高的要，另外蓄热体运行中还可能会有堵塞等问题。基于以上原因，对蓄热体材料选择有以下要求: 耐高温、换热效果好、蓄热能力强、耐热冲击性好、耐氧化性好及运行效果好等。蜂窝陶瓷采用硅铝系耐火材料, 体积小, 质量轻,比表面积大, 耐火度高, 传热能力大, 直气流通道使得气流阻力损失很小。图4为蜂窝蓄热体实图，采用蜂窝陶瓷的蓄热室体积大大减小,可布置足够量的烧嘴, 满足热负荷需要。而蜂窝陶瓷的直气流通道与蓄热球的迷宫式通道相比更不易堵塞, 自洁性好,适用于我国燃烧不洁净的特点。

(2)对于蓄热体阻力的研究,对陶瓷蓄热体阻力性能进行实验研究，在几种不同工况下对蓄热体的阻力性能进行实验测试,并比较方孔蜂窝体、六边形蜂窝体和球体的换热器在同种工况下的性能差异。从气体阻力损失看，蜂窝状蓄热体为最小，通常在1000Pa 以下，而陶瓷球蓄热体的阻力损失通常达到4000Pa以上.在流速及截面积相同的条件下，只有球状的三分之一，这样可大大减小风机的动力消耗。张振兴,刘永启,高振强对方形、圆管形和六边形蓄热陶瓷体进行数值模拟,得出在相同孔密度和开孔率条件下,选用方形孔可以获得较好的蓄热能力,选用圆管形、六边形孔可以降低其压强损失。

(3)对于蓄热体换热的研究。目前蜂窝陶瓷蓄热体换热器的温度效率、热回收率等热性能进行了实验测试。对蓄热体最为关键的传热性能比较: 在相同条件下，将同质量的气体换热到同一温度所用的球状蓄热元件的体积是蜂窝状的3倍，也就是蜂窝状的体积可减少2/3。这有利于解决已有工业炉窑节能技改时经常遇到的炉体周围空间有限、大尺寸蓄热体排布困难的问题。

王皆腾，祁海鹰[19]等人实验研究了高温空气燃烧系统使用的蜂巢蓄热体热回收率性能参数及其随几何尺寸的变化规律提出供风效率的概念, 表征流经蓄热体的实际供风量与总供风量的差别, 并对热回收率进行了修正。饶荣水[20]用热力学分析的方法研究了蓄热式热交换器的热工特性，提出可用能效率比温度效率和热效率能更真实反映蓄热式热交换器的热工行为，并可用于指导蓄热式热交换器的优化设计。蓄热体运行的传热性能还与一些运行参数有关系。比如加大空气的流量可使传热系数增加，但注意的问题是随空气流量增加，传热系数增加的趋势变缓，且流动阻力增加。

四、结论

虽然国内外对于蓄热燃烧有所研究，但是主要以数值模拟或者以蓄热体研究为主，对于系统的完善和性能测试还有所不足。因此，为了开发矿井乏风蓄热燃烧系统，需要进行实验研究和性能的测试。

参考文献

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