乏风瓦斯提浓利用技术现状及展望

摘要：煤矿乏风中含甲烷浓度极低，不能直接利用，而且总量巨大，产生的温室效应显著，煤矿企业面临到巨大的减排压力。本文分析了乏风瓦斯利用的主要方法，提出了提浓后的主要利用途径。对乏风瓦斯提浓的科学技术进行整理分类，并且认为吸附分离技术是相对更有前景的技术途径。

关键词：乏风瓦斯；提浓技术；实施现状；碳减排

2014年11月12日，中美两国合作发表的《中美气候变化联合声明》中提出，中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值并且将努力早日达峰，还计划到2030年非化石能源[1]占一次能源消费比重提升到20%左右。

一、乏风瓦斯利用方法及提浓利用途径

（一）乏风瓦斯利用方法

1.主要燃料利用方法。该方法是处理乏风的最主要的技术方法。将乏风瓦斯浓度（甲烷体积分数）通过某些途径提高至约1%，使用热逆流氧化技术及催化贫燃燃气轮机发电技术来进行热能利用。

2.辅助燃料利用方法。对乏风瓦斯浓度没有要求，技术应用难度较小，仅适用距离煤矿通风井较近的情况，可利用的乏风量占整个煤炭行业乏风可利用风量的比例非常低。

3.生物过滤器方法。仅仅作为一种尝试性的研究，且该技术存在CH4溶解度小、空床停留时间长等问题，目前还在处于实验室研究阶段。

（二）乏风瓦斯提浓利用途径探讨

1.乏风提浓技术装备+乏风蓄热氧化/催化氧化利用技术装备

从煤矿通风井扩散塔所收集到的乏风，经过提浓技术装备，将乏风瓦斯浓度提高至约1%，然后送至乏风瓦斯蓄热氧化/催化氧化装置进行反应，以此产生多余的热量以烟气的形式送至余热锅炉，用于产生过热蒸汽，进行发电或制冷等方面

2.乏风提浓技术装备+乏风贫燃燃气轮机技术装备

从煤矿通风井扩散塔收集到的乏风，经过提浓技术装备，浓度提高至约1%，送到乏风贫燃催化燃气轮机系统，经过回热器预热，进入催化燃烧室中氧化释放热量，产生的高温烟气冲转透平发电。

二、乏风瓦斯提浓技术途径

（一）目前，可用于乏风瓦斯提浓的技术途径主要有深冷分离法、吸附分离法、吸收法、膜分离法、水合物合成分离法等。

1.深冷分离技术具有气甲烷纯度高、操作稳定可靠等许多优点，是我国煤层气分离、提浓的重要的发展方向，但同时应用该技术的条件较高，如低温条件、高能耗、高运行成本，以及高的操作要求等。只有在大規模生产时采用该技术才能够实现效益。

2.吸附分离法包括变压吸附分离法和变温吸附分离法。在提浓煤矿乏风瓦斯领域得到较多研究成果的是变压吸附技术和真空吸附技术，因为该技术在其他领域中已有较多成熟应用，并且运行稳定，操作安全可靠

3.吸收法是利用气体混合物中不同组分在同种溶剂中溶解度不同，从而实现不同气体组分离的方法。吸收法分离提纯CO2在工业中已得到广泛的应用，技术已经十分成熟。

4.气体膜分离技术是在压力驱动下，利用混合气体中不同组分在膜表面渗透速率差进行分离。近些年来，在工业领域，膜法富氧及膜法富氮等许多技术陆续被成功应用，使膜分离技术分离CH4/N2成为可能。

三、乏风瓦斯提浓技术研究现状

（一）国外研究实施现状

澳大利亚联邦研究院等人使用不同基团的活性炭纤维[3]、酚醛树脂以及其他材料，在实验室制备了一种整体结构的活性炭纤维复合吸附剂（HMCFC），结果表明，HMCFC吸附剂在吸附过程中性能最好的一组材料对甲烷的单位饱和吸附容量为2.7×10-4g/g。同时将HMCFC的吸附性能同活性炭等其他吸附材料进行对比，最终认为其试制的HMCFC吸附剂可将甲烷的吸附能力提升1倍。通过真空脱附，可以将乏风瓦斯浓度提升至10倍以上。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的JihanKim等人采用分子模拟方法进行了吸附剂材料的实验室研究，开展了2种不同物质系统———液体溶剂（包括离子性液体）和纳米结构沸石[4]捕获甲烷的系统研究。设计出一种沸石结构的吸附剂，并针对浓度为1%的模拟乏风气体进行了性能测试。但目前研究仅限实验室设计阶段，未有实际应用。

（二）国内研究实施现状

大连理工大学的雷利春使用H2/CH4/N2的混合气体来模拟乏风气体，测定CH和N在5种不同的吸附剂上吸附穿透曲线，经过计算得到吸附剂对CH4的吸附量和对CH4/N2的分离系数，筛选出吸附剂，并开展了工艺研究。试验结果表明，在一定的均压时间可将乏风中CH4浓度从0.503%提升到1.13%左右。

北京科技大学的刘向军等展开了乏风甲烷分离提浓过程的数值模拟研究，建立了乏风二维流动、吸附传质的数学模型，对活性炭吸附床吸附提浓特性进行了简要分析，优化回收时间，并对不同乏风浓度情况进行了对比。

四、展望

通过对乏风瓦斯提浓可用技术途径的了解，比较得出目前较有可行性的研究方向为真空吸附技术与变温吸附技术，特别是变温吸附技术。当采用了变温吸附技术用于乏风瓦斯提浓时，其脱附工艺流程消耗的热能可以由后端的乏风蓄热氧化/催化氧化装置，或者是贫燃催化燃气轮机系统的废热烟气提供，能量较容易获得，在提升后端余热能源利用效率的同时，同时可显著降低吸附系统的能耗指标，实现整体的经济效益最大化的目标。

从长远角度来看，乏风瓦斯作为煤炭产业最大的甲烷排放源，国家势必会出台相关的利用、碳减排补贴以及碳交易政策。通过吸附分离方式提升乏风中甲烷浓度，使得提浓后的乏风瓦斯浓度适合蓄热氧化/催化氧化装置或贫燃催化燃气轮机利用，就可解决乏风瓦斯利用的瓶颈问题，为乏风瓦斯利用系统供给稳定气源，帮助煤炭行业更好更快地实现节能减排的目标。

结语

乏风瓦斯提浓利用技术在现今许多行业当中具有广泛的应用，根据上文的研究，可以发现其在重工业当中也具有比较好的应用价值，在实际生产中，我们需要能够对该技术做好把握，通过其在重行业当中的恰当应用进一步提升工作效果。

参考文献：

[1]高虎，时璟丽.2018年我国非化石能源发展形势及2019年展望[J].中国能源，2019，41（2）：4-8.

[2]穆丽霞，侯晓琳.论《联合国气候变化框架公约》下美国的国际碳减排责任[J].胜利油田党校学报，2018，31（2）：47-51.

[3]王健，杨天鹏，金达莱，等.活性炭纤维网状体负载金属硫化物及其电化学性能[J].浙江理工大学学报（自然科学版），2019，41（3）：327-332.

[4]高禾鑫，李鹏，李彪，等.纳米片状P沸石的合成及其结构特征[J].硅酸盐学报，2018，46（5）：723-730.

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