煤礦通風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)及氧化熱利用方式

李海波

(龍煤七臺(tái)河礦業(yè)有限公司新興煤礦，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

我國(guó)能源消耗不斷增多，提高能源利用水平、讓有限的化石能源發(fā)揮更大的價(jià)值是行業(yè)工作者關(guān)注的重點(diǎn)。瓦斯主要成分為甲烷，其與煤層之間呈共生狀態(tài)，資源儲(chǔ)量極為豐富，但實(shí)際利用效率卻極為不足，絕大多數(shù)被直接排放，如果煤炭開采過程沒有及時(shí)將礦井內(nèi)部瓦斯抽出或是礦井內(nèi)部通風(fēng)條件不足，極易引發(fā)重大礦難。甲烷直接排放會(huì)不斷加劇溫室效應(yīng)，因此提高對(duì)煤礦內(nèi)部瓦斯氣體利用率、采取更為合理的手段使其發(fā)揮更高價(jià)值，對(duì)完善我國(guó)能源開采體系、發(fā)展高效能源利用技術(shù)具有重要意義。

1 我國(guó)煤礦通風(fēng)瓦斯利用現(xiàn)狀

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)煤礦井下開采過程中，通風(fēng)瓦斯排出量占比超過60%，其中甲烷總含量約為120億m3，以一個(gè)百萬噸級(jí)高瓦斯礦井為例，其每分鐘通風(fēng)瓦斯排出量超過6 000 m3，而甲烷排出量約為50 m3，每年甲烷排放量約為3 000萬m3。通過數(shù)據(jù)可知，甲烷在通風(fēng)瓦斯中占比很低，如果采用傳統(tǒng)變壓吸附法或變溫吸附分離法很難對(duì)其進(jìn)行提純，其加溫與加壓過程所產(chǎn)生的能耗更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所提取的甲烷能源量，無論從經(jīng)濟(jì)利益角度還是能源利用角度來說，這些方式都不具備應(yīng)用價(jià)值。通風(fēng)瓦斯中甲烷含量比甲烷空燃比更高，所以實(shí)際操作也不能采用直接燃燒方式。提純與燃燒均不具備良好的工程效應(yīng)，因此很多企業(yè)將通風(fēng)瓦斯直接排放，導(dǎo)致空氣污染不斷加劇，大量化石能源被消耗。

2 煤礦通風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)

2.1 熱氧化技術(shù)

通風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)需利用雙向流反應(yīng)器，在雙向流反應(yīng)器內(nèi)部，氣體與固體間發(fā)生再生熱交換，進(jìn)而形成能量轉(zhuǎn)移，氣體為通風(fēng)瓦斯，固體為熱交換介質(zhì)床，床體+熱交換單元+電加熱單元共同組成雙向流反應(yīng)器核心構(gòu)件。操作中，技術(shù)人員需要將雙向流反應(yīng)器與電源接通，將雙向流反應(yīng)器的核心加熱至1 000℃以上，將通風(fēng)瓦斯接入閥門打開，在鼓風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管道引導(dǎo)下，通風(fēng)瓦斯進(jìn)入預(yù)加熱區(qū)域，當(dāng)溫度上升至甲烷可自燃條件時(shí)，甲烷就會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而釋放出化學(xué)能，這些化學(xué)能將會(huì)對(duì)加熱區(qū)域形成二次加熱效果，氧化反應(yīng)后的氣體將會(huì)直接排出，而多余的熱量將會(huì)被用于發(fā)電與供暖。

2.2 催化氧化技術(shù)

催化氧化技術(shù)需要利用流向交換催化氧化反應(yīng)器，使催化劑與加熱后的瓦斯氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而釋放熱能，氧化后所形成的高壓氣體將會(huì)被用于發(fā)電。但是這種反應(yīng)器體積很大，內(nèi)部溫度將會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來不利影響，高溫也會(huì)對(duì)設(shè)備自身造成一定危害。氧化時(shí)所產(chǎn)生的高溫氣體會(huì)使空氣中的氮?dú)馀c氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成更具危害廢氣，加重環(huán)境污染。從結(jié)構(gòu)角度分析，這種反應(yīng)器為蓄熱式催化反應(yīng)器，催化劑床為其核心構(gòu)件，而這一結(jié)構(gòu)亦可有效降低甲烷氣體氧化產(chǎn)生的溫度，因此開發(fā)高效催化劑，確保通風(fēng)瓦斯與氧氣可在較低溫度下發(fā)生氧化反應(yīng)，是整個(gè)技術(shù)與裝置的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。其工作過程與熱氧化技術(shù)相似，氧化過程釋放的熱能，一部分被用于維持整個(gè)裝置的催化氧化過程，一部分被用于供暖與發(fā)電。

3 煤礦通風(fēng)瓦斯氧化熱利用方式

對(duì)煤礦通風(fēng)瓦斯氧化熱利用方式進(jìn)行研究時(shí)，需要對(duì)氧化熱利用方式及整體經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行全面考量，結(jié)合煤礦通風(fēng)瓦斯現(xiàn)場(chǎng)熱電需求及通風(fēng)瓦斯中甲烷含量，對(duì)操作工藝進(jìn)行調(diào)整。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，如果通風(fēng)瓦斯內(nèi)甲烷含量為0.41%，那么氧化反應(yīng)所產(chǎn)生熱能與維持氧化反應(yīng)所需熱能將會(huì)保持平衡。

以某礦井開采情況為例，其礦區(qū)擁有4個(gè)通風(fēng)瓦斯排放井口，井口位置甲烷含量約為0.41%，結(jié)合井口位置通風(fēng)瓦斯流量等數(shù)據(jù)，可安裝兩臺(tái)通風(fēng)瓦斯氧化裝置，并安裝配套附屬熱電與供暖裝置。從工程效益角度分析，氧化裝置安裝后，不僅可為區(qū)域內(nèi)提供相對(duì)可靠的電能與熱能，亦可有效降低甲烷排放，降低煤炭資源消耗，增加就業(yè)崗位，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整。

3.1 氧化產(chǎn)熱

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所得數(shù)據(jù)，通風(fēng)瓦斯內(nèi)甲烷含量為0.41%，如果氧化反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱能與保障氧化反應(yīng)所需熱能相等，那么可將氧化后產(chǎn)生的熱量替代附屬加熱裝置，達(dá)到減少額外資源投入、控制總體成本消耗并保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。以我國(guó)相關(guān)行業(yè)最新技術(shù)指標(biāo)為例，一臺(tái)氧化裝置每小時(shí)可處理5萬m3通風(fēng)瓦斯，每年甲烷氧化總量約為200萬m3，可減少二氧化碳排放量3萬t，減少煤炭資源消耗1 000 t。

3.2 氧化熱供電

如果氧化裝置內(nèi)氧化過程產(chǎn)生的熱能超過保障氧化反應(yīng)所需熱能，那么可將這些多余熱能對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱，利用高溫高壓蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)，為礦區(qū)工作人員及礦區(qū)生產(chǎn)過程提供電能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高能源利用效率，減少企業(yè)用電成本，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，又可充分釋放企業(yè)發(fā)展?jié)撃堋Ｒ晕覈?guó)相關(guān)行業(yè)最新技術(shù)指標(biāo)為例，假設(shè)一臺(tái)氧化裝置每小時(shí)可處理5萬m3通風(fēng)瓦斯，而礦區(qū)內(nèi)同時(shí)存在6臺(tái)氧化裝置，那么所產(chǎn)生的額外熱量可推動(dòng)1 000千瓦的蒸汽機(jī)發(fā)電，而一年所產(chǎn)生的電能為1 500萬度，氧化甲烷量為1 500萬m3。

3.3 氧化機(jī)制冷降溫

如果礦區(qū)內(nèi)工作區(qū)域存在制冷降溫需求，且礦區(qū)通風(fēng)瓦斯氧化過程所產(chǎn)生熱量與制冷量需求相等，那么可通過對(duì)通風(fēng)瓦斯氧化產(chǎn)熱進(jìn)行有效利用，有效削減礦區(qū)工作區(qū)域制冷壓力，減少額外能源投入，煤礦開采企業(yè)自身的能源消耗與成本投入也將進(jìn)一步下降，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。以當(dāng)前我國(guó)相關(guān)行業(yè)最新技術(shù)指標(biāo)為例，一臺(tái)氧化裝置每小時(shí)氧化處理能力為5萬m3，那么每年可處理200萬m3的甲烷，制冷總量為700萬千瓦。

3.4 氧化反應(yīng)產(chǎn)生的過熱蒸汽

通常情況下，如果礦井內(nèi)通風(fēng)瓦斯含量超過0.5%，那么氧化反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱能可有效滿足發(fā)電與制冷、制熱需求。煤礦企業(yè)可將氧化裝置與熱電裝置有效融合，利用熱電冷聯(lián)合方式，使熱蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，殘余熱量亦可為制冷裝置提供能源。熱電冷聯(lián)合裝置的出現(xiàn)，可有效提高通風(fēng)瓦斯利用效果，實(shí)現(xiàn)能源清潔化與高效化使用，并減少污染排放，降低企業(yè)生產(chǎn)成本消耗。

4 展望

煤礦通風(fēng)瓦斯甲烷氧化利用技術(shù)在節(jié)能減排及提升煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面具有很高的利用價(jià)值，其對(duì)廢棄能源的二次利用。可為未來能源利用方式創(chuàng)新提供有效參考，企業(yè)自身生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本得到有效控制，溫室氣體排放量也大幅度削減，對(duì)于我國(guó)化石能源領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展及“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要的借鑒意義。