煤矿低浓度甲烷利用技术研究进展

煤矿低浓度甲烷利用技术研究进展

摘要：甲烷对温室气体的影响比二氧化碳大25倍，而煤矿开采产生的低浓

甲烷（特别是乏风）大量排放，而且直接排放到大气中，没有得到充分的利用，

造成了能源的浪费和温室效应的恶化。因此，发展低浓度的甲烷利用技术，是实

现能源高效利用、减轻温室效应的关键。对目前国内外低浓度甲烷利用技术的现

状进行了分析，并对其发展前景进行了预测。综合了热氧化法中的辅助燃料燃烧

技术和催化氧化法的优势，并将其应用于锅炉燃煤和乏风联合的催化燃烧。

关键词：温室效应；甲烷浓度较低；热氧化作用；催化氧化；逆流式反应器

0前言

随着社会和经济的迅速发展，温室气体的排放日益增多，气候变暖问题日益

突出，对人们的生产、生活造成了极大的威胁。甲烷是全球第二大温室气体，它

比CO2的温室效应高出25倍，而煤矿开采产生的甲烷大约有280亿立方米/a，

也就是44亿吨的CO2，也就是人类排放的8%。目前，我国煤层气开发技术已较

为成熟，瓦斯含量在30%以上，而低浓度甲烷利用技术尚处在研究开发阶段。尤

其是煤矿乏风，由于其浓度较低（通常0.1%~0.75%)，其流动速度快，含有煤尘、硫化物、水分等，目前还没有成熟的开采技术，主要是直接排放到大气中。因此，发展高效的低耗甲烷，特别是无风利用技术，对于缓解温室效应、提高能源利用率，都有着十分重要的作用。从热氧化、催化氧化两个角度，对目前矿井中的低

耗甲烷，特别是乏风的利用技术进行了较为详尽的论述，并对这些技术进行了总结。最后，提出了今后矿井低浓度甲烷利用技术的发展趋势。

1 热氧化技术

甲烷中的甲烷是最不活跃的烃类，其在燃烧时具有很高的稳定性；其激活能

高达434.72焦耳/摩尔。热氧化工艺是把甲烷和气体预先混和到高温反应装置中，将其完全氧化成CO2和H2O。

1.1 主要燃料燃烧技术

以甲烷为主的燃烧技术是直接参与燃烧和氧化过程的一种燃烧技术。它由一

种中间壁回热的燃气透平和一种热的逆向流动。

(1)间壁回热式燃气轮机

EDL研制的间壁回热型燃气涡轮机，其工作方式是通过在燃气中的高温对燃

气进行预加热，从而实现燃气的自燃（700~10000摄氏度），再由燃气带动涡轮。其优势在于其升温速度较高，但其不利之处在于：

气体的质量控制是有条件的，当气体质量分数大于1.6%时，气体的质量变化

会对发动机的寿命产生不利的作用。

(2) 热逆流反应器

首先，传热媒介由外热源进行加热，以达到所需要的反应温度，然后开启阀A，关闭阀 B。甲烷与空气的混合气从上方流入反应器，在达到传热媒质后，由

于传热媒介的高温，使传热媒介的传热速率不断提高，而上层传热媒介由于连续

的恒温气流而逐渐下降。然后，气流的反向流动，混合气由 B阀的下部流入反应室，产生氧化性反应，再将热释放到上部的传热媒介，周而复始。本文介绍了一

种新型的新型催化裂解技术，包括了催化裂解过程中的催化裂解、催化裂解、体

系稳定、催化裂解等问题。兰波等对一种多层板式换热器进行了实验，结果表明，当进口流速110000Nm3/小时、1.02体积%的甲烷、450秒周期内，可以获得76.3%的能源。在高鹏飞等人的研究中，当甲烷浓度很小时，在90~120 s之间的转换

周期对加热逆流反应器的操作稳定是有益的。毛明明等根据热流式换热器的设计

原理，推导出了换热器在不同流速条件下的总损耗。在超过0.2 vol%时，可使热

反流式反应器达到稳定的自加热，超过0.4 vol%时，其热量恢复较为平稳。与隔

壁回热式燃气涡轮机相比，热反向流动反应器可以充分地发挥甲烷的作用，但仍

然不能充分发挥甲烷在0.2 vol%以内的无氧气流，且其处理率不高，不适合于高

负荷的无氧气流。

自从 MEGTEC于1994年在英国煤矿公司安装第一台 VOCSIDIZER反应炉后，国内和国际上都采用了这种技术。MEGTEC已在阿平因煤矿、韦斯特利夫煤矿等地建立了各种大小不一的设备。胜动公司在王营矿区等地开展了矿井无风热逆流氧化厂的工业性实验，并在义安矿山等地建设了各种规模的设备。淄柴公司在邯郸煤矿进行了一项工业试验，采用0.3%~1%的甲烷浓度，沈煤公司建设了200,000立方米/小时的乏风量。德国杜尔公司于2015年5月在潞安公司建成了世界上最大的贫风乏风电工程。采用常规燃油技术，可以充分发挥局部无氧气流，在较小的流速、较高的密度下进行一定程度的热量恢复，但其处理容量不大，不能充分发挥乏风的作用；这种问题可以通过附加燃油的技术来实现。

1.2辅助燃料燃烧技术

辅燃机燃烧技术是将甲烷与周围的气体一起送入燃气轮机、内燃机、锅炉等燃烧体系。在燃气涡轮和发动机中，它的作用是作为燃料，取代了周围的一些气体；而在混合燃烧中，则是采用了它的易燃性成分和氧。燃气涡轮采用的方法是将主燃油与含有少量甲烷成分的助燃气体通过压气机进入燃烧室内进行燃烧。

2 催化氧化技术

结果表明，在某些过渡金属晶面上，甲烷的表面活化能达到29.26-41.80 kJ/mol，大大低于均相中CH4分子 C- H键分解所必需的激活能，从而实现了在较低温度下进行甲烷的催化氧化。

2.1 贫燃催化燃烧燃气轮机

在这一理论的指导下， Pfefferle于1970年代将其引入到燃气涡轮机中，通过燃油滤清器过滤后，送至离心式压气机并进行加压，在回流式回热器中由涡轮出风口的余热进行加温，再将其送入燃烧室进行催化氧化，使其产生热量，使烟气升温至700~800摄氏度，在涡轮内部产生高温、高压的烟道，使涡轮产生电能，再将其冷却至500摄氏度，再将其送至循环式循环。

2.2整体催化燃烧反应器