馬乾瑜+王喜龍+凌鵬飛

摘要：近年來，我國社會生產(chǎn)生活對煤礦的需求量日漸增大，這對煤礦生產(chǎn)質(zhì)量和安全管理提出了更高的要求。在煤礦開采和生產(chǎn)過程中，大量的甲烷在巷道通風(fēng)過程中被排放到大氣中，不僅浪費(fèi)了大量的能源，還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，十分不利于我國社會經(jīng)濟(jì)走可持續(xù)發(fā)展道路。因此必須采用相關(guān)技術(shù)手段對通風(fēng)過程中瓦斯的排放進(jìn)行處理，避免造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前我國治理風(fēng)排瓦斯的方法主要涉及兩種，即熱氧化技術(shù)和催化氧化技術(shù)，其中催化氧化技術(shù)具有制造成本低、占地面積小、無氮氧化物排放，對煤礦企業(yè)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：催化氧化技術(shù) 風(fēng)排瓦斯 處理及應(yīng)用

0 引言

中國作為能源大國，煤層氣能源十分豐富，埋深2000m以上的煤層氣資源量高達(dá)31.46萬億m3，是繼俄羅斯和加拿大之后的煤層氣儲量國。在我國煤層氣開采中，大量的煤層氣通過煤礦通風(fēng)直接排放在大氣中，被稱為風(fēng)排瓦斯（VAM）。近年來，我國溫室效應(yīng)加劇，不僅僅是二氧化碳的作用，其罪魁禍?zhǔn)拙褪羌淄?。它作為一種強(qiáng)烈溫室效應(yīng)氣體，是二氧化碳的21倍，會造成臭氧層的嚴(yán)重破壞。另外甲烷也是一種清潔能源，對風(fēng)排瓦斯進(jìn)行有效的處理和控制，既可以保護(hù)環(huán)境，也可以避免能源的浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)最大化經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 目前風(fēng)排瓦斯利用存在的困難及傳統(tǒng)利用方式

1.1 風(fēng)排瓦斯利用存在的困難 目前我國煤層氣開采過程中，風(fēng)排瓦斯利用存在很多問題，主要體現(xiàn)在氣流量很大，單個風(fēng)井氣體流量一般為2萬m3/min；甲烷體積分?jǐn)?shù)較小，往往在0.1%-0.5%范圍內(nèi)。就我國煤礦安全相關(guān)管理?xiàng)l例規(guī)定，煤礦中甲烷的體積分?jǐn)?shù)不得大于0.75%，使其無法直接點(diǎn)燃；甲烷相對比較穩(wěn)定，就氧化可揮發(fā)性有機(jī)物來講，氯化甲烷更加困難。

1.2 風(fēng)排瓦斯利用方式分析 傳統(tǒng)風(fēng)排瓦斯利用方式包括兩種，一是燃燒甲烷，并將其產(chǎn)生的熱量作為內(nèi)燃機(jī)、氣體透平和火力發(fā)電廠鍋爐的助燃風(fēng)。煤礦生產(chǎn)的特殊性，決定了遠(yuǎn)距離輸送會產(chǎn)生大量的風(fēng)，且不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。二是低濃度甲烷提純，在風(fēng)量十分巨大的情況下，對低濃度的甲烷進(jìn)行提純，造成大量人力、物力以及財(cái)力的浪費(fèi)。與上述傳統(tǒng)風(fēng)排瓦斯利用方式相比，將風(fēng)排瓦斯作為燃料利用，大大提高了風(fēng)排瓦斯利用的有效性。貧燃料氣體透平技術(shù)主要是將風(fēng)排瓦斯作為燃料直接燃料的方式，該燃燒過程可以燒掉濃度較低的甲烷，從而得到一部分的化學(xué)熱。在使用透平發(fā)電技術(shù)過程中，往往要求風(fēng)排瓦斯?jié)舛却笥?%，如果將濃度高的瓦斯配到風(fēng)排瓦斯中，往往會受到技術(shù)的限制，造成大量高濃度瓦斯的浪費(fèi)。透平發(fā)電技術(shù)所需功率較大，且一半多的發(fā)電功率都是由高濃度瓦斯提供的，同時甲烷體積分?jǐn)?shù)要求比較高，貧燃料透平設(shè)備緊湊，轉(zhuǎn)速高，因此這種風(fēng)排瓦斯利用方式的合理性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性還需要研究。但是將風(fēng)排瓦斯進(jìn)行氧化利用不失為一種好的利用方式。目前我國將風(fēng)排瓦斯進(jìn)行養(yǎng)護(hù)利用的方法主要有兩種，即熱氧化方法和催化氧化方法。本文主要就催化氧化技術(shù)在風(fēng)排瓦斯處理進(jìn)行了分析。

2 催化氧化技術(shù)在風(fēng)排瓦斯處理應(yīng)用分析

在煤層氣開采和生產(chǎn)中，對風(fēng)排瓦斯進(jìn)行有效的處理和利用，對環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)企業(yè)最大化經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。在風(fēng)排瓦斯利用中采用催化氧化技術(shù)，催化氧化設(shè)備為流向變換催化氧化反應(yīng)器。這種反應(yīng)器是一種蓄熱式反應(yīng)器，與另外一種氧化技術(shù)相比，該反應(yīng)器內(nèi)部包括催化床層，大大降低了甲烷的自燃溫度，在相對較低的溫度中，有利于甲烷氧化反應(yīng)的進(jìn)行，從而釋放出化學(xué)反應(yīng)熱。催化氧化反應(yīng)器在一段時間內(nèi)切換閥門的開閉，從而改變風(fēng)排瓦斯的流動方向，利用存儲的熱量進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的常溫風(fēng)排瓦斯，確保甲烷氧化反應(yīng)的連續(xù)性。當(dāng)然，多余的熱量排出，用于發(fā)電和供熱，不僅保護(hù)了環(huán)境和臭氧層，也提高了風(fēng)排瓦斯的利用率。

與熱氧化反應(yīng)器相比，在投入成本方面，熱氧化反應(yīng)器的操作溫度在1000℃以上，催化氧化反應(yīng)溫度僅僅為600℃，熱氧化反應(yīng)器隔熱材料的等級、數(shù)量以及鋼材耐熱等級要求較高，自然而然熱氧化反應(yīng)器的造價就高。在占地面積方面，熱氧化反應(yīng)器占地面積大，其反應(yīng)的時間和隔熱材料尺寸往往會給熱氧化反應(yīng)器造成一定的影響，導(dǎo)致占地面積比催化氧化反應(yīng)器大。目前我國多數(shù)煤礦企業(yè)在山區(qū)，用地緊張，氧化反應(yīng)器占地大會限制氧化反應(yīng)器數(shù)量的規(guī)劃與布置，從而影響風(fēng)排瓦斯處理的規(guī)模和效率。在氧化反應(yīng)器使用壽命方面，熱氧化反應(yīng)器在這方面比較占優(yōu)勢，其使用壽命比較長。熱氧化反應(yīng)器材料為蓄熱陶瓷和隔熱材料，一般不易被損壞；而催化氧化反應(yīng)器往往設(shè)計(jì)使用壽命為15a，且催化劑是高消耗材料，需要每4a更換一次，從而確保催化氧化工作順利進(jìn)行。

3 結(jié)束語

綜上所述，在煤層氣開采和生產(chǎn)中，如何有效的處理風(fēng)排瓦斯，就必須采用合理的處理技術(shù)。但傳統(tǒng)的風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)手段已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化該行業(yè)的發(fā)展需求，必須不斷探索新的利用及處理技術(shù)。催化氧化技術(shù)和熱氧化技術(shù)在處理風(fēng)排瓦斯中各有千秋，煤礦企業(yè)需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，采用不同的氧化技術(shù)，并不斷優(yōu)化和改善處理方法，從而為我國煤礦風(fēng)排瓦斯的有效利用做出貢獻(xiàn)，不僅保護(hù)了環(huán)境，同時實(shí)現(xiàn)了煤礦企業(yè)最大化經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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