低品位能源利用--煤矿乏风瓦斯热逆流氧化理论与技术

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第一章 绪 论
　　第一节 煤矿乏风瓦斯利用的意义
　　能源是关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题，是我国经济和社会持续发展的命脉与基础。由资源条件所决定，我国是一个以煤炭为主要能源的国家，预计到21世纪中叶，我国煤炭作为第一能源的地位不会改变。
　　煤层气(Coalbed Methane)俗称瓦斯(Gas)，是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属于非常规天然气，是洁净、优质的能源和化工原料。
　　采煤时，瓦斯会从煤岩裂缝中释放出来。当矿井空气中瓦斯浓度达到5%～16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。这些事故造成了重大的人员伤亡和经济损失，煤矿安全生产成为社会重点关注的热点之一。在采煤之前如果先抽采煤层气，既可以充分利用这一资源，又可以有效降低瓦斯爆炸事故发生的概率。因此，国家推行了“先抽后采、以抽定采”的煤矿安全生产措施。但是，在抽采后，矿井中的瓦斯浓度仍然可能达到爆炸浓度，还有可能发生瓦斯爆炸事故。
　　为了提高煤矿生产安全性，通常采用通风系统将矿井中的瓦斯排到大气中，这种措施称为煤矿乏风(Ventilation Air Methane，VAM)。大部分煤矿都没有回收和处理煤矿乏风中的甲烷，而是直接将其排放到大气中，这不仅造成了不可再生资源的严重浪费，也带来了严重的环境污染问题。甲烷是一种具有强烈温室效应的气体，其温室效应是二氧化碳的21倍，对大气臭氧层的破坏能力为二氧化碳的7倍。中国是煤炭生产大国，每年因采煤排放的甲烷在200亿m3以上，占世界采煤排放甲烷总量的45%，超过西气东输的天然气总量。其中，150多亿m3甲烷通过煤矿乏风排入大气[1]。如果将煤矿乏风中的瓦斯全部利用起来，可节约1200万t标准煤，可以减排3亿t当量二氧化碳，完成我国二氧化碳减排量的3.5%[2，3]。因此，治理和利用煤矿乏风瓦斯，是我国充分利用能源、保护大气环境的需要，也是建立创新型国家的重要措施，对国家经济社会可持续发展、构建和谐社会具有重大意义。
　　第二节 煤矿乏风瓦斯利用技术
　　煤矿乏风具有以下三个特点：①乏风量巨大，一个典型煤矿主排风口的乏风量为600000～1000000m3/h；②煤矿乏风中的瓦斯浓度非常低，一般为0.1%～0.75%；③乏风量、瓦斯浓度波动范围大。这些特点决定了很难利用传统燃烧器直接对乏风瓦斯进行燃烧。研发煤矿乏风瓦斯高效利用技术已成为很多发达国家实现能源可持续发展和保护环境战略的重要组成部分。大规模、低成本地治理和利用乏风瓦斯，回收乏风瓦斯的能量，并实现采煤甲烷零排放，已经成为必然趋势。
　　煤矿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乏风瓦斯开展的，目前利用方法有作为辅助燃料和主燃料使用两类。煤矿乏风瓦斯作为辅助燃料，可取代空气用于内燃机和燃气轮机的进气或锅炉的进风，节约部分主燃料。煤矿乏风瓦斯作为辅助燃料在技术上是可行的，但是煤矿乏风瓦斯的利用量非常有限。
　　煤矿乏风瓦斯作为主燃料利用，大致可分为热逆流氧化(Thermal Flow-Reversal Reactor，TFRR)、催化逆流氧化(Catalytic Flow-Reversal Reactor，CFRR)、旋转蓄热氧化(Rotary Regenerative Thermal Oxidizer，RRTO)、稀燃涡轮燃烧和预热催化氧化等技术。
　　一、热逆流氧化技术
　　TFRR的工作原理如下[4]：首先将蓄热氧化床加热到甲烷氧化温度(900℃左右)，然后停止加热。煤矿乏风以一个方向流入氧化床，气体被氧化床加热，温度不断升高，直至甲烷氧化、放热。氧化后的热气体继续向前移动，把热量传递给氧化床而逐渐降温。随着乏风气体的不断进入，氧化床入口侧温度逐渐降低，出口侧温度逐渐升高，直至气体流动在控制系统控制下自动换向。该技术的关键是要将送入氧化床中的气体不断变换流动方向，使气体在氧化床中吸热升温，以保证氧化过程的自维持，如图1.1所示。
　　MEGTEC公司于1994年在英国一个煤矿安装了一套实验装置，其煤矿乏风的瓦斯浓度为0.3%～0.6%，流量为8000m3/h。该项目证实了利用TFRR技术氧化煤矿乏风瓦斯和回收其中热量的可行性。2001年第二套实验装置安装在澳大利亚必和必拓公司(BHP Billiton)的Applin煤矿，进行工业示范性运行达一年之久。该煤矿乏风中的瓦斯浓度高达1%，热逆流反应器的甲烷氧化率为95%，能量回收率为80%，用于生产热水。2004年澳大利亚必和必拓公司在West Cliff煤矿安装了4套MEGTEC公司的热逆流反应器，首次进行商业化运作。该项目通过氧化床内置换热器生产过热蒸汽，推动蒸汽涡轮发电机组发电。考虑到安全稳定运行的需要，氧化床内置的换热器构成传统蒸汽锅炉的一部分。发电蒸汽循环系统的其他部件都采用传统技术。该项目于2007年初开始运行，可以将West Cliff煤矿大约20%的煤矿乏风转化为有用的能源，发电能力为5MW，这是世界上首个利用煤矿乏风瓦斯发电的大型项目[5]。
　　图1.1 TFRR工作原理示意图
　　我国对煤矿乏风瓦斯利用技术的研究起步较晚。2005年山东理工大学与胜利动力机械集团有限公司合作，在国内率先开发了卧式煤矿乏风瓦斯热氧化装置，在阜新矿业集团王营煤矿进行了工业性实验，成功取出了饱和蒸汽并将其利用。胜利动力机械集团有限公司设计研制出乏风处理量为60000m3/h的氧化装置，安装在陕西彬长大佛寺煤矿，于2009年调试成功[6，7]。淄博淄柴新能源有限公司与山东理工大学合作研究乏风处理量为40000m3/h的立式乏风瓦斯蓄热氧化装置[8]，2009年开始在冀中能源邯郸矿业集团有限公司陶二煤矿进行现场实验，该项目于2010年通过了中国煤炭学会组织的技术鉴定。中国科学院工程热物理研究所 [9]、中煤科工集团重庆研究院有限公司[10]等单位也先后开发了煤矿乏风瓦斯TFRR技术，在全球开展了多个示范项目，已进入商业化开发阶段。
　　二、催化逆流氧化技术
　　CFRR的工作原理与MEGTEC公司的TFRR大体相同，主要区别是使用了催化剂[11-15]。使用催化剂可以有效降低瓦斯的氧化温度(350℃)，从而大幅减少NOx的排放。
　　1995年，加拿大矿物与能源技术中心(CANMET)开始研发煤矿乏风瓦斯CFRR技术。CANMET开发出了实验室规模的催化甲烷逆流反应器，并在该装置上进行了煤矿乏风瓦斯催化氧化模拟实验。该技术的缺点是需要使用贵金属催化剂，增加了设备制造成本和维护费用；对煤矿乏风瓦斯的硫含量也有严格的限制，否则容易引起催化剂中毒失效；由于反应器的工作温度较低，氧化放出的热量难以高效利用。目前，该技术还未见有工业应用的报道。
　　三、旋转蓄热氧化技术
　　RRTO燃烧器由1个圆柱形分成几瓣独立区域的陶瓷蓄热床和1个旋转式转向器组成。通过旋转式转向器的旋转，就可改变陶瓷蓄热床不同区域的气流方向，从而连续地预热乏风瓦斯。因此RRTO工作原理与TFRR的工作原理类似。如果采用催化剂，RRTO工作原理就与CFRR的工作原理类似。
　　目前德国的艾森曼(Eisenmann)公司和瑞典的蒙特(Munters)公司都有成熟产品[7]。艾森曼公司先后在贵州金沙和陕西彬长安装了单台乏风处理量为120000m3/h的RRTO燃烧器，热量抽取出来输送至余热锅炉生产400℃、2.5MPa的过热蒸汽。
　　四、稀燃涡轮燃烧技术
　　稀燃涡轮燃烧技术是对传统的燃气轮机进行改进，直接将煤矿乏风瓦斯或经过浓缩的煤矿乏风瓦斯作为主燃料使用的技术。它包括以下几种技术。
　　1.化油器式燃气轮机(Carbureted Gas Turbine，CGT)
　　化油器式燃气轮机是一种燃气轮机，燃料首先形成均质混合气，利用废气或太阳能对混合气进行预热，然后通过进气口进入吸气式涡轮机。要求燃料/空气混合物的体积比为1.6%，因此大多数煤矿乏风都需要浓缩或掺烧抽采瓦斯。燃烧发生在外部燃烧室中，反应温度低于正常涡轮机的温度(1200℃)，从而消除了任何NOx排放。澳大利亚能源发展有限公司(EDL)在新南威尔士州的阿平煤矿对煤矿乏风瓦斯CGT进行了实验[11]。
　　2.贫燃催化燃烧燃气轮机(Lean-fueled Turbine with Catalytic Combustor，LFTCC)
　　澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO)正在开发一种使用煤矿乏风瓦斯作为主燃料的贫燃催化燃烧燃气轮机。CSIRO希望在煤矿乏风瓦斯浓度为1.0%的情况下运行该系统，以尽量减少补充燃料的需求。催化剂使甲烷能够在较低的温度下燃烧[11， 16，17]。
　　FlexEnergy公司正在开发一系列微型燃气轮机，主要部件包括压缩机、透平膨胀机、预热煤矿乏风混合物的回热器、低温点火的催化燃烧室和发电机等[18]。该机功率为30kW，运行的煤矿乏风瓦斯浓度为1.3%。FlexEnergy公司计划开发将煤矿乏风瓦斯浓度降低到1.0%以下、功率增加到100kW以上的微型涡轮机。美国英格索兰(Ingersol-Rand)公司正在开发一种贫燃微型燃气轮机。该机额定功率为70kW，需要煤矿乏风瓦斯在1.0%的浓度下运行。
　　3.煤和瓦斯混合燃料燃气轮机
　　CSIRO利用VAM与废煤混合氧化发电，在回转窑中燃烧废煤和VAM，在高温空气-空气热交换器中收集热量，并使用清洁的热空气为燃气轮机提供动力。根据现场需要和经济条件，VAM可提供系统燃料需求的15%～80%(假设VAM混合物浓度为1%)，而剩余燃料则由废煤提供。
　　上述的燃气轮机利用煤矿乏风瓦斯技术大都处于实验研究阶段，均未实现工业化应用。
　　五、预热催化氧化技术
　　预热催化氧化技术采用废气将煤矿乏风预热到甲烷催化氧化的温度，然后进行催化氧化来回收煤矿乏风瓦斯能量。山东理工大学开发了处理量分别为1000m3/h单催化氧化室和2000m3/h双催化氧化室的实验装置，实验研究结果表明，煤矿乏风瓦斯浓度在0.6%以上时，预热催化氧化实验装置可以实现自维持运行[19-21]。
　　六、小结
　　煤矿乏风瓦斯热值极低(＜1000kJ/m3)，属于超低热值燃料，需要采用蓄热逆流氧化、回热式氧化或催化燃烧技术，才能作为主燃料进行利用。从实践结果来看，目前热逆流氧化技术和旋转蓄热氧化技术已经在煤矿乏风瓦斯利用方面进行了商业化应用，其他技术还处于实验室研究阶段，均未实现工业化应用。特别是热逆流氧化技术已经相对成熟，得到了社会的普遍认可，市场占有率在70%以上。
　　第三节 煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置构造
　　热逆流氧化技术具有高效的热量回收，只在氧化装置的反应区域保持一定的高温，排烟温度很低，热量损失很小，是目前应用较广泛的直接氧化处置煤矿乏风瓦斯技术。当瓦斯浓度达到0.28%时可不需要额外的能量自维持运行[22]，并可对外输出能量，达到既减排温室气体又利用低品质能源的目的。
　　本书以山东理工大学研制的系列煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置为对象，详细介绍本团队取得的成果。氧化装置的总体结构包括组合式氧化床、进排气与导流分配系统、加热起动系统、取热系统和气流换向控制系统。
　　一、组合式氧化床
　　氧化床作为与气体进行热交换的介质，是煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的关键核心部件。氧化床的设计合理与否直接决定了氧化床装置的阻力损失、进出口温差、蓄放热能力、运行稳定性、甲烷氧化率、气流换向周期和使用寿命等性能的优劣。
　　氧化床