CN101381269A - 一种煤矿乏风中的甲烷回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿乏风中的甲烷回收方法，是根据甲烷相对空气密度小、渗透力强，甲烷在煤或某些岩石中能够吸附、解吸的特性，在煤矿排风口处设置处理装置，在装置中填充煤附剂，将煤矿乏风引入处理装置中，通过甲烷在煤附剂中不断地吸附、解吸，使煤矿乏风中的甲烷通过处理装置的吸附、解吸区被收集，加以利用。本发明利用甲烷相对密度较小，吸附和吸收能力较强的特点，通过物理方法实现甲烷由煤矿乏风中分离，可减少温室气体排放量，获得有价值的燃料和温室气体排放转让费。本发明方法工艺过程、操作步骤、装备结构简单，不干扰煤矿现有排风系统，容易推广应用。

Description

一种煤矿乏风中的甲烷回收方法

一、技术领域

本发明涉及煤矿甲烷回收技术，特别是煤矿乏风中的甲烷回收方法。

二、背景技术

在煤矿生产中，通常采用通风方法将瓦斯排出矿井，也就是我们常说的矿井乏风，虽然煤矿生产安全了，但大量的瓦斯排至大气中，对大气环境造成了严重影响，全世界瓦斯排放量占温室气体总排放量的16％，而其中8％来自煤矿，大量的甲烷排放，不仅对全球气候变化造成影响，同时也损失了大量的清洁能源。中国的煤炭产量在全世界位居榜首，全球约45％的矿井乏风来自中国。在典型情况下，煤矿瓦斯有三种排放渠道：1、煤矿通风(甲烷含量1-0.2％)；2、采矿前从煤层中排放(含60-95％的甲烷)；3、从已开采矿区(如采空区)排放(含30-95％的甲烷)。其中矿井乏风中的瓦斯约占煤矿瓦斯排放量的64％，但很难作为能源加以利用，这是由于它被大量空气稀释，而且浓度和流速都很不稳定。矿井乏风中的瓦斯浓度低是一个主要问题，为了达到减排要求，可以将其浓度升高用于传统的甲烷发动机。但目前提高甲烷浓度的技术还在研究之中，大部分工作集中在低浓度甲烷的氧化方面。根据燃烧动力机制的不同，氧化过程可以分为热氧化和接触氧化。矿井乏风的利用技术一般分为两个基本类别：辅助利用和主要利用。辅助利用就是把矿井乏风用来代替空气参与燃烧过程中(包括燃气轮机，内燃机和燃煤发电站)。主要利用就是把矿井乏风中的甲烷作为一种主要燃料。

煤矿瓦斯是矿井中主要由煤成气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷(沼气)。甲烷是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是由古代植物在堆积成煤的初期，经纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外在高温、高压的环境中，煤炭由于物理和化学作用，也能继续生成甲烷。

甲烷是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同甲烷同时涌出的缘故。甲烷与空气的相对密度是0.554，在标志状态下甲烷的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处。甲烷的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。

甲烷在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。游离状态也称为自由状态，这种甲烷以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、空隙之中，其量的大小主要决定于贮存空间的体积、压力和温度。吸着状态又称结合状态，其特点是甲烷与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又分为吸附及吸收两种。吸附状态是由于固体颗粒子与气体分子之间分子吸引力的作用，使气体分子在固体颗粒子表面上紧密附着一个薄层；吸收状态是气体分子已进入煤分子团的内部。几种状态的甲烷处于不断变化的平衡之中，在一定条件下会互相转化。当压力、温度变化时，游离甲烷转化为吸着甲烷称为吸附，吸附甲烷转化为游离甲烷称解吸。

甲烷既是重要的化工原料和能源，也是危险化学品和温室气体，甲烷的燃烧、爆炸事故更是造成煤矿重大人员伤亡和财产损失的主要灾害。因此，减少甲烷排放、提高甲烷利用率历来是人们必须解决的重要课题。由于煤矿乏风中甲烷含量非常低(一般小于1％)，排风量大(通常一个大型煤矿达到50～100m³/S)，运用常规的气体吸附和吸收方法，从大量的煤矿乏风中提取微量甲烷，受到处理成本和处理规模的限制而难以实现。甲烷氧化技术是将煤矿乏风通过氧化介质，使其中的甲烷产生热能来加以利用，目前在国内外有所应用，但需要在排风井附近建设复杂而庞大的处理装置，由于矿井乏风中甲烷含量低和不稳定，同样受到工艺技术、处理成本和处理规模的限制。美国提出的甲烷催化和热反向流反应技术，运用了热反向流反应技术采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理，不适用于对微量甲烷气体的条件。

我国煤炭储量丰富，达45000亿t以上。我国煤炭行业面临增加产能和减少温室气体排放双重巨大压力，目前我国年产煤炭25亿t，在煤矿生产过程中一年排放到空气中的甲烷100～150亿m³。到2009年，中国将成为全球最大温室气体产生国。由于甲烷排入大气所造成温室效应比排放二氧化碳严重21倍，因此随着《京都议定书》正式生效，各国更加注重煤成气的回收利用，以减少温室气体排放。我国已经把煤成气的开发列入《中国21世纪议程优先项目计划》。《京都议定书》还规定了各国的温室气体减排量，如果某个国家达不到这一规定，可以向额度尚有富余的发展中国家购买剩余配额(配额时间按10年计算)，这就为实施降低甲烷排放的技术的研发和应用，提供了资金来源。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿排风中的甲烷回收方法，以降低甲烷排放量，提高其利用率。

气体是物质分子处于永恒快速运动的一种存在状态，空气流体学中气体分子具有向压力小空间扩散的特性，甲烷相对于空气的相对密度小(0.554)，在标志状态下甲烷的密度为0.716kg/m³，甲烷分子不溶于水，在一个稳定的空间，空气中的甲烷分子具有向上漂浮，聚积在空间上部的趋势。另外，甲烷(又称瓦斯)是煤炭的共生气体，在原煤中以吸附态和游离态赋存于煤炭之中，以粒状和粉状煤炭为主体的煤附剂对甲烷具有一定的吸附和解吸的作用力，选择好一定煤附剂，通过压力条件的改变，甲烷会在煤附剂中不断吸附和解吸，达到甲烷在煤附剂中的位移，从而获取高纯度甲烷。

根据以上特性，本发明采用的技术方案是：在煤矿排风口处设置处理装置，在装置中填充煤附剂，将煤矿乏风引入处理装置中，通过甲烷在煤附剂中不断地吸附、解吸，使煤矿乏风中的甲烷通过处理装置的吸附、解吸区被收集。

处理装置是一个上部为尖顶、下部为柱体的处理罐，在罐体底部有乏风入风口；罐体下部为双层，其内层罐体的截面积约为乏风入风口截面的100倍，罐体内层是由多层匀流板构成的匀流区，外层是下降区，在外层罐体下部有排风口；罐体上部是充满煤附剂的吸附、解吸区，在罐体上面尖顶处有甲烷贮气室。

煤矿乏风由乏风入风口进入处理罐，流程截面增加100倍，流速降低100倍，匀流板是有多个均匀分布孔的平板，乏风经多层匀流板后呈匀流状态，速度相对平稳，并缓缓向上流动。在此过程中，由于甲烷分子比较活跃、相对空气密度小以及煤附剂对甲烷分子的吸附作用，甲烷分子在随乏风流动的同时，会向上方向，向充满煤附剂的吸附、解析区运动，从而甲烷分子就会脱离乏风流不断的向煤附剂中聚集，当乏风流到上升区顶部时，甲烷分子基本会全部进入吸附、解析区，而此时乏风中的其它气体，由于分子力的作用和气体压差的作用，就会经罐边缘流向下降区从乏风出风口排出。由于乏风中的甲烷不断流入到吸附、解析区，甲烷分子在此聚集浓缩，当甲烷分子浓缩到一定浓度后，煤附剂中的甲烷分子量达到饱和，此时甲烷分子在吸附、解吸区和甲烷贮气室处于静态平衡。

当煤附剂中(吸附、解析区)的甲烷分子达到饱和静态平衡后，这时该区中的甲烷分子相对上升乏风气体分子就有一个排斥力，由于气体本身压差的作用，乏风气体分子就会流向下降区，通过排风口排出。

在煤附剂中(吸附、解析区)的甲烷分子达到饱和状态的同时，我们通过抽取贮气室的甲烷气体，造成煤附剂顶部(吸附、解析区上部)气体压差变小，形成甲烷分子在煤附剂中不断吸附和解吸的条件，甲烷分子向贮气室扩散，煤附剂中形成甲烷分子流，当单位时间随乏风进入处理装置的甲烷量等于我们抽取的甲烷量时，此时处于动态平衡，这就是本发明在煤矿乏风中甲烷回收方法的工艺流程。

以我国煤矿生产过程中每年排放甲的烷100亿m³，排放总量的10％的甲烷得以通过本项发明所采用的技术予以回收，则一年可以减少排放甲烷10亿m³。

1、可减少温室气体排放量(折算为二氧化碳)：

10亿m³×21＝210亿m³

2、可获得标准煤(设煤炭发热量6000千卡/k，甲烷发热量8100千卡/m³)：

10亿m³×8100千卡/m³＝81000亿千卡

81000亿千卡/6000千卡/k＝0.0135亿t

3、可获得温室气体排放转让费(设1吨二氧化碳交易价为7欧元)

1吨甲烷＝1470m³甲烷(标准温度、压力条件)

10亿m³甲烷/1470m³/t＝0.0068亿t甲烷

0.0068亿t×21×7欧元＝1亿欧元

本发明充分利用甲烷相对密度较小，吸附和吸收能力较强的特点，通过物理方式实现甲烷由煤矿乏风中分离。

本发明工艺过程、操作步骤、装备结构简单，不干扰煤矿现有排风系统，容易推广应用。

四、附图说明

附图为本发明回收装置的结构示意图。

五、具体实施方式

煤矿乏风甲烷回收装置安装在煤矿排风井口附近，直接引排风井口排出的乏风进入回收装置进行气体分离。分离后的氮气、氧气和二氧化碳等经排风口排入大气，获得的一定浓度的甲烷气体经贮气室抽入甲烷储罐储存或使用。

回收装置由密闭钢板焊接而成。外形为一个圆柱体上接一个圆锥体构成，圆柱体直径36m，高18m，底部与一直径为3.6m的圆筒相接作为乏风入风口，圆锥体底角60°，上部与一直径为1m的圆筒相接作为甲烷储气室；圆柱体侧面与一直径为3.6m的圆筒相接作为乏风排风口。装置内下部设有多层匀流板以形成乏风匀流区，匀流板选用不锈钢板钻孔制成，底层板孔较大，越向上板孔越小，分布越密，上、下流通面积相同。装置上部充塞煤附剂形成甲烷吸附、解析区，煤附剂选用变质程度高、有较大的表面积、适宜的孔结构及面积结构、对甲烷质有较强的吸附能力的粒状和粉状煤种。装置内设有若干甲烷浓度监测探头11、压力监测探头12和温度监测探头13，测定各点的相关参数值。

在正常运行状态时，该装置主要工作参数为：

乏风入风口：气体流速V₁＝1m/s、流量Q₁＝10m³/s，过流面积S₁＝10m²，甲烷浓度CH4(％)＝1％；

装置内部：气体流速V₂＝0.01m/s、流量Q₂＝10m³/s，过流面积S₂＝1000m²，甲烷浓度CH4(％)＝1％；；

乏风出风口：气体流速V₃ 1m/s、流量Q₃＝10m³/s，过流面积S₃＝10m²，甲烷浓度CH4(％)≤0.1％；

甲烷排放口：气体流速V₄ 0.1m/s、流量Q₄＝0.2m³/s，过流面积S₄＝1m²，甲烷浓度CH4(％)≥50％。

该装置的工作原理为：煤矿乏风借助矿井风机的动力由乏风入风口1进入匀流区2，并在其内部形成正压，同时流程截面增加100倍，流速降低100倍，乏风经多层匀流板3后呈匀流状态，速度相对平稳，并以层流态缓缓向上流动。在此过程中，由于甲烷相对空气密度小、分子比较活跃且受到煤附剂14的吸附作用，乏风中的甲烷分子会朝上方通过透气板4向充满煤附剂14的吸附、解析区5运动，由于吸附、解吸区5的上部与甲烷贮气室6相通，并且甲烷贮气室6由于抽风机7的作用相对吸附、解吸区5呈负压，所以甲烷分子会在吸附、解吸区5内向贮气室6聚集，当达到一定浓度后，就可以通过抽风机7抽出，送到甲烷储罐储存或使用。而同时乏风中的其它相对密度较大的气体(主要是氮气、氧气和二氧化碳等)，在分子力的作用下不会进入或一少部分进入吸附、解吸区5的底部，由于排风机8的排风作用，会在下降区9形成相对负压，所以乏风中氮气、氧气和二氧化碳等气体流向下降区9，通过排风口10排入大气。

Claims (4)

1、一种煤矿乏风中的甲烷回收方法，其特征是：在煤矿排风口处设置处理装置，在装置中填充煤附剂，将煤矿乏风引入处理装置中，通过甲烷在煤附剂中不断地吸附、解吸，使煤矿乏风中的甲烷通过处理装置的吸附、解吸区被收集。

2、根据权利要求1所述的煤矿乏风中的甲烷回收方法，其特征是：所说的煤附剂是变质程度高、有较大的表面积、适宜的孔结构及面积结构、对甲烷质有较强的吸附能力的粒状和粉状煤种。

3、根据权利要求1所述的煤矿乏风中的甲烷回收方法，其特征是：所说的处理装置是一个上部为尖顶、下部为柱体的处理罐，在罐体底部有乏风入风口(1)；罐体下部为双层，其内层罐体的截面积约为乏风入风口(1)截面的100倍，罐体内层是由多层匀流板(3)构成的匀流区(2)，外层是下降区(9)，在外层罐体下部有排风口(10)；罐体上部是充满煤附剂(14)的吸附、解吸区(5)，在罐体上面尖顶处有甲烷贮气室(6)。

4、根据权利要求3所述的煤矿乏风中的甲烷回收方法，其特征是：所说的匀流板(3)是有多个均匀分布孔的平板。

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