CN113739172A - 一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置及方法，步骤如下：将高浓度瓦斯通入燃料反应器，与燃料反应器中的载氧体反应使载氧体还原；还原后的载氧体送入空气反应器内部，同时通入低浓度瓦斯，与还原后的载氧体反应使载氧体氧化，氧化后的载氧体在低浓度瓦斯的带动下送入气固分离器，气固分离器分离后的气体排空，固体载氧体送入燃烧反应器；燃烧反应器中生成的烟气送入纯氧补燃装置，同时纯氧补燃装置通入混合空分装置制备的纯氧和来自冷凝装置冷凝后的CO₂的预混配气系统，使烟气充分燃烧，燃烧气进入冷凝装置进行冷凝，冷凝后的CO₂冷凝气送入CO₂捕集装置，冷凝水排出。本发明不仅实现了瓦斯的能量利用，同时能够低成本捕集CO₂。

Description

一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿生产技术领域，具体涉及一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置及方法。

背景技术

煤层气，俗称“瓦斯”，是一种与煤炭共生的烃类气体，其主要成分是CH₄。在煤矿生产过程中，由于抽采方式、排放位置的不同，煤层气中CH₄的含量区别较大，如地面钻井抽采采空区和卸压煤层瓦斯中的CH₄浓度通常在30~95%，而乏风瓦斯（又叫通风瓦斯）中的CH₄浓度甚至不到1%。其中CH₄浓度高于30%的部分目前已经可以被常规的燃烧技术有效利用，如瓦斯发电、瓦斯锅炉、氧化铝焙烧、煤泥烘干等。另一方面，甲烷的爆炸极限在常压下为5%~16%，由于缺乏成熟有效的低浓度瓦斯回收、利用技术，因此CH₄浓度低于6%的部分通常会被稀释到1%以下，并直接排到大气中，导致大量清洁能源的浪费和环境破坏。现有的低浓度瓦斯利用技术主要包括：①掺入高浓度瓦斯后燃烧技术。但由于低浓度瓦斯中甲烷浓度频繁发生波动，使用该技术会严重影响燃烧器的效率；②低浓度瓦斯增浓技术，通过膜分离、变压吸附等方法增加甲烷浓度。该方法工程造价较高，且尚处于实验室研究阶段，无法普遍推广；③热氧化、催化氧化技术，通过保持氧化床内较高温度水平，促使甲烷在氧化床内氧化生成CO₂和H₂O。该技术已经建立了工业运行示范装置，具有较好的发展前景，但是需要在反应器中额外加入催化剂，以降低反应所需温度。此外，还存在催化剂成本较高，易失活问题。

我国2020年原煤产量39亿吨，瓦斯抽采利用率为44.8%，对空排放量达到了7.28亿m³，按瓦斯密度0.718kg/m³计算，相当于52.3万吨CH₄，CH₄全球变暖潜能值（Global WarmingPotential，GWP）是CO₂的21倍，若将该部分CH₄完全催化氧化，相当于减少CO₂排放1046万吨；对于高浓度抽采瓦斯，现有的利用技术大部分已经成熟，能够高效利用CH₄浓度在30%以上的抽采瓦斯气体，例如瓦斯发电、作为化工原料和工业燃料等，但CH₄被利用后仍转化为CO₂排向大气中，额外加设CO₂提纯、捕集装置又将大大增加建设成本。

对于低浓度抽采瓦斯，CH₄浓度低于1%的乏风瓦斯仍缺乏成熟、有效的利用技术，虽然乏风瓦斯逆流氧化技术和掺混燃烧发电技术目前已建立了示范性工程，但是由于技术尚未成熟、成本较高等问题，仍未得到广泛应用。

中国专利CN112178460A公开了一种高低浓度瓦斯混气系统及其瓦斯混气工艺控制方法，包括高浓度瓦斯泵站、低浓度瓦斯泵站、混气装置和控制系统，将高浓度瓦斯与低浓度瓦斯或空气混合，使供气瓦斯浓度自动调节适用高、低浓度的机组；

中国专利CN211316202U公开了一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，包括燃烧室、进气口、出气口、冷却机构、净化机构、检测连通管、弹性气囊等，实现了燃烧后的气体排放到外界前进行净化处理的目的。

以上专利实现了高、低浓度瓦斯的燃烧利用，但不涉及瓦斯燃烧后排出CO₂的捕集功能，并且成本比较高，低浓度瓦斯没有被完全利用。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置及方法，能够使CH₄浓度低于1.5%的瓦斯气体被充分催化氧化，实现了CH₄到CO₂的完全转化，并且能够实现CO₂的低成本捕集。

技术方案：一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，包括低浓度瓦斯、高浓度瓦斯、载氧体、空气反应器、燃料反应器、气固分离器、纯氧补燃装置、冷凝装置、CO₂捕集装置、预混配气系统和空分装置，所述燃料反应器包括设有加热装置的燃料反应器主体、设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口、设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口、设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口、设于燃料反应器主体底端的高浓度瓦斯入口、设于燃料反应器主体底部的气体分布板和设于燃料反应器主体侧壁、气体分布板上方的固体加料口，高浓度瓦斯通过高浓度瓦斯入口进入燃料反应器，载氧体通过固体加料口放置于燃料反应器主体内部，燃料反应器主体底部设有气体分布板；

所述空气反应器包括设有加热装置的空气反应器主体、设于空气反应器主体底端的低浓度瓦斯入口、设于空气反应器主体底部的气体分布板、设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于空气反应器主体顶部的气流出口，其中设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口管道（密闭）连接，且设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口的位置高于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口的位置，低浓度瓦斯通过低浓度瓦斯入口进入空气反应器，空气反应器主体底部设有气体分布板；

所述气固分离器包括气固分离器本体、设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口、设于气固分离器本体顶端的气体出口和设于气固分离器本体底端的固体出口，其中设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口与设于空气反应器主体顶部的气流出口管道连接，设于气固分离器本体底端的固体出口与设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口管道连接；

所述纯氧补燃装置包括密闭的燃烧室、设于燃烧室顶端的烟气进口、设于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口和设于燃烧室底部的出气口，其中设于燃烧室顶端的烟气进口与设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口管道连接；

所述冷凝装置包括冷凝器本体、待冷凝气进口和被冷凝气体出口，其中，待冷凝气进口与设于燃烧室底部的出气口管道连接，被冷凝气体出口分出两路，一路与CO₂捕集装置连接，另一路与预混配气系统CO₂进气口管道连接；

所述预混配气系统包括密闭的混合室、设于混合室侧壁的CO₂进气口、设于混合室底端的氧气进口和设于混合室顶部的混合气出口，所述混合气出口与纯氧补燃装置中助燃气进口管道连接，预混配气系统的设置是为了保证纯氧补燃装置的安全，抽取部分经过冷凝的高纯度CO₂与空分装置制备出的O₂预混后通入到纯氧补燃装置中（二氧化碳：纯氧体积比为80：20左右，即通入纯氧补燃装置中的纯氧浓度与空气中的相当或者略低）；

所述空分装置（利用低温冷冻原理从空气中分离出氧气，为普通市售产品）用于从空气中分离出氧气，空分装置的氧气出口与设于混合室底端的氧气进口管道连接。

作为优选，所述空气反应器和气固分离器相连的管道、燃烧室和纯氧补燃装置相连的管道以及纯氧补燃装置和冷凝装置相连的管道上设有可燃气体CH₄、H₂、CO以及O₂传感器探头和测温热电偶，所述传感器探头和测温热电偶接PLC控制系统，通过PLC控制系统监测和控制管道中气体的状态和温度。

作为优选，所述空气反应器和燃料反应器相连的管道上设有颗粒循环控制装置和隔离器，所述颗粒循环控制装置和隔离器用于向空气反应器一侧辅助送流化风，防止气体和颗粒从空气反应器倒流进入燃料反应器。

作为优选，所述空气反应器和燃料反应器内上、中和下部设有测温热电偶。

作为优选，所述气固分离器为旋风分离器，物料入口与空气反应器气流出口采用法兰密封管道相连，经过气固分离后，气体经气体出口排出至大气，固体颗粒经固体出口排放至燃料反应器。

作为优选，所述纯氧补燃装置包括四个均匀设于同一水平面的位于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口，燃烧室内部设置点火装置。

作为优选，所述载氧体为Fe、Al、Cu、Mn、Ni、Co或Ce基氧化物载氧体。

作为优选，所述载氧体为Fe₂O₃/Al₂O₃复合材料载氧体，粒径为106~355 μm。

作为优选，所述载氧体的制备方法如下：将微米级Fe₂O₃与纳米级Al₂O₃颗粒按照质量比1:1的比例混合后放入装有等量去离子水的烧杯中，以200~300r/min的转速搅拌均匀后，将样品置于干燥箱，保持100~110℃恒温至水分完全蒸发；将干燥后的样品置于马弗炉中，设定马弗炉煅烧程序为：以≤5℃/min的升温速率，从室温升温至650~950℃，接着以≤2℃/min的升温速率，从650~950℃升温至1000~1400℃，在1000~1400℃保温120~300min，然后按照≤2℃/min的降温速率，从1000~1400℃降温至650~950℃，最后以≤5℃/min的降温速率，从650~950℃降温至室温；使用小型破碎机将煅烧后的样品破碎、过筛，选择粒径在106~355μm的颗粒作为反应需要的载氧体OC。

基于上述的装置低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的方法，步骤如下：将高浓度瓦斯通入燃料反应器，与燃料反应器中的载氧体反应使载氧体还原；还原后的载氧体送入空气反应器内部，同时空气反应器底部通入低浓度瓦斯，低浓度瓦斯与还原后的载氧体反应使载氧体氧化，同时低浓度瓦斯被催化氧化为CO₂和水，氧化后的载氧体在低浓度瓦斯的带动下送入气固分离器，气固分离器分离后的气体排空，固体载氧体送入燃烧反应器；燃烧反应器中生成的烟气送入纯氧补燃装置，同时纯氧补燃装置通入混合空分装置制备的纯氧和来自冷凝装置冷凝后的CO₂的预混配气系统中的混合气，使烟气充分燃烧，燃烧气进入冷凝装置进行冷凝，冷凝后的CO₂冷凝气送入CO₂捕集装置，冷凝水排出。

作为优选，所述高浓度瓦斯中CH₄浓度超过90%，所述低浓度抽采瓦斯气体中CH₄浓度低于1.5%，载氧体的量大于甲烷的量，当进入反应器内的甲烷的量为1mol，则载氧体的量至少为12mol。

有益效果：本发明所述方法不仅实现了瓦斯的能量利用，同时能够低成本捕集CO₂。本发明利用化学链燃烧技术（Chemical-Looping Combustion，CLC）的清洁、高效、无焰燃烧特点，基于CH₄催化氧化机理，可以将乏风瓦斯完全催化燃烧。而本发明可以做到CO₂内分离，整个系统不仅实现了瓦斯的能量利用，而且还能够低成本捕集CO₂。

在空气反应器中，CH₄浓度低于1.5%的瓦斯气体被充分催化氧化，实现了CH₄到CO₂的完全转化，在减少煤矿低于1.5%抽采低浓度瓦斯对空排放、减轻温室效应的同时，甲烷催化氧化过程中释放的热量也可以有效提高化学链燃烧装置的整体热效率，实现清洁能源的回收利用；在燃料反应器中，CH₄浓度高于90%的瓦斯气体被充分燃烧，燃料反应器出口的烟气中CO₂浓度可达到80~90%以上，实现了CO₂的低成本捕集。

与热氧化、催化氧化装置相比，本方法采用载氧体作为多功能载体，充分利用了载氧体较强的催化氧化能力和传热储热特性，在空气反应器和还原反应器之间传递晶格氧的同时，还起到了催化甲烷氧化、裂解的作用，无需额外再加入催化剂；由于载氧体的氧化反应过程极快，在数秒内即可完成，因此传统的化学链燃烧技术（包括化学链重整、化学链解耦燃烧）通常重点关注燃料反应器中的反应过程，而在燃料反应器中使用低浓度瓦斯作为还原气体又会影响CO₂捕集系统的效率。本方法使用低浓度瓦斯作为氧化气体，一方面将低浓度瓦斯全部转化为CO₂，实现了有害气体的无害化处理，另一方面也实现了载氧体的正常氧化。此外，由于载氧体始终处于流化状态，相比于固定床催化剂更不易出现烧结、团聚或者失活现象。

此外，CLC中的空气反应器与催化氧化装置中的氧化床类似，可以提供甲烷催化氧化所需的高温环境；发挥传递晶格氧作用的载氧体成分与甲烷氧化催化剂类似，可以达到催化甲烷氧化燃烧的目的。

化学链燃烧是指通过载氧体（Oxygen Carrier，OC）在空气反应器和燃料反应器之间循环交替反应，实现燃料的燃烧过程。其中，OC在空气反应器中被氧化，然后进入燃料反应器中将晶格氧传递给燃料，避免了空气与燃料的直接接触。在燃料反应器（也称还原反应器）中，金属氧化物与燃料发生还原反应，燃料氧化主要生成CO₂和H₂O（g），金属氧化物被还原为金属单质（或低价态金属氧化物），反应如方程（1）所示：

（2n+m）Me_xO_y+C_nH_2m→（2n+m）Me_xO_y-1+nCO₂+mH₂O （1）

从燃料反应器中出来的金属单质（或低价态金属氧化物）进入空气反应器（也称氧化反应器）被空气氧化再生，并释放出大量的热，反应如方程（2）所示：

（2n+m）Me_xO_y-1+（n+0.5m）O₂→（2n+m）Me_xO_y （2）

反应式（1）、（2）相加，即与传统的燃料和空气直接接触的燃烧反应式完全相同：

C_nH_2m+（n+0.5m）O₂→nCO₂+mH₂O （3）

OC在燃料反应器和空气反应器中循环，实现了晶格氧的转移，从而避免了燃料与空气之间的直接接触。另外，由于在空气反应器和燃料反应器内的反应运行温度都相对较低，因此在空气反应器中基本上没有热力型NO_x与快速型NO_x的生成；同时，在燃料反应器中，由于燃料不和O₂接触，也没有燃料型NO_x的生成。

更为重要的是，将燃料反应器反应后所得到的气体混合产物进行冷凝分离，就可以低成本的获得高纯度的CO₂。

本专利既实现了瓦斯的能量利用，又能够低成本捕集CO₂的低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯具有本质区别。

附图说明

图1 为本发明所述低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置结构示意图；

图2为本发明所述低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置气体和固、液体流向示意图，其中虚线代表气体流向，实线表示固、液体流向；

图3为本发明所述煤矿高低浓度抽采瓦斯综合利用方法原理图；

图4为空气反应器运行80s内瓦斯转化率曲线图；

图中，各数字标号代表如下：1.低浓度瓦斯；2.高浓度瓦斯；3.空气反应器；4.燃料反应器；5.气固分离器；6.纯氧补燃装置；7.冷凝装置；8.CO₂捕集装置；9.预混配气系统；10.空分装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，参见图1和图2，包括低浓度瓦斯1、高浓度瓦斯2、载氧体、空气反应器3、燃料反应器4、气固分离器5、纯氧补燃装置6、冷凝装置7、CO₂捕集装置8、预混配气系统9和空分装置10，所述燃料反应器4包括设有加热装置的燃料反应器主体、设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口、设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口、设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口、设于燃料反应器主体底端的高浓度瓦斯入口、设于燃料反应器主体底部的气体分布板和设于燃料反应器主体侧壁、气体分布板上方的固体加料口，高浓度瓦斯2通过高浓度瓦斯入口进入燃料反应器4，载氧体通过固体加料口放置于燃料反应器主体内部，燃料反应器主体底部设有气体分布板；所述空气反应器3包括设有加热装置的空气反应器主体、设于空气反应器主体底端的低浓度瓦斯入口、设于空气反应器主体底部的气体分布板、设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于空气反应器主体顶部的气流出口，其中设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口管道（密闭）连接，且设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口的位置高于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口的位置，低浓度瓦斯1通过低浓度瓦斯入口进入空气反应器3，空气反应器主体底部设有气体分布板；所述气固分离器5包括气固分离器本体、设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口、设于气固分离器本体顶端的气体出口和设于气固分离器本体底端的固体出口，其中设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口与设于空气反应器主体顶部的气流出口管道连接，设于气固分离器本体底端的固体出口与设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口管道连接；所述纯氧补燃装置6包括密闭的燃烧室、设于燃烧室顶端的烟气进口、设于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口和设于燃烧室底部的出气口，其中设于燃烧室顶端的烟气进口与设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口管道连接；所述冷凝装置7包括冷凝器本体、待冷凝气进口和被冷凝气体出口，其中，待冷凝气进口与设于燃烧室底部的出气口管道连接，被冷凝气体出口分出两路，一路与CO₂捕集装置8连接，另一路与预混配气系统CO₂进气口管道连接；所述预混配气系统9包括密闭的混合室、设于混合室侧壁的CO₂进气口、设于混合室底端的氧气进口和设于混合室顶部的混合气出口，所述混合气出口与纯氧补燃装置6中助燃气进口管道连接，预混配气系统9的设置是为了保证纯氧补燃装置6的安全，抽取部分经过冷凝的高纯度CO₂与空分装置10制备出的O₂预混后通入到纯氧补燃装置6中（二氧化碳：纯氧体积比为80：20左右，即通入纯氧补燃装置中的纯氧浓度与空气中的相当或者略低）；所述空分装置10（利用低温冷冻原理从空气中分离出氧气，为普通市售产品）用于从空气中分离出氧气，空分装置10的氧气出口与设于混合室底端的氧气进口管道连接。

基于上述的装置低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的方法，步骤如下：将高浓度（抽采）瓦斯2通入燃料反应器4，与燃料反应器4中的载氧体反应使载氧体还原；还原后的载氧体送入空气反应器3内部，同时空气反应器3底部通入低浓度瓦斯1，低浓度瓦斯1与还原后的载氧体反应使载氧体氧化，氧化后的载氧体在低浓度瓦斯1的带动下送入气固分离器5，气固分离器5分离后的气体排空，固体载氧体送入燃烧反应器4；燃烧反应器4中生成的烟气送入纯氧补燃装置6，同时纯氧补燃装置6通入混合空分装置10制备的纯氧和来自冷凝装置7冷凝后的CO₂的预混配气系统9，使烟气充分燃烧，燃烧气进入冷凝装置7进行冷凝，冷凝后的CO₂冷凝气送入CO₂捕集装置8，冷凝水排出。

实施例2

同实施例1，区别在于，所述空气反应器3和气固分离器5相连的管道、燃烧室和纯氧补燃装置6相连的管道以及纯氧补燃装置6和冷凝装置7相连的管道上均设有可燃气体CH₄、H₂、CO以及O₂传感器探头和测温热电偶，所述传感器探头和测温热电偶接PLC控制系统，通过PLC控制系统监测和控制管道中气体的状态和温度。

所述空气反应器3和燃料反应器4相连的管道上设有颗粒循环控制装置和隔离器，所述颗粒循环控制装置和隔离器用于向空气反应器3一侧辅助送流化风，防止气体和颗粒从空气反应器倒流进入燃料反应器4。

所述空气反应器3和燃料反应器4内上、中和下部设有测温热电偶。

所述气固分离器5为旋风分离器，物料入口与空气反应器气流出口采用法兰密封管道相连，经过气固分离后，气体经气体出口排出至大气，固体颗粒经固体出口排放至燃料反应器4。

所述纯氧补燃装置6包括四个均匀设于同一水平面的位于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口，燃烧室内部设有点火装置。

所述载氧体为Fe、Al、Cu、Mn、Ni、Co或Ce基氧化物载氧体。本实施例中所述载氧体为Fe₂O₃/Al₂O₃复合材料载氧体，粒径为180~270μm。

所述载氧体的制备方法如下：将微米级Fe₂O₃与纳米级Al₂O₃颗粒按照质量比1:1的比例混合后放入装有等量去离子水的烧杯中，以250r/min的转速搅拌均匀后，将样品置于干燥箱，保持105℃恒温至水分完全蒸发；将干燥后的样品置于马弗炉中，设定马弗炉煅烧程序为：以5℃/min的升温速率，从室温升温至950℃，接着以2℃/min的升温速率，从950℃升温至1400℃，在1400℃保温300min，然后按照2℃/min的降温速率，从1400℃降温至950℃，最后以3℃/min的降温速率，从950℃降温至室温；使用小型破碎机将煅烧后的样品破碎、过筛，选择粒径在180~270μm的颗粒作为反应需要的载氧体OC。

所述高浓度瓦斯2中CH₄浓度超过90%，所述低浓度抽采瓦斯气体中CH₄浓度低于1.5%，载氧体的量大于甲烷的量，当进入反应器内的甲烷的量为1mol，则载氧体的量为12mol。

本实施例中，空气反应器3为流化床反应器，具体为一根圆柱立式提升管，按从下到上的结构为：底部为流化气体入口（低浓度瓦斯入口或其他流化气体入口）、气体分布板、右侧壁靠近底部的位置有一根倾斜管道与燃料反应器4采用法兰密封连接、自由空域（颗粒可以在此区域内自由流动）、顶部的气流出口通过一个90°弯头后与气固分离器物料进口采用法兰密封连接，连接的管道上设置有可燃气体（CH₄、H₂、CO）、O₂传感器探头和测温热电偶，用于监测管道内气体的组分以及温度。

燃料反应器4为流化床反应器，具体为一根圆柱立式下行管，按从下到上的结构为：底部为流化气体入口（高浓度瓦斯入口或其他流化气体入口），并设置有一层气体分布板，底部（气体分布板的上方）为固体出料口（出料口通过一根倾斜管道与空气反应器3采用法兰密封连接，倾斜管道两个端口的高度为燃料反应器4高、空气反应器3低，管道设置有颗粒循环控制装置和隔离器，同时向空气反应器3一侧辅助送流化风，防止气体和颗粒从空气反应器3倒流进入燃料反应器4）、，固体出料口的轴对称位置设有固体进料口（载氧体通过固体进料口放置于燃料反应器主体内部）、自由空域、顶端中间为烟气出口和反应器侧壁顶部设置有载氧体入口（气固分离器中分离出的载氧体颗粒由此进入到装置中）。

气固分离器5为旋风分离器，物料入口与空气反应器气体出口采用法兰密封相连，经过气固分离后，气体经气体出口排出至大气，固体颗粒经固体出口排放至燃料反应器4。

空分装置10和预混配气系统9构组成补燃装置供气系统，空分装置10利用低温冷冻原理从空气中分离出氧气的空分装置，补燃装置供气系统的设置是为了保证纯氧补燃装置6的安全，具体为：抽取部分经过冷凝的高纯度CO₂与空分装置10制备出的O₂预混后通入到纯氧补燃装置6中（二氧化碳：纯氧体积比为80：20）。

纯氧补燃装置6为进气、出气口均配备有可燃气体（CH₄、H₂、CO）、O₂传感器探头和测温热电偶的氧化室，烟气进气口位于装置顶部，出气口位于装置底部，为了使氧气与瓦斯混合更加均匀，将氧气进气口分为四路，对称分布于装置侧壁接近顶部的位置，整个装置由耐高温钢制成，顶部设置有防爆阀，外壳使用多晶莫来石陶瓷纤维毯包裹保温。

冷凝装置7包括用于促进烟气冷凝的直形玻璃设备（空气直形冷凝管）以及配套的可控温循环水冷却泵，由一里一外两路玻璃管组成，冷却水由玻璃管的外管自下而上逆流，内管两端设置有接口可以连接气路，使得较热烟气自上而下顺流通过。

CO₂捕集装置8为成熟的基于化学吸收法的CO₂捕集装置。以上装置如无特殊说明，均来自普通市售。

基于上述的装置低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的方法，所述燃料反应器4和空气反应器3为流化床反应器。具体操作如下：

（1）在装置启动之前，将载氧体通过燃料反应器4中的固体加料口放置于气体分布板上，启动装置开始升温，设置空气反应器3、燃料反应器4的温度稳定在950℃。升温的同时两个反应器入口同时开始通入氮气作为流化气体，控制燃料反应器4流化气体的流速在0.106~0.175 m/s（载氧体的还原通常需要数分钟的气固接触时间，故选择较低的流速）之间，空气反应器3流化气体的流速在0.35 m/s左右（载氧体的氧化反应仅需要几秒钟的时间，故选择较大流速）。为达到较高的瓦斯转化效率，控制燃料当量比为2左右（即实际通入的燃料量低于理论所需燃料量，使得载氧体处于过量状态，保证瓦斯能够被更加充分的转化）。

（2）当两个反应器的温度稳定后，使用高浓度煤矿抽采瓦斯气体（CH₄含量>90%）作为还原气体，经过气体过滤器和除水装置处理后，作为高浓度瓦斯2通过燃料反应器4的气体入口通入到反应器中，燃料反应器4中发生的反应为：

·12Fe₂O₃+CH₄→8Fe₃O₄+CO₂+2H₂O

·4Fe₃O₄+ CH₄→12FeO+ CO₂+H₂O

（3）煤矿抽采瓦斯中的低浓度瓦斯/通风瓦斯气体（CH₄含量<1.5%）作为氧化气体，经过气体过滤器和除水装置处理后，作为低浓度瓦斯1通过空气反应器3的气体入口进入反应器，空气反应器3中发生的反应有：

·甲烷裂解：CH₄ →C+ 2H₂

·甲烷完全催化燃烧：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

·甲烷部分催化燃烧：CH₄+0.5O₂→CO+2H₂

·甲烷完全氧化：CH₄+12Fe₂O₃→8Fe₃O₄+CO₂+2H₂O

·甲烷部分氧化：CH₄+3Fe₂O₃→2Fe₃O₄+CO+2H₂

·积碳燃烧：C+ O₂→CO₂

·还原性气体氧化：H₂+ O₂→H₂O CO+ O₂→CO₂

（4）物料流动过程：在OC（载氧体）流化的过程中，不断有还原态的OC通过燃料反应器4的固体出料口进入到空气反应器3，在空气反应器3中被快速氧化后，气流携带氧化态的OC从空气反应器3的出口进入到气固分离器5，经过气固分离，气体（低浓度瓦斯1燃烧后的气体）直接排放至大气中，OC从气固分离器5底部出口落入燃料反应器4中（至此完成一次还原-氧化循环）；

（5）气体流动过程：通入燃料反应器4中的高浓度瓦斯2，与氧化态的OC发生反应后，通过燃料反应器4顶部的烟气出口流出，进入纯氧补燃装置6，通过检测进入装置的烟气中甲烷含量，由自动控制系统向纯氧补燃装置6的预混配气系统9传输信号，预混配气系统9根据信号中的甲烷含量，向纯氧补燃装置6输送可以将烟气中甲烷完全燃烧的纯氧（设置空气当量比略小于1，即实际通入的氧气量略大于理论完全燃烧所需氧气量）；当纯氧补燃装置6的出口检测到仍有甲烷存在时，通过自动控制系统动作向空分装置10（氧气发生器）发送反馈信号，修正供气流量；燃烧后的气体进入冷凝装置7，将水蒸气冷凝并排出，此时CO₂浓度可达到80~90%以上，经冷凝后气体一部分进入CO₂捕集装置8，另一部分被预混配气系统9抽回，作为配气重新通入到纯氧补燃装置6中。

本发明低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置和方法具体原理如下，参见图3：

（1）基于化学链燃烧技术的装置，使用煤矿抽采瓦斯中的高浓度瓦斯气体（CH₄含量>90%）作为还原气体，经过气体过滤器和除水装置处理后直接通入到燃料反应器4中，发生的反应为

12Fe₂O₃+CH₄→8Fe₃O₄+CO₂+2H₂O

4Fe₃O₄+ CH₄→12FeO+ CO₂+H₂O

被还原的OC进入空气反应器3，为使得高浓度瓦斯充分燃烧，将燃料反应器4燃烧后烟气通入纯氧补燃装置6，由空分装置10向纯氧补燃装置6提供一定比例的纯氧，使得瓦斯充分燃烧；纯氧补燃装置6燃烧后的气体进入冷凝装置7，将水蒸气冷凝并排出，此时CO₂浓度可达到80~90%以上；经冷凝后气体进入CO₂捕集装置8。

（2）煤矿抽采瓦斯中的低浓度瓦斯/通风瓦斯气体（CH₄含量<1.5%），作为氧化气体，经过气体过滤器和除水装置处理后直接通入到空气反应器3中，在此过程中可能发生的反应有

·甲烷裂解： CH₄ →C+ 2H₂

·甲烷完全催化燃烧：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

·甲烷部分催化燃烧：CH₄+1/2O₂→CO+2H₂

·积碳燃烧：C+ O₂→CO₂

·还原性气体氧化：H₂+ O₂→H₂O CO+ O₂→CO₂

被氧化的OC随气流一起进入气固分离器5，经过气固分离后OC进入燃料反应器4，烟气直接排至大气中。

实施例3

同实施例2，区别在于，所述载氧体的制备方法如下：将微米级Fe₂O₃与纳米级Al₂O₃颗粒按照质量比1:1的比例混合后放入装有等量去离子水的烧杯中，以200r/min的转速搅拌均匀后，将样品置于干燥箱，保持100℃恒温至水分完全蒸发；将干燥后的样品置于马弗炉中，设定马弗炉煅烧程序为：以≤5℃/min的升温速率，从室温升温至650，接着以≤2℃/min的升温速率，从650℃升温至1000℃，在1000℃保温120min，然后按照≤2℃/min的降温速率，从1000℃降温至650℃，最后以≤5℃/min的降温速率，从650℃降温至室温；使用小型破碎机将煅烧后的样品破碎、过筛，选择粒径在106~355μm的颗粒作为反应需要的载氧体OC。

实施例4

同实施例2，区别在于，所述载氧体的制备方法如下：将微米级Fe₂O₃与纳米级Al₂O₃颗粒按照质量比1:1的比例混合后放入装有等量去离子水的烧杯中，以300r/min的转速搅拌均匀后，将样品置于干燥箱，保持110℃恒温至水分完全蒸发；将干燥后的样品置于马弗炉中，设定马弗炉煅烧程序为：以≤5℃/min的升温速率，从室温升温至950℃，接着以≤2℃/min的升温速率，从950℃升温至1400℃，在1400℃保温300min，然后按照≤2℃/min的降温速率，从1400℃降温至950℃，最后以≤5℃/min的降温速率，从950℃降温至室温；使用小型破碎机将煅烧后的样品破碎、过筛，选择粒径在106~355μm的颗粒作为反应需要的载氧体OC。

实施例5

采用实施例2的装置和方法，在实验室规模小型串行流化床装置上进行了实验测试，高低浓度抽采瓦斯的数据来源于内蒙古某煤矿，为方便测试，设置模拟高低浓度瓦斯气体的成分（%）如下表所示：

使用高纯O₂、高纯N₂、高纯CO₂、高纯CH₄气瓶作为气源，通过质量流量计控制各气体的流量，各路气体通过管道连接，最后分别通入到两个反应器中。模拟乏风瓦斯气体流量为0.80m³/h，模拟高浓度瓦斯气体流量为0.50m³/h，空气反应器3、燃料反应器4温度设置为950℃。

实验结果表明，空气反应器3在测试开始后的60s之内，模拟乏风瓦斯气体就实现了完全转化（瓦斯转化率计算方法：（反应器入口甲烷浓度-反应器出口甲烷浓度）/反应器入口甲烷浓度×100%，如图4所示），同时载氧体也正常完成了氧化再生；燃料反应器4中高浓度瓦斯的转化率为53.7%左右，补燃装置供气系统输送混合气体流量为0.24m³/h，纯氧补燃装置6出口检测结果显示瓦斯被完全氧化燃烧。

Claims (10)

1.一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，包括低浓度瓦斯、高浓度瓦斯、载氧体、空气反应器、燃料反应器、气固分离器、纯氧补燃装置、冷凝装置、CO₂捕集装置、预混配气系统和空分装置，所述燃料反应器包括设有加热装置的燃料反应器主体、设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口、设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口、设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口、设于燃料反应器主体底端的高浓度瓦斯入口、设于燃料反应器主体底部的气体分布板和设于燃料反应器主体侧壁、气体分布板上方的固体加料口，高浓度瓦斯通过高浓度瓦斯入口进入燃料反应器，载氧体通过固体加料口放置于燃料反应器主体内部；

所述空气反应器包括设有加热装置的空气反应器主体、设于空气反应器主体底端的低浓度瓦斯入口、设于空气反应器主体底部的气体分布板、设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于空气反应器主体顶部的气流出口，其中设于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口和设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口管道连接，且设于燃料反应器主体侧壁底部的载氧体出口的位置高于空气反应器主体侧壁底部的载氧体入口的位置，低浓度瓦斯通过低浓度瓦斯入口进入空气反应器；

所述气固分离器包括气固分离器本体、设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口、设于气固分离器本体顶端的气体出口和设于气固分离器本体底端的固体出口，其中设于气固分离器本体侧壁顶部的物料进口与设于空气反应器主体顶部的气流出口管道连接，设于气固分离器本体底端的固体出口与设于燃料反应器主体顶端边缘的载氧体入口管道连接；

所述纯氧补燃装置包括密闭的燃烧室、设于燃烧室顶端的烟气进口、设于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口和设于燃烧室底部的出气口，其中设于燃烧室顶端的烟气进口与设于燃料反应器主体顶端中心的气体出口管道连接；

所述冷凝装置包括冷凝器本体、待冷凝气进口和被冷凝气体出口，其中，待冷凝气进口与设于燃烧室底部的出气口管道连接，被冷凝气体出口分出两路，一路与CO₂捕集装置连接，另一路与预混配气系统CO₂进气口管道连接；

所述预混配气系统包括密闭的混合室、设于混合室侧壁的CO₂进气口、设于混合室底端的氧气进口和设于混合室顶部的混合气出口，所述混合气出口与纯氧补燃装置中助燃气进口管道连接；

所述空分装置用于从空气中分离出氧气，空分装置的氧气出口与设于混合室底端的氧气进口管道连接。

2.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述空气反应器和气固分离器相连的管道、燃烧室和纯氧补燃装置相连的管道以及纯氧补燃装置和冷凝装置相连的管道上设有可燃气体CH₄、H₂、CO以及O₂传感器探头和测温热电偶。

3.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述空气反应器和燃料反应器相连的管道上设有颗粒循环控制装置和隔离器。

4.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述空气反应器和燃料反应器内上、中和下部设有测温热电偶。

5.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述纯氧补燃装置包括四个均匀设于同一水平面的位于燃烧室侧壁靠近顶端的助燃气进口。

6.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述载氧体为Fe、Al、Cu、Mn、Ni、Co或Ce基氧化物载氧体。

7.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述载氧体为Fe₂O₃/Al₂O₃复合材料载氧体，粒径为106~355μm。

8.根据权利要求1所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的装置，其特征在于，所述载氧体的制备方法如下：将微米级Fe₂O₃与纳米级Al₂O₃颗粒按照质量比1：1的比例混合后放入装有等量去离子水的烧杯中，以200~300 r/min的转速搅拌均匀后，将样品置于干燥箱，保持100~110℃恒温至水分完全蒸发；将干燥后的样品置于马弗炉中，设定马弗炉煅烧程序为：以≤5℃/min的升温速率，从室温升温至650~950℃，接着以≤2℃/min的升温速率，从650~950℃升温至1000~1400℃，在1000~1400℃保温120~360min，然后按照≤2℃/min的降温速率，从1000~1400℃降温至650~950℃，最后以≤5℃/min的降温速率，从650~950℃降温至室温；使用小型破碎机将煅烧后的样品破碎、过筛，选择粒径在106~355μm的颗粒作为反应需要的载氧体OC。

9.基于权利要求1所述的装置低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的方法，其特征在于，步骤如下：将高浓度瓦斯通入燃料反应器，与燃料反应器中的载氧体反应使载氧体还原；还原后的载氧体送入空气反应器内部，同时空气反应器底部通入低浓度瓦斯，低浓度瓦斯与还原后的载氧体反应使载氧体氧化，同时低浓度瓦斯被催化氧化为CO₂和水，氧化后的载氧体在低浓度瓦斯气流的带动下送入气固分离器，气固分离器分离后的气体排空，固体载氧体送入燃烧反应器；燃烧反应器中生成的烟气送入纯氧补燃装置，同时纯氧补燃装置通入混合空分装置制备的纯氧和来自冷凝装置冷凝后的CO₂的预混配气系统的混合气，使烟气充分燃烧，燃烧气进入冷凝装置进行冷凝，冷凝后的CO₂冷凝气送入CO₂捕集装置，冷凝水排出。

10.根据权利要求9所述的一种低碳协同利用高低浓度抽采瓦斯的方法，其特征在于，所述高浓度瓦斯中CH₄浓度超过90%，所述低浓度抽采瓦斯气体中CH₄浓度低于1.5%，载氧体的量大于甲烷的量，当进入反应器内的甲烷的量为1mol，则载氧体的量至少为12mol。

Images