乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电可行性研究

乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电可行性研究

李杰

淮南矿业集团煤层气开发利用有限责任公司 安徽省淮南市 232001

摘要：乏风及低浓度抽放瓦斯中甲烷含量较低，难以直接燃烧利用，而采用提纯利用的方式经济性不高，因此，对乏风及低浓度瓦斯利用是行业面临的重要问题。瓦斯氧化发电技术是目前乏风及低浓度瓦斯利用的主要途径之一，在煤矿产业中得到了广泛应用。通过瓦斯氧化发电技术，一方面能够合理利用乏风及低浓度抽放瓦斯，另一面还能能够减少甲烷的排放量，减小对环境的污染。基于此，本文探讨了乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电技术的原理及工艺流程，并对乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电项目的可行性进行了具体分析，以期为相关项目提供参考借鉴。

关键词：乏风瓦斯；低浓度瓦斯；氧化发电；原理；流程

引言

瓦斯主要成分是甲烷（CH4），此外还含有少量的杂质，是富集在煤炭中的一种共生气体。瓦斯具有无色、易燃、易爆等特性，但由于其具高热值和清洁燃烧特性，被视为一种重要的能源资源。甲烷是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳（CO2）的21倍左右。低浓度瓦斯中甲烷体积分数＜30%，而乏风瓦斯中的甲烷体积分数更低，通常在0.1%~0.75%。一直以来，对于乏风及低浓度瓦斯直接作为主燃料在使用时受到了一些限制，因此，世界上绝大多数乏风瓦斯及低浓度瓦斯通常都是未经处理直接排放到大气环境中，一方面导致了大量的能源浪费，另一方面还对环境造成了严重污染。

煤矿瓦斯是一种清洁能源，如若能够加以利用，不仅能够实现资源的合理利用，还能够减少对环境的污染。现阶段，瓦斯氧化发电技术是利用乏风及低浓度瓦斯的重要途径之一，瓦斯氧化发电技术是指将乏风及低浓度抽放瓦斯进行氧化反应来发电的技术。瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），在燃烧过程中，甲烷与氧气（O2）发生化学反应，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O），同时释放出大量的热能。同时，在对产生的热能进行回收利用，例如，生成的热能可以驱动热交换系统产生蒸汽，进一步推动蒸汽轮机发电，如此以来，实现资源的最大化利用。

乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电技术的主要优势包括：一方面可以有效减少煤矿乏风和低浓度瓦斯的排放，降低甲烷这一强效温室气体对环境的影响；另一方面，可以将难以利用的低浓度瓦斯资源转化为有价值的电能，提高能源利用效率，增加经济效益。本文旨在探讨抽放乏风和低浓度瓦斯进行氧化发电的技术可行性和经济效益，为相关领域的决策提供科学依据和实践指导。

1乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电原理

乏风及低浓度抽放瓦斯目前主流的应用方案是氧化技术。通常情况下，将乏风及低浓度瓦斯与低负压系统瓦斯混合，再进行蓄热发电。目前，蓄热燃烧主要有两种技术方案，分别是蓄热式催化氧化技术（RCO）和蓄热式氧化技术（RTO）。（1）蓄热式催化氧化技术（RCO）：是首先通过蓄热材料进行预热，使其温度升高，预热后的废气在催化剂的作用下，甲烷和其他有机成分被氧化成二氧化碳和水，反应温度通常较低（300 ℃~400 ℃）；反应后的高温气体再次通过蓄热材料，将热能储存起来，用于预热后续进入的废气。（2）蓄热式氧化技术（RTO）是一种高效的热氧化技术，不依赖催化剂，将气体通过蓄热燃烧室，将气体温度升高至900 ℃~1000 ℃进行高温燃烧。这些技术可以实现甲烷的完全氧化，生成二氧化碳和水，同时释放出热能，将这些热能通过余热锅炉回收，推动汽轮机发电，进而实现热电联供。

2工艺流程

本项目采用RTO技术方案，乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电技术工艺流程图如图1所示。由图1可以看出，乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电技术工艺流程主要分为两个部分：（1）乏风及低浓度抽放瓦斯氧化过程。通过氧化反应，实现甲烷的利用，在这一过程中，进一步摧毁排空剩余甲烷，进而实现资源的高效利用，并减少温室气体的排放。（2）热发电过程中的余热利用。热能利用是该方案的核心内容，在该工艺流程中，通过将上一阶段产生的热风通过余热锅炉进行回收，依次为蒸汽机提供动力进行发电，对于北方地区，在冬季还可以从汽轮机中取出一些热水、蒸汽等进行供热。

图1 乏风及低浓度抽放瓦斯氧化发电技术工艺流程图

在该技术方案中，我们采用陶瓷反应床作为氧化反应的起点，旨在提升反应效率和耐用性。陶瓷反应床上配备了一个增压气室，通过调节气压以优化反应条件。此外，陶瓷反应床内部还内置了双塔RTO模块，进一步提升热能利用效率。这个模块通过链接至增压燃烧室，与丙烷喷燃器配合使用，提供稳定的点火和加热功能。在系统运行过程中，乏风及低浓度瓦斯首先进入RTO进行氧化反应。RTO模块内的双塔结构设计使得一个塔在进行氧化反应的同时，另一个塔可以吸收前一个塔排出的热气体，这种设计确保了热能的最大化利用，有效地减少了能源浪费并提高了系统的整体热效率。氧化反应结束后，系统会启动瓦斯引流过程，将产生的气体引导至适当的处理装置。同时，当第一个罐中的氧化床排出热气体时，双罐系统中的第二个氧化床会立即吸收这些气体，这一过程不仅显著提高了系统的热能利用效率，还确保了整个系统能够连续稳定地运行，还实现了热能的有效再利用，减少了能量的浪费。此外，这种双罐的工作机制，使得整个氧化系统的性能得到了大幅提升，既节约了能源，又保证了操作的连续性和可靠性。

3 综合效应分析

3.1经济效应

本文设计的技术方案有 15 台双塔 RTO，这 15台RTO系统单元处理乏风及低浓度瓦斯的效率152万 m2/h。当乏风及低浓度瓦斯中甲烷的体积分数达到 1.2%时，即可将乏风及低浓度瓦斯中 95%的甲烷摧毁氧化，降低了对环境的污染。在满负荷运行状态下， 该项目每年可摧毁15280万 m3 甲烷，余热发电工程对反应过程中产生的热量进行回收，并将其用于发电，按照理论计算，年发电量可达2.55  亿 kWh，显著降低煤矿的用电成本，经济效益显著。

3.2环保效应

项目建成后，乏风及低浓度抽放瓦斯被采集输送RTO装置内氧化处理后，几乎将所有的甲烷氧化掉，大大降低了甲烷的排放量，减少了对环境的污染，属于对环境具有一定改善作用的典型环保项目；此外，对过程中产生的各类污染物也都进行了有效处理（见表1）。

表1 污染物排放一览表

3.3节能效应

本文设计的技术方案采用了多项节能措施。一是，陶瓷反应床又有良好的吸热能力，钢罐具有优异的隔热性和安全性，大大节约了能源；二是，双罐中的第二个氧化床有效吸收第一个罐中排出的热量，实现了热能的高效、合理利用；三是，机组采用滑动运行方式，减少启动时间，节约了电能。

4结论

本项目利用瓦斯氧化发电技术对乏风及低浓度抽放瓦斯中的甲烷进行氧化利用，不仅实现了资源的合理利用，还大大降低了温室气体的排放，对环境保护具有重要意义。此外，利用乏风及低浓度抽放瓦斯中甲烷的氧化热进行发电供热，能够有效实现资源的最大化利用，具有一定的实用价值，对我国环境保护及能源事业的发展具有重要推动作用。这种技术方案不仅能够处理低浓度瓦斯，提高能源利用效率，还能减少温室气体排放，对环境保护具有积极意义，可见，该技术方案具有一定的可行性。

参考文献：

[1] 侯雨彤, 曾梓杰, 刘先德, 等. 煤矿超低浓度瓦斯化学链催化氧化反应特性研究[J]. 能源研究与应用, 2023(2): 2-7.

[2] 黄克海. 30kW乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能研究[J]. 煤化工, 2023, 51(4): 110-112.

[3] 金刚, 王康. 矿井乏风瓦斯蓄热氧化发电关键技术研究[J]. 科学技术创新, 2020(26): 193-194.