煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化理论及实验研究.pdf

中南大学 博士学位论文 煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化理论及实验研究 姓名王鹏飞 申请学位级别博士 专业安全技术及工程 指导教师冯涛 201206 博士学位论文 摘要 摘要 瓦斯是仅次于二氧化碳的重要温室气体，单位质量的瓦斯对大气 温室效应的影响相当于同质量二氧化碳的2 1 倍。煤矿乏风是主要的 瓦斯工业排放源之一，减排煤矿乏风瓦斯，可以减少温室气体排放。 同时，乏风瓦斯的主要成分为甲烷，是优质洁净的气体能源。据统计， 目前我国每年通过煤矿乏风排入大气中的瓦斯含量约为2 0 0 亿m 3 ， 如果将此乏风进行减排和利用，相当于2 5 0 0 万吨标准煤，可以减排 2 ．7 亿吨当量二氧化碳。因此，合理回收利用煤矿乏风瓦斯具有环保 和节能双重意义。 煤矿乏风风排量巨大、瓦斯浓度低以及浓度不稳定，这些特点决 定了煤矿乏风瓦斯很难利用传统燃烧器在没有辅助燃料的情况下直 接进行燃烧。目前，热逆流氧化技术是实现煤矿乏风瓦斯有效减排和 热回收利用的主要技术之一。本文通过理论分析、数值模拟及实验相 结合，对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化机理和特性开展了系统综合 的研究 1 通过理论分析，建立了燃烧波波速与燃烧区域最高温度的 关系式，得到燃烧波波速和燃烧区域最高温度的封闭解；通过与稳态 热逆流燃烧器类比，得到了多孔介质中热逆流氧化的简化理论解。 2 通过对蜂窝陶瓷蓄热氧化床流动过程进行理论分析，建立 了包含乏风进气速度、蜂窝陶瓷通道直径 或边长 、气体粘度及其 氧化床温度场等多参数影响下的三种蜂窝陶瓷氧化床冷热态下的阻 力计算数学模型。 3 通过建立煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化的一维数学模型， 并对F l u e n t 软件进行二次开发，对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化过 程进行了数值模拟，考察了包括煤矿乏风进气速度、乏风甲烷浓度、 换向半周期、壁面热损失、蜂窝陶瓷比热容及其孔隙率等工况参数对 热逆流氧化温度场、甲烷转化率和氧化床阻力的影响。 4 基于自行设计制作的低浓度瓦斯热逆流氧化实验系统，对 煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化开展了系统的实验研究。实验内容包 括乏风甲烷氧化温度、装置散热损失、热启动温度场以及乏风进气速 度、甲烷浓度、换向半周期、壁面热损失和蜂窝陶瓷孔隙率对热逆流 氧化的影响。 5 采用六铝酸盐作为涂层涂覆在Y 一氧化铝表面，再负载贵金 博士学位论文 摘要 属活性组分制作成蜂窝陶瓷整体式催化剂用于煤矿乏风低浓度瓦斯 热逆流氧化，并通过单管固定床催化氧化试验对所制备的催化剂进行 了表征、活性评价、水热稳定性测试及其抗硫中毒能力测试。 6 对低浓度甲烷气体进行热逆流催化氧化实验研究，对比有 无催化剂作用下热逆流反应，实验结果表明催化剂的存在不仅大大降 低了乏风中低浓度甲烷氧化温度，而且甲烷转化率得到明显提高，同 时也提高装置处理乏风的能力。 7 以单台处理能力为5 万m 3 ／h 的煤矿乏风氧化装置为研究对 象，计算了单台装置每年摧毁甲烷产生的碳减排量及其可利用热量产 生热水和蒸汽量，也对单台处理装置每年的C D M 收益和能量利用收 益进行了评估，并对其投资回报率进行了分析。 关键词煤矿乏风；低浓度瓦斯；热逆流；催化氧化；数值模拟；试 验研究 博士学位论文A B S T R A C T A BS T R A C T I t i Sw e l lk n o w nt h a tm e t h a n ei St h es e c o n dl a r g e s tc o n t r i b u t o rt o g l o b a lw a n n i n ga f t e rc a r b o nd i o x i d e ，a n di ti s2 1t i m e sm o r ep o t e n tt h a n c a r b o nd i o x i d eo v e ra10 0 - y e a rt i m e f r a m ei n t r a p p i n gh e a t i nt h e a t m o s p h e r e ．T h ev e t i l a t i o na i rm e t h a n e Ⅵ蝴、 o fc o a lm i n ei So n eo ft h e p r i m a r yi n d u s t r i a lm e t h a n ee m i s s i o ns o u r c e s ．T h er e d u c t i o no f ⅥU 订w i l l m a k eo m s t a n d i n gc o n t r i b u t i o n sf o rr e d u c i n ge m i s s i o n st h a tc a u s eo f g l o b a lw a r m i n g ．M e a n w h i l e ，t h em a i nc o m p o n e n t so fv e n t i l a t i o ng a sa r e m e t h a n e ，w h i c hi st h eh i g hq u a l i t y ‘u n d e f i l e dg a se n e r g y ．A c c o r d i n gt ot h e s t a t i s t i c s ，t h eg a se m i s s i o nt ot h ea t m o s p h e r et h r o u g hv e n t i l a t i o na i r m e t h a n ei sa b o u t2 0b i l l i o nm 3 ，w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gt o2 5 m i l i i i o nt o n s s t a n d a r dc o a lt h a tC a l lr e d u c ee m i s s i o n2 7 0m i l l i o nt o n se q u i v a l e n tc a r b o n d i o x i d e ．T h e r e f o r e ；r e c o v e r y a n du t i l i z a t i o no fV f 6 蝴h a s g r e a t e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n de n e r g y s a v i n gs i g n i f i c a n c e ． 、璐 厦i st h em o s td i f | f i c u l ts o u r c eo fm e t h a n et ou s ea sa ne n e r g y s o u r c e ．a st h ea i rv o l u m ei Sl a r g ea n dt h em e t h a n er e s o u r c ei Sd i l u t e ．A t p r e s e n t ，t h et h e r m a lf l o w r e v e r s a lr e a c t o ri sa ne f f e c t i v e l yt e c h n o l o g yt h a t r e a l i z er e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no fV A M ．T h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ．w em a d ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c h Ont h eo x i d a t i o nm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a lr e v e r s e ．f l o w o x i d a t i o no f V f 6 M 1 T h e t w or e l a t i o n sa b o u tc o m b u s t i o nw a v ea n dt h e h i g h e s t c o m b u s t i o na r e at e m p e r a t u r eh a v eb e e ne s t a b l i s h e dt h a tg o tt h ec l o s e d s o l u t i o no fc o m b u s t i o nw a v ea n dc o m b u s t i o na r e a ．T h es i m p l et h e o r e t i c a l s o l u t i o na b o u tp o r o u sm e d i at h e r m a lf l o w r e v e r s a lo x i d a t i o nw a sa l s o o b t a i n e d ． 2 T h er e s i s t a n c em a t h e m a t i c a lm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e di nt h e c o l da n dh o ts t a t eo ft h r e eh o n e y c o m bc e r a m i c so x i d a t i o nb e dt h i a t i n f l u e n c eb yV 删i m a k ev e l o c i t y , h o n e y c o m bc e r a m i c sc h a n n e ld i a m e t e r s i d el e n g t h ，g a sv i s c o s i t ya n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d so fo x i d a t i o nb e d t h a t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a b o u tt h ef l o w i n gp r o c e s so ft h e h o n e y c o m bc e r a m i c st h e r m a ls t o r a g eo x i d a t i o nb e d ． 3 B a s e do ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n to nF L U E N T ，a o n e d i m e n s i o n a l I l I 博士学位论文 A B S T R A C T m a t h e m a t i c a lm o d ew a ss e tu pt os i m u l a t et h et h e r m a ls t r u c t u r e so ft h e o x i d a t i o nb e da n dt h ee f f e c to fo p e r a t i n gc o n d i t i o np a r a m e t e r so nt h e t h e r m a ls t r u c t u r e ，o x i d a t i o nr a t i oo fm e t h a n ea n do u t l e tt e m p e r a t u r e ， w h i c hi n c l u d e sf l o w v e l o c i t y , m e t h a n ec o n c e n t r a t i o n ，h a l f - p e r i o d ， t h e r m a ll o s s ，h o n e y c o m bc e r a m i c ss p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dp o r o s i t y ． 4 A c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n ts y s t e m o fV A Mt h e r m a l f l o w - r e v e r s a lo x i d a t i o nm a d eb ys e l f - d e s i g n e d ；t h ec o m p r e h e n s i v es t u d y t ot h eV A Mt h e r m a lf l o w - r e v e r s a lo x i d a t i o nh a s eb e e nd e v e l o p e d ，w h i c h c o n t a i n sh e a tl o s s ，t e m p e r a t u r ef i e l d so fh o t - s t a r t ，m e t h a n ec o n c e n t r a t i o n ， v e n t i l a t i o ng a sa n d h o n e y c o m bc e r a m i c sp o r o s i t y ． 5 H e x a a l u m i n a t ea sc o a t i n g sc o a tt h es u r f a c eo fy a l u m i n aa n d l o a da c t i v ec o m p o n e n t so fn o b l em e t a lh a v eb e e nu s e dt om a k et h e h o n e y c o m bc e r a m i c si n t e g r a lc a t a l y s t a n du s ei ti nt h eV A Ml o w c o n c e n t r a t i o ng a st h e r m a lf l o w - r e v e r s a lo x i d a t i o na n dt h r o u g hs i n g l ep i p e f i x e db e dc a t a l y t i co x i d a t i o ne x p e r i m e n tt e s t i n gt h ep r e p a r a t i o nc a t a l y s t a b o u tc h a r a c t e r i z a t i o n ，a c t i v i t ye v a l u a t i o n ，t h e r m a l s t a b i l i t ya n ds u l f u r p o i s o n i n ga b i l i t y ． 6 T h r o u g h t h e e x p e r i m e n t o ft h e r m a lf l o w - r e v e r s a l c a t a l y t i c o x i d a t i o no fV A M ，c o m p a r i n gw i t ht h e r m a lf l o w - r e v e r s a lw i t h o u t c a t a l y s t ，i tc o n c l u d e dt h a tn o to n l yd i d t h ec a t a l y s td e c r e a s et h eo x i d a t i o n t e m p e r a t u r eo fV A M ，b u ta l s ot h ec o n v e r s a t i o nr a t eo fc a t a l y s te n h a n c e d o b v i o u s l y ，a tt h es a m et i m e ，t h ec a t a l y s ti m p r o v et h ed e v i c e ’St r e a t m e n t c a p a c i t y ． 7 T a k e nt h es i n g l es t a t i o nd e v i c et r e a t i n g 50 0 0 0m 3 ／1 1V A Ma s r e s e a r c ho b j e c t ，c a l c u l a t e dt h ec a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o nw h i c h p r o d u c e d b yd e s t r o y i n gm e t h a n ew i t hs i n g l es t a t i o nd e v i c ep e r y e a ra n dt h e q u a n t i t yo fh o tw a t e ra n ds t e a m ，w h i c hw e r ep r o d u c e db yt h eu t i l i z e dh e a t ， m e a n w h i l e ，t h eC M D i n c o m ea n de n e r g yu s i n gi n c o m eo f s i n g l es t a t i o n d e v i c ep e ry e a rw e r ee v a l u a t e d ，a l s o ，t h er a t eo fr e t u r nw a sa n a l y z e d ． K E YW O R D S v e n t i l a t i o na i r m e t h a n e ；l o w f l o w - r e v e r s a l ；c a t a l y t i co x i d a t i o n ；n u m e r i c a l s t u d y ． I V c o n c e n t r a t i o n ；t h e r m a l s i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t 博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章着重论述了课题的研究背景和意义以及国内外对煤矿乏风低浓度瓦斯 减排及利用的技术现状。在探讨煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化研究进展和研究 成果的基础上，针对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化技术研究中的不足，提出本 文的主要研究内容及其研究方法。 1 ．1 当今世界的能源与环境问题 能源是人类社会赖以生存和发展的重要资源，是社会生产的重要物质基础， 对国民经济的发展举足轻重。能源的利用是人类文明的重要标志，是整个世界发 展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。人类生存与社会的发 展总是和能源的获取密不可分。从历史上看，人类对能源利用的每一次重大改进 和更替都伴随着科技的进步，从而促进生产力大力发展，甚至引起社会生产方式 的革命【l ，2 。。 按其生成方式，可将能源分为一次能源和二次能源两大类。一次能源即天然 能源，是指以天然的形式存在于自然界中并没有经过人类加工或转换的能量资 源，如石油、煤炭、天然气、核燃料、太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、 潮汐能等；二次能源即人工能源，是指经天然能源直接或间接转换成其他形式和 种类的能量资源，如煤气、煤油、汽油、柴油、电力、热水、蒸汽、激光等1 3 1 。 其中，生产技术上比较成熟且已被人类在生产和生活过程中大规模利用的能源， 如石油、煤炭、天然气、水能等，称为常规能源。而新能源是指在新技术基础上 加以开发利用的可再生能源，与传统常规能源不同，新能源随着在历史时代和生 产力平水平改变而有着不同的内容。当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风 能、地热能、氢气等【4 J 。 表1 ．1 【5 】世界的一次能源需求百万吨油当量 随着现代化进程的加速，对能源的需求也日益扩大，如表1 - 1 所示，相比于 博士学位论文 第一章绪论 1 9 7 1 年，2 0 1 0 年世界一次能源的需求总量约增长一倍，预计到2 0 3 0 年将达到 15 3 亿吨标准油。石油、天然气、煤炭等常见化石燃料属于不可再生资源，随着 大规模的开采使用，能源短缺的问题日渐凸现出来。据世界能源会议统计，全世 界已经探明的可采石油储量共计1 2 1l 亿吨，预计还可开采3 0 - 4 0 年；探明可采 煤炭储量共计1 5 9 8 0 亿吨，预计还可开采1 6 0 年；探明可采天然气储量共计1 1 9 万亿立方米，预计还可开采6 0 年【6 J 。 能源与环境是当今世界面临的两大课题。当前，以煤炭、石油作为主要燃料 的国家，已面临严重的环境污染，加上化石燃烧有限储量减少的双重危机日益加 深，开发和利用清洁可再生能源，改善能源结构，减少温室气体排放，保护人来 赖以生成的环境，已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。 在当今世界能源结构中，化石燃料占世界一次能源的比重的9 0 ％以上，大 量化石燃料的使用造成了严重的环境问题，如温室效应、酸雨和粉尘等，其中温 室效应越来越受到人们的关注。自从工业革命以来，煤和石油等化石燃料逐渐成 为世界能源的主要来源。在化石燃料燃烧过程中，大量二氧化碳排放到大气中导 致温室效应加剧。目前全世界每年向大气中排放的C 0 2 约2 1 0 亿吨，如表1 ．2 所 示，大气中C 0 2 的浓度由1 8 0 0 ～1 9 5 0 年间的约3 0 0 p p m 增加到2 0 0 2 ～2 0 0 7 年间的 约3 8 0 p p m ，而且增长的速度成上升的趋势。预计到2 0 3 0 年大气中的C 0 2 浓度 还要增加一倍达到6 8 0 p p m 。由于C 0 2 等温室气体引起的“温室效应”，使全球 气候明显变暖。科学家预测，到本世纪中期，地球表面平均温度将上升1 ．5 4 ．5 。C ， 从而导致南北极部分冰雪开始融化。加上海水温度上升受热膨胀，世界海平面因 此会平均上升约2 5 ～1 0 0 公分，部分地势低洼的海岸城市将被海水淹没，数亿沿 海居民将被迫迁居。同时地球变暖将使不少国家和地区干旱少雨，虫害增多，农 业减产。地球变暖还会导致大量物种迅速灭绝，全球变暖将会使三分之一物种受 到严重威胁p 岗】。 表1 - 2 大气中c O z 浓度的增长 竺 鲎竺 篓兰篓兰 薹薹1 1 0 0 0 - 1 8 0 08 0 02 7 0 2 8 01 0o ．O l 1 8 0 0 - 1 9 5 01 5 02 8 0 - 3 1 0 3 00 ．2 0 1 9 5 8 ．1 9 7 5 1 731 5 - 3 3 01 50 ．9 0 1 9 7 5 - 2 0 0 22 73 3 0 - 3 7 0 4 01 ．5 0 2 0 0 2 - 2 0 0 753 7 0 - 3 8 3 1 32 ．6 0 随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的 新能源越来越得到各国的重视。风能、太阳能和生物质能等“清洁能源”将逐步 替代煤炭和石油成为主要能源，煤炭和石油在一次能源总需求中的比例将逐渐下 博士学位论文 第一章绪论 降。但是，受当前技术和社会经济等因素的共同影响，“清洁能源”在短时间内 还很难取代化石燃料成为主流能源，燃烧化石燃料将会在今后很长一段时期内仍 是能源的主要获取方式j 因此，改善化石燃料开采中带来能源浪费和环境问题， 特别是降低温室气体的排放，具有重要的意义【9 1 。 1 ．2 研究背景和意义 中国是世界上第一大煤炭生产国，长期以来，煤炭在国家能源消费结构中 占有绝对主导地位。近年来，随着我国经济的快速增长和对能源需求的日益增 加，2 0 1 1 年原煤产量已超过3 5 亿吨，约占全球煤炭产量的4 0 ％。上世纪9 0 年代以来，尽管中国能源结构总体上朝着优质化方向发展，煤炭在总能源消费 结构中的比例总体上呈下降趋势，但下降的幅度并不大，2 0 1 1 年，煤炭所占的 比例仍然高达5 0 ％以上l l o j 。可以预见，在未来相当长的一段时间内，煤炭将仍 然是我国的主要能源形式，实现煤炭的安全、稳定、高效生产，对确保我国能 源供应安全，保障国家经济快速发展，具有极其重要的现实意义【6 1 。 煤矿是事故的多发地点，2 0 11 年全国煤矿发生事故1 2 0 1 起、死亡1 9 7 3 人，瓦斯是引发煤矿安全事故的最主要因素之一。瓦斯是煤炭形成过程中的伴 生气体，其主要成分是甲烷，当其在空气中的浓度超过5 ％时，遇到明火就会 发生燃烧或爆炸。为了确保煤矿安全生产，煤矿安全操作规程规定井下 空气中瓦斯浓度不得超过l ％【l 。随着煤矿井下采掘工作的不断进行，原本赋 存在煤层或围岩中的瓦斯气体因压力的改变，而不断地向采掘工作面释放，如 果不及时地将煤层及围岩所释放的瓦斯排走，就会导致井下瓦斯浓度超限而引 发煤矿安全事故。为此，需要源源不断地将地面空气输送至井下，稀释井下瓦 斯浓度，从而形成了煤矿乏风，并在主要通风机的作用下将其排入大气，以确 保煤矿安全生产。 为减少煤层或岩层中的瓦斯向采掘工作面释放，近年来，在一些高瓦斯矿 井中，通过瓦斯抽放的方法来减少瓦斯的涌出量，从而减少通风量和确保矿井 生产安全【1 2 】。瓦斯抽放是通过向煤层或采空区钻孔，然后再在地面抽放泵负压 的作用下，通过管道将煤层或采空区内的瓦斯直接排出地面，因而可减少在采 掘过程中瓦斯的释放。抽放出的瓦斯，在浓度高时，可以直接利用，而当浓度 低于3 0 ％时，为了安全起见，这部分抽放瓦斯一般是直接排向大气中。瓦斯抽 放能在一定程度上减少通风量和降低瓦斯向大气环境的排放量，然而，由于目 前的瓦斯抽放与利用率不高，据中国煤炭报报道，2 0 0 9 年全国煤矿瓦斯抽采量 为6 1 ．7 亿立方米、利用量为1 7 ．7 亿立方米，瓦斯利用量约为抽采量的2 9 ％， 博士学位论文 第一章绪论 其余大部分瓦斯仍是由通风的方式排出矿井【1 3 ，1 4 】，进入大气中。这种依靠通风 稀释井下瓦斯的方法在保障煤矿安全生产的同时，却带来了巨大的环境污染问 题。瓦斯除了能对煤矿安全生产构成严重威胁之外，同时也是一种重要的温室 气体，大量地向大气中排放温室气体，会导致全球气候变暖 G l o b a lW a n n i n g 。 温室气体主要包括二氧化碳 C 0 2 、甲烷 C H 4 、氧化亚氮 N 2 0 、氢氟碳 化物 H F C S 、全氟化碳 P F C S 、六氟化硫 S F 6 等。国际社会用全球变暖潜 势 G l o b a lW a r m i n gP o t e n t i a l ，G W P 作为气体温室效应大小的衡量指标，研 究结果表明，甲烷的G W P 是二氧化碳的2 1 倍【1 5 ‘1 7 】，也就是说，每释放l k g 甲烷，相当于释放2 1 k g 二氧化碳。 研究资料表明，自1 7 5 0 年以来，大气中C 0 2 浓度增加了3 1 ％，C H 4 浓度 增加了1 5 1 ％，而且大气中这些温室气体的浓度还在继续增加。煤炭开采是重 要的甲烷排放源。据估计，全球每年因煤炭开采所排放的瓦斯高达2 4 0 0 - - 一3 0 0 0 万吨【1 8 】。我国的统计资料也表明，2 0 1 0 年，我国的煤炭总产量为3 2 亿吨，共 向大气中排放瓦斯2 5 0 亿l n 3 以上【1 9 1 ，约1 5 0 0 万吨 瓦斯密度按0 ．7 1 8 k g ／m 3 计算 ，相当于排放当量二氧化碳3 ．5 亿吨。随着原煤产量的增加，每年因煤矿 生产所排放的瓦斯量会更大。在这些排放瓦斯中，有8 0 ％以上是通过煤矿乏风 的形式排放到大气中，因此，研究如何减少煤矿乏风瓦斯排放量，对保护环境、 减小人类对气候变化的干扰具有重要的作用。 瓦斯既是一种重要的温室气体，同时也是一种有用的燃料，使其氧化燃烧 可以释放出大量的能量。尽管煤矿乏风中的瓦斯浓度较低，但由于煤矿乏风量 大，所以瓦斯的绝对量很大，随瓦斯排放的能量也很大。通过采取合理的技术 措施，可以回收利用这部分能量，为矿井提供必须的生活用热能，甚至用于发 电。这样，在减少瓦斯排放的同时，可减少矿井对其他不可再生能源的消耗， 进一步实现节能减排。 由此可见，减少煤矿乏风瓦斯排放，对保障矿井安全生产，减少温室效应， 保护环境，节约能源，促进能源环境可持续发展，具有非常重要的作用，可谓是 一举多得。本文将对煤矿乏风低浓度瓦斯减排和利用问题开展研究，研究具有非 常重要的现实意义和广泛的应用前景。 1 ．3 国内外研究现状 煤矿乏风瓦斯利用，是煤矿开采和能源环境领域的专家学者长期关注的热点 问题之一。近年来，随着能源与环境问题日渐凸显，各国更加认识到节约能源资 源和保护环境的重要性，争相就煤矿瓦斯减排与利用问题开展相关的科学研究和 4 博士学位论文 第一章绪论 工程实践【2 0 1 。 1 ．3 ．1 煤矿乏风减排及利用技术 目前，煤矿乏风瓦斯的减排和利用技术分类如表1 ．3 所示‘2 1 1 。对于煤矿乏 表1 - 3 煤矿乏风利用技术分类 风瓦斯主要有两种减排利用技术一种是作为辅助燃料燃烧利用技术；另一种是 博士学位论文 第一章绪论 工程实践【2 0 1 。 1 ．3 ．1 煤矿乏风减排及利用技术 目前，煤矿乏风瓦斯的减排和利用技术分类如表1 ．3 所示‘2 1 1 。对于煤矿乏 表1 - 3 煤矿乏风利用技术分类 风瓦斯主要有两种减排利用技术一种是作为辅助燃料燃烧利用技术；另一种是 博士学位论文 第一章绪论 作为主要燃料利用技术。美国、加拿大、澳大利亚等少数发达国家在煤矿乏风低 浓度瓦斯减排及利用方面开展了一定的研究工作。 1 ．3 ．1 ．1 作为辅助燃料 辅助燃料燃烧利用技术主要是将煤矿乏风作为新鲜空气的替代，将煤矿乏 风送入燃气轮机或燃气内燃机，与主燃料相混合后燃烧，驱动发电机发电。因 为煤矿乏风流中0 2 仍占有一定比例，同时含有一定量的可燃成分C H 4 ，因此可 取代新鲜空气用于内燃机、燃气轮机作为助燃剂，这样可以节约部分燃料，减 少C H 4 排放量。利用煤矿乏风作为辅助燃料的技术主要有燃气轮机、内燃机、 燃烧粉煤发电厂、混合废煤／甲烷燃烧系统。 表1 ．4 主要从甲烷氧化机理、运行参数、技术可靠性及其工程应用等方面， 对利用煤矿乏风作为辅助燃料的相关技术进行了比较。总的来说，上述技术在 能量回收和利用上已不成问题，但对煤矿正常生产安全性的影响，还没得到完 全检验和证实。 表1 ．4 煤矿乏风辅助燃料使用技术对比 1 内燃机和燃气燃机 内燃机通常是使用中等质量的燃气发电，它是有效使用部分煤矿排气代替 6 博士学位论文 第一章绪论 燃气进气口周围新鲜空气的候选体系。如表1 ．3 所示，由于其燃烧温度较高， 很可能会比其他技术排出更多的氮氧化物气体。澳大利亚B H P 公司的在A p p i n 煤矿为矿井乏风作为辅助燃料应用提供了一个成功的范例【2 2 ．2 4 1 ，如图1 ．1 所示。 该煤矿共装备了5 4 台功率为1 M W 的C a t e r p i l l a r 内燃发电机组，用采空区抽放 的瓦斯作为主要燃料，用乏风作为辅助燃料。实践证明，这种方式比用周围的 空气作为助燃剂节约了1 0 ％的燃料，减少了2 0 ％的瓦斯排放量。矿井乏风流还 可以作为燃气燃机的助燃剂，如美国西北燃料公司研究开发的小型天然气燃气 轮机，就可利用煤矿乏风作为燃烧空气进行发电；C a t e r p i l l a r 的S o l a r 气轮机公 司曾经开展过3 ～8 M W 燃气轮机利用矿井排风作为辅助燃料燃烧的研究。另外， 煤矿乏风还可以用做矿井风井附近的火电厂锅炉、工业窑炉的供风，以减少主 燃料消耗和减少瓦斯排放。然而，这种技术需要在煤矿排风井附近建造电厂或 其他工业设施，而这在场地和工业布局上又往往是不可行的，因此限制了这种 技术的麻用吲。 图1 ．1A p p i n 煤矿内燃发电机组 2 燃烧粉煤发电厂 条件允许的情况下，可以将煤矿乏风输送到大规模的燃烧装置，如发电厂的 燃煤锅炉，让乏风全部或部分取代周围空气作为辅助燃料。在澳大利亚，V a l e s P o i n t 发电厂对这种乏风利用方法进行了试验性的研究，并已经对这种方法在技 术上的可行性进行了证实。在G G A P 计划的支持下，研究者将对该项技术在发电 厂实施的可行性进行全面系统的论证【2 6 】。煤矿乏风将以大约2 2 0m 3 ／s 的流量进 入发电厂的进风口。V a l e sP o i n t 发电厂2 6 6 0M W 的燃烧锅炉进风口的流量大约 是1 2 0 0m 3 ／s 。 通常，由于煤矿通风口距离发电厂较远，乏风输送困难而使该技术缺乏实用 性，从而限制了这种技术的应用。而且，在技术上，由于煤矿乏风甲烷浓度和流 量不稳定，对现有燃煤发电厂锅炉工作的稳定性产生影响。这也增加了该技术在 7 博士学位论文 第一章绪论 电厂实施的困难，需要对电厂的效率及安全性做进一步的论证。在锅炉燃烧过程 中，燃气中的甲烷浓度如果迅速从0 增N N o ．7 5 ％，将会导致燃烧不稳定，从而引 起爆炸或因为燃烧温度过高、控制不当而产生的煤渣和污垢等损坏锅炉。 3 旋转式干燥炉 对于乏风取代周围空气作为辅助燃料的方法，旋转式干燥炉中的混合废煤、 矿渣、乏风燃烧和锅炉中的粉煤燃烧很相似，但在燃烧机理和燃烧稳定性方面是 不同的。 澳大利业联邦科学与采矿工业研究组已经着手开发利用煤矿乏风和废煤的 技术，此项技术不仅可以降低煤矿乏风瓦斯的排放和实现对废煤的利用，而且还 能够回收其燃烧热能用于发电。其目标是使废煤混合煤矿抽放瓦斯和乏风中的甲 烷在旋转式干燥炉中燃烧，而抽放瓦斯的燃烧火焰对干燥炉内燃烧的稳定性起着 重要的作用。为实现大规模的实施和应用，燃烧过程中大量的操作参数还需进一 步地检验和测定。其中，部分研究计划已经在1 ．2 M W 的旋转干燥炉中启用。预 计的结果显示，废煤的燃烧性能还需要做系统的测试，以确定其在旋转式干燥炉 中燃烧的可行性，并通过测试来获取最佳操作参数1 2 川。 蚕i 一2C S I R O 哥发的旋转式干燥炉 在2 0 世纪9 0 年代，C o b b 已经对废煤在旋转式干燥炉中的燃烧特性开展了试 验研究。试验结果不尽如人意，其表明废煤在旋转式干燥炉中的燃烧率很低， 只能达到6 0 ％左右，即使提供足够的能源也很难维持持续燃烧。旋转式干燥炉不 适合燃烧低质量的燃料，比如无烟煤等固体燃料，旋转式干燥炉显得不是很适合。 事实上，干燥炉生煤燃烧数据也表明，对于大多数煤而言，旋转式干燥炉的燃煤 性能不如循环流化床锅炉。旋转式干燥炉有一个它特有的燃烧体积大而胶粘的燃 料或废料的“开放式结构”，这种结构更适合于大块燃料的燃烧【2 8 2 9 ] o 1 ．3 ．1 ．