李海波

(龍煤七臺河礦業(yè)有限公司新興煤礦，黑龍江 七臺河 154600)

我國能源消耗不斷增多，提高能源利用水平、讓有限的化石能源發(fā)揮更大的價值是行業(yè)工作者關注的重點。瓦斯主要成分為甲烷，其與煤層之間呈共生狀態(tài)，資源儲量極為豐富，但實際利用效率卻極為不足，絕大多數(shù)被直接排放，如果煤炭開采過程沒有及時將礦井內部瓦斯抽出或是礦井內部通風條件不足，極易引發(fā)重大礦難。甲烷直接排放會不斷加劇溫室效應，因此提高對煤礦內部瓦斯氣體利用率、采取更為合理的手段使其發(fā)揮更高價值，對完善我國能源開采體系、發(fā)展高效能源利用技術具有重要意義。

1 我國煤礦通風瓦斯利用現(xiàn)狀

相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國煤礦井下開采過程中，通風瓦斯排出量占比超過60%，其中甲烷總含量約為120億m3，以一個百萬噸級高瓦斯礦井為例，其每分鐘通風瓦斯排出量超過6 000 m3，而甲烷排出量約為50 m3，每年甲烷排放量約為3 000萬m3。通過數(shù)據(jù)可知，甲烷在通風瓦斯中占比很低，如果采用傳統(tǒng)變壓吸附法或變溫吸附分離法很難對其進行提純，其加溫與加壓過程所產(chǎn)生的能耗更是遠遠超出所提取的甲烷能源量，無論從經(jīng)濟利益角度還是能源利用角度來說，這些方式都不具備應用價值。通風瓦斯中甲烷含量比甲烷空燃比更高，所以實際操作也不能采用直接燃燒方式。提純與燃燒均不具備良好的工程效應，因此很多企業(yè)將通風瓦斯直接排放，導致空氣污染不斷加劇，大量化石能源被消耗。

2 煤礦通風瓦斯氧化技術

2.1 熱氧化技術

通風瓦斯熱氧化技術需利用雙向流反應器，在雙向流反應器內部，氣體與固體間發(fā)生再生熱交換，進而形成能量轉移，氣體為通風瓦斯，固體為熱交換介質床，床體+熱交換單元+電加熱單元共同組成雙向流反應器核心構件。操作中，技術人員需要將雙向流反應器與電源接通，將雙向流反應器的核心加熱至1 000℃以上，將通風瓦斯接入閥門打開，在鼓風機與通風管道引導下，通風瓦斯進入預加熱區(qū)域，當溫度上升至甲烷可自燃條件時，甲烷就會與空氣中的氧氣發(fā)生反應，進而釋放出化學能，這些化學能將會對加熱區(qū)域形成二次加熱效果，氧化反應后的氣體將會直接排出，而多余的熱量將會被用于發(fā)電與供暖。

2.2 催化氧化技術

催化氧化技術需要利用流向交換催化氧化反應器，使催化劑與加熱后的瓦斯氣體發(fā)生氧化反應，進而釋放熱能，氧化后所形成的高壓氣體將會被用于發(fā)電。但是這種反應器體積很大，內部溫度將會對設備運行帶來不利影響，高溫也會對設備自身造成一定危害。氧化時所產(chǎn)生的高溫氣體會使空氣中的氮氣與氧氣發(fā)生反應，形成更具危害廢氣，加重環(huán)境污染。從結構角度分析，這種反應器為蓄熱式催化反應器，催化劑床為其核心構件，而這一結構亦可有效降低甲烷氣體氧化產(chǎn)生的溫度，因此開發(fā)高效催化劑，確保通風瓦斯與氧氣可在較低溫度下發(fā)生氧化反應，是整個技術與裝置的關鍵節(jié)點。其工作過程與熱氧化技術相似，氧化過程釋放的熱能，一部分被用于維持整個裝置的催化氧化過程，一部分被用于供暖與發(fā)電。

3 煤礦通風瓦斯氧化熱利用方式

對煤礦通風瓦斯氧化熱利用方式進行研究時，需要對氧化熱利用方式及整體經(jīng)濟效益進行全面考量，結合煤礦通風瓦斯現(xiàn)場熱電需求及通風瓦斯中甲烷含量，對操作工藝進行調整。相關研究數(shù)據(jù)表明，如果通風瓦斯內甲烷含量為0.41%，那么氧化反應所產(chǎn)生熱能與維持氧化反應所需熱能將會保持平衡。

以某礦井開采情況為例，其礦區(qū)擁有4個通風瓦斯排放井口，井口位置甲烷含量約為0.41%，結合井口位置通風瓦斯流量等數(shù)據(jù)，可安裝兩臺通風瓦斯氧化裝置，并安裝配套附屬熱電與供暖裝置。從工程效益角度分析，氧化裝置安裝后，不僅可為區(qū)域內提供相對可靠的電能與熱能，亦可有效降低甲烷排放，降低煤炭資源消耗，增加就業(yè)崗位，促進區(qū)域經(jīng)濟結構合理調整。

3.1 氧化產(chǎn)熱

根據(jù)現(xiàn)場調研所得數(shù)據(jù)，通風瓦斯內甲烷含量為0.41%，如果氧化反應過程產(chǎn)生的熱能與保障氧化反應所需熱能相等，那么可將氧化后產(chǎn)生的熱量替代附屬加熱裝置，達到減少額外資源投入、控制總體成本消耗并保障企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。以我國相關行業(yè)最新技術指標為例，一臺氧化裝置每小時可處理5萬m3通風瓦斯，每年甲烷氧化總量約為200萬m3，可減少二氧化碳排放量3萬t，減少煤炭資源消耗1 000 t。

3.2 氧化熱供電

如果氧化裝置內氧化過程產(chǎn)生的熱能超過保障氧化反應所需熱能，那么可將這些多余熱能對鍋爐進行加熱，利用高溫高壓蒸汽推動發(fā)電機，為礦區(qū)工作人員及礦區(qū)生產(chǎn)過程提供電能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高能源利用效率，減少企業(yè)用電成本，既可實現(xiàn)節(jié)能減排目標，又可充分釋放企業(yè)發(fā)展?jié)撃?。以我國相關行業(yè)最新技術指標為例，假設一臺氧化裝置每小時可處理5萬m3通風瓦斯，而礦區(qū)內同時存在6臺氧化裝置，那么所產(chǎn)生的額外熱量可推動1 000千瓦的蒸汽機發(fā)電，而一年所產(chǎn)生的電能為1 500萬度，氧化甲烷量為1 500萬m3。

3.3 氧化機制冷降溫

如果礦區(qū)內工作區(qū)域存在制冷降溫需求，且礦區(qū)通風瓦斯氧化過程所產(chǎn)生熱量與制冷量需求相等，那么可通過對通風瓦斯氧化產(chǎn)熱進行有效利用，有效削減礦區(qū)工作區(qū)域制冷壓力，減少額外能源投入，煤礦開采企業(yè)自身的能源消耗與成本投入也將進一步下降，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益與社會效益。以當前我國相關行業(yè)最新技術指標為例，一臺氧化裝置每小時氧化處理能力為5萬m3，那么每年可處理200萬m3的甲烷，制冷總量為700萬千瓦。

3.4 氧化反應產(chǎn)生的過熱蒸汽

通常情況下，如果礦井內通風瓦斯含量超過0.5%，那么氧化反應產(chǎn)生的多余熱能可有效滿足發(fā)電與制冷、制熱需求。煤礦企業(yè)可將氧化裝置與熱電裝置有效融合，利用熱電冷聯(lián)合方式，使熱蒸汽推動發(fā)電機供電，殘余熱量亦可為制冷裝置提供能源。熱電冷聯(lián)合裝置的出現(xiàn)，可有效提高通風瓦斯利用效果，實現(xiàn)能源清潔化與高效化使用，并減少污染排放，降低企業(yè)生產(chǎn)成本消耗。

4 展望

煤礦通風瓦斯甲烷氧化利用技術在節(jié)能減排及提升煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益方面具有很高的利用價值，其對廢棄能源的二次利用?？蔀槲磥砟茉蠢梅绞絼?chuàng)新提供有效參考，企業(yè)自身生產(chǎn)經(jīng)營成本得到有效控制，溫室氣體排放量也大幅度削減，對于我國化石能源領域創(chuàng)新發(fā)展及“碳中和”目標的實現(xiàn)有著重要的借鑒意義。