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矿井乏风开发利用技术进展 MallettCW,SuSn (澳大利亚昆士兰州4069Pullenvale技术委员会;联邦科学与工业研究组织勘探与采 矿学会) 摘要:本文主要评述煤矿矿井乏风减排和利用技术的现状和发展，重点是 甲坑氧化技术的可行性、工程适用性和从甲烷氧化中回收热童的可能性等问 题. 矿井乏风约占煤矿区煤层气排放量的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稗定。矿井乏风中的甲烷浓度低是一个主要问题，为了达到减排要求， 可以直接在甲烷稀薄状态下进行处理或者将其浓度升高用于传统的甲烷发动机。目前提高甲烷浓度 的技术还在研究之中，大部分工作集中在极低浓度甲烷的氧化方面。根据燃烧动力机制的不同，这 些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。辅助利用既是把矿井乏风用来代替大气空气参与燃烧过程中(包括嫉气轮机，内燃机和 燃煤发电站)。而主要利用则是使用矿井乏风中的甲烷作为主要燃料。甲烷浓度和煤矿矿井乏风流 速对减排和利用技术的有效性影响极大。 1 引言 在世界范围内，甲烷的排放贵古人类活动排放气体总量的17%，而其中8%来自煤矿。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(11。在典型情况下，煤矿区煤层气有 三种排放渠道:1)煤矿通风(甲烷含量为。.1-0.7%)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)。矿井乏风约占煤矿区煤层气排放量的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，。煤矿矿井乏 风中的甲烷浓度低是一个主要问题，为了达到减排要求，可以直接在甲烷稀薄状态下进行处理或者 将其浓度升高用于传统的甲烷发动机.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 极低浓度甲烷的氧化方面。根据燃烧动力机制的不同，这些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 (包括嫩气轮机，内嫩机和姗煤发电站)。澳大利亚联邦科学与工业研究 组织(以下简称CSIRO)研究出一种方法，通过外部燃气轮机系统使用废弃煤炭和风空气中的废甲烷 在旋转炉中嫌烧，并进行发电.主要利用就是把矿井乏风中的甲烷作为一种主要燃料。使用的装置 包括恩姆易基机械设备系统 (以下简称MEGTEC)制造的热逆流反应器，、加拿大矿产与能源技术中 心 (以下简称CAIMET)制造的接触反应逆流反应器、黎巴嫩电业部 (以下简称EDL)制造的问壁回 热式燃气轮机、CSIRO贫烧接触反应涡轮机以及CSIRO接触反应燃烧室，这种燃烧室可以对煤炭进行 烘干、加热或冷却 (可能同时使用一台吸附冷却器)。热逆流反应器和接触反应逆流反应器系统的 土要问题是很难回收有用能量用于发电，所以它们主要用途只是减轻甲烷引起的温室效应。相对而 含，使用甲烷工作浓度为1%的CSIRO接触反应祸轮机，是更有前途的甲烷减排技术。将瓦斯矿的矿 井乏风和抽放的甲烷结合在一起，可以获得合乎要求的、浓度为1%的甲烷。 本文主要评述煤矿矿井乏风减排和利用技术的现状和发展，重点是甲烷氧化技术的可行性、工 程适用性和从甲烷氧化中回收热量的可能性等问题。甲烷浓度和煤矿矿井乏风流速对减排和利用技 术的有效性影响极大。 2 技术分类和甲烷氧化机制 2.1技术分类 表 I列出了矿井乏风减排和利用技术的类别，从而使各技术在基本机制、技术原理和适用性等 方面更易理解。 2.2 甲烷氧化机制 甲烷的燃烧机制总体上可以由下面的化学式表达: CH4+20:=C02+2H20 AHt2va1=-802.7Ulmol 此处进行了一定简化。因为实际的反应机制包含许多基本连锁反应 【2]。甲烷燃烧时能够产生 _Vl化碳或二氧化碳，与空气和甲烷的比例有关。 CH4+20Z=C02+2H20 CH4+3/202=CO+2H20 其它反应可以表示为: CH4+1120=CO+3H2 2H2+02=2H20 CO+H2O=C仇+H2 在计及多级表面反应时，甲烷接触反应嫩烧的动力学机制就会变得相当困难。Choueta