一种煤矿乏风综合利用方法及系统与流程

1.本发明涉及煤矿乏风治理技术领域，具体涉及一种煤矿乏风综合利用方法及系统。


背景技术：

2.煤矿开采过程中的大量瓦斯气，其主要成分是ch4(甲烷)、与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气。
3.据2015年统计数据，全世界煤矿开采排入大气的甲烷总量超过2700万吨。如此巨大的排放量将对环境、能源利用方面造成巨大的负面影响：在环境方面，ch4是一种温室效应很强的气体，以100年计的ch4温室效应是co2的21倍；在能源利用方面，ch4是一种热值较高的有限的不可再生清洁能源(完全燃烧产物为co2和h2o)，且我国煤层气资源丰富，与西气东输的天然气量相当。
4.高浓度的瓦斯气，通过泵站收集后外送或者利用瓦斯内燃机发电，实现较高的经济效益；低浓度的瓦斯乏气主要是供回风系统的排气，其中含有低浓度的瓦斯气(约0～0.75％)，占瓦斯总量的80％，由于乏风瓦斯风量大、浓度低且波动范围大的特点，使得≤1％的乏风瓦斯难以利用传统燃烧方法加以利用，目前基本处于排空状态，释放了大量甲烷。在当下能源日益枯竭的严峻形势下，ch4不加以利用直接排放无疑造成了能源的极大浪费。充分利用这些资源，进行供热、发电可实现巨大的经济效益和碳减排效果。
5.煤矿乏风瓦斯(≤1％)用于发电，至今尚未实现大范围的应用，山西潞安集团高河煤矿采用蓄热式高温燃烧装置进行发电，实现了低浓度瓦斯的利用，但用蓄热体实现换热，存在的主要问题主要是阀门切换频繁容易坏、蓄热体容易坏、设备比较庞大。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术对于甲烷含量为1％以下的煤矿乏风不能进行有效充分利用的问题，提供一种煤矿乏风综合利用方法及系统。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种煤矿乏风综合利用方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)在点火单元中通入空气和煤气进行燃烧，将燃烧产生的热空气输送到催化燃烧室中对催化剂床层进行加热，并将对所述催化剂床层加热后的热空气输送到换热器中与新鲜的煤矿乏风进行换热，使所述煤矿乏风的温度升高至400-450℃，然后关闭点火单元；
9.(2)将加热后的煤矿乏风注入所述催化燃烧室中进行催化燃烧，产生的高温净化气进入余热锅炉中进行加热，使所述余热锅炉产生蒸汽，然后将经过所述余热锅炉取热后的净化气注入所述换热器中与新鲜的煤矿乏风进行换热。
10.优选地，所述煤矿乏风的甲烷浓度为0.15-1.2体积％。
11.优选地，所述催化燃烧室中产生的高温净化气的温度为480-750℃。
12.优选地，经过所述余热锅炉取热后的净化气的温度为420-470℃。
13.优选地，从所述换热器中排出的净化气的温度比注入所述换热器中的新鲜的煤矿乏风的温度高20-25℃。
14.优选地，所述催化燃烧室中的催化剂床层中催化剂为含有稀土和贵金属的负载型催化剂，以稀土元素和贵金属元素计，所述稀土和所述贵金属的总负载量为0.5-3重量％。
15.优选地，所述催化剂中的载体为堇青石蜂窝陶瓷，所述稀土为镧和/或钇，所述贵金属为铂和/或钯。
16.优选地，所述余热锅炉产生的蒸汽用于驱动汽轮机发电、加热热水和供暖中的至少一种。
17.本发明第二方面提供一种煤矿乏风综合利用系统，该系统包括点火单元、催化燃烧室、换热器、余热锅炉和蒸汽利用单元，其中，点火单元用于启动点火，将催化燃烧室内的催化剂床层加热，热空气进入换热器加热进口煤矿乏风；煤矿乏风通过换热器的进口进入后，与来自余热锅炉的高温净化气发生热交换，使得煤矿乏风的温度升高至400-450℃；加热后的煤矿乏风进入催化燃烧室进行催化燃烧，得到的480-750℃的高温净化气随后进入余热锅炉；余热锅炉中利用来自催化燃烧室的高温净化气进行加热，余热锅炉中产生的蒸汽进入蒸汽利用单元进行利用；经过余热锅炉取热后的420-470℃的净化气进入换热器中与进口煤矿乏风发生热交换。
18.优选地，所述蒸汽利用单元包括汽轮机发电机和/或蒸汽换热器。
19.与现有技术相比，本发明所述的煤矿乏风综合利用方法及系统具有以下有点：
20.(1)采用换热器替代蓄热式工艺，无切换阀，故障率及维护量均较少，设备稳定性高；风量波动对系统影响小；蓄热燃烧工艺在较低风量进入系统时因蓄热体前期蓄积较多热量，存在待处理乏气未进入催化床层氧化降解的可能，致使局部温度过高，影响催化剂、蓄热体使用寿命。
21.(2)采用用催化剂催化燃烧，可以降低反应活化能，降低反应温度，提高反应速率。甲烷的着火点在528℃，采用催化剂的情况下，甲烷的着火点可以降低到400-450℃。
22.(3)装置简化，可靠性高，爆炸等风险低。
23.(4)高效催化燃烧，实现低浓度瓦斯综合利用，下限浓度为0.15体积％。
24.(5)甲烷燃烧效率高，解决了温室气体排放的问题。
附图说明
25.图1是本发明所述的煤矿乏风综合利用系统的结构示意图。
26.附图标记说明
27.1、点火单元；2、催化燃烧室；3、余热锅炉；4、换热器；5、蒸汽利用单元；51、汽轮机发电机；52、蒸汽换热器。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
29.本发明所述的煤矿乏风综合利用方法的整个过程包括两个阶段，第一阶段是点火启动阶段，通过点火单元燃烧煤气产生的热空气加热催化燃烧室的催化剂床层，接着与注
入换热器中的新鲜的煤矿乏风换热，直至使换热器出口的煤矿乏风的温度稳定达到400-450℃时，关闭点火单元；第二阶段是循环稳定运行阶段，将温度升高至400-450℃的煤矿乏风注入催化燃烧室进行催化燃烧，产生的高温净化气进入余热锅炉加热，余热锅炉产生的蒸汽进入后续蒸汽利用单元进行利用，被取热后的净化气接着注入换热器中与新鲜的煤矿乏风进行换热，并且后续循环运行该第二阶段的操作。
30.具体的，如图1所示，本发明所述的煤矿乏风综合利用方法包括：
31.(1)在点火单元1中通入空气和煤气进行燃烧，将燃烧产生的热空气输送到催化燃烧室2中对催化剂床层进行加热，并将对所述催化剂床层加热后的热空气输送到换热器4中与新鲜的煤矿乏风进行换热，使所述煤矿乏风的温度升高至400-450℃，然后关闭点火单元1；
32.(2)将加热后的煤矿乏风注入所述催化燃烧室2中进行催化燃烧，产生的高温净化气进入余热锅炉3中进行加热，使所述余热锅炉3产生蒸汽，然后将经过所述余热锅炉3取热后的净化气注入所述换热器4中与新鲜的煤矿乏风进行换热。
33.在本发明所述的方法中，所述煤矿乏风可以为各种甲烷浓度较低的煤矿乏风。一般甲烷含量为0.15体积％的煤矿乏风可以实现燃烧平衡，在此基础上每增加0.1体积％的甲烷浓度，将引起25℃左右的温升。温度太低将无法产生多余的氧化热，只有在浓度较高的情况下，才可以实现余热利用，替代煤矿小锅炉；而浓度太高的话，将导致催化燃烧室内部过热，有爆炸的危险。在具体的实施方式中，所述煤矿乏风的甲烷浓度为0.15-1.2体积％，优选为0.2-1体积％，具体地，例如可以为0.2体积％、0.25体积％、0.3体积％、0.35体积％、0.4体积％、0.45体积％、0.5体积％、0.55体积％、0.6体积％、0.65体积％、0.7体积％、0.75体积％、0.8体积％、0.85体积％、0.9体积％、0.95体积％、1.0体积％。
34.在本发明所述的方法中，所述煤矿乏风在所述催化燃烧室2内发生氧化反应，完成煤矿乏风的净化，当煤矿乏风中的甲烷被分解时，将氧化放热，并产生高温净化气。所述催化燃烧室2中产生的高温净化气的温度可以为480-750℃。所述催化燃烧室2中产生的高温净化气的具体温度与所述煤矿乏风中的甲烷浓度有关，甲烷浓度越高，产生的高温净化气的温度也越高。当所述煤矿乏风中的甲烷浓度为0.15体积％时，所述催化燃烧室2出口的高温净化气的温度为480℃，基本上可以实现燃烧平衡；当所述煤矿乏风中的甲烷浓度每增加0.1体积％，将引起所述催化燃烧室2出口的高温净化气25℃左右的温升。
35.在本发明所述的方法中，由所述催化燃烧室2产生的高温净化气进入余热锅炉3中进行加热，产生蒸汽。所述所述余热锅炉3产生的蒸汽的温度和压力与所述煤矿乏风中的甲烷浓度有关，所述煤矿乏风中的甲烷浓度越高，所述蒸汽的温度和压力也越高。当所述煤矿乏风中的甲烷浓度为0.15体积％时，所述催化燃烧室2中产生的高温净化气的热量基本上维持整个工艺的热量平衡，而基本上不需要进入所述余热锅炉3中进行取热；当所述煤矿乏风中甲烷的浓度逐渐提高时，所述催化燃烧室2中产生的高温净化气的温度也逐渐提高，则所述高温净化气中的热量除了维持整个工艺的热量平衡外，还有富余的热量供所述余热锅炉3进行取热。
36.在本发明所述的方法中，所述余热锅炉3产生的蒸汽可以注入后续的蒸汽利用单元5中进行利用。具体的，所述蒸汽可以用于驱动汽轮机发电、加热热水和采暖中的至少一种。
37.在本发明所述的方法中，为了保证整个工艺过程稳定运行，优选地，使经过所述余热锅炉3取热后的净化气的温度为420-470℃。
38.在本发明所述的方法中，为了保证整个工艺过程稳定运行，优选地，从所述换热器4中排出的净化气的温度比注入所述换热器4中的新鲜的煤矿乏风的温度高20-25℃。
39.在本发明所述的方法中，所述催化燃烧室2中的催化剂床层所用的催化剂可以为含有稀土和贵金属的负载型催化剂。在具体的实施方式中，在所述负载型催化剂中，以稀土元素和贵金属元素计，所述稀土和所述贵金属的总负载量可以为0.5-3重量％，优选为1-3重量％，更优选为1.5-2.5重量％。在本发明中，所述催化剂中的载体优选为堇青石蜂窝陶瓷，所述稀土优选为镧和/或钇，所述贵金属优选为铂和/或钯。
40.如图1所示，本发明所述的煤矿乏风综合利用系统包括点火单元1、催化燃烧室2、换热器4、余热锅炉3和蒸汽利用单元5，其中，点火单元1用于启动点火，将催化燃烧室2内的催化剂床层加热，热空气进入换热器4加热进口煤矿乏风；煤矿乏风通过换热器4的进口进入后，与来自余热锅炉3的高温净化气发生热交换，使得煤矿乏风的温度升高至400-450℃；加热后的煤矿乏风进入催化燃烧室2进行催化燃烧，得到的480-750℃的高温净化气随后进入余热锅炉3；余热锅炉3中利用来自催化燃烧室2的高温净化气进行加热，余热锅炉3中产生的蒸汽进入蒸汽利用单元5进行利用；经过余热锅炉3取热后的420-470℃以上的净化气进入换热器4中与进口煤矿乏风发生热交换。
41.在具体的实施方式中，所述蒸汽利用单元5包括汽轮机发电机51和/或蒸汽换热器52。通过所述汽轮机发电机可以利用来自所述余热锅炉3的蒸汽进行发电。通过所述蒸汽换热器52，一方面可以利用所述余热锅炉3的蒸汽得到热水，用作生活用热水，如洗澡；另一方面可以利用所述余热锅炉3的蒸汽进行采暖。
42.下面通过实施例来进一步说明本发明所述的煤矿乏风综合利用方法及系统。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
43.以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均可商购得到。
44.实施例1
45.如图1所示，煤矿乏风综合利用系统包括点火单元1、催化燃烧室2、换热器4、余热锅炉3和蒸汽利用单元5，催化燃烧室2中的催化剂床层所用的催化剂为负载型催化剂，其中，载体为堇青石蜂窝陶瓷载体，载体上负载的稀土组分为镧，贵金属组分为钯，且稀土组分和贵金属组分的负载量为2重量％。
46.首先，在点火单元1中通入空气和煤气进行燃烧，将燃烧产生的热空气输送到催化燃烧室2中对催化剂床层进行加热，并将对所述催化剂床层加热后的热空气输送到换热器4中与新鲜的煤矿乏风(600000nm3/h，初始温度在30℃，甲烷浓度为1体积％)进行换热，使所述煤矿乏风的温度升高至420℃，然后关闭点火单元1。
47.然后，将加热后的420℃的煤矿乏风注入所述催化燃烧室2中进行催化燃烧，产生700℃的高温净化气，随后该高温净化气进入余热锅炉3中进行加热，产生蒸汽，然后将经过所述余热锅炉3取热后的440℃的净化气注入所述换热器4中与新鲜的煤矿乏风(同上)进行换热，其中，在换热器的入口冷侧煤矿乏风从30℃升温至420℃；在换热器的出口热侧净化
气从440℃降温至50℃；随后整个系统稳定自维持。
48.由所述余热锅炉3产生的蒸汽可以通过汽轮机发电机进行发电，也可以通过蒸汽换热器得到热水，从而实现热力的多层级利用。
49.通过对所述换热器中排出的净化气进行检测得知，其中基本上不含甲烷，可见已经基本上实现了甲烷的充分利用。
50.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。