[发明专利]一种煤矿乏风中的甲烷回收方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及煤矿甲烷回收技术，特别是煤矿乏风中的甲烷回收方法。

二、背景技术

在煤矿生产中，通常采用通风方法将瓦斯排出矿井，也就是我们常说的矿井乏风，虽然煤矿生产安全了，但大量的瓦斯排至大气中，对大气环境造成了严重影响，全世界瓦斯排放量占温室气体总排放量的16％，而其中8％来自煤矿，大量的甲烷排放，不仅对全球气候变化造成影响，同时也损失了大量的清洁能源。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。在典型情况下，煤矿瓦斯有三种排放渠道：1、煤矿通风(甲烷含量1-0.2％)；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)。其中矿井乏风中的瓦斯约占煤矿瓦斯排放量的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。矿井乏风中的瓦斯浓度低是一个主要问题，为了达到减排要求，可以将其浓度升高用于传统的甲烷发动机。但目前提高甲烷浓度的技术还在研究之中，大部分工作集中在低浓度甲烷的氧化方面。根据燃烧动力机制的不同，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(包括燃气轮机，内燃机和燃煤发电站)。主要利用就是把矿井乏风中的甲烷作为一种主要燃料。

煤矿瓦斯是矿井中主要由煤成气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷(沼气)。甲烷是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是由古代植物在堆积成煤的初期，经纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外在高温、高压的环境中，煤炭由于物理和化学作用，也能继续生成甲烷。

甲烷是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同甲烷同时涌出的缘故。甲烷与空气的相对密度是0.554，在标志状态下甲烷的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处。甲烷的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。

甲烷在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。游离状态也称为自由状态，这种甲烷以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、空隙之中，其量的大小主要决定于贮存空间的体积、压力和温度。吸着状态又称结合状态，其特点是甲烷与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又分为吸附及吸收两种。吸附状态是由于固体颗粒子与气体分子之间分子吸引力的作用，使气体分子在固体颗粒子表面上紧密附着一个薄层；吸收状态是气体分子已进入煤分子团的内部。几种状态的甲烷处于不断变化的平衡之中，在一定条件下会互相转化。当压力、温度变化时，游离甲烷转化为吸着甲烷称为吸附，吸附甲烷转化为游离甲烷称解吸。

甲烷既是重要的化工原料和能源，也是危险化学品和温室气体，甲烷的燃烧、爆炸事故更是造成煤矿重大人员伤亡和财产损失的主要灾害。因此，减少甲烷排放、提高甲烷利用率历来是人们必须解决的重要课题。由于煤矿乏风中甲烷含量非常低(一般小于1％)，排风量 大(通常一个大型煤矿达到50～100m³/S)，运用常规的气体吸附和吸收方法，从大量的煤矿乏风中提取微量甲烷，受到处理成本和处理规模的限制而难以实现。甲烷氧化技术是将煤矿乏风通过氧化介质，使其中的甲烷产生热能来加以利用，目前在国内外有所应用，但需要在排风井附近建设复杂而庞大的处理装置，由于矿井乏风中甲烷含量低和不稳定，同样受到工艺技术、处理成本和处理规模的限制。美国提出的甲烷催化和热反向流反应技术，运用了热反向流反应技术采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理，不适用于对微量甲烷气体的条件。

我国煤炭储量丰富，达45000亿t以上。我国煤炭行业面临增加产能和减少温室气体排放双重巨大压力，目前我国年产煤炭25亿t，在煤矿生产过程中一年排放到空气中的甲烷100～150亿m³。到2009年，中国将成为全球最大温室气体产生国。由于甲烷排入大气所造成温室效应比排放二氧化碳严重21倍，因此随着《京都议定书》正式生效，各国更加注重煤成气的回收利用，以减少温室气体排放。我国已经把煤成气的开发列入《中国21世纪议程优先项目计划》。《京都议定书》还规定了各国的温室气体减排量，如果某个国家达不到这一规定，可以向额度尚有富余的发展中国家购买剩余配额(配额时间按10年计算)，这就为实施降低甲烷排放的技术的研发和应用，提供了资金来源。

三、发明内容