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可再生能源和可持续能源的评论资料

可再生能源和可持续能源的评论

矿井通风空气甲烷作为可持续能源的来源

IzzetKarakurt,GokhanAydin,KerimAydiner

KaradenizTechnicalUniversity,DepartmentofMiningEngineering,61080Trabzon,Turkey

文章信息

文章历史：

从2010年6月23日到2010年11月12日

关键词：

全球变暖温室效应甲烷煤矿通风空气

摘要：

甲烷的来源之一是地下煤矿开采释放大量的甲烷。

煤矿中大约70%的甲烷是通过通风空气排放到大气中。

更不幸的是，由于低浓度甲烷在空气通风中仅占有（0.1--1.5%），使其有效利用率相当低。

但是，由于全球变暖，通过氧化作用甲烷可减少95%。

在氧化过程中我们可以回收大量能量。

在这项研究中，以现有的发展方法，基于甲烷的氧化特性，讨论了VAM（煤矿乏风）的缓解和利用的方法。

同时关于甲烷的主要操作参数如燃烧法、技术可行性和工程试用性也进行了讨论。

2010年艾斯维尔有限公司，保留所有权。

1.介绍

温室气体的排放,主要来自燃烧化石燃料、工业生产、交通运输、农业设施和废物管理流程等活动。

累积在大气中的温室气体导致了地球温度的增加。

由于全球气温的增加,预计将会影响社会经济领域重要的变化,同时生态系统和人类的生活也将产生重大改变。

二氧化碳、甲烷、氮氧化物和氯氟化碳对全球变暖和环境问题有至关重要的影响。

认为排放二氧化碳的速度占温室气体排放总量的74%。

图1中给出了甲烷，氧化氮和二氧化碳在全球变暖中的比重。

甲烷保存热量的能力是二氧化碳的20倍。

尽管事实上，甲烷是人为温室气体排放中的第二大贡献者，但至少它像二氧化碳一样同样影响了气候变化。

1990年至2005年温室气体中CO2的含量已在图2中给出，甲烷排放在1990-2005年期间逐渐增加,这些增加预计将保持他们的未来趋势。

到2020年煤炭开采和农业作为主要贡献部分大约会增加12-16%。

Fig2.01990-2005年间温室气体改变

甲烷释放主要来自农业、能源、工业和废物处理领域。

能源行业是人为甲烷排放的第二大贡献者占（30%）。

能源行业中煤炭开采，固定与移动燃烧和生物质燃烧也导致了甲烷和天然气的排放。

煤炭开采排放占能源行业排放的22%（图3）。

来自采矿作业中排放气体的含量与煤层的煤阶和深度成函数关系。

煤阶是一个煤的碳含量的测量。

较深的煤层中通常意味着更高的碳含量，同时甲烷的含量也就越高。

各种煤中无烟煤和半无烟煤的煤阶最高,而泥炭和褐煤最低。

煤层深度的重要性关系到了煤炭的压力强度。

煤炭压力随煤层深度增加而增加，防止了甲烷迁移到表面。

因此，地下采矿作业通常比地表采矿释放出更多的甲烷。

煤层甲烷含量随深度增加而增加。

煤床以下100米甲烷含量0.02立方米/吨。

甲烷浓度增加到7.069立方米/吨，煤层在2000米深度。

Singhet.al..发现了印度煤层的相关性.他们发现煤层深度每增加100米甲烷含量增加1.3立方米。

甲烷是在被开采过程中并通过通风设备时被排放出来的。

稀释过的甲烷是通过尾气排放到大气中的。

这种气体称为“通风空气甲烷（VAM）”并有很低的甲烷浓度。

在VAM阀值中低浓度的甲烷是矿井空气中所含甲烷浓度的极限值。

然而，他所负责排放甲烷的60-70%都与煤的开采有关。

除了影响煤矿生产过程的连续性,甲烷在全球变暖中起到了重要影响。

回收、利用不仅可能用来克服对环境影响的不利影响，还可以利用甲烷作为能量来源。

煤矿排放的甲烷在甲烷排放有重要的份额，是甲烷的主要来源之一。

在美国，煤炭开采产生的420亿立方英尺的甲烷是通过排水系统排放的，大约1000亿立方英尺的甲烷是作为通风空气被排放。

这是所有国家大部分煤炭开采实践最相同的理由。

因此,煤矿乏风可以被视为甲烷排放的主要来源。

该项目在理论上论述了甲烷减排与回收利用方法适合通风空气甲烷。

这些方法也对他们的主要操作参数如燃烧方法,技术可行性和工程适用性进行了比较。

此外，来自世界各地的各种VAM项目也被提出来。

2.VAM的缓解和利用

在不同产业的产品生产加工和使用中会获得大量气体，为了维持工作环境的安全，甲烷在煤层中必须回收。

回收气体中甲烷含量可能达到95%。

煤矿甲烷（CMM）的一般分类缓解和利用方法见图4。

通过排水系统获得的气体中甲烷浓度超过30%，这种气体可以用于工业。

然而，由于风量很大和浓度变量等问题，所以利用含有低浓度的通风空气具有很大困难。

为了在工业中使用，必须增加通风空气中的甲烷浓度。

现在还没有有效的可利用技术来提高甲烷浓度，但是现在发达国家的多数研究成果一直集中在通风空气中的氧化甲烷。

甲烷通过氧化生成二氧化碳和能源生产中可以利用的热量。

由于氧化作用，甲烷在气候变化问题上的影响可以减少近20倍。

从燃烧动力学机制的角度看，甲烷氧化的方法可分为热催化氧化和接触催化氧化。

VAM在氧化技术中作为辅助和主要燃料。

3.甲烷氧化机制

甲烷的整个燃烧机里由以下方程表示：

CH4+2O2=CO2+2H2OH（298）=−802.7kJ/mol

（1）

然而,这是一种简单化的方程，实际反应机理涉及很多激烈的连锁反应[23,16]。

通过下面的反应，根据甲烷的比例甲烷燃烧可能生成CO或CO2。

CH4+2O2=CO2+2H2O

（2）

CH4+3/2O2=CO+2H2O（3）

其他反应也可能呈现如下:

CH4+H2O=CO+3H2（4）

2H2+O2=2H2O（5）

CO+H2O=CO2+H2（6）

甲烷催化燃烧机理更为复杂特别的是将异构反应考虑在内。

可能的机制甲烷催化氧化是图5所示。

4．辅助使用通风空气甲烷

在燃烧过程中捕获的通风空气可以作为辅助燃料来增加燃烧性能。

基本应用程序利用通风空气中的甲烷作为外界环境空气粉燃煤发电站，混合废气/煤矿甲烷燃烧装置,燃气轮机和内燃机。

表1中给出了用主要的操作参数来评估辅助通风空气技术的可行性和工程适用性。

利用这些方法来回收能量是必然的。

预计的成功主要是依靠各矿井单位之间的安全连接。

但是,这是每一环境的具体问题,尚未完全检查出共同的特性[16]。

表2从主要操作阐述参数的角度比较了辅助通风空气甲烷的多种方法。

4.1．粉状燃煤发电站

在大型电站燃烧过程中捕获的通风空气可以作为环境空气加以利用。

在澳大利亚的一座发电站，进行的中等规模的研究对相应程序进行了分析，结果表明,该方法在技术上是可行的,特别是如果一个电厂附近已建有矿山排气轴[14]。

一般来说发电站不是所有瓦斯矿井都适用。

这种方法不能保证它的适用性。

根据甲烷的浓度和流量通风空气中甲烷浓度的变化，可能对设备运行造成负面影响。

他还增加了电站运行的复杂性。

例如，在燃烧过程中甲烷浓度可能会增加，这可能会对设备（锅炉）、熔渣和残渣造成损害[16]。

4.2．混合废物/煤炭/尾矿/甲烷燃烧单元

当考虑甲烷氧化机制时，随着通风空气在煤粉锅炉中的使用，在回转窑或流化床之间的通风空气中混合的废料/煤/甲烷燃烧单元有相似之处，这方面已被人们意识到。

然而，这需要一个额外的规定来规范这个燃烧过程并保证其稳定性。

一些旋转窑已经被研究出来用来混合低质量的废料/燃煤。

对这些窑的研究开展已经表明,高质量的气体或燃料需要维持稳定的燃烧过程[23]。

在柯布[24]进行的一项研究中，假如在这些高质量的窑中使用无烟煤，废料表现出低的性能。

尽管广泛的中等规模工厂，将VAM作为一种辅助燃料在流化层燃烧是有效的，但没有研究表明流化层单元中的甲烷被完全氧化。

4.3．内燃机

内燃机通常使用介质气体产生电和能量；因此，在燃烧过程中他们适合使用VAM环境下的气体。

如果在运输过程中它更为有利，那就需要选择低的成本来减少通风空气中的甲烷。

由于在燃烧过程中产生更高的温度，这种方法会比其他方法产生更多的N2O[14]。

尽管这种方法有较低的成本，但仅有一小部分的通风空气中的甲烷能在该程序中得到利用。

4.4．传统燃气涡轮机

传统燃气轮机与内部气体发动机有相似之处，通风空气中一小部分的甲烷就能够满足燃气机的燃料需求。

另一方面，使用通风空气来稀释燃烧过程，同时冷却涡轮机会导致甲烷在通过涡轮机时不发生燃烧。

为了避免这种情况，不仅需要更复杂的涡轮系统从其他来源处获得压缩空气，而且还要求能够压缩通风空气[26,16]。

5.主要使用VAM

在燃烧过程中通风空气可以作为主要燃料，同时用来减轻排放空气中的甲烷的排放。

然而，依据甲烷浓度的操作要求，通风空气的主要用途可能不是这几个方式。

VAM作为主反向反应堆，catalyticmonolith反应堆，精益燃烧燃气涡轮机,集中器。

这些技术的详细描述如下。

该燃料的缓解和利用率方法在表3中给出。

5.1．热逆流反应堆技术（TFRR）

热逆流反应堆是一种用于有机物氧化的设备。

它们的工作原理已经被许多研究人员记录下来[26,27]。

基本上，TFRR包含了石英石、砾石床或一套中间含有电加热原件的陶瓷热交换介质。

含有甲烷的矿井通风空气可以通过设备上的阀门或通道进入反应堆[28]。

图6中TFRR的示意图予以说明。

通风空气中的甲烷能够发生自燃的环境温度。

甲烷自燃的原理是，用反应器的中心的电加热元件加热介质来开始该进程。

在环境温度下有含有甲烷的通风空气进入反应堆，它们从一个方向流经反应堆同时其温度会不断提高，直到氧化床中心处的甲烷氧化为止。

在该过程中氧化产品会持续穿过氧化床将热量散失到氧化床的另一面。

当由于环境温度的通风空气的流入使氧化床近侧一段温度冷却远端一侧温度升高时，该反应堆会自动反转通风气流的方向。

通风空气（VAM）进入此时（加热）床的远端然后氧化发生。

在热气体将热量转移到氧化床另一端的同时，在气体温度刚刚高于环境温度时退出反应堆。

然后，再一次逆转该过程。

氧化甲烷产生CO2和热量。

如果事实符合，能量可能成为氧化产品。

热逆流反应堆对矿井通风空气甲烷（VAM）的氧化≥95%[31]。

根据阀门和气流的循环热逆流方式，反应堆有了可以替代的设计。

TFRR可替代设计的图解，如图7所示。

5.2．催化逆流反应堆（CFRR）

催化反应堆不同于TFRR只有在CFRR方法下才使用催化。

CFRR降低通风空气中甲烷的自燃温度以保持系统在燃烧期间的耐久性[32]。

通过增加空气或水气混合气到热交换器中可以防止过热或过冷。

这种类型反应堆有一定优势，例如可以在过低的温度下工作，释放少量的N2O（可以忽略不计），低的生产、工程成本，要求更小的设备[34,35]。

来自Sapoundjiev和奥布[35]省公布的一项研究表明，CFRR技术将用于煤矿发电，将其提供给遥远地方的热能用户。

为了降低通风空气中的甲烷，给出了CFRR用于煤厂发电的好处。

图9显示了CFRR方法使用VAM中甲烷的好处，从图1和图2中可以分别了解到，温室效应将逐渐下降，氧化产品可以应用到不同领域。

CFRR氧化VAM中大约90%的甲烷。

因此，它可以获取一个重要的能量来源，减少VAM的温室效应。

CFRR氧化大约90%的VAM中的甲烷。

因此VAM是获得能量的重要来源,并降低温室效应[36]。

1、

5.3．Catalytic-monolith反应堆（CMR）

存在类似原则的其他方法，适用于巨型催化反应堆的操作及其设计特点。

巨型催化反应堆的巨大的反应堆就像一个蜂巢。

在高质量流下由于非常低的压降和高的几何面积及高机械强度的特点，因此CMR被广泛利用[37]。

整块材料由一个七通道壁被一含有催化作用地活跃粒子的平行通道的结构组成。

因此，相比其他反应堆设计（TFRR或CFRR），根据加工相同数量的通风空气可以看出CMR单元更紧凑。

根据主要性能和设计特点表4比较了不同反应堆的设计（CFRR，TFRR和CMR）。

VAM捕获矿井废气，不仅需要高容量和低浓度的甲烷而且甲烷浓度是可变的。

这些弊端会导致缓解工作和应用方法的效率降低。

MEGTER,该公司生产TFRR,有报道指出TFRR会在浓度0.08%的甲烷中继续它的工作。

然而，Utah大学仿真模拟显示，如果甲烷浓度低于0.35%，温度将跌破最低要求[14]。

维持CFRR操作的最低通风空气中甲烷浓度应在0.1%以上。

目前尚不清楚，甲烷占空气0.1%比重的情况下CFRR单元可以运行多久[33]。

由于催化燃烧实验旨在明确CMR操作需要甲烷的最低浓度，在VAM中当甲烷浓度大于0.4%时它可以运行[16]。

5.4．稀薄燃烧燃气机（涡轮机）

近年来，许多稀燃汽轮机正被研制，例如EDL回热式燃气轮机，CSICO稀薄燃烧催化燃气轮机，伴有催化燃烧室的Ingresoll-Rand微型燃气轮机[38]。

VAM主要用于，使用预热空气中甲烷燃烧过程产生的热量的回热式燃气轮机。

表5提供了稀薄燃烧燃气轮机一些重要特点之间的比较。

通风空气中甲烷浓度应在1.6%以上。

因此,它可能需要添加大量的通风空气中的甲烷，来达到足够的甲烷浓度以作为辅助燃料。

不仅低浓度的通风空气中的甲烷可以用于这些类型的涡轮机，而且从前后进排气口中捕获的甲烷也可以使用[16]。

基于澳大利亚，两个瓦斯矿井真实的甲烷排放数据，对燃气轮机中1%和1.6%浓度的甲烷进行了技术经济评估[39]。

作为本研究的结果，得出结论，50-60%的燃料燃烧，需要通风空气甲烷的1%是来自催化涡轮机。

另一方面，可以看出燃烧30-60%的燃料，需要1.6%的通风空气中的甲烷是来催化涡轮机。

此外，已经确定，涡轮机消耗近100%的通风空气时用到1%的甲烷浓度，涡轮机消耗大约30-50%的通风空气用到1.6%的甲烷浓度。

5.5．集中器

许多行业中集中器是用来捕捉挥发性有机化合物的。

这些类型的集中器可以充实通风空气中甲烷，同时它们可以提高稀燃涡轮机中气体（甲烷）的浓度。

通风空气中0.1-0.9%的甲烷进入这些集中器使甲烷浓度大于20%。

如果浓缩后的甲烷浓度＞＝30%，用传统的燃气轮机利用通风空气发电也是一样的[16]。

6．结论

甲烷是人为温室气体排放的第二大贡献者。

其主要来源是农业、沼泽、石油和天然气系统、煤炭开采和燃烧化石燃料。

煤矿负责antrophogenic甲烷排放量的7%。

这些排放量的70%来自地下煤矿的通风空气。

甲烷被认为对温室效应有负面作用的气体。

此外，还伴有能量浪费，作为温室气体，通风空气甲烷对世界能源生产做了无用功。

缓解和增加甲烷利用率的方法，可能有助于减少大气中甲烷含量。

此外,浪费的能源也可以利用起来。

回收和利用通风空气甲烷的有效方法尚未公布，但近年来很多努力已被实践。

多数工作集中于甲烷的氧化。

分析当前技术的可能性和理论基础可以得出以下结论：

（i）通过排水方法捕获的甲烷，根据其浓度可以得到利用。

然而，由于它具有较高的体积、包含性低和甲烷的浓度变量使得利用甲烷非常困难。

（ii）为了回收利用，在燃烧过程中VAM可以用作辅助和主燃料。

辅助使用通风空气甲烷主要用于减少甲烷的温室效应。

主要用途，可以实现能源回收利用和降低温室效应。

（iii）假设不足的通风空气甲烷浓度满足缓解和利用进程的要求，通风空气应用于增加甲烷浓度。

集中器适用于浓缩少量的通风空气中甲烷。

浓缩后如果甲烷浓度大于30%,它可以用于传统的燃气轮机发电。

（iv）对于任何矿井站点下的VAM的缓解和利用方法的使用性，主要取决于站点具体条件。

对于矿井场地，关于任何形式的技术连接的调查及安全问题都是非常重要的。

（v）在全球气候变化的影响下，通过通风方法来自地下煤矿的甲烷，通过氧化方法能够减少95%。

来自矿井开采的另一部分排放物可以减少67%。

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