摘要：超低濃度煤層氣由于甲烷含量低、濃度變化大，常規(guī)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)有效利用，世界上幾乎所有超低濃度煤層氣都沒有經(jīng)過利用而直接排向大氣，不僅造成了能源的浪費(fèi)，而且污染了大氣。為此，綜述了國(guó)內(nèi)外超低濃度煤層氣作為能源利用的技術(shù)、方法和機(jī)理，分析了國(guó)內(nèi)外把超低濃度煤層氣作為輔助燃料、主要燃料及其濃縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，重點(diǎn)介紹了超低濃度煤層氣作為主要燃料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)提出除了要加強(qiáng)超低濃度煤層氣燃燒機(jī)理研究之外，還應(yīng)對(duì)利用技術(shù)的適應(yīng)性和運(yùn)行的可靠性進(jìn)一步研究的建議，為減少超低濃度煤層氣在世界范圍尤其是在我國(guó)的排放和能源化利用提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：超低濃度煤層氣；輔助燃料；主要燃料；熱氧化；濃縮

    超低濃度煤層氣是指煤層氣中CH₄的體積分?jǐn)?shù)低于5%的煤層氣，通常條件下，它不能被點(diǎn)燃或者維持燃燒。目前，世界上幾乎所有的超低濃度煤層氣都未進(jìn)行回收處理就直接排向大氣^[1～2]。超低濃度煤層氣的排放一方面造成了有限的不可再生資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，另一方面也加劇了大氣污染和溫室效應(yīng)：超低濃度煤層氣的主要成分CH₄的溫室效應(yīng)是CO₂的20～24倍，CH₄對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)占15%，僅次于CO₂。因此，合理回收利用低濃度煤層氣具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。

    造成超低濃度煤層氣難以利用的原因主要如下：

    1) CH₄含量低。低濃度煤層氣常存在于廢舊礦井和礦井通風(fēng)氣中，通常條件下，甲烷爆炸濃度(體積分?jǐn)?shù))區(qū)間為4.5%～15%，為了安全起見，在廢舊礦井和礦井通風(fēng)氣中的超低濃度煤層氣中CH₄體積分?jǐn)?shù)常低于5%，甚至低于2%。常規(guī)的方法很難實(shí)現(xiàn)超低濃度煤層氣的能源化利用。

    2) CH₄濃度變化大。超低濃度煤層氣中的甲烷含量常受到礦井下煤層氣含量、煤炭開采量、通風(fēng)量等多種因素的影響，導(dǎo)致其中的甲烷濃度變化幅度較大，給超低濃度煤層氣的利用帶來(lái)了難度^[3～6]。

    盡管存在諸多能源化利用的難題，美國(guó)、澳大利亞、波蘭、加拿大等國(guó)已經(jīng)對(duì)超低濃度煤層氣展開了研究和利用，而國(guó)內(nèi)的研究才剛剛起步。

    超低濃度煤層氣作為輔助燃料可以在電站鍋爐內(nèi)混燒，也可以在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)中替代部分空氣。

2.1.1 電站鍋爐內(nèi)混燒

    超低濃度煤層氣的主要成分為氧氣、氮?dú)夂蜕倭康目扇細(xì)怏w，可以作為輔助燃料在電站煤粉鍋爐、循環(huán)流化床內(nèi)混燒。澳大利亞新南威爾士州的Vales Point電站實(shí)驗(yàn)了在煤粉鍋爐上用超低濃度煤層氣替代部分空氣，證實(shí)了該技術(shù)的可行性^[7～8]。目前還沒有在循環(huán)流化床鍋爐中混燒超低濃度煤層氣的實(shí)驗(yàn)研究，其技術(shù)可行性以及混燒超低濃度煤層氣對(duì)流化床鍋爐的影響有待于研究和證實(shí)。值得注意的是從礦井抽采出來(lái)的超低濃度煤層氣的氣體速率和濃度常是變化的，這就給鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和電站操作條件帶來(lái)了困難。同時(shí)，還要求電站建設(shè)離礦井較近，便于超低濃度煤層氣的輸送。

2.1.2 燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)中替代部分空氣

    在常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)中可以利用超低濃度煤層氣替代部分空氣。Solar氣輪機(jī)公司對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究，但發(fā)現(xiàn)煤層氣濃度過高時(shí)，會(huì)因燃燒溫度升高過快而引起轉(zhuǎn)子損壞，甲烷體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.5%^[9]。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)也可以利用超低濃度煤層氣替代補(bǔ)充空氣，但內(nèi)燃機(jī)的工作溫度介于1800～2000℃，因而會(huì)產(chǎn)生更多的NO_x^[7～100]。由于開采出來(lái)的超低濃度煤層氣常含有細(xì)小的煤炭顆粒和粉塵，會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)一定的危害，所以要求在進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)之前對(duì)超低濃度煤層氣進(jìn)行凈化和除塵，這就增加了投入，同時(shí)運(yùn)行均要求超低濃度煤層氣在濃度和輸送方面有較好的穩(wěn)定性。

    利用超低濃度煤層氣作為主要燃料，主要分為兩大類，一類是利用材料蓄熱特性的TFRR(Thermal Flow Reversal Reactor)、CFRR(Catalytic Flow Reversal Reactor)、CMR(Catalytic Monolith Reactor)技術(shù)；另一類為貧燃?xì)廨啓C(jī)。

2.2.1 TFRR、CFRR、CMR技術(shù)

2.2.1.1 TFRR技術(shù)

    TFRR是由美國(guó)Sequa公司和瑞典ADTEC研制開發(fā)的(圖1)。由圖1可見，反應(yīng)器的兩端是石英砂或者陶瓷顆粒構(gòu)成的熱交換介質(zhì)，熱交換介質(zhì)中心裝有電熱元件，反應(yīng)器周圍有較好的絕熱層?；驹硎菤怏w與熱交換介質(zhì)在反應(yīng)區(qū)進(jìn)行熱交換，氣體受熱達(dá)到燃燒所需要的溫度，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量^[11～12]。

 

    開始運(yùn)行時(shí)，電熱元件對(duì)熱交換介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，使之達(dá)到反應(yīng)所需要的溫度。一個(gè)循環(huán)包括兩次風(fēng)流轉(zhuǎn)向，每一次轉(zhuǎn)向稱為一個(gè)半循環(huán)。在第一個(gè)半循環(huán)中，甲烷和空氣的混合物以常溫通入反應(yīng)器，閥1打開，閥2關(guān)閉，風(fēng)流從反應(yīng)器頂部流向底部，當(dāng)空氣和甲烷的混合物到達(dá)熱交換介質(zhì)時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量。產(chǎn)生的熱量及反應(yīng)產(chǎn)物持續(xù)通過反應(yīng)器的出口，出口處的熱交換介質(zhì)不斷吸熱，從而溫度不斷升高。而入風(fēng)側(cè)因風(fēng)流以常溫通過，熱交換介質(zhì)不斷被冷卻，當(dāng)冷卻到一定溫度時(shí)，反應(yīng)器自動(dòng)轉(zhuǎn)換風(fēng)流方向，進(jìn)入第二個(gè)半循環(huán)。風(fēng)流從高溫側(cè)進(jìn)入，并吸收熱交換介質(zhì)的熱量，從而達(dá)到自燃溫度。反應(yīng)生成的熱量，一部分被熱交換器吸收，另一部分用于補(bǔ)償熱損失，從而往復(fù)循環(huán)。

2.2.1.2 CFRR技術(shù)

    CFRR和TFRR在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上有著相似之處(圖2)。CFRR是加拿大能源多樣化實(shí)驗(yàn)室和NRcan研制的，與TFRR相比，在換熱器和熱交換介質(zhì)之間加了催化劑層，其目的是使風(fēng)流中甲烷的自燃溫度降低，使風(fēng)流轉(zhuǎn)向的周期延長(zhǎng)^[13～14]。由于增加了催化劑層，也使得CFRR燃燒超低濃度煤層氣的最低甲烷濃度有所降低。

 

2.2.1.3 CMR技術(shù)

    CMR技術(shù)應(yīng)用了一種蜂窩狀的整體反應(yīng)器，反應(yīng)器的整體框架由許多平行的管道組成，管道壁面是多孔的支撐結(jié)構(gòu)，上面附有很多具有催化特性的活性顆粒。這種反應(yīng)器在高質(zhì)量流時(shí)有較低的壓降、大的幾何面積以及高的機(jī)械強(qiáng)度，并對(duì)超低濃度煤層氣里所含的灰塵有較好的阻礙效果。Shi Su等^[15]研究表明，在CMR中Pd/Al₂O₃對(duì)超低濃度煤層氣的氧化利用有著較好的催化效果。

    從實(shí)驗(yàn)和商業(yè)運(yùn)行情況來(lái)看，TFRR要求超低濃度煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)至少在0.2%之上，CFRR由于有催化劑層，只要求甲烷體積分?jǐn)?shù)在0.1%之上就可以運(yùn)行，而CMR則要求甲烷體積分?jǐn)?shù)在0.4%之上，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)低于0.4%時(shí)，要求有額外的能量補(bǔ)充才能繼續(xù)運(yùn)行。從技術(shù)可行性和適用性角度來(lái)考慮，TFRR單元如果要處理150m³/s的氣體，其裝置占地面積約為(63×14.62×4.49)m，占地相對(duì)較大，但CMR處理相同的氣體量只需要其1/8的占地面積。但TFRR、CFRR的大尺寸裝置由于熱慣性較大，在處理甲烷濃度變化方面有優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是TFRR、CFRR還是CMR，只有甲烷濃度和通風(fēng)氣速度比較穩(wěn)定時(shí)，燃燒釋放的熱量才可以用來(lái)發(fā)電，一般情況下都需要補(bǔ)充天然氣。

2.2.2 貧燃?xì)廨啓C(jī)

    對(duì)貧燃?xì)廨啓C(jī)的研究和開發(fā)包括EDL的間壁回?zé)崾綒廨啓C(jī)、CSIRO的貧燃催化氣輪機(jī)和IR的帶有催化燃燒室的微型氣輪機(jī)。

2.2.2.1 間壁回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)

    EDL開發(fā)的燃燒超低濃度煤層氣的間壁回?zé)崾綒廨啓C(jī)，利用從燃燒過程產(chǎn)生的熱量來(lái)預(yù)熱氣體，使其達(dá)到自動(dòng)點(diǎn)火的溫度(700～1000℃)，然后用燃燒氣驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)。據(jù)報(bào)道，這種氣輪機(jī)在甲烷體積分?jǐn)?shù)高于1.6%時(shí)，就可以把氣體加熱到700℃，從而使系統(tǒng)能夠連續(xù)運(yùn)行，但它需要在礦井通風(fēng)氣中另外增加一定的甲烷來(lái)達(dá)到要求的濃度^[16]。進(jìn)氣在預(yù)熱腔內(nèi)被加熱到450℃。然后燃燒腔又把燃料-空氣混合物加熱到著火點(diǎn)。燃料和氣體通過不銹鋼管通入到燃燒區(qū)，燃燒氣體在鋼管外加熱來(lái)氣，然后驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)。

2.2.2.2 催化式燃?xì)廨啓C(jī)

    催化式燃?xì)廨啓C(jī)是指帶有催化燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)，包括CSIRO開發(fā)的催化式燃?xì)廨啓C(jī)^[17]和美國(guó)IR研究開發(fā)的催化微型燃?xì)廨啓C(jī)^[18]。其共同點(diǎn)是燃燒室采用整體蜂窩狀結(jié)構(gòu)，不同的是微型燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率更小，一般在25～300kW，其基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械以及回?zé)嵫h(huán)。研究表明，催化燃燒室中Pd/Al₂O₃是首選的催化劑，因?yàn)樗懈叩牟僮鳒囟群透叩拇呋瘎┴?fù)載，允許有更寬泛的操作條件。采用催化劑后，只要超低濃度煤層氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)大于1%，兩種燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)都可以持續(xù)運(yùn)行，但仍然要求煤層氣中甲烷濃度穩(wěn)定才能產(chǎn)生電能。

    超低濃度煤層氣的濃縮技術(shù)有流化床濃縮技術(shù)、變壓吸附技術(shù)和膜分離技術(shù)。ECC設(shè)計(jì)了流化床濃縮技術(shù)，主體為流化床濃縮器，包括一個(gè)吸收器、一個(gè)儲(chǔ)存器、一個(gè)釋放器和一套傳送及給料系統(tǒng)。床料由吸收介質(zhì)組成，常選用的吸收介質(zhì)是活性炭或者沸石。超低濃度煤層氣在上升過程中，其中的甲烷被吸附，吸滿甲烷的吸收介質(zhì)會(huì)因密度增加而落入流化床底部，從而被收集至儲(chǔ)存器然后至釋放器。但該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中沒有獲得成功。Warmuzinski K等^[19]對(duì)含有0.25%～1.5%(體積分?jǐn)?shù))甲烷的超低濃度煤層氣利用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行了研究，變壓吸附過程在兩個(gè)柱狀裝置中進(jìn)行，裝置中堆積了5A的碳分子篩，在供氣速率為0.49m³/s時(shí)獲得的氣體濃度是送氣中甲烷濃度的2倍。Zielinska I、Warmuzinski K等對(duì)含有0.5%(體積分?jǐn)?shù))甲烷、送氣壓力為100kPa的超低濃度煤層氣利用膜分離技術(shù)進(jìn)行了研究，分離膜采用二甲基硅氧烷橡膠(PDMS)，得到的分離效率為3.34。

    對(duì)于超低濃度煤層氣，無(wú)論采用何種濃縮技術(shù)，其富集的氣體濃度仍很低。通常只能作為逆流反應(yīng)器或者貧燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣，且富集氣體的運(yùn)行費(fèi)用超過了氣體濃度提升后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益，工業(yè)應(yīng)用受到了限制。因此，超低濃度煤層氣的濃縮提純技術(shù)還應(yīng)在降低成本費(fèi)用、提高成品氣的濃度方面進(jìn)一步努力。

    國(guó)內(nèi)對(duì)超低濃度煤層氣的研究才剛剛起步^[20]。上海交通大學(xué)和CSIRO合作，對(duì)超低熱值燃料催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究，開展了穩(wěn)態(tài)熱力循環(huán)性能計(jì)算，對(duì)其壓氣機(jī)和透平等主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性設(shè)計(jì)，并對(duì)變工況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真模擬^[21]，研究分析了超低熱值燃料中甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.8%～2%、壓氣機(jī)壓比在1.5～3.5之間變化時(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組熱力循環(huán)效率。研究表明超低熱值燃料催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)熱效率可達(dá)8.43%。

    重慶大學(xué)能源與環(huán)境研究所針對(duì)超低濃度煤層氣的特點(diǎn)，研究開發(fā)了流態(tài)化蓄熱技術(shù)。該技術(shù)將流化床燃燒和蓄熱式燃燒的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，采用流化床反應(yīng)器作為燃燒裝置，反應(yīng)器內(nèi)填充石英砂作為蓄熱材料，從底部通入超低濃度的煤層氣，流化床反應(yīng)器就為蓄熱體，可以維持900 1000℃高溫；反應(yīng)器上部高溫顆?？梢赃\(yùn)動(dòng)到反應(yīng)器下部，傳遞大量的熱量；能夠適應(yīng)煤層氣中甲烷濃度大幅度變化；啟動(dòng)方便，可以用油、氣或電啟動(dòng)；裝置的散熱較少，熱能回收的受熱面布置比較靈活。

    1) 發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)超低濃度煤層氣能源化利用技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)，這些技術(shù)不僅可以減少甲烷的排放，當(dāng)超低濃度煤層氣中甲烷濃度穩(wěn)定時(shí)還可以用來(lái)產(chǎn)生飽和蒸氣和發(fā)電。但由于受超低濃度煤層氣甲烷含量、流量和濃度變化、輸送距離、經(jīng)濟(jì)成本等因素制約，上述技術(shù)的大規(guī)模推廣還存在一定的困難。

    2) 我國(guó)是煤層氣排放大國(guó)，但對(duì)超低濃度煤層氣利用技術(shù)的研究和開發(fā)才剛剛起步。目前，上海交大、重慶大學(xué)等單位對(duì)超低濃度煤層氣的能源化利用開展了研究，但離技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用還有一定距離。

    3) 目前的研究主要針對(duì)超低濃度煤層氣利用技術(shù)，對(duì)煤層氣中超低濃度甲烷的著火機(jī)理、燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等問題的研究報(bào)道較少，還有待深入研究。

    4) 超低濃度煤層氣催化燃燒利用時(shí)，往往受到催化劑使用壽命的限制，催化劑的良好性能和如何延長(zhǎng)其使用壽命需進(jìn)一步研究。

    5) 超低濃度煤層氣作為輔助燃料為其利用提供了多種途徑，但有些技術(shù)如在循環(huán)流化床中混燒等還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同樣，超低濃度煤層氣加入后對(duì)裝置的影響以及污染物的排放特性也要進(jìn)一步研究。

    6) 下一步研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在超低濃度煤層氣利用技術(shù)和裝置對(duì)其濃度和流量的適應(yīng)性、運(yùn)行成本的降低以及運(yùn)行的可靠性上。

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(本文作者：楊仲卿 張力 唐強(qiáng) 重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院)