超低濃度煤層氣能源化利用技術研究進展

楊仲卿 張力 唐強

重慶大學動力工程學院

超低濃度煤層氣能源化利用技術研究進展

楊仲卿 張力 唐強

重慶大學動力工程學院

楊仲卿等.超低濃度煤層氣能源化利用技術研究進展.天然氣工業,2010,30(2):115-118.

超低濃度煤層氣由于甲烷含量低、濃度變化大,常規技術難以實現有效利用,世界上幾乎所有超低濃度煤層氣都沒有經過利用而直接排向大氣,不僅造成了能源的浪費,而且污染了大氣。為此,綜述了國內外超低濃度煤層氣作為能源利用的技術、方法和機理,分析了國內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的優點和不足之處,重點介紹了超低濃度煤層氣作為主要燃料的研究和應用現狀,同時提出除了要加強超低濃度煤層氣燃燒機理研究之外,還應對利用技術的適應性和運行的可靠性進一步研究的建議,為減少超低濃度煤層氣在世界范圍尤其是在我國的排放和能源化利用提供了技術支撐。

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的體積分數低于5%的煤層氣,通常條件下,它不能被點燃或者維持燃燒。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重浪費,另一方面也加劇了大氣污染和溫室效應:超低濃度煤層氣的主要成分CH4的溫室效應是CO2的20～24倍,CH4對全球氣候變暖的貢獻占15%,僅次于CO2。因此,合理回收利用低濃度煤層氣具有節能和環保雙重意義。

1 超低濃度煤層氣能源化利用難點

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氣中,通常條件下,甲烷爆炸濃度(體積分數)區間為4.5%～15%,為了安全起見,在廢舊礦井和礦井通風氣中的超低濃度煤層氣中CH4體積分數常低于5%,甚至低于2%。常規的方法很難實現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、通風量等多種因素的影響,導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了難度[3-6]。

盡管存在諸多能源化利用的難題,美國、澳大利亞、波蘭、加拿大等國已經對超低濃度煤層氣展開了研究和利用,而國內的研究才剛剛起步。

2 國外研究進展

2.1 作為輔助燃料

超低濃度煤層氣作為輔助燃料可以在電站鍋爐內混燒,也可以在燃氣輪機、內燃機中替代部分空氣。

2.1.1 電站鍋爐內混燒

超低濃度煤層氣的主要成分為氧氣、氮氣和少量的可燃氣體,可以作為輔助燃料在電站煤粉鍋爐、循環流化床內混燒。澳大利亞新南威爾士州的 Vales Point電站實驗了在煤粉鍋爐上用超低濃度煤層氣替代部分空氣,證實了該技術的可行性[7-8]。目前還沒有在循環流化床鍋爐中混燒超低濃度煤層氣的實驗研究,其技術可行性以及混燒超低濃度煤層氣對流化床鍋爐的影響有待于研究和證實。值得注意的是從礦井抽采出來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定性和電站操作條件帶來了困難。同時,還要求電站建設離礦井較近,便于超低濃度煤層氣的輸送。

2.1.2 燃氣輪機、內燃機中替代部分空氣

在常規燃氣輪機中可以利用超低濃度煤層氣替代部分空氣。Solar氣輪機公司對該項技術進行了研究,但發現煤層氣濃度過高時,會因燃燒溫度升高過快而引起轉子損壞,甲烷體積分數應低于0.5%[9]。對于內燃機也可以利用超低濃度煤層氣替代補充空氣,但內燃機的工作溫度介于1800～2000℃,因而會產生更多的NOx[7-10]。由于開采出來的超低濃度煤層氣常含有細小的煤炭顆粒和粉塵,會對燃氣輪機和內燃機的運行帶來一定的危害,所以要求在進入燃氣輪機和內燃機之前對超低濃度煤層氣進行凈化和除塵,這就增加了投入,同時運行均要求超低濃度煤層氣在濃度和輸送方面有較好的穩定性。

2.2 作為主要燃料

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;另一類為貧燃氣輪機。

2.2.1 TFRR、CFRR、CMR技術

2.2.1.1 TFRR技術

TFRR是由美國Sequa公司和瑞典ADTEC研制開發的(圖1)。由圖1可見,反應器的兩端是石英砂或者陶瓷顆粒構成的熱交換介質,熱交換介質中心裝有電熱元件,反應器周圍有較好的絕熱層。基本原理是氣體與熱交換介質在反應區進行熱交換,氣體受熱達到燃燒所需要的溫度,發生氧化反應,放出熱量[11-12]。

圖1 TFRR裝置示意圖

開始運行時,電熱元件對熱交換介質進行預熱,使之達到反應所需要的溫度。一個循環包括兩次風流轉向,每一次轉向稱為一個半循環。在第一個半循環中,甲烷和空氣的混合物以常溫通入反應器,閥1打開,閥2關閉,風流從反應器頂部流向底部,當空氣和甲烷的混合物到達熱交換介質時發生氧化反應,放出熱量。產生的熱量及反應產物持續通過反應器的出口,出口處的熱交換介質不斷吸熱,從而溫度不斷升高。而入風側因風流以常溫通過,熱交換介質不斷被冷卻,當冷卻到一定溫度時,反應器自動轉換風流方向,進入第二個半循環。風流從高溫側進入,并吸收熱交換介質的熱量,從而達到自燃溫度。反應生成的熱量,一部分被熱交換器吸收,另一部分用于補償熱損失,從而往復循環。

2.2.1.2 CFRR技術

CFRR和 TFRR在設計和運行上有著相似之處(圖2)。CFRR是加拿大能源多樣化實驗室和NRcan研制的,與TFRR相比,在換熱器和熱交換介質之間加了催化劑層,其目的是使風流中甲烷的自燃溫度降低,使風流轉向的周期延長[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。

圖2 CFRR裝置示意圖

2.2.1.3 CMR技術

CMR技術應用了一種蜂窩狀的整體反應器,反應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構,上面附有很多具有催化特性的活性顆粒。這種反應器在高質量流時有較低的壓降、大的幾何面積以及高的機械強度,并對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對超低濃度煤層氣的氧化利用有著較好的催化效果。

從實驗和商業運行情況來看,TFRR要求超低濃度煤層氣中甲烷的體積分數至少在0.2%之上,CFRR由于有催化劑層,只要求甲烷體積分數在0.1%之上就可以運行,而CMR則要求甲烷體積分數在0.4%之上,當甲烷體積分數低于0.4%時,要求有額外的能量補充才能繼續運行。從技術可行性和適用性角度來考慮,TFRR單元如果要處理150m/s的氣體,其裝置占地面積約為(63×14.62×4.49)m,占地相對較大,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勢。無論是 TFRR、CFRR還是CMR,只有甲烷濃度和通風氣速度比較穩定時,燃燒釋放的熱量才可以用來發電,一般情況下都需要補充天然氣。

2.2.2 貧燃氣輪機

對貧燃氣輪機的研究和開發包括EDL的間壁回熱式氣輪機、CSIRO的貧燃催化氣輪機和IR的帶有催化燃燒室的微型氣輪機。

2.2.2.1 間壁回熱式燃氣輪機

EDL開發的燃燒超低濃度煤層氣的間壁回熱式氣輪機,利用從燃燒過程產生的熱量來預熱氣體,使其達到自動點火的溫度(700～1000℃),然后用燃燒氣驅動氣輪機。據報道,這種氣輪機在甲烷體積分數高于1.6%時,就可以把氣體加熱到700℃,從而使系統能夠連續運行,但它需要在礦井通風氣中另外增加一定的甲烷來達到要求的濃度[16]。進氣在預熱腔內被加熱到450℃。然后燃燒腔又把燃料—空氣混合物加熱到著火點。燃料和氣體通過不銹鋼管通入到燃燒區,燃燒氣體在鋼管外加熱來氣,然后驅動氣輪機。

2.2.2.2 催化式燃氣輪機

催化式燃氣輪機是指帶有催化燃燒室的燃氣輪機,包括CSIRO開發的催化式燃氣輪機[17]和美國IR研究開發的催化微型燃氣輪機[18]。其共同點是燃燒室采用整體蜂窩狀結構,不同的是微型燃氣輪機的單機功率更小,一般在25～300kW,其基本技術特征是采用徑流式葉輪機械以及回熱循環。研究表明,催化燃燒室中Pd/Al2O3是首選的催化劑,因為它有更高的操作溫度和更高的催化劑負載,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數大于1%,兩種燃氣輪機系統都可以持續運行,但仍然要求煤層氣中甲烷濃度穩定才能產生電能。

2.3 濃縮技術

超低濃度煤層氣的濃縮技術有流化床濃縮技術、變壓吸附技術和膜分離技術。ECC設計了流化床濃縮技術,主體為流化床濃縮器,包括一個吸收器、一個儲存器、一個釋放器和一套傳送及給料系統。床料由吸收介質組成,常選用的吸收介質是活性炭或者沸石。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會因密度增加而落入流化床底部,從而被收集至儲存器然后至釋放器。但該技術在實際應用中沒有獲得成功。Warmuzinski K等 對含有0.25%～1.5%(體積分數)甲烷的超低濃度煤層氣利用變壓吸附技術進行了研究,變壓吸附過程在兩個柱狀裝置中進行,裝置中堆積了5A的碳分子篩,在供氣速率為0.49m3/s時獲得的氣體濃度是送氣中甲烷濃度的2倍。Zielinska I、Warmuzinski K等對含有0.5%(體積分數)甲烷、送氣壓力為100kPa的超低濃度煤層氣利用膜分離技術進行了研究,分離膜采用二甲基硅氧烷橡膠(PDMS),得到的分離效率為3.34。

對于超低濃度煤層氣,無論采用何種濃縮技術,其富集的氣體濃度仍很低。通常只能作為逆流反應器或者貧燃氣輪機的進氣,且富集氣體的運行費用超過了氣體濃度提升后所產生的經濟收益,工業應用受到了限制。因此,超低濃度煤層氣的濃縮提純技術還應在降低成本費用、提高成品氣的濃度方面進一步努力。

3 國內研究進展

國內對超低濃度煤層氣的研究才剛剛起步[20]。上海交通大學和CSIRO合作,對超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機系統特性進行了研究,開展了穩態熱力循環性能計算,對其壓氣機和透平等主要部件進行了結構和氣動特性設計,并對變工況下的動態特性進行了仿真模擬[21],研究分析了超低熱值燃料中甲烷體積分數為0.8%～2%、壓氣機壓比在1.5～3.5之間變化時的燃氣輪機機組熱力循環效率。研究表明超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機系統熱效率可達8.43%。

重慶大學能源與環境研究所針對超低濃度煤層氣的特點,研究開發了流態化蓄熱技術。該技術將流化床燃燒和蓄熱式燃燒的優點結合起來,采用流化床反應器作為燃燒裝置,反應器內填充石英砂作為蓄熱材料,從底部通入超低濃度的煤層氣,流化床反應器就為蓄熱體,可以維持900～1000℃高溫;反應器上部高溫顆粒可以運動到反應器下部,傳遞大量的熱量;能夠適應煤層氣中甲烷濃度大幅度變化;啟動方便,可以用油、氣或電啟動;裝置的散熱較少,熱能回收的受熱面布置比較靈活。

4 存在問題及展望

1)發達國家已對超低濃度煤層氣能源化利用技術進行了研究和開發,這些技術不僅可以減少甲烷的排放,當超低濃度煤層氣中甲烷濃度穩定時還可以用來產生飽和蒸氣和發電。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、經濟成本等因素制約,上述技術的大規模推廣還存在一定的困難。

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

3)目前的研究主要針對超低濃度煤層氣利用技術,對煤層氣中超低濃度甲烷的著火機理、燃燒反應動力學等問題的研究報道較少,還有待深入研究。

4)超低濃度煤層氣催化燃燒利用時,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其使用壽命需進一步研究。

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,但有些技術如在循環流化床中混燒等還需要進一步實驗驗證,同樣,超低濃度煤層氣加入后對裝置的影響以及污染物的排放特性也要進一步研究。

6)下一步研究的重點應該放在超低濃度煤層氣利用技術和裝置對其濃度和流量的適應性、運行成本的降低以及運行的可靠性上。

[1]KRZYSZTOF WARMUZINSKI.Harnessing methane emissions from coal mining[J].Process Safety and Environment Protection,2008(86):315-320.

[2]胡殿明,林柏泉.煤層氣瓦斯賦存規律及防治技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2006:232-273.

[3]NAKAYAMA S.Simulation of methane gas distribution by computational fluid dynamics[J].Mining Science and Technology,2002(99):259-262.

[4]SHI SU,HONGWEI CHEN.Characteristics of coal mine ventilation air flows[J].Journal of Environment Management.2008(86):44-62.

[5]SRIVASTAVA M.Systematic quantification of ventilation air methane and its evaluation as an energy source[J]. Mining Engineering,2006,58(11):52-56.

[6]SHI SU,ANDREW BEATH.An assessment of mine methane mitigation and utilization technologies[J].Progress in Energy and Combustion Science,2005,31:123-170.

[7]CAROTHERS P,DEO M.Technical and economic assessment:mitigation of methane emissions from coal mine ventilation air[R]∥Coalbed Methane Outreach Program. Washington:US Environmental Protection Agency,2000. [8]MALL ETT C W.Opportunities for utilization of mine methane in Australia-a technological and economic review [C].Sydney:The Australian coal seam and mine methane conference,2003.

[9]BAGHERI,HAMID.Ventilation of gas turbine package enclosures:Design evaluation procedure[C].Hamburg: Proceedings of25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2006.

[10]XIAO F,SOHRABI A.Effects of small amounts of fugitive methane in the air on diesel engine performance and its combustion characteristics[J].International Journal of Green Energy,2008,5(4):334-345.

[11]GOSIEWSKI K,WARMUZINSKI K,JASCHIK M,et al.Kinetics for thermal oxidation of lean methane-air gas mixtures in reverse-flow reactors[J].Chemicaland Process Engineering,2007(28):335-345.

[12]GOSIEWSKI K.Efficiency of heat recovery versus maximum catalyst temperature in the reverse-flow combustion of methane[J].Chemical Engineering Journal,2005(107):19-25.

[13]GOSIEWSKI K,WARMUZINSKI K.Effect of the mode of heat withdrawal on the asymmetry of temperature profiles in reverse-flow reactors[J].Chemical Engineering Science,2007(62):2679-2689.

[14]GOSIEWSKI,KRZYSZTOF.Effective approach to cyclic steady state in the catalytic reverse-flow combustion of methane[J].Chemical Engineering Science,2004,59(19):4095-4101.

[15]SHI SU,J ENNY AGNEW.Catalytic combustion of coal mine ventilation air methane[J].Fuel,2006(85):1201-1210.

[16]FIASCHI D.The recuperative auto thermal reforming and recuperative reforming gas turbine power cycles with CO2removal-Part II:The recuperative reforming cycle[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2004,126(1):62-68.

[17]SU SHI,BEATH A C.Coal mine ventilation air methane catalytic combustion gas turbine[J].Greenhouse Gas Control Technologies,2003(2):1287-1292.

[18]KOSMACK,DEBORAH A.Use of coal mine methane in a microturbine at Consol Energy’s Bailey Mine[C]∥Pittsburgh:23rd Annual International Pittsburgh Coal Conference.[S.l.]:Environment and Sustainable Development,2006.

[19]KRZYSZTOF WARMUZINSKI,MAREK TANCZYK. Multicomponent pressure swing adsorption part modelling of large-scale PSA installations[J].Chemical Engineering and Processing,1997(36):89-99.

[20]范慶虎,李江艷,尹全森,等.低濃度煤層氣液化技術及其應用[J].天然氣工業,2008,28(3):117-120.

[21]王艷杰,翁一武,尹娟,等.燃用超低熱值燃料的燃氣輪機及其熱力分析[J].熱能動力工程,2007,22(3):259-263.

(修改回稿日期 2009-11-17 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.031

Yang Zhongqing,born in1984,graduated from Chongqing University in2006.He is studying for a Ph.D degree,with his study focusing on research of low calorific value energy sources and environmental friendly combustion.

Add:Room407,College of Power Engineering,Chongqing University,Shapingba District,Chongqing400030,P.R.China

E-mail:zhongqing.yang@foxmail.com

Research progress in the utilization of ventilation air methane as an energy source

Yang Zhongqing,Zhang Li,Tang Qiang
(College ofPower Engineering,Chongqing University,Chongqing400030,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.115-118,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The ventilation air methane from coal mining,due to its variably low content of fugitive methane,is very difficult to be utilized by conventional technologies.Thus,methane emissions from coal mine ventilation air will inevitably result in the waste of energy and the pollution of air.In view of this,this paper summarizes the technology,methods and principle of using ventilation air methane as an energy source at home and abroad,analyzes in detail both advantages and disadvantages of techniques of taking coal mine methane as the auxiliary fuel,being a substitute for air in gas turbines or internal combustion engines,or as the main fuel,i. e.,TFRR(Thermal Flow Reversal Reactor,CFRR(Catalytic Flow Reversal Reactor),CMR(Catalytic Monolith Reactor),and lean gas turbine,and the technology of being concentrated and purified,focusing on the present status of research and application of that as the main fuel.Finally,it is concluded that research of the combustion mechanism should be developed on the coal mine ventilation air methane,and its technical adaptability and operational reliability should be further studied as well,thus,providing a robust technical support for energy saving and emission reduction of coal mine methane all over the world.

ventilation air methane,auxiliary fuel,main fuel,thermal oxidation,concentration

book=115,ebook=138

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.031

重慶市科技攻關重大項目(編號:CSTC,2008AC2051)。

楊仲卿,1984年生,博士研究生;2006年本科畢業于重慶大學熱能動力工程專業,研究方向為低熱值能源和燃燒環保。地址:(400030)重慶市沙坪壩區重慶大學動力工程學院407室。E-mail:zhongqing.yang@foxmail.com