催化氧化技术在风排瓦斯处理应用进展

摘要：近年来，我国社会生产生活对煤矿的需求量日渐增大，这对煤矿生产质量和安全管理提出了更高的要求。在煤矿开采和生产过程中，大量的甲烷在巷道通风过程中被排放到大气中，不仅浪费了大量的能源，还造成严重的环境污染，十分不利于我国社会经济走可持续发展道路。因此必须采用相关技术手段对通风过程中瓦斯的排放进行处理，避免造成能源浪费和环境污染。目前我国治理风排瓦斯的方法主要涉及两种，即热氧化技术和催化氧化技术，其中催化氧化技术具有制造成本低、占地面积小、无氮氧化物排放，对煤矿企业的发展以及环境保护具有深远的意义。

关键词：催化氧化技术 风排瓦斯 处理及应用

0 引言

中国作为能源大国，煤层气能源十分丰富，埋深2000m以上的煤层气资源量高达31.46万亿m3，是继俄罗斯和加拿大之后的煤层气储量国。在我国煤层气开采中，大量的煤层气通过煤矿通风直接排放在大气中，被称为风排瓦斯（VAM）。近年来，我国温室效应加剧，不仅仅是二氧化碳的作用，其罪魁祸首就是甲烷。它作为一种强烈温室效应气体，是二氧化碳的21倍，会造成臭氧层的严重破坏。另外甲烷也是一种清洁能源，对风排瓦斯进行有效的处理和控制，既可以保护环境，也可以避免能源的浪费，从而实现企业最大化经济效益和社会效益。

1 目前风排瓦斯利用存在的困难及传统利用方式

1.1 风排瓦斯利用存在的困难 目前我国煤层气开采过程中，风排瓦斯利用存在很多问题，主要体现在气流量很大，单个风井气体流量一般为2万m3/min；甲烷体积分数较小，往往在0.1%-0.5%范围内。就我国煤矿安全相关管理条例规定，煤矿中甲烷的体积分数不得大于0.75%，使其无法直接点燃；甲烷相对比较稳定，就氧化可挥发性有机物来讲，氯化甲烷更加困难。

1.2 风排瓦斯利用方式分析 传统风排瓦斯利用方式包括两种，一是燃烧甲烷，并将其产生的热量作为内燃机、气体透平和火力发电厂锅炉的助燃风。煤矿生产的特殊性，决定了远距离输送会产生大量的风，且不经济实用。二是低浓度甲烷提纯，在风量十分巨大的情况下，对低浓度的甲烷进行提纯，造成大量人力、物力以及财力的浪费。与上述传统风排瓦斯利用方式相比，将风排瓦斯作为燃料利用，大大提高了风排瓦斯利用的有效性。贫燃料气体透平技术主要是将风排瓦斯作为燃料直接燃料的方式，该燃烧过程可以烧掉浓度较低的甲烷，从而得到一部分的化学热。在使用透平发电技术过程中，往往要求风排瓦斯浓度大于1%，如果将浓度高的瓦斯配到风排瓦斯中，往往会受到技术的限制，造成大量高浓度瓦斯的浪费。透平发电技术所需功率较大，且一半多的发电功率都是由高浓度瓦斯提供的，同时甲烷体积分数要求比较高，贫燃料透平设备紧凑，转速高，因此这种风排瓦斯利用方式的合理性、可靠性以及经济性还需要研究。但是将风排瓦斯进行氧化利用不失为一种好的利用方式。目前我国将风排瓦斯进行养护利用的方法主要有两种，即热氧化方法和催化氧化方法。本文主要就催化氧化技术在风排瓦斯处理进行了分析。

2 催化氧化技术在风排瓦斯处理应用分析

在煤层气开采和生产中，对风排瓦斯进行有效的处理和利用，对环境保护、实现企业最大化经济效益具有十分重要的意义。在风排瓦斯利用中采用催化氧化技术，催化氧化设备为流向变换催化氧化反应器。这种反应器是一种蓄热式反应器，与另外一种氧化技术相比，该反应器内部包括催化床层，大大降低了甲烷的自燃温度，在相对较低的温度中，有利于甲烷氧化反应的进行，从而释放出化学反应热。催化氧化反应器在一段时间内切换阀门的开闭，从而改变风排瓦斯的流动方向，利用存储的热量进入反应器内的常温风排瓦斯，确保甲烷氧化反应的连续性。当然，多余的热量排出，用于发电和供热，不仅保护了环境和臭氧层，也提高了风排瓦斯的利用率。

与热氧化反应器相比，在投入成本方面，热氧化反应器的操作温度在1000℃以上，催化氧化反应温度仅仅为600℃，热氧化反应器隔热材料的等级、数量以及钢材耐热等级要求较高，自然而然热氧化反应器的造价就高。在占地面积方面，热氧化反应器占地面积大，其反应的时间和隔热材料尺寸往往会给热氧化反应器造成一定的影响，导致占地面积比催化氧化反应器大。目前我国多数煤矿企业在山区，用地紧张，氧化反应器占地大会限制氧化反应器数量的规划与布置，从而影响风排瓦斯处理的规模和效率。在氧化反应器使用寿命方面，热氧化反应器在这方面比较占优势，其使用寿命比较长。热氧化反应器材料为蓄热陶瓷和隔热材料，一般不易被损坏；而催化氧化反应器往往设计使用寿命为15a，且催化剂是高消耗材料，需要每4a更换一次，从而确保催化氧化工作顺利进行。

3 结束语

综上所述，在煤层气开采和生产中，如何有效的处理风排瓦斯，就必须采用合理的处理技术。但传统的风排瓦斯利用技术手段已经难以满足现代化该行业的发展需求，必须不断探索新的利用及处理技术。催化氧化技术和热氧化技术在处理风排瓦斯中各有千秋，煤矿企业需要根据生产实际情况，采用不同的氧化技术，并不断优化和改善处理方法，从而为我国煤矿风排瓦斯的有效利用做出贡献，不仅保护了环境，同时实现了煤矿企业最大化经济效益和社会效益。

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