一种低浓度瓦斯资源再利用的方法技术

一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，步骤如下：将燃料气通入反应器内，与反应器中的氧化态载氧体进行还原反应，燃料气被氧化后排空，氧化态载氧体被还原，还原态载氧体作为反应器中的被氧化物进行氧化反应；将低浓度瓦斯通入氧化反应阶段的反应器中，与还原态载氧体进行氧化反应，还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体，低浓度瓦斯生成CO2、H2O和H2排空，最终实现低浓度瓦斯的完全转化。本发明专利技术所述方法使用化学链燃烧技术对浓度为0.25～1.5%的低浓度瓦斯进行利用，系统燃烧效率高，提高低浓度瓦斯的抽采利用率，显著减少瓦斯排空量，解决了长期以来难以有效利用低浓度瓦斯的难题，缓解了温室效应，有着巨大的经济效益和环保效益。有着巨大的经济效益和环保效益。有着巨大的经济效益和环保效益。

【技术实现步骤摘要】
一种低浓度瓦斯资源再利用的方法


[0001]本专利技术涉及煤矿开采
，具体涉及一种低浓度瓦斯资源再利用的方法。
[0002]
技术介绍

[0003]煤层气是与煤伴生、共生的气体资源，俗称“瓦斯”，其主要成分为CH4。使用不同的开采方式获得的瓦斯中CH4的含量存在明显不同，其中CH4体积分数低于5%的低浓度瓦斯约占煤矿瓦斯总量的80%左右。长期以来，这部分低浓度瓦斯由于浓度低、气量大、难以提纯，导致其利用比较困难，特别是浓度低于1%的超低浓度瓦斯（也称为通风瓦斯），利用难度更大。因此极少被利用，大部分都被直接排放到大气中，由于CH4的温室效应是CO2的21倍，所以会造成严重的环境问题。
[0004]目前传统提纯技术难以有效利用低浓度瓦斯，无论变温吸附分离技术还是变压吸附分离技术均需要消耗大量能量，得不偿失。所以此类常规利用方法，不论从能源利用的角度，还是从经济运行等角度考察，都是不可行的。另外，由于低浓度瓦斯中CH4的含量超出了CH4空燃比的范围，采取直接燃烧的技术也不能将其有效利用。
[0005]
技术实现思路

[0006]解决的技术问题：针对上述技术问题，本专利技术提供一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，能够对浓度为0.25～1.5%的低浓度瓦斯进行利用，提高低浓度瓦斯的抽采利用率，显著减少瓦斯排空量，解决了长期以来难以有效利用低浓度瓦斯的难题，缓解温室效应。
[0007]技术方案：一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，具体步骤如下：步骤一、将燃料气通入反应器内，与反应器中的氧化态载氧体进行还原反应，燃料气被氧化后排空，氧化态载氧体被还原，还原态载氧体作为反应器中的被氧化物进行氧化反应；步骤二、将低浓度瓦斯通入氧化反应阶段的反应器中，与还原态载氧体进行氧化反应，还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体，低浓度瓦斯生成CO2、H2O和H2排空，最终实现低浓度瓦斯的完全转化。
[0008]作为优选，所述步骤一中还原反应的温度为850~950℃，还原时间为10 min，吹扫时间5 min；所述步骤二中氧化反应的温度为850~950℃，所用铁基载氧体在还原阶段时间不宜太长，如果时间太长，铁氧化物可能会被还原为铁单质，造成烧结，导致载氧体反应活性下降，严重时使整个系统损坏（因为会和反应器发生粘结），对于反应温度，实验证明，反应温度越高，载氧体活性越高。但是随着温度越高，对于一些不耐高温的载氧体容易烧结，导致活性急剧下降（例如铜基载氧体）。如果温度偏低，载氧体活性太低，或者反应不能发生。不同类型的载氧体所用反应温度可以有所不同，但最好在一定范围内。所用950℃是比较合适的温度，对于惰性气体吹扫时间，要确保将反应器中的上一阶段的残余气体吹扫干
净。
[0009]作为优选，所述步骤二中低浓度瓦斯为浓度为0.25～1.5 vol%的瓦斯。
[0010]作为优选，所述步骤一中载氧体为过渡金属基氧化物、多金属复合载氧体或钙钛矿结构载氧体，所述过渡金属为Fe、Co、Cu、Ni或Mn。
[0011]作为优选，所述步骤一中载氧体为50%α
‑
Fe2O3/50%Al2O3载氧体。
[0012]作为优选，所述反应器为流化床反应器、固定床反应器、移动床反应器、涓流床反应器和鼓泡床反应器中的至少一种。
[0013]作为优选，所述反应器为一个或者两个，当反应器为一个时，还原反应完成后，再通入低浓度瓦斯进行氧化反应；当反应器为两个时，一个反应器进行还原反应，另一个反应器进行氧化反应，两个反应器内载氧体循环交替反应。
[0014]作为优选，所述步骤一中燃料气为还原性气体。
[0015]作为优选，所述步骤一中燃料气为CO和H2中的至少一种，当燃料气为CO时，燃料气被氧化为CO2；当燃料气为H2，燃料气被氧化为H2O。
[0016]作为优选，所述反应器中载氧体的加入量以能够满足反应器的运行为准。并且，当燃料气为CO和/或H2时，1mol 燃料气需要不低于3mol的载氧体。
[0017]作为优选，所述反应器为流化床反应器，流化床内布风板以上部分管径（内径）为5.4cm，高度为60.5cm，反应器全长100 cm，载氧体加入量为50 g（载氧体的加入量合适即可，如果料层过薄，会发生沟流，气固反应不完全；过厚会造成节涌现象，使得载氧体烧结。载氧体的加入量由流化床的管径和高度决定）。
[0018]有益效果：1.本专利技术所述方法可以对低浓度瓦斯进行利用，实现能量的梯级利用，还可以解决长期以来难以有效利用低浓度瓦斯的难题。燃烧效率高，同时可以利用CH4燃烧释放的热量提高空气反应器系统热效率；此外，可以显著减少瓦斯排空量，缓解温室效应，有着巨大的经济效益和环保效益。
[0019]2.本专利技术所述方法简单，不会生成氮氧化物（包括热力型NOx和燃料型NOx），避免对环境的二次污染。现有技术中瓦斯燃烧产生的热力型NOx，热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程，是由燃烧空气中的N2与反应物如O和OH以及分子O2反应而成的，在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx，而本专利技术所述方法中反应温度不超过950℃，所以没有热力型NOx的产生。另外，燃料型NOx是由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成，我们燃料中没有氮化合物，也不会产生燃料型NOx。
[0020]3.本专利技术所述方法可以将燃料气直接生成二氧化碳和水，便于后期二氧化碳的分离。现有技术中一般是燃料与空气反应，而因为空气里面有大量的氮气存在，在氮气的稀释作用下，很难捕集二氧化碳。
[0021]4.本专利技术所述方法中燃料不与空气直接接触，反应器内载氧体采用铁基载氧体，对CH4燃烧有较好的催化作用，并且低浓度瓦斯中含有大量的氧气，利用这一特点，可以在燃烧过程的氧化阶段使用低浓度瓦斯作为氧化气体代替干空气，实现低浓度瓦斯的燃烧利用，可以实现浓度为0.25～1.5%低浓度瓦斯的有效利用，从而提高煤矿瓦斯的抽采利用率，减少温室气体排放，减轻温室效应。根据数据显示，2020年中国煤炭行业约有77.28
×
10
9 m3被直接排放到大气中，如果将其全部利用，则可实现年节能2.49
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10
5 t标煤，温室气体当量CO2减排量为5.39
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6 t，具有可观的环境效益、社会效益和经济效益。
[0022]附图说明
[0023]图1为本专利技术所述方法原理示意图，图中（a）为氧化阶段反应器流程图；（b）为还原阶段反应器流程图；图2 为本专利技术实施例4低浓度瓦斯氧化阶段采用的装置结构示意图；图3 为第1组实验尾气气体成分图；图4为第2组实验尾气气体成分图；图5为第3组实验尾气气体成分图；图6为第4组实验尾气气体成分图；图7为第5组实验尾气气体成分图；图8为实施例3中所述反应器连接关系示意图。
[0024]图中，各数字标号代表如下：1.N2气瓶；2.CH4气瓶；3.空气气瓶；4.CO气瓶；5. 减压阀；6. 流量开关；7. 电子流量计；8. 配气箱；9. 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、将燃料气通入反应器内，与反应器中的氧化态载氧体进行还原反应，燃料气被氧化后排空，氧化态载氧体被还原，还原态载氧体作为反应器中的被氧化物进行氧化反应；步骤二、将低浓度瓦斯通入氧化反应阶段的反应器中，与还原态载氧体进行氧化反应，还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体，低浓度瓦斯生成CO2、H2O和H2排空，最终实现低浓度瓦斯的完全转化。2.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，其特征在于，所述步骤一中还原反应的温度为850~950℃，还原时间为10 min，吹扫时间5 min；所述步骤二中氧化反应的温度为850~950℃。3.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，其特征在于，所述步骤二中低浓度瓦斯为浓度为0.25～1.5 vol%的瓦斯。4.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，其特征在于，所述步骤一中载氧体为过渡金属基氧化物、多金属复合载氧体或钙钛矿结构载氧体，所述过渡金属为Fe、Co、Cu、Ni或Mn。5.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯资源再利用的方法，其特征在于，所述步骤一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽，赵江源，刘方，宋正昶，翟成，宋晨，亢炜燎，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：