煤礦乏風(fēng)瓦斯富集與高效利用技術(shù)可行性報告

1、“十一五” 863計劃重點項目可行性研究報告重點項目名稱：煤礦乏風(fēng)瓦斯分離與氧化利用關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備開發(fā)所 屬 領(lǐng) 域：資源環(huán)境技術(shù)編 報 日 期：2008年12月18目 錄一、項目立項的必要性1（一）珍惜能源資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強能源可持續(xù)發(fā)展能力1（二）減少溫室氣體排放，保護人類共同家園1（三）加強自主創(chuàng)新研究與開發(fā)，為富集和高效利用煤礦乏風(fēng)瓦斯提供技術(shù)支撐。2二、項目技術(shù)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢2（一）國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢2（二）主要技術(shù)問題6三、項目的目標(biāo)及具體指標(biāo)要求7（一）項目的目標(biāo)7（二）具體指標(biāo)要求7四、項目的主要研究內(nèi)容7五、研究方法與技術(shù)路線10六、項目的經(jīng)費需求及來源11七、

2、項目年度任務(wù)安排13八、項目的技術(shù)、經(jīng)濟效益分析13一、項目立項的必要性（一）珍惜能源資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強能源可持續(xù)發(fā)展能力能源是關(guān)系我國經(jīng)濟社會發(fā)展全局的一個重大戰(zhàn)略問題，是我國經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的命脈和基礎(chǔ)。近20年來,隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,對能源的需求也越來越大, 能源供應(yīng)緊張已成為制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要指出要大力推進能源結(jié)構(gòu)多元化，增加能源供應(yīng)。并把能源開發(fā)、節(jié)能技術(shù)和清潔能源技術(shù)取得突破，促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為能源科技發(fā)展的重大目標(biāo)。由資源條件所決定，我國是一個以煤炭為主要能源的國家，預(yù)計到21世紀(jì)中葉，我國煤炭作為第一能源的地位不會改變。但

3、是，煤礦開采的主導(dǎo)意識是開采煤炭，而礦井瓦斯一直被當(dāng)作主要的災(zāi)害源，傳統(tǒng)上通過通風(fēng)將瓦斯直接排至大氣以防患瓦斯災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有近200億m3的煤礦瓦斯混入礦井風(fēng)流中以低濃度的形式通過乏風(fēng)排空，造成了不可再生能源資源的巨大浪費和損失。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷（CH4)，體積分?jǐn)?shù)一般大于80%，甚至可達(dá)到98%，其余為少量的CO、CO2、N2、H2等氣體，發(fā)熱量為30MJ/m340MJ/m3，熱值與常規(guī)天然氣相當(dāng)，是通用煤氣的2倍至5倍，燃燒后很少產(chǎn)生污染物，屬優(yōu)質(zhì)潔凈氣體能源。若將煤礦乏風(fēng)瓦斯加以利用，相當(dāng)于每年可增加約3000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)，不僅避免了不可再生能源資源的浪費和

4、損失，而且改善了我國能源的構(gòu)成，提高了優(yōu)質(zhì)能源的供應(yīng)比例。因此，開展煤礦乏風(fēng)瓦斯富集與高效應(yīng)用研究，為排空浪費的乏風(fēng)瓦斯提純和利用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，對于增加我國能源供應(yīng)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強能源可持續(xù)發(fā)展能力，都具有極其重大的戰(zhàn)略意義。（二）減少溫室氣體排放，保護人類共同家園甲烷是僅次于二氧化碳的第二大污染氣體，溫室效應(yīng)是其21倍，對大氣臭氧層的破壞能力為其7倍。甲烷排入大氣而引起氣候異常以及對臭氧層的破壞，已經(jīng)成為全世界共同面臨的重大問題，我國對此高度重視。國家主席胡錦濤指出：“氣候變化既是環(huán)境問題，也是發(fā)展問題，歸根到底是發(fā)展問題。這個問題是在發(fā)展進程中出現(xiàn)的，應(yīng)該在可持續(xù)發(fā)展框架下解決?！蔽覈?/p>

5、在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中明確規(guī)定：“重點研究開發(fā)大尺度環(huán)境變化準(zhǔn)確監(jiān)測技術(shù)，主要行業(yè)二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放控制與處置利用技術(shù)”，將治理二氧化碳和甲烷等溫室氣體的排放列為環(huán)境重點領(lǐng)域的優(yōu)先主題。煤礦乏風(fēng)是甲烷的最大工業(yè)排放源，因此，本項目特別符合國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要環(huán)境重點領(lǐng)域全球環(huán)境變化監(jiān)測與對策優(yōu)先主題。如果對煤礦乏風(fēng)瓦斯進行治理和利用，將其氧化成水和二氧化碳，可以大大降低其對大氣環(huán)境的影響。據(jù)計算，如果將每年排放的近200億m3的煤礦瓦斯氧化利用，相當(dāng)于減少約3億噸二氧化碳的排放。因此，治理和利用煤礦乏風(fēng)瓦斯，減少溫室氣體排放，保護人類共同家園，是我國面臨的

6、緊迫任務(wù)。（三）加強自主創(chuàng)新研究與開發(fā)，為富集和高效利用煤礦乏風(fēng)瓦斯提供技術(shù)支撐。胡錦濤總書記在2006年全國科技大會上提出了建設(shè)創(chuàng)新型國家的奮斗目標(biāo)，指出在“自主創(chuàng)新、重點跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來”科技方針指導(dǎo)下“把發(fā)展能源、水資源和環(huán)境保護技術(shù)放在優(yōu)先位置，下決心解決制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重大瓶頸問題”。研究開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤礦乏風(fēng)瓦斯吸附富集與高效應(yīng)用成套技術(shù)和裝備，形成充分和高效利用煤礦乏風(fēng)瓦斯的技術(shù)支撐，是煤炭行業(yè)在建設(shè)創(chuàng)新型國家中的重大任務(wù)。由于煤礦乏風(fēng)瓦斯流量大、濃度低、富集效率低、存在安全隱患、綜合利用困難等問題，煤礦乏風(fēng)瓦斯富集與高效利用技術(shù)的研究開發(fā)已成為世界各產(chǎn)煤大國的

7、重大課題。目前我國關(guān)于煤礦乏風(fēng)瓦斯富集與利用技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱，為數(shù)不多的乏風(fēng)瓦斯氧化處理設(shè)施主要依賴進口，而且主要以銷毀減排為目的，瓦斯有效利用率低下，自主研發(fā)能力亟待提高。針對我國煤礦瓦斯富集與利用的重大需求，以煤礦乏風(fēng)瓦斯為對象，研究開發(fā)適合我國國情，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤礦乏風(fēng)瓦斯吸附富集與高效利用技術(shù)路線，開發(fā)煤礦乏風(fēng)收集凈化、分離富集、高效利用工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)和裝備，并通過技術(shù)集成和工程示范，形成技術(shù)裝備成套技術(shù)，形成吸附富集與高效利用有機結(jié)合的技術(shù)格局，為充分和高效利用煤礦乏風(fēng)瓦斯提供技術(shù)支撐，已成為我國資源與環(huán)境領(lǐng)域的迫切要求。二、項目技術(shù)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢（一）國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

8、及趨勢煤礦乏風(fēng)具有以下三個特點：（1）乏風(fēng)量巨大，一個典型煤礦主排風(fēng)口的乏風(fēng)量為6000001000000m3/h；（2）煤礦乏風(fēng)中的瓦斯?jié)舛确浅５?，一般?.1%0.75%范圍內(nèi)；（3）乏風(fēng)量、瓦斯?jié)舛炔▌臃秶?。這些特點決定了乏風(fēng)瓦斯很難利用傳統(tǒng)燃燒器直接進行燃燒。研發(fā)煤礦乏風(fēng)瓦斯高效利用技術(shù)已成為很多發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境戰(zhàn)略的重要組成部分。而大規(guī)模、低成本的治理和利用乏風(fēng)瓦斯，回收乏風(fēng)瓦斯的能量，并實現(xiàn)采煤甲烷零排放，已經(jīng)成為乏風(fēng)瓦斯綜合利用技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一般來講，煤礦中的甲烷氣體有三種不同的來源，一是煤層氣，在開采之間將其排泄出礦井，煤層氣中甲烷的濃度約為60-9

9、5%；其二是報廢礦井中的排氣，其甲烷的濃度為30-95%；其三是礦井通風(fēng)氣，甲烷的濃度為0.1-1%。30%濃度以上的甲烷氣體可以用于多種工業(yè)過程，例如用于燃?xì)廨啓C發(fā)電。而濃度小于1%的甲烷氣體因其風(fēng)量大和濃度低在利用上存在很大困難。煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊褪侵萍s其利用的主要難題，其技術(shù)也都是圍繞如何規(guī)?；卫砗屠梅︼L(fēng)瓦斯開展，目前利用方法有作為輔助燃料和主燃料使用兩類。煤礦乏風(fēng)瓦斯作為輔助燃料，可取代空氣用于內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C的進氣或鍋爐的進風(fēng)，節(jié)約部分主燃料。煤礦乏風(fēng)瓦斯作為輔助燃料在技術(shù)上是可行的，但是利用煤礦乏風(fēng)瓦斯的量非常有限。煤礦乏風(fēng)瓦斯作為主燃料，大致可分為逆流氧化和稀燃渦輪燃燒技術(shù)兩

10、類。稀燃燃?xì)廨啓C包括間壁回?zé)崾饺細(xì)廨啓C、稀燃催化燃?xì)廨啓C和催化燃燒微燃?xì)廨啓C。由于稀燃燃?xì)廨啓C能夠穩(wěn)定運行的瓦斯最低濃度在1%以上，顯然不適合絕大多數(shù)的煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛?。目前有效的煤礦乏風(fēng)利用方法是采用逆流氧化技術(shù)。逆流氧化技術(shù)可分為熱逆流反應(yīng)（Thermal Flow Reversal Reactor，TFRR)和催化逆流反應(yīng)（Catalytic Flow Reversal Reactor，CFRR)兩種。截至目前，只有為數(shù)不多的幾家國外研制單位進行了煤礦瓦斯氧化技術(shù)的研究和裝置開發(fā)?？偛吭O(shè)在瑞典的MEGTEC公司是最早開展TFRR技術(shù)研發(fā)的公司。該公司最初開發(fā)TFRR技術(shù)主要用于處理低濃度

11、工業(yè)揮發(fā)性有機化合物（VOC），在全球共銷售了600余套裝置。TFRR在處理VOC時，需要補充添加天然氣以維持運行。MEGTEC公司后來將該技術(shù)改進用于處理煤礦乏風(fēng)瓦斯。TFRR氧化煤礦乏風(fēng)瓦斯的工作原理為：首先用電加熱器將蓄熱陶瓷氧化床加熱到甲烷氧化溫度，然后停止加熱。煤礦乏風(fēng)以一個方向流入反應(yīng)器，氣體被蓄熱陶瓷加熱，溫度不斷提高，直至甲烷氧化。氧化后的熱氣體繼續(xù)向前移動，把熱量傳遞給蓄熱陶瓷而逐漸降溫。隨著乏風(fēng)氣體的不斷進入，氧化床入口側(cè)溫度逐漸降低，出口側(cè)溫度逐漸升高，直至氣體流動在控制系統(tǒng)控制下自動換向。該技術(shù)的關(guān)鍵是要將送入反應(yīng)器中的氣體不斷變換流動方向，使氣體在蓄熱氧化床中吸熱升溫

12、，以保證氧化過程的自維持。MEGTEC公司于1994年在英國一家煤礦安裝了一套試驗裝置，其煤礦乏風(fēng)的瓦斯?jié)舛葹?.3%-0.6%，流量為8000m3/h。該項目證實了利用TFRR技術(shù)氧化煤礦乏風(fēng)瓦斯和回收其中熱量的可行性。2001年第二套試驗裝置安裝在澳大利亞比和比拓公司（BHP Billiton）的Applin煤礦，進行工業(yè)示范性運行達(dá)一年之久。在該礦，煤礦乏風(fēng)中的瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)1%，熱逆流反應(yīng)器的甲烷氧化率為95%，能量回收率為80%，生產(chǎn)熱水。2004年澳大利亞比和比拓公司在West Cliff煤礦安裝了4套MEGTEC公司的熱逆流反應(yīng)器，首次進行商業(yè)化運作。該項目通過氧化床內(nèi)置換熱器生產(chǎn)

13、過熱蒸汽，推動蒸汽渦輪發(fā)電機組發(fā)電?？紤]到安全穩(wěn)定運行的需要，氧化床內(nèi)置的換熱器構(gòu)成傳統(tǒng)蒸汽鍋爐的一部分。發(fā)電蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的其它部件都采用傳統(tǒng)技術(shù)。該項目于2007年初開始運行，可以將West Cliff煤礦大約20%煤礦乏風(fēng)轉(zhuǎn)化為有用的能源，發(fā)電能力為5MW，這是世界上首次利用煤礦乏風(fēng)瓦斯發(fā)電的大型項目。1995年，加拿大礦物與能源技術(shù)中心（CANMET）開始研發(fā)煤礦乏風(fēng)瓦斯催化逆流反應(yīng)（CFRR）技術(shù)。其工作原理與MEGTEC公司的熱逆流反應(yīng)技術(shù)大體相同，主要區(qū)別是使用了催化劑以降低瓦斯氧化溫度。CANMET開發(fā)出了實驗室規(guī)模的催化逆流反應(yīng)器，并在該裝置上進行了煤礦乏風(fēng)瓦斯催化氧化模擬試驗

14、。該技術(shù)的缺點是需要使用貴金屬催化劑，增加了設(shè)備制造成本和維護費用。2003年，Lefebvre Frères Ltée公司在蒙特利爾安裝逆流式煤礦乏風(fēng)催化氧化裝置，處理1800m3/h的煤礦乏風(fēng)。但是從實際應(yīng)用角度來看，目前只有熱逆流反應(yīng)技術(shù)成功地在煤礦現(xiàn)場進行了商業(yè)應(yīng)用。我國對煤礦乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)的研究起步較晚。西安科技學(xué)院曾模擬試驗研究了甲烷濃度大于0.4%的煤礦乏風(fēng)的銷毀減排技術(shù)。北京化工大學(xué)在實驗臺規(guī)模（催化劑裝填量1升）開展了0.5%1%模擬煤礦乏風(fēng)減排，當(dāng)濃度1%時，氣體混合物溫度能達(dá)到750 。在不同的反應(yīng)條件下，甲烷催化氧化燃燒的轉(zhuǎn)化率均超過98%，能在較

15、寬的操作條件下實現(xiàn)低濃度甲烷自熱氧化燃燒，循環(huán)周期最長超過50分鐘。但目前還沒有煤礦現(xiàn)場應(yīng)用示范性工程。2005年2月，山東理工大學(xué)和勝動集團開始合作研究煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化技術(shù)。在氧化蓄熱陶瓷床蓄熱特性、加熱起動方法、熱量提取方法、溫度分布控制等方面進行了初步探索，并取得了一些原創(chuàng)性的成果。2006年4月，自主開發(fā)出了處理能力為200m3/h的小型臥式煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化試驗裝置，該裝置通過計算機控制自動運行，可以生產(chǎn)熱水和蒸汽，并通過了一個月的可靠性試驗。2006年底，山東理工大學(xué)和勝動集團共同研制了處理能力為10000m3/h的臥式乏風(fēng)瓦斯熱氧化裝置，并在勝動集團進行了模擬煤礦乏風(fēng)瓦斯的

16、氧化試驗，可以生產(chǎn)飽和蒸汽，該裝置于2007年4月在遼寧省阜新一煤礦開始進行工業(yè)性試驗。2007年8月89日，由國家發(fā)改委、煤炭工業(yè)協(xié)會、國家安監(jiān)總局、國家環(huán)?？偩纸M織國內(nèi)煤炭系統(tǒng)有關(guān)專家對其進行現(xiàn)場技術(shù)評審，認(rèn)為該技術(shù)總體達(dá)到國際先進水平。2008年勝利油田勝動集團公司對該裝置進行技術(shù)改造，使其成為“只氧化銷毀乏風(fēng)甲烷，氧化熱不利用”結(jié)構(gòu)型式，并進行了現(xiàn)場連續(xù)運行的工業(yè)性試驗，取得了較好的效果。2008年5月，山東理工大學(xué)在對組合式蜂窩陶瓷氧化床技術(shù)、外部燃燒器啟動加熱技術(shù)、氧化熱量提取技術(shù)作進一步攻關(guān)的基礎(chǔ)上，研制了處理能力為1000m3/h的立式乏風(fēng)瓦斯熱氧化試驗裝置，該裝置穩(wěn)定運行的最

17、低瓦斯?jié)舛葹?.2%，可以生產(chǎn)過熱蒸汽。國內(nèi)雖然在一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研制等方面取得了一些具有自主產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果，但總體來看，研究還不系統(tǒng)，還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要進行深入地研究開發(fā)；所研制的實驗室規(guī)模試驗裝置較為成功，而工業(yè)樣機在技術(shù)上、特別是在穩(wěn)定性和熱量回收利用方面與國外先進產(chǎn)品相比仍有差距，還沒有開發(fā)出能夠真正示范運行的工業(yè)樣機。總體而言，在煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化技術(shù)研究與設(shè)備研制上，具有如下的技術(shù)發(fā)展趨勢，體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）開始注重機理研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)相結(jié)合。在研發(fā)內(nèi)容方面：從由以前的試驗裝置研制和試驗開始向甲烷氧化機理研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)相結(jié)合轉(zhuǎn)變。在研究手段方面：從由以前的試

18、驗研究開始向數(shù)值計算、仿真與試驗研究相結(jié)合轉(zhuǎn)變。（2）技術(shù)趨向于多樣化。為了適應(yīng)不同的煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛龋诳傮w技術(shù)上目前呈現(xiàn)三種趨勢：對于濃度非常低的乏風(fēng)瓦斯，采用僅僅氧化甲烷的技術(shù)；對于中低濃度的乏風(fēng)瓦斯，采用氧化甲烷并進行簡單熱利用的技術(shù)；對于中高濃度的乏風(fēng)瓦斯，采用氧化甲烷并進行發(fā)電利用的技術(shù)。（3）設(shè)備向規(guī)?；?、自動化發(fā)展。研制設(shè)備的單臺處理乏風(fēng)能力由幾千立方米/小時發(fā)展到幾萬立方米/小時。設(shè)備的自動化水平越來越高,從最初的單純換向閥換向控制，向?qū)囟葓龇植?、氣流換向、乏風(fēng)瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)、加熱起動過程等進行全方位控制發(fā)展。（二）主要技術(shù)問題我國煤礦乏風(fēng)瓦斯氧化利用技術(shù)從應(yīng)用目標(biāo)層面看，急

19、需解決的主要問題集中在氧化裝置運行穩(wěn)定性、溫度分布均勻性、過熱蒸汽參數(shù)波動、流動阻力損失和能耗過大等方面，有以下關(guān)鍵技術(shù)需要開展研究開發(fā)攻關(guān)：（1）提高熱逆流氧化裝置運行穩(wěn)定性。煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊褪瞧淅玫闹饕y點。熱逆流氧化裝置氧化甲烷，是依靠乏風(fēng)在氧化床內(nèi)部流動過程中不斷地從氧化床吸取熱量，將乏風(fēng)升溫至甲烷氧化溫度來進行的。在工作過程中，溫度場是在不斷移動的，氣體與氧化床之間的熱交換是一個動態(tài)的吸熱和放熱過程。如果氧化床、取熱系統(tǒng)設(shè)計不合理，將會導(dǎo)致乏風(fēng)瓦斯氧化放出的熱量不足以維持氧化床的蓄熱，氧化床溫度逐漸降低而不能工作的情況。這是國內(nèi)工業(yè)樣機在低瓦斯?jié)舛惹闆r下不能穩(wěn)定運行的主要原因。如

20、何提高氧化裝置在瓦斯?jié)舛容^低情況下的運行穩(wěn)定性，是關(guān)系到氧化技術(shù)能否得到實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。（2）提高氧化床流通截面溫度分布均勻性。通過在我國開發(fā)的工業(yè)樣機上實驗發(fā)現(xiàn)，在氧化床流通截面上存在著熱自然對流現(xiàn)象，導(dǎo)致氧化床上部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下部溫度。上部溫度高，容易造成蓄熱陶瓷破壞，降低了氧化裝置的壽命；下部溫度低，甲烷不能氧化，這不但降低了氧化率，也使得氧化裝置運行不穩(wěn)定。因此，提高氧化裝置流通截面溫度分布均勻性是急需解決的又一個關(guān)鍵問題。（3）提高過熱蒸汽品質(zhì)。目前，國內(nèi)外一般采用將換熱器置于氧化床內(nèi)部的方法來回收煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化產(chǎn)生的熱量。但由于氧化床內(nèi)部的溫度場在不斷地移動，換熱器周圍的溫

21、度場隨時變化，產(chǎn)生的過熱蒸汽的溫度和壓力隨時波動；而煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛群土髁坎▌?，進一步加劇了過熱蒸汽參數(shù)的波動，不利于過熱蒸汽的高效利用。因此，如何使氧化裝置穩(wěn)定輸出能量，并保持蒸汽參數(shù)穩(wěn)定是煤礦乏風(fēng)瓦斯高效利用的關(guān)鍵問題。（4）降低氧化裝置流動阻力損失和能耗。氧化裝置本身的能耗主要來自于風(fēng)機的電耗。由于氧化裝置乏風(fēng)流動系統(tǒng)阻力損失較大，風(fēng)機的能耗為3035千瓦/萬立方米。降低氧化裝置流動阻力損失，能夠有效地降低氧化裝置的能耗。氧化裝置流動阻力損失主要來自于三方面：管路流動阻力損失、氧化裝置乏風(fēng)進出口的擴張與收縮阻力損失和蓄熱氧化床內(nèi)部的流動阻力損失。其中，如何降低氧化裝置乏風(fēng)進出口的擴張與收

22、縮阻力損失和蓄熱氧化床內(nèi)部的流動阻力損失是關(guān)鍵所在。三、項目的目標(biāo)及具體指標(biāo)要求（一）項目的目標(biāo)針對礦井乏風(fēng)甲烷風(fēng)排量巨大、濃度低、難于利用的特點，以蓄熱逆流反應(yīng)技術(shù)為平臺，研發(fā)煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化和熱量回收的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，并進行技術(shù)集成，在煤礦現(xiàn)場建立示范運行裝置，形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、先進實用的煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化利用技術(shù)體系，為我國實現(xiàn)大規(guī)模、低成本地治理和利用煤礦乏風(fēng)瓦斯提供技術(shù)保障。通過項目的實施，培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新能力的學(xué)術(shù)帶頭人，造就一支高水平的科技隊伍；在跟蹤煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)國際先進水平的基礎(chǔ)上，突破某些關(guān)鍵技術(shù)難點，使我國煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)總體達(dá)到國際先進水平，部分

23、成果居國際領(lǐng)先地位，從而實現(xiàn)我國煤礦乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)的突破性進展。（二）具體指標(biāo)要求1、技術(shù)指標(biāo)通過技術(shù)攻關(guān)，在煤礦現(xiàn)場建立示范運行裝置，并穩(wěn)定運行3個月以上，形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化利用技術(shù)體系，獲得2 4項發(fā)明專利，發(fā)表三大檢索論文10 20篇。提交成果的具體技術(shù)指標(biāo)如下：（1）在煤礦現(xiàn)場建立1套示范運行裝置，單臺氧化裝置處理礦井乏風(fēng)能力為60000立方米/小時，并穩(wěn)定運行3個月以上；（2）穩(wěn)定運行的最低瓦斯?jié)舛?.3%；（3）甲烷氧化率95%；（4）進出口氣體溫差60；（5）能夠生產(chǎn)過熱蒸汽，過熱蒸汽的壓力1.6MPa，溫度350，壓力和溫度波動幅度±5%。

24、2、本項目實施后達(dá)到的技術(shù)水平項目實施后，使我國煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)總體達(dá)到國際先進水平，部分成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。四、項目的主要研究內(nèi)容1、主要研究內(nèi)容為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要開展以下研究工作：（1） 熱逆流氧化裝置本體的研制研制熱逆流氧化裝置本體，形成以蓄熱氧化床為主，可以在加熱起動后能夠自維持乏風(fēng)瓦斯氧化的集成系統(tǒng)。1） 組合式蓄熱氧化床研制通過數(shù)值模擬和實驗，研究各種蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)參數(shù)（開孔率、孔的形狀與尺寸、比表面積等）、物性參數(shù)（密度、比熱容、換熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊性能和最高使用溫度等）對氧化床蓄熱特性和阻力特性等性能影響規(guī)律，為氧化床的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；诩?/p>

25、烷氧化需要一定的溫度和時間，研究氧化床的最高溫度、高溫區(qū)的寬度以及氣體流速等參數(shù)對甲烷氧化的影響規(guī)律，為氧化床的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。基于氧化床各部位的功能和對蓄熱體的要求不同，研制一種新型的多種蜂窩陶瓷組合氧化床結(jié)構(gòu)。主要包括：研究氧化床各部位對蓄熱體的不同性能要求；研究氧化床優(yōu)化設(shè)計方法；研制蜂窩陶瓷排列集成技術(shù)；多種蜂窩陶瓷組合氧化床結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，以提高乏風(fēng)瓦斯氧化效率，保障氧化裝置穩(wěn)定運行，并降低氣體流動阻力、延長氧化裝置使用壽命。 2） 氣體進出口分配系統(tǒng)研制針對氧化床流通截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于換向閥流通截面積的情況，研制氣體分配器，以保證乏風(fēng)流量均勻地進入氧化床，保證氧化床橫截面溫度分布均勻

26、，提高氧化裝置運行穩(wěn)定性。具體為：研究氣體在分配器內(nèi)的流動分配方法，研究分配器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動阻力的影響規(guī)律，研制氣體進出口分配技術(shù)。3） 加熱起動系統(tǒng)研制研究氧化床加熱起動方法；研制加熱起動系統(tǒng)；研究加熱起動系統(tǒng)與氧化床的集成技術(shù)。4） 乏風(fēng)換向系統(tǒng)研制基于我國還沒有適用于乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化技術(shù)的換向設(shè)備，研制大通徑、移動板式三通換向機構(gòu)，采用兩個三通換向機構(gòu)實現(xiàn)氣體的快速換向。研制換向系統(tǒng)與氧化床本體的集成技術(shù)，以減少換向系統(tǒng)與氧化床之間的氣體體積，降低乏風(fēng)瓦斯的逃逸量。研制換向機構(gòu)工作位置的監(jiān)測反饋裝置，確保換向機構(gòu)可靠切換。（2） 瓦斯氧化熱量提取技術(shù)的研究煤礦乏風(fēng)的氧化可釋放出一定的熱

27、量，除了為維持氧化床內(nèi)熱反應(yīng)所需要的熱量外，其余熱量可被回收利用。而熱量提取技術(shù)的開發(fā)是十分關(guān)鍵的，它不僅涉及到氧化裝置工作穩(wěn)定性，也涉及到瓦斯能量利用率及利用方式。本項目擬研究氧化床多余熱量提取方法，研究取熱系統(tǒng)及取熱量對氧化裝置運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提高氧化裝置運行穩(wěn)定性和熱量利用率。研究取熱系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)，研發(fā)專用換熱器，能夠生產(chǎn)過熱蒸汽。過熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定技術(shù)，降低過熱蒸汽的壓力、溫度的波動，以提高過熱蒸汽品質(zhì)、達(dá)到煤礦乏風(fēng)瓦斯高效利用的目的。（3） 乏風(fēng)瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)技術(shù)的研究針對具有瓦斯抽放系統(tǒng)的礦井，為使進入熱逆流氧化裝置的乏風(fēng)瓦斯?jié)舛缺３址€(wěn)定，并提高氧化裝置銷毀處理利用瓦斯的效率，

28、研究開發(fā)礦井抽放瓦斯與乏風(fēng)瓦斯摻混調(diào)節(jié)進入氧化裝置甲烷濃度的調(diào)節(jié)技術(shù)。（4） 實時測控系統(tǒng)的研制研制高可靠性的逆流氧化裝置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，將逆流氧化裝置的各子系統(tǒng)集中控制，進行系統(tǒng)性協(xié)調(diào)，達(dá)到使熱逆流氧化裝置能夠正常運行，高效氧化瓦斯，高效生產(chǎn)高品質(zhì)過熱蒸汽的目的。1）逆流動態(tài)復(fù)雜條件下的控制方法研究為了達(dá)到氧化裝置的穩(wěn)定運行，要求氧化床的蓄熱量相對穩(wěn)定，即達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。研究氧化床溫度場準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的控制方法，使氧化床的蓄熱量在溫度場移動過程中保持相對穩(wěn)定。研究取熱控制方法和蒸汽參數(shù)控制方法，以生產(chǎn)高質(zhì)量的過熱蒸汽，并保持氧化床穩(wěn)定運行。研究維持高甲烷氧化率的控制方法，提高甲烷氧化率和熱效率。2） 實

29、時測控系統(tǒng)的研制基于CX-SERVER和組態(tài)王開發(fā)平臺，研發(fā)測控軟件，實現(xiàn)對以下子系統(tǒng)的測控：乏風(fēng)瓦斯熱氧化床子系統(tǒng)、熱量提取及蒸汽產(chǎn)生子系統(tǒng)、安全保障與故障診斷子系統(tǒng)。（5） 氧化裝置集成設(shè)計和制造，在礦井現(xiàn)場建立示范裝置將熱逆流氧化技術(shù)、氧化熱量提取技術(shù)、乏風(fēng)瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)技術(shù)等單元技術(shù)系統(tǒng)集成，完成樣機設(shè)計和制造。然后選擇適宜的煤礦進行外圍配套設(shè)備、管路設(shè)計與安裝施工。進行煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化樣機安裝和調(diào)試，開展工作方法技術(shù)試驗和礦井現(xiàn)場應(yīng)用試驗研究。通過試驗和應(yīng)用，檢驗各個關(guān)鍵技術(shù)和裝置設(shè)計，并改進技術(shù)和設(shè)備，完善設(shè)計規(guī)范、設(shè)備調(diào)試與運行規(guī)程等，最終形成一套完整的煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化利用

30、技術(shù)系統(tǒng)。然后進行示范運行。2、關(guān)鍵技術(shù)（1）組合式蓄熱氧化床優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；（2）氣體進出口導(dǎo)流與分配技術(shù)；（3）瓦斯氧化熱量提取及高品質(zhì)蒸汽生產(chǎn)技術(shù)；（4）瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)技術(shù)；（5）溫度場準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)。五、研究方法與技術(shù)路線1、研究方法（1）搭建蜂窩陶瓷阻力與蓄熱特性試驗臺（一維試驗臺），試驗研究各種蜂窩陶瓷的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)與蓄熱特性和阻力特性之間的關(guān)系。（2）建立處理能力為5000m3/h的乏風(fēng)瓦斯氧化試驗臺（三維試驗臺）。建立蓄熱氧化數(shù)學(xué)模型，模擬研究熱逆流蓄熱氧化床內(nèi)的溫度動態(tài)分布特性和甲烷氧化規(guī)律；數(shù)值模擬和試驗研究氧化床中部高溫區(qū)的取熱量對氧化床內(nèi)的溫度動態(tài)分布的影響規(guī)律

31、；對氧化床進行優(yōu)化設(shè)計，并在試驗臺上進行試驗驗證。（3）在乏風(fēng)瓦斯氧化試驗臺上進行加熱起動試驗研究。（4）建立氣體進出口流量分配數(shù)學(xué)模型，利用CFD軟件模擬研究氣體在進出口分配系統(tǒng)內(nèi)的流動特性，根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計進出口分配系統(tǒng)，并在乏風(fēng)瓦斯氧化試驗臺上進行試驗驗證。（5）搭建乏風(fēng)換向系統(tǒng)試驗臺，對研制的換向系統(tǒng)進行密封性能和可靠性能試驗。（6）搭建取熱系統(tǒng)開發(fā)試驗平臺，數(shù)值模擬和試驗研究取熱系統(tǒng)對氧化床溫度分布的影響規(guī)律，換熱器結(jié)構(gòu)對水、蒸汽與抽取的高溫氣體之間換熱的影響規(guī)律，進而研制換熱系統(tǒng)。（7）樣機設(shè)計與制造，在礦井現(xiàn)場進行工作方法技術(shù)試驗和應(yīng)用試驗，并示范運行。2、技術(shù)路線示范工程技術(shù)

32、集成設(shè)計技術(shù)評審樣機制造樣機調(diào)試工程安裝與施工運行試驗運行試驗項目驗收樣機改進技術(shù)評審示范運行整理資料樣機完善技術(shù)方案論證氧化裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計調(diào)研組合式蓄熱氧化床研制氣體進出口分配系統(tǒng)研制加熱起動系統(tǒng)研制乏風(fēng)換向系統(tǒng)研制技術(shù)評審氧化裝置本體研制氧化熱量提取技術(shù)研制乏風(fēng)瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)系統(tǒng)研制系統(tǒng)研制實時測控系統(tǒng)研制技術(shù)評審技術(shù)評審圖1項目開展的技術(shù)路線六、項目的經(jīng)費需求及來源本項目的經(jīng)費概算為1650萬元，其中，863計劃投入750萬元，依托單位匹配900萬元。具體概算見下表。國家科技計劃項目概算表表A項目編號： 項目名稱：煤礦乏風(fēng)瓦斯利用關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備開發(fā) 金額單位：萬元 序號科目名稱合計專

33、項經(jīng)費自籌經(jīng)費（1）（2）（3）（4）1一、經(jīng)費支出165075090021、設(shè)備費10523027503（1）購置設(shè)備費30230204（2）試制設(shè)備費64006405（3）設(shè)備改造與租賃費110011062、材料費113.5113.5073、測試化驗加工費7676084、燃料動力費15015095、差旅費45450106、會議費34340117、國際合作與交流費20200128、出版/文獻/信息傳播/知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)費22220139、勞務(wù)費10610601410、專家咨詢費101001511、管理費21.521.5018二、經(jīng)費來源1650750900191、申請從專項經(jīng)費獲得的資助7507

34、50/202、自籌經(jīng)費來源900/900 七、項目年度任務(wù)安排本項目研究預(yù)計3年（2009年-2011年）完成。項目年度發(fā)展計劃和階段目標(biāo)安排如下：2009年 完成項目論證，啟動研究內(nèi)容的實施，搭建試驗臺，對煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化有關(guān)的單體技術(shù)進行技術(shù)攻關(guān)。2010年 完成關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和技術(shù)集成設(shè)計，完成關(guān)鍵零部件制造、樣機組裝、外圍管路與設(shè)備施工與安裝、樣機調(diào)試、運行試驗、樣機改進。2011年 進行示范運行，編寫成果報告，申報發(fā)明專利，整理技術(shù)規(guī)范，完成項目驗收。八、項目的技術(shù)、經(jīng)濟效益分析我國煤礦乏風(fēng)瓦斯排風(fēng)量巨大，幾乎所有的煤礦沒有回收和處理煤礦乏風(fēng)中的瓦斯，而直接將其排放到大氣之中，這不僅

35、造成了巨大的能源浪費, 也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。主要原因是我國尚無一種能夠大規(guī)模、低成本的技術(shù)來治理和利用這種氣體。逆流氧化技術(shù)是大規(guī)模、低成本地利用煤礦乏風(fēng)瓦斯的有效方法，代表著這一領(lǐng)域的世界高技術(shù)發(fā)展方向。本項目以煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)作為研發(fā)目標(biāo)，其成果必然會推動我國煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化利用技術(shù)的發(fā)展，并為實現(xiàn)大規(guī)模低成本治理和利用煤礦乏風(fēng)瓦斯提供技術(shù)支撐。因此，本項目的實施和完成將帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟社會效益，主要體現(xiàn)在以下方面：（一）市場需求巨大，促進形成高技術(shù)產(chǎn)業(yè)我國是世界煤炭生產(chǎn)大國，煤礦乏風(fēng)瓦斯排放量巨大。因此，煤礦乏風(fēng)瓦斯吸附富集與熱逆流氧化利用技術(shù)有

36、著巨大市場需求。目前國內(nèi)有煤礦約16000個，據(jù)調(diào)查，其中有400500個煤礦的乏風(fēng)可直接使用氧化裝置對其進行處理利用，實現(xiàn)甲烷減排。若每個煤礦安裝5臺單體6萬m3/h的氧化裝置，則全國將有20003000臺單體6萬m3/h的氧化裝置的市場。排空放散的抽排瓦斯如將其與乏風(fēng)混合氧化銷毀，約有1200臺6萬m3/h的氧化裝置的市場。根據(jù)美國環(huán)保局對中國市場的評估，中國市場設(shè)備銷售潛力將超過38億美元，發(fā)電能力超過1300MW。據(jù)了解，2007年MEGTEC公司在澳大利亞建成的一個由4臺氧化裝置（單臺處理能力約為60000m3/h）構(gòu)成的發(fā)電站，總投資3000萬澳元，按當(dāng)時的匯率計算，約合人民幣2億元；本項目研究成功后，預(yù)計單臺6萬Nm3/h氧化裝置價格平均為660萬元，價格優(yōu)勢明顯。因此，煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化利用技術(shù)實施推廣后，將會形成一個煤礦乏風(fēng)瓦斯利用的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟利益。（二）能源和環(huán)保效益顯著煤礦乏風(fēng)瓦斯熱氧化熱利用技術(shù)將為我國開辟一條節(jié)能減排的新路子。我國最近每年排空的煤礦乏風(fēng)相當(dāng)于150億m3的純甲烷當(dāng)量以上，比西氣東輸一期工程的120億m3天然氣還多。所以，如果我們能將煤礦乏風(fēng)氧化利用技術(shù)推廣應(yīng)