可再生能源和可持續(xù)能源的評論

1、 可再生能源和可持續(xù)能源的評論 礦井通風空氣甲烷作為可持續(xù)能源的來源Izzet Karakurt, Gokhan Aydin, Kerim Aydiner Karadeniz Technical University, Department of Mining Engineering, 61080 Trabzon, Turkey文章信息 文章歷史：從2010年6月23日到2010年11月12日關(guān)鍵詞：全球變暖 溫室效應 甲烷 煤礦 通風空氣摘要：甲烷的來源之一是地下煤礦開采釋放大量的甲烷。煤礦中大約70%的甲烷是通過通風空氣排放到大氣中。更不幸的是，由于低濃度甲烷在空氣通風中僅占有(0.1 -

2、 -1.5%)，使其有效利用率相當?shù)?。但是，由于全球變暖，通過氧化作用甲烷可減少95%。在氧化過程中我們可以回收大量能量。在這項研究中，以現(xiàn)有的發(fā)展方法，基于甲烷的氧化特性，討論了VAM（煤礦乏風）的緩解和利用的方法。同時關(guān)于甲烷的主要操作參數(shù)如燃燒法、技術(shù)可行性和工程試用性也進行了討論。 2010年艾斯維爾有限公司，保留所有權(quán)。目錄1.介紹12.VAM的緩解和利用43.甲烷氧化機制64 輔助使用通風空氣甲烷74.1粉狀燃煤發(fā)電站84.2混合廢物/煤炭/尾礦/甲烷燃燒單元84.3內(nèi)燃機94.4傳統(tǒng)燃氣渦輪機95.主要使用VAM105.1熱逆流反應堆技術(shù)(TFRR)105.2催化逆流反應堆(CF

3、RR)125.3Catalytic-monolith反應堆(CMR)135.4稀薄燃燒燃氣機（渦輪機）135.5集中器146結(jié)論157.參考文獻16簡介1.介紹 溫室氣體的排放,主要來自燃燒化石燃料、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、農(nóng)業(yè)設(shè)施和廢物管理流程等活動。累積在大氣中的溫室氣體導致了地球溫度的增加。由于全球氣溫的增加,預計將會影響社會經(jīng)濟領(lǐng)域重要的變化,同時生態(tài)系統(tǒng)和人類的生活也將產(chǎn)生重大改變。二氧化碳、甲烷、氮氧化物和氯氟化碳對全球變暖和環(huán)境問題有至關(guān)重要的影響。認為排放二氧化碳的速度占溫室氣體排放總量的74%。圖1中給出了甲烷，氧化氮和二氧化碳在全球變暖中的比重。 甲烷保存熱量的能力是二氧化碳的

4、20倍。盡管事實上，甲烷是人為溫室氣體排放中的第二大貢獻者，但至少它像二氧化碳一樣同樣影響了氣候變化。1990年至2005年溫室氣體中CO2的含量已在圖2中給出，甲烷排放在1990 - 2005年期間逐漸增加,這些增加預計將保持他們的未來趨勢。到2020年煤炭開采和農(nóng)業(yè)作為主要貢獻部分大約會增加12-16%。Fig2.0 1990-2005年間溫室氣體改變 甲烷釋放主要來自農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)和廢物處理領(lǐng)域。能源行業(yè)是人為甲烷排放的第二大貢獻者占（30%）。能源行業(yè)中煤炭開采，固定與移動燃燒和生物質(zhì)燃燒也導致了甲烷和天然氣的排放。煤炭開采排放占能源行業(yè)排放的22%(圖3)。 來自采礦作業(yè)中排放氣體

5、的含量與煤層的煤階和深度成函數(shù)關(guān)系。煤階是一個煤的碳含量的測量。較深的煤層中通常意味著更高的碳含量，同時甲烷的含量也就越高。各種煤中無煙煤和半無煙煤的煤階最高,而泥炭和褐煤最低。煤層深度的重要性關(guān)系到了煤炭的壓力強度。煤炭壓力隨煤層深度增加而增加，防止了甲烷遷移到表面。因此，地下采礦作業(yè)通常比地表采礦釋放出更多的甲烷。 煤層甲烷含量隨深度增加而增加。煤床以下100米甲烷含量0.02立方米/噸。甲烷濃度增加到7.069立方米/噸，煤層在2000米深度。Singh et. al. 發(fā)現(xiàn)了印度煤層的相關(guān)性.他們發(fā)現(xiàn)煤層深度每增加100米甲烷含量增加1.3立方米。 甲烷是在被開采過程中并通過通風設(shè)備時

6、被排放出來的。稀釋過的甲烷是通過尾氣排放到大氣中的。這種氣體稱為“通風空氣甲烷(VAM)”并有很低的甲烷濃度。在VAM閥值中低濃度的甲烷是礦井空氣中所含甲烷濃度的極限值。然而，他所負責排放甲烷的60-70%都與煤的開采有關(guān)。 除了影響煤礦生產(chǎn)過程的連續(xù)性,甲烷在全球變暖中起到了重要影響?；厥铡⒗貌粌H可能用來克服對環(huán)境影響的不利影響，還可以利用甲烷作為能量來源。煤礦排放的甲烷在甲烷排放有重要的份額，是甲烷的主要來源之一。在美國，煤炭開采產(chǎn)生的420億立方英尺的甲烷是通過排水系統(tǒng)排放的，大約1000億立方英尺的甲烷是作為通風空氣被排放。這是所有國家大部分煤炭開采實踐最相同的理由。因此,煤礦乏風可

7、以被視為甲烷排放的主要來源。 該項目在理論上論述了甲烷減排與回收利用方法適合通風空氣甲烷。這些方法也對他們的主要操作參數(shù)如燃燒方法,技術(shù)可行性和工程適用性進行了比較。此外，來自世界各地的各種VAM項目也被提出來。18第二節(jié)2.VAM的緩解和利用 在不同產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)加工和使用中會獲得大量氣體，為了維持工作環(huán)境的安全，甲烷在煤層中必須回收?；厥諝怏w中甲烷含量可能達到95%。煤礦甲烷(CMM)的一般分類緩解和利用方法見圖4。 通過排水系統(tǒng)獲得的氣體中甲烷濃度超過30%，這種氣體可以用于工業(yè)。然而，由于風量很大和濃度變量等問題，所以利用含有低濃度的通風空氣具有很大困難。為了在工業(yè)中使用，必須增加通風

8、空氣中的甲烷濃度?，F(xiàn)在還沒有有效的可利用技術(shù)來提高甲烷濃度，但是現(xiàn)在發(fā)達國家的多數(shù)研究成果一直集中在通風空氣中的氧化甲烷。甲烷通過氧化生成二氧化碳和能源生產(chǎn)中可以利用的熱量。由于氧化作用，甲烷在氣候變化問題上的影響可以減少近20倍。 從燃燒動力學機制的角度看，甲烷氧化的方法可分為熱催化氧化和接觸催化氧化。VAM在氧化技術(shù)中作為輔助和主要燃料。 第三節(jié)3.甲烷氧化機制 甲烷的整個燃燒機里由以下方程表示： CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OH(298) = 802.7 kJ/mol (1) 然而,這是一種簡單化的方程，實際反應機理涉及很多激烈的連鎖反應23,16。通過下面的反應，根據(jù)甲烷

9、的比例甲烷燃燒可能生成CO或CO2。CH4+2O2=CO2+2H2O (2)CH4+ 3/2O2 = CO + 2H2O (3)其他反應也可能呈現(xiàn)如下:CH4+H2O=CO+3H2 (4)2H2+O2=2H2O (5)CO + H2O = CO2 + H2 （6） 甲烷催化燃燒機理更為復雜特別的是將異構(gòu)反應考慮在內(nèi)?？赡艿臋C制甲烷催化氧化是圖5所示。第四節(jié)4 輔助使用通風空氣甲烷 在燃燒過程中捕獲的通風空氣可以作為輔助燃料來增加燃燒性能?；緫贸绦蚶猛L空氣中的甲烷作為外界環(huán)境空氣粉燃煤發(fā)電站，混合廢氣/煤礦甲烷燃燒裝置,燃氣輪機和內(nèi)燃機。 表1中給出了用主要的操作參數(shù)來評估輔助通風空氣技

10、術(shù)的可行性和工程適用性。 利用這些方法來回收能量是必然的。預計的成功主要是依靠各礦井單位之間的安全連接。但是,這是每一環(huán)境的具體問題,尚未完全檢查出共同的特性16。表2從主要操作闡述參數(shù)的角度比較了輔助通風空氣甲烷的多種方法。4.1粉狀燃煤發(fā)電站 在大型電站燃燒過程中捕獲的通風空氣可以作為環(huán)境空氣加以利用。在澳大利亞的一座發(fā)電站，進行的中等規(guī)模的研究對相應程序進行了分析，結(jié)果表明,該方法在技術(shù)上是可行的,特別是如果一個電廠附近已建有礦山排氣軸14。 一般來說發(fā)電站不是所有瓦斯礦井都適用。這種方法不能保證它的適用性。根據(jù)甲烷的濃度和流量通風空氣中甲烷濃度的變化，可能對設(shè)備運行造成負面影響。他還增

11、加了電站運行的復雜性。例如，在燃燒過程中甲烷濃度可能會增加，這可能會對設(shè)備（鍋爐）、熔渣和殘渣造成損害16。 4.2混合廢物/煤炭/尾礦/甲烷燃燒單元 當考慮甲烷氧化機制時，隨著通風空氣在煤粉鍋爐中的使用，在回轉(zhuǎn)窯或流化床之間的通風空氣中混合的廢料/煤/甲烷燃燒單元有相似之處，這方面已被人們意識到。然而，這需要一個額外的規(guī)定來規(guī)范這個燃燒過程并保證其穩(wěn)定性。 一些旋轉(zhuǎn)窯已經(jīng)被研究出來用來混合低質(zhì)量的廢料/燃煤。對這些窯的研究開展已經(jīng)表明,高質(zhì)量的氣體或燃料需要維持穩(wěn)定的燃燒過程23。在柯布24進行的一項研究中，假如在這些高質(zhì)量的窯中使用無煙煤，廢料表現(xiàn)出低的性能。 盡管廣泛的中等規(guī)模工廠，將V

12、AM作為一種輔助燃料在流化層燃燒是有效的，但沒有研究表明流化層單元中的甲烷被完全氧化。4.3內(nèi)燃機 內(nèi)燃機通常使用介質(zhì)氣體產(chǎn)生電和能量；因此，在燃燒過程中他們適合使用VAM環(huán)境下的氣體。如果在運輸過程中它更為有利，那就需要選擇低的成本來減少通風空氣中的甲烷。由于在燃燒過程中產(chǎn)生更高的溫度，這種方法會比其他方法產(chǎn)生更多的N2O14。盡管這種方法有較低的成本，但僅有一小部分的通風空氣中的甲烷能在該程序中得到利用。4.4傳統(tǒng)燃氣渦輪機傳統(tǒng)燃氣輪機與內(nèi)部氣體發(fā)動機有相似之處，通風空氣中一小部分的甲烷就能夠滿足燃氣機的燃料需求。另一方面，使用通風空氣來稀釋燃燒過程，同時冷卻渦輪機會導致甲烷在通過渦輪機時

13、不發(fā)生燃燒。為了避免這種情況，不僅需要更復雜的渦輪系統(tǒng)從其他來源處獲得壓縮空氣，而且還要求能夠壓縮通風空氣26,16。第五節(jié)5.主要使用VAM 在燃燒過程中通風空氣可以作為主要燃料，同時用來減輕排放空氣中的甲烷的排放。然而，依據(jù)甲烷濃度的操作要求，通風空氣的主要用途可能不是這幾個方式。VAM作為主反向反應堆，catalyticmonolith反應堆，精益燃燒燃氣渦輪機,集中器。這些技術(shù)的詳細描述如下。該燃料的緩解和利用率方法在表3中給出。5.1熱逆流反應堆技術(shù)(TFRR)熱逆流反應堆是一種用于有機物氧化的設(shè)備。它們的工作原理已經(jīng)被許多研究人員記錄下來26,27?；旧?，TFRR包含了石英石、礫

14、石床或一套中間含有電加熱原件的陶瓷熱交換介質(zhì)。含有甲烷的礦井通風空氣可以通過設(shè)備上的閥門或通道進入反應堆28。圖6中TFRR的示意圖予以說明。通風空氣中的甲烷能夠發(fā)生自燃的環(huán)境溫度。甲烷自燃的原理是，用反應器的中心的電加熱元件加熱介質(zhì)來開始該進程。在環(huán)境溫度下有含有甲烷的通風空氣進入反應堆，它們從一個方向流經(jīng)反應堆同時其溫度會不斷提高，直到氧化床中心處的甲烷氧化為止。在該過程中氧化產(chǎn)品會持續(xù)穿過氧化床將熱量散失到氧化床的另一面。當由于環(huán)境溫度的通風空氣的流入使氧化床近側(cè)一段溫度冷卻遠端一側(cè)溫度升高時，該反應堆會自動反轉(zhuǎn)通風氣流的方向。通風空氣(VAM)進入此時（加熱）床的遠端然后氧化發(fā)生。在熱

15、氣體將熱量轉(zhuǎn)移到氧化床另一端的同時，在氣體溫度剛剛高于環(huán)境溫度時退出反應堆。然后，再一次逆轉(zhuǎn)該過程。氧化甲烷產(chǎn)生CO2和熱量。如果事實符合，能量可能成為氧化產(chǎn)品。熱逆流反應堆對礦井通風空氣甲烷（VAM)的氧化 95%31。根據(jù)閥門和氣流的循環(huán)熱逆流方式，反應堆有了可以替代的設(shè)計。TFRR可替代設(shè)計的圖解，如圖7所示。5.2催化逆流反應堆(CFRR)催化反應堆不同于TFRR只有在CFRR方法下才使用催化。CFRR降低通風空氣中甲烷的自燃溫度以保持系統(tǒng)在燃燒期間的耐久性32。通過增加空氣或水氣混合氣到熱交換器中可以防止過熱 或過冷。這種類型反應堆有一定優(yōu)勢，例如可以在過低的溫度下工作，釋放少量的N

16、2O（可以忽略不計），低的生產(chǎn)、工程成本，要求更小的設(shè)備34,35。來自Sapoundjiev和奧布35省公布的一項研究表明，CFRR技術(shù)將用于煤礦發(fā)電，將其提供給遙遠地方的熱能用戶。為了降低通風空氣中的甲烷，給出了CFRR用于煤廠發(fā)電的好處。圖9顯示了CFRR方法使用VAM中甲烷的好處，從圖1和圖2中可以分別了解到，溫室效應將逐漸下降，氧化產(chǎn)品可以應用到不同領(lǐng)域。CFRR氧化VAM中大約90%的甲烷。因此，它可以獲取一個重要的能量來源，減少VAM的溫室效應。CFRR氧化大約90%的VAM中的甲烷。因此VAM是獲得能量的重要來源,并降低溫室效應36。1、 5.3Catalytic-monoli

17、th反應堆(CMR) 存在類似原則的其他方法，適用于巨型催化反應堆的操作及其設(shè)計特點。巨型催化反應堆的巨大的反應堆就像一個蜂巢。在高質(zhì)量流下由于非常低的壓降和高的幾何面積及高機械強度的特點，因此CMR被廣泛利用37。整塊材料由一個七通道壁被一含有催化作用地活躍粒子的平行通道的結(jié)構(gòu)組成。因此，相比其他反應堆設(shè)計（TFRR或CFRR），根據(jù)加工相同數(shù)量的通風空氣可以看出CMR單元更緊湊。根據(jù)主要性能和設(shè)計特點表4比較了不同反應堆的設(shè)計（CFRR，TFRR和CMR）。 VAM捕獲礦井廢氣，不僅需要高容量和低濃度的甲烷而且甲烷濃度是可變的。這些弊端會導致緩解工作和應用方法的效率降低。MEGTER,該公

18、司生產(chǎn)TFRR,有報道指出TFRR會在濃度0.08%的甲烷中繼續(xù)它的工作。然而，Utah大學仿真模擬顯示，如果甲烷濃度低于0.35%，溫度將跌破最低要求14。維持CFRR操作的最低通風空氣中甲烷濃度應在0.1%以上。目前尚不清楚，甲烷占空氣0.1%比重的情況下CFRR單元可以運行多久33。由于催化燃燒實驗旨在明確CMR操作需要甲烷的最低濃度，在VAM中當甲烷濃度大于0.4%時它可以運行16。5.4稀薄燃燒燃氣機（渦輪機）近年來，許多稀燃汽輪機正被研制，例如EDL回熱式燃氣輪機，CSICO稀薄燃燒催化燃氣輪機，伴有催化燃燒室的Ingresoll-Rand微型燃氣輪機38。VAM主要用于，使用預熱

19、空氣中甲烷燃燒過程產(chǎn)生的熱量的回熱式燃氣輪機。表5提供了稀薄燃燒燃氣輪機一些重要特點之間的比較。通風空氣中甲烷濃度應在1.6%以上。因此,它可能需要添加大量的通風空氣中的甲烷，來達到足夠的甲烷濃度以作為輔助燃料。不僅低濃度的通風空氣中的甲烷可以用于這些類型的渦輪機，而且從前后進排氣口中捕獲的甲烷也可以使用16。 基于澳大利亞，兩個瓦斯礦井真實的甲烷排放數(shù)據(jù)，對燃氣輪機中1%和1.6%濃度的甲烷進行了技術(shù)經(jīng)濟評估39。作為本研究的結(jié)果，得出結(jié)論，50-60%的燃料燃燒，需要通風空氣甲烷的1%是來自催化渦輪機。另一方面，可以看出燃燒30-60%的燃料，需要1.6%的通風空氣中的甲烷是來催化渦輪機。

20、此外，已經(jīng)確定，渦輪機消耗近100%的通風空氣時用到1%的甲烷濃度，渦輪機消耗大約30-50%的通風空氣用到1.6%的甲烷濃度。5.5集中器 許多行業(yè)中集中器是用來捕捉揮發(fā)性有機化合物的。這些類型的集中器可以充實通風空氣中甲烷，同時它們可以提高稀燃渦輪機中氣體（甲烷）的濃度。通風空氣中0.1-0.9%的甲烷進入這些集中器使甲烷濃度大于20%。如果濃縮后的甲烷濃度30%，用傳統(tǒng)的燃氣輪機利用通風空氣發(fā)電也是一樣的16。第六節(jié)6結(jié)論 甲烷是人為溫室氣體排放的第二大貢獻者。其主要來源是農(nóng)業(yè)、沼澤、石油和天然氣系統(tǒng)、煤炭開采和燃燒化石燃料。煤礦負責antrophogenic甲烷排放量的7%。這些排放量

21、的70%來自地下煤礦的通風空氣。甲烷被認為對溫室效應有負面作用的氣體。此外，還伴有能量浪費，作為溫室氣體，通風空氣甲烷對世界能源生產(chǎn)做了無用功。緩解和增加甲烷利用率的方法，可能有助于減少大氣中甲烷含量。此外,浪費的能源也可以利用起來。 回收和利用通風空氣甲烷的有效方法尚未公布，但近年來很多努力已被實踐。多數(shù)工作集中于甲烷的氧化。分析當前技術(shù)的可能性和理論基礎(chǔ)可以得出以下結(jié)論： (i)通過排水方法捕獲的甲烷，根據(jù)其濃度可以得到利用。然而，由于它具有較高的體積、包含性低和甲烷的濃度變量使得利用甲烷非常困難。 (ii)為了回收利用，在燃燒過程中VAM可以用作輔助和主燃料。輔助使用通風空氣甲烷主要用于

22、減少甲烷的溫室效應。主要用途，可以實現(xiàn)能源回收利用和降低溫室效應。 (iii)假設(shè)不足的通風空氣甲烷濃度滿足緩解和利用進程的要求，通風空氣應用于增加甲烷濃度。集中器適用于濃縮少量的通風空氣中甲烷。濃縮后如果甲烷濃度大于30%,它可以用于傳統(tǒng)的燃氣輪機發(fā)電。 (iv)對于任何礦井站點下的VAM的緩解和利用方法的使用性，主要取決于站點具體條件。對于礦井場地，關(guān)于任何形式的技術(shù)連接的調(diào)查及安全問題都是非常重要的。 (v)在全球氣候變化的影響下，通過通風方法來自地下煤礦的甲烷，通過氧化方法能夠減少95%。來自礦井開采的另一部分排放物可以減少67%。第七節(jié)7. 參考文獻1 Aydn G. Coalbed

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