煤矿通风瓦斯甲烷热氧化装置实验研究

徐兴伦

山东省田庄煤矿有限公司山东济宁272103

摘要：为保证生产安全，在煤矿开采前需通入大量空气以稀释矿井空气，使其甲烷浓度降低然后再排入大气。这种被抽排到大气中的甲烷含量低于1%的混合气体被称为煤矿通风瓦斯或者煤矿乏风(VentilationAirMethane，VAM)。由于煤矿乏风具有甲烷浓度低(＜0.1%)、富集难、气量大等特点，传统的处理方式是直接排空，造成了严重的污染和温室效应。针对此现状，设计了最大处理量为1000m3/h的煤矿通风瓦斯热氧化实验装置，该实验装置包括配气系统、装置本体、换向系统、启动系统和测控系统。

关键词：煤矿通风；瓦斯甲烷；热氧化装置；实验研究

1、实验装置

实验系统如图1所示，实验系统分为配气系统、装置本体、换向系统、启动系统和测控系统。

图1

配气系统根据实验要求混合成不同甲烷浓度、不同流量的模拟通风瓦斯，以满足实验要求。装置本体内根据温度区间不同布置刚玉莫来石蓄热体与堇青莫来石蓄热体，用于预热通风瓦斯使其氧化并储存甲烷氧化放出的热量，装置本体四周为耐火水泥和保温层。换向系统由两个三通阀及其驱动气源组成，可人为控制其切换或设定其切换时间，以满足实验要求。启动系统包括自行设计的旋流扩散燃烧器及其燃料气源，用于蓄热体的预热以实现装置的启动。测控系统包括温度、压力、甲烷浓度的测量、电磁阀、电动调节阀的控制及换向系统的控制。装置内设有69个温度测点用于监测蓄热室及进出口处温度，设有9个压力测点用于监测装置内及各气源的压力，装置本体进出口设有两个甲烷浓度测点用于监测进出口的甲烷浓度，同时实验中采用气相色谱仪对进出口甲烷浓度进行精确测量。

2、实验操作过程

2.1加热启动过程

根据本装置运行原理，在摧毁煤矿通风瓦斯之前，需要先对蓄热室进行预热，使蓄热体达到低浓度甲烷能够自燃的温度。在达到预定的温度场之后，启动装置停止工作，通入模拟通风瓦斯发生氧化放热，其热量可以使装置自维持运行，不用外来热源继续提供热量。装置启动采用燃气启动。燃烧器以天然气为燃料，产生高温烟气，从蓄热室中部的空腔进入蓄热室，预热蓄热体。换向系统进行切换，从中部进入的高温烟气交替流过两侧蓄热体，使蓄热体的温度达到甲烷自燃的温度。在这个过程中，燃烧器的加热功率通过调节天然气流量加以控制;调节过量空气系数用以调整燃烧器出口烟气的温度。启动过程不通入模拟通风瓦斯，仅通入预热高温烟气预热蓄热室。通过前期针对启动系统的调试与大量实验，已经实现装置在4h内可完成启动过程，达到装置运行所需的初始温度场，本文将不再赘述。

2.2启动后的过渡过程

装置启动后，装置中部存在足够长的高温区，可以使通风瓦斯中的甲烷发生氧化反应，通入通风瓦斯后，装置内温度场将有所调整，并通过一过渡过程后，稳定于此时进气条件所对应的温度场。本装置的这一过渡过程通常为5～8h，此过程温度场变化如图2所示。过渡过程中，温度场在不断发生变化，通常为最高温度点带动高温区向装置两侧移动，最高温度点外侧温度快速升高，而装置中部温度缓慢降低，最终装置内形成M形的温度场，这与许多类似装置的实验结果相同。

图2过渡过程的温度场(风量600m3/h，甲烷浓度0.6%)

过渡过程的结束才能标志装置成功进入运行阶段，在此过程中，若装置两侧温度持续升高至排烟温度过高，超过三通阀所要求的工作温度上限，实验将被迫停止;若装置中部温度过分降低，则带动装置整体温度降低，从而导致装置熄灭。以上两种情况在实验中都曾发生，由于启动后通入的通风瓦斯条件超出了装置的工作范围，即甲烷浓度、通风量过高或过低。实验证明，在过渡过程中若根据实际监测温度场变化情况，对进气条件进行人为调节，可有效防止装置被迫停机或熄灭，使装置平稳度过此阶段。

2.3自维持运行过程

实验装置经过加热启动和启动后的过渡过程，进入自维持运行过程，此阶段是实验进行的主要阶段，本文的实验结果都是在此阶段得到的。在此阶段，可根据不同实验需要，对装置的进气条件(通风量、甲烷浓度)及切换时间进行调节，得到该条件下的运行情况，及各参数变化时对运行情况的影响规律。

2.4实验结束关机

每次实验停止，由于装置内温度较高，需对装置进行冷却与氮气吹扫，以保证安全。若实验结束或由于其它原因须立即关闭实验系统，首先关闭配气系统的天然气源，使通入装置的模拟通风瓦斯变为空气，对装置进行冷却。当装置内最高温度低于800℃时，从天然气入口旁路吹入氮气，将天然气储气罐和管路中的残留天然气吹入装置并经烟气排出，此过程应严格监控装置入口的天然气浓度，以防浓度过高发生危险。当监测到烟气的甲烷浓度为零时，即可关闭整个系统令装置自然冷却。

2.5测控系统

本实验台的测控系统主要由三方面组成:

1)温度、压力、甲烷浓度等参数的监测和记录。设有69个温度测点，其中5个测点采用Pt100热电阻，用于测量甲烷、空气、三通阀温度、烟气的温度;64个测点采用量程为0～1300℃的K型热电偶，用于测量蓄热体实验段的温度分布情况，包括轴向和径向两个方向。9个压力测点，其中7个用于甲烷、空气、水、烟气的压力测量;2个测点用于测量蓄热体实验段的压力损失。

2个甲烷浓度传感器，用于监测进出口通风瓦斯中甲烷的浓度。另外，进口模拟通风瓦斯的甲烷浓度和出口的烟气成分由色谱分析仪进行测量，色谱分析仪不在测控系统内。

2)甲烷流量、空气流量、水流量以及三通阀的控制。能够根据反馈的甲烷浓度来调节甲烷流量、空气流量;能够根据设定的周期实现三通阀的自动切换;流量及阀门的控制分为手动和自动两种方式。

3)监控报警功能。出于安全考虑，测控系统有监控报警功能，如果检测到出口甲烷浓度较高或高温区温度过低，能及时报警。

2.6配气系统

配气系统用以获得实验所需的低浓度甲烷以模拟煤矿通风瓦斯。它主要由空气路和天然气路及混合器构成。空气路安装有空气过滤器，空气流量根据涡街流量计的显示使用蝶阀进行调节;天然气路流量由靶式流量计监控，其流量调节由控制系统通过电动调节阀调控。天然气和空气根据实验浓度要求在混合器内进行充分的混合，模拟低甲烷浓度的煤矿通风瓦斯。为安全起见，天然气进入混合器之前装有单向阀和防回火器，防止混合后的气体回流，产生爆炸。

在本实验台中，冷态下空气的流量可调范围为400～1100m3/h，天然气的流量可调范围为0～6m3/h。可以根据实验的需求配比流量为400～1100m3/h，甲烷浓度范围为0.1%～1%的模拟通风瓦斯。经过配比的模拟通风瓦斯由管道通过换向系统的三通阀进入蓄热室。在进入蓄热室之前，由引气管抽出部分气体进入色谱分析仪，精确测量分析其真实成分与浓度。

3、结语

该实验装置搭建后，可通过研究其运行参数的影响掌握其运行规律，并逐渐对其结果进行优化。经工业放大后，可广泛用于煤矿通风瓦斯的处理，实现通风瓦斯的减排与利用，对环境保护意义重大。

参考文献：

［1］周娴，姜凡，吕元，等．煤矿通风瓦斯处理技术的比较和应用前景［J］．洁净煤技术，2009，15(4):91-94．

［2］周娴．煤矿乏风低浓度甲烷氧化处理实验研究［D］．北京:中国科学院工程热物理研究所，2008．