[发明专利]低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法

说明书

发明领域

本发明涉及能源利用和环境保护技术领域，是一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法。

背景技术

煤炭作为一种重要的能量来源，其开采过程中会产生大量瓦斯气体(甲烷)。每年我国都发生多起煤矿瓦斯爆炸事故，它严重威胁煤矿的安全生产，为了提高煤矿生产的安全性，通常采用大量通风来排放煤矿瓦斯。世界范围内煤矿甲烷(coal mine methane(CMM))排放大约是人类排放甲烷的10％。我国煤矿开采过程中每年向大气排放的甲烷量达194亿m²，约占世界采煤排放甲烷总量的1/3，其中90％是以矿井通风气形式排入大气，这部分瓦斯排放相当于每年2000万吨左右标准煤被白白浪费。

另外，矿井排风中含有大量的甲烷气体，其对温室效应的贡献仅次于二氧化碳的排放，但甲烷(瓦斯气)的温室效应是CO₂的21倍。甲烷是一种短寿命的气体，在大气中滞留的时间只有8-12年，而二氧化碳则超过200年，与甲烷有关的气候变暖是在其散发后几十年内完成的，而二氧化碳则在几百年内逐渐实现。

尽管我国矿井通风系统排放的甲烷(矿井通风瓦斯)是矿井中总的甲烷含量的90％，但由于其中甲烷浓度低于1％，有效利用相当困难，目前绝大部分矿井通风瓦斯被直接排入大气中。如果能利用这部分资源，将产生巨大的温室气体减排量，如果有适当的方法来利用这部分资源产生的能量，从节能的角度考虑也具有重要的意义，能够产生良好的经济效益和社会效应。因此矿井通风瓦斯的综合利用不仅可以提高煤矿生产的安全性，而且具有利用清洁能源，减排温室气体的效益。矿井通风瓦斯的综合利用主要有民用、发电、燃料、化工等方面。

对于高浓度甲烷浓度的煤层气，目前已具备了成熟的提纯和回收转化利用技术。而对于矿井通风瓦斯来说，由于低的甲烷浓度，目前还没有实现工业化。

由于一般情况下甲烷的可燃浓度范围在5.0～15.0％，因此，传统的燃烧过程不能使瓦斯气氧化，低浓度下的燃烧要么需要高温，要么采用催化等方式来实现。因此矿井通风瓦斯的转化利用主要通过两种方式：直接燃烧(＞1000℃)和催化燃烧(400-600℃)。国外目前由MEGTECH公司开发出的主要用于挥发性有机物脱除的VOCSIDIZER系统上实现了低浓度瓦斯气燃烧的工业示范，它是一种热流向变换反应器，基于高温直接燃烧原理工作。对于甲烷浓度低于1％的低浓度瓦斯气，要求环境温度维持在1000℃以上，这就需要另外的热源。它需要通过另外附加的燃料或电热等来维持燃烧，否则不能发生。实际的实验运行中，这种技术是通过较多的另外的燃料来维持燃烧的，这样就由于大量的外部燃料的使用使得成本上升。而催化燃烧由于所需的反应能量较少，燃烧反应温度低，可维持在较低的温度下，其点火温度比直接燃烧低了几百度，反应相对容易发生，同时具有低NOx排放等优点。无论从经济性还是环境友好的角度考虑，催化燃烧低浓度瓦斯气都是一种比较好的方式。

对于研究的催化流转式反应器(Catalytic Flow-Reversal Reactor，CFRR)、整体催化燃烧器(Catalytic monolith combustor，CMR)等，都需要采用蓄热块或回流加热等方式对气体预热，以达到催化剂系统的起燃温度，使反应器启动。启动之后，便可由甲烷燃烧自身放出的热量维持反应器连续运行。但由于实际矿井中的低浓度瓦斯气中甲烷的浓度是不稳定的，它在一个范围内变化，因此如果只是随意的将通入反应器的低浓度瓦斯气都进行催化燃烧，那么反应的温度就会也产生波动，而催化剂是在一定的温度范围内工作的，超出了它的最佳温度工作范围，就可能不能起燃或发生催化剂失活及毁坏等严重问题。

专利公开号为CN 1718274A的专利中给出了催化剂的制备方法，但没有给出详细的低浓度瓦斯气消除和利用的具体操作处理方法，还不能直接用于煤矿通风中。

发明内容

本发明的目的是公开一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，结合性能良好的催化剂，实现煤矿矿井通风中低浓度瓦斯被运行稳定的催化燃烧反应器消除和利用。