可再生能源和可持续能源的评论剖析

可再生能源和可持续能源的评论矿井通风空气甲烷作为可持续能源的来源IzzetKarakurt,GokhanAydin,KerimAydinerKaradenizTechnicalUniversity,DepartmentofMiningEngineering,61080Trabzon,Turkey文章信息文章历史：从2010年6月23日到2010年11月12日关键词：全球变暖温室效应甲烷煤矿通风空气摘要：甲烷的来源之一是地下煤矿开采释放大量的甲烷。煤矿中大约70%的甲烷是通过通风空气排放到大气中。更不幸的是，由于低浓度甲烷在空气通风中仅占有(0.1--1.5%)，使其有效利用率相当低。但是，由于全球变暖，通过氧化作用甲烷可减少95%。在氧化过程中我们可以回收大量能量。在这项研究中，以现有的发展方法，基于甲烷的氧化特性，讨论了VAM（煤矿乏风）的缓解和利用的方法。同时关于甲烷的主要操作参数如燃烧法、技术可行性和工程试用性也进行了讨论。2010年艾斯维尔有限公司，保留所有权。目录1.介绍......................................................................12.VAM的缓解和利用...........................................................43.甲烷氧化机制...............................................................64．辅助使用通风空气甲烷.................................................74.1．粉状燃煤发电站......................................................84.2．混合废物/煤炭/尾矿/甲烷燃烧单元.....................................84.3．内燃机..............................................................84.4．传统燃气涡轮机......................................................85.主要使用VAM...............................................................95.1．热逆流反应堆技术(TFRR)..............................................95.2．催化逆流反应堆(CFRR)...............................................115.3．Catalytic-monolith反应堆(CMR).....................................125.4．稀薄燃烧燃气机（涡轮机）...........................................125.5．集中器.............................................................136．结论.....................................................................147.参考文献..................................................................15简介11.介绍温室气体的排放,主要来自燃烧化石燃料、工业生产、交通运输、农业设施和废物管理流程等活动。累积在大气中的温室气体导致了地球温度的增加。由于全球气温的增加,预计将会影响社会经济领域重要的变化,同时生态系统和人类的生活也将产生重大改变。二氧化碳、甲烷、氮氧化物和氯氟化碳对全球变暖和环境问题有至关重要的影响。认为排放二氧化碳的速度占温室气体排放总量的74%。图1中给出了甲烷，氧化氮和二氧化碳在全球变暖中的比重。甲烷保存热量的能力是二氧化碳的20倍。尽管事实上，甲烷是人为温室气体排放中的第二大贡献者，但至少它像二氧化碳一样同样影响了气候变化。1990年至2005年温室气体中CO2的含量已在图2中给出，甲烷排放在1990-2005年期间逐渐增加,这些增加预计将保持他们的未来趋势。到2020年煤炭开采和农业作为主要贡献部分大约会增加12-16%。简介2Fig2.01990-2005年间温室气体改变甲烷释放主要来自农业、能源、工业和废物处理领域。能源行业是人为甲烷排放的第二大贡献者占（30%）。能源行业中煤炭开采，固定与移动燃烧和生物质燃烧也导致了甲烷和天然气的排放。煤炭开采排放占能源行业排放的22%(图3)。来自采矿作业中排放气体的含量与煤层的煤阶和深度成函数关系。煤阶是一个煤的碳含量的测量。较深的煤层中通常意味着更高的碳含量，同时甲烷的含量也就越高。各种煤中无烟煤和半无烟煤的煤阶最高,而泥炭和褐煤最低。煤层深简介3度的重要性关系到了煤炭的压力强度。煤炭压力随煤层深度增加而增加，防止了甲烷迁移到表面。因此，地下采矿作业通常比地表采矿释放出更多的甲烷。煤层甲烷含量随深度增加而增加。煤床以下100米甲烷含量0.02立方米/吨。甲烷浓度增加到7.069立方米/吨，煤层在2000米深度。Singhet.al..发现了印度煤层的相关性.他们发现煤层深度每增加100米甲烷含量增加1.3立方米。甲烷是在被开采过程中并通过通风设备时被排放出来的。稀释过的甲烷是通过尾气排放到大气中的。这种气体称为“通风空气甲烷(VAM)”并有很低的甲烷浓度。在VAM阀值中低浓度的甲烷是矿井空气中所含甲烷浓度的极限值。然而，他所负责排放甲烷的60-70%都与煤的开采有关。除了影响煤矿生产过程的连续性,甲烷在全球变暖中起到了重要影响。回收、利用不仅可能用来克服对环境影响的不利影响，还可以利用甲烷作为能量来源。煤矿排放的甲烷在甲烷排放有重要的份额，是甲烷的主要来源之一。在美国，煤炭开采产生的420亿立方英尺的甲烷是通过排水系统排放的，大约1000亿立方英尺的甲烷是作为通风空气被排放。这是所有国家大部分煤炭开采实践最相同的理由。因此,煤矿乏风可以被视为甲烷排放的主要来源。该项目在理论上论述了甲烷减排与回收利用方法适合通风空气甲烷。这些方法也对他们的主要操作参数如燃烧方法,技术可行性和工程适用性进行了比较。此外，来自世界各地的各种VAM项目也被提出来。第二节42.VAM的缓解和利用在不同产业的产品生产加工和使用中会获得大量气体，为了维持工作环境的安全，甲烷在煤层中必须回收。回收气体中甲烷含量可能达到95%。煤矿甲烷(CMM)的一般分类缓解和利用方法见图4。通过排水系统获得的气体中甲烷浓度超过30%，这种气体可以用于工业。然而，由于风量很大和浓度变量等问题，所以利用含有低浓度的通风空气具有很大困难。为了在工业中使用，必须增加通风空气中的甲烷浓度。现在还没有有效的可利用技术来提高甲烷浓度，但是现在发达国家的多数研究成果一直集中在通风空气中的氧化甲烷。甲烷通过氧化生成二氧化碳和能源生产中可以利用的热量。由于氧化作用，甲烷在气候变化问题上的影响可以减少近20倍。从燃烧动力学机制的角度看，甲烷氧化的方法可分为热催化氧化和接触催化氧化。VAM在氧化技术中作为辅助和主要燃料。第二节5第三节63.甲烷氧化机制甲烷的整个燃烧机里由以下方程表示：CH4+2O2=CO2+2H2OH(298)=−802.7kJ/mol(1)然而,这是一种简单化的方程，实际反应机理涉及很多激烈的连锁反应[23,16]。通过下面的反应，根据甲烷的比例甲烷燃烧可能生成CO或CO2。CH4+2O2=CO2+2H2O(2)CH4+3/2O2=CO+2H2O(3)其他反应也可能呈现如下:CH4+H2O=CO+3H2(4)2H2+O2=2H2O(5)CO+H2O=CO2+H2（6）甲烷催化燃烧机理更为复杂特别的是将异构反应考虑在内。可能的机制甲烷催化氧化是图5所示。第四节74．辅助使用通风空气甲烷在燃烧过程中捕获的通风空气可以作为辅助燃料来增加燃烧性能。基本应用程序利用通风空气中的甲烷作为外界环境空气粉燃煤发电站，混合废气/煤矿甲烷燃烧装置,燃气轮机和内燃机。表1中给出了用主要的操作参数来评估辅助通风空气技术的可行性和工程适用性。利用这些方法来回收能量是必然的。预计的成功主要是依靠各矿井单位之间的安全连接。但是,这是每一环境的具体问题,尚未完全检查出共同的特性[16]。表2从主要操作阐述参数的角度比较了辅助通风空气甲烷的多种方法。第四节84.1．粉状燃煤发电站在大型电站燃烧过程中捕获的通风空气可以作为环境空气加以利用。在澳大利亚的一座发电站，进行的中等规模的研究对相应程序进行了分析，结果表明,该方法在技术上是可行的,特别是如果一个电厂附近已建有矿山排气轴[14]。一般来说发电站不是所有瓦斯矿井都适用。这种方法不能保证它的适用性。根据甲烷的浓度和流量通风空气中甲烷浓度的变化，可能对设备运行造成负面影响。他还增加了电站运行的复杂性。例如，在燃烧过程中甲烷浓度可能会增加，这可能会对设备（锅炉）、熔渣和残渣造成损害[16]。4.2．混合废物/煤炭/尾矿/甲烷燃烧单元当考虑甲烷氧化机制时，随着通风空气在煤粉锅炉中的使用，在回转窑或流化床之间的通风空气中混合的废料/煤/甲烷燃烧单元有相似之处，这方面已被人们意识到。然而，这需要一个额外的规定来规范这个燃烧过程并保证其稳定性。一些旋转窑已经被研究出来用来混合低质量的废料/燃煤。对这些窑的研究开展已经表明,高质量的气体或燃料需要维持稳定的燃烧过程[23]。在柯布[24]进行的一项研究中，假如在这些高质量的窑中使用无烟煤，废料表现出低的性能。尽管广泛的中等规模工厂，将VAM作为一种辅助燃料在流化层燃烧是有效的，但没有研究表明流化层单元中的甲烷被完全氧化。4.3．内燃机内燃机通常使用介质气体产生电和能量；因此，在燃烧过程中他们适合使用VAM环境下的气体。如果在运输过程中它更为有利，那就需要选择低的成本来减少通风空气中的甲烷。由于在燃烧过程中产生更高的温度，这种方法会比其他方法产生更多的N2O[14]。尽管这种方法有较低的成本，但仅有一小部分的通风空气中的甲烷能在该程序中得到利用。4.4．传统燃气涡轮机传统燃气轮机与内部气体发动机有相似之处，通风空气中一小部分的甲烷就能够满足燃气机的燃料需求。另一方面，使用通风空气来稀释燃烧过程，同时冷却涡轮机会导致甲烷在通过涡轮机时不发生燃烧。为了避免这种情况，不仅需要更复杂的涡轮系统从其他来源处获得压缩空气，而且还要求能够压缩通风空气[26,16]。第五节95.主要使用VAM在燃烧过程中通风空气可以作为主要燃料，同时用来减轻排放空气中的甲烷的排放。然而，依据甲烷浓度的操作要求，通风空气的主要用途可能不是这几个方式。VAM作为主反向反应堆，catalyticmonolith反应堆，精益燃烧燃气涡轮机,集中器。这些技术的详细描述如下。该燃料的缓解和利用率方法在表3中给出。5.1．热逆流反应堆技术(TFRR)热逆流反应堆是一种用于有机物氧化的设备。它们的工作原理已经被许多研究人员记录下来[26,27]。基本上，TFRR包含了石英石、砾石床或一套中间含有电加热原件的陶瓷热交换介质。含有甲烷的矿井通风空气可以通过设备上的阀门或通道进入反应堆[28]。图6中TFRR的示意图予以说明。第五节10通风空气中的甲烷能够发生自燃的环境温度。甲烷自燃的原理是，用反应器的中心的电加热元件加热介质来开始该进程。在环境温度下有含有甲烷的通风空气进入反应堆，它们从一个方向流经反应堆同时其温度会不断提高，直到氧化床中心处的甲烷氧化为止。在该过程中氧化产品会持续穿过氧化床将热量散失到氧化床的另一面。当由于环境温度的通风空气的流入使氧化床近侧一段温度冷却远端一侧