在矿井废气中提取甲烷的探讨

牛云龙 李振生

摘 要：煤矿排放的废气中含有大量的甲烷，直接排放既浪费资源又污染环境。在废气中提取甲烷，有很大的社会效益跟经济效益。

关键词：矿井废气；提取甲烷；社会效益；经济效益

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.087

0 引言

煤炭生产企业，瓦斯矿、高瓦斯矿的井工生产矿井，每分钟都会有数千乃至上万立方米的废气源源不断排出地面。废气中含有大量的甲烷气体（CH4），含量一般为0.3%～0.5%。众所周知甲烷气体比空气轻，会扩散至大气层，对大气造成影响，破坏臭氧层。甲烷的温室效应比二氧化碳大25倍。而甲烷又是工需民用的理想燃料和化工原料，在生态文明建设的今天，在矿井废气中提取甲烷，具有重要意义。

1 矿井废气中提取甲烷的技术流程

通常煤层含瓦斯量的测算方法是：取样做煤的吸附性能实验，求出吸附常量a、b值，并在井下相应地点测定煤层的瓦斯压力，以下列公式计算瓦斯含量：

式中：X—煤层瓦斯含量m3/t

a—吸附常数，试验温度下的极限吸附量m3/t

b—吸附常数Mpa-1

Aad—煤的灰分%

Mad—煤的水分%

k—煤的孔隙体积m3/m3

γ—煤的视密度

矿井瓦斯储量计算：其公式为：

Wk=w1+w2+w3

式中：Wk—矿井瓦斯储量Mm3

w1—可采煤层的瓦斯储量总和Mm3

式中：A1i—矿井每一个可采煤层的煤炭储量Mt

n—矿井可采煤层数

X1i—每一个可采煤层的瓦斯含量m3/t

W2—可采煤层采动影响范围内的不可采邻近煤层的瓦斯储量总和Mm3

A2i—可采煤层采动影响范围内每一个不可采煤层的煤炭储量Mt

X2i—可采煤层采动影响范围内每一个不可采煤层的瓦斯含量m3/t

n—矿井可采煤层采动影响范围内的不可采煤层数

W3=围岩瓦斯储量Mm3 当围岩瓦斯很好时，W3=0若含瓦斯量多时，可实测或按下列公式计算：

式中：Q标—标准状态下的瓦斯抽采放量m3/min

Q测—测得的瓦斯抽放量m3/min

P1—测定的集气包内气体绝对压力

T1—测定时管道内气体绝对温度 K

T1=t+273

t—测定时集气包内气体摄氏温度℃

P标—标准绝对压力101.352Kpa

T标—标准绝对温度（20+273）k

根据以上测量以及计算数据，对于一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量小于5m3/min或者一個掘进工作面绝对瓦斯涌出量小于3m3/min，矿井绝对瓦斯出量小于40m3/min的矿井，不需要建立地面永久瓦斯抽放系统或井下移动泵站瓦斯抽放系统时，在主要回风井口建立如下甲烷采集系统是比较经济和合理的。

矿井废气中，除了N2、O2之外还有CO2、CH4、SO2、H2S等，这些气体组成混合气体，其中CH4分子量最小，比重最小，利用这一特征，可以实现定位收集、浓缩，其原理如图1所示。

矿井废气由主通风机扩散器排出，排出的气体进入集气包，由于混合气体中空气的平均分子量为29，而CH4只有16，所以CH4集聚在集气包上部，经瓦斯抽放泵抽出进入集气罐进行进一步分离，再由集气罐顶部送入下一道工序进行浓缩处理，这样可获得高浓甲烷气体。

集气包在该系统中最为关键，它的制作根据扩散气体排出风量、风速设计，不得对主通风机二次产生影响或影响微小。

集气包制成多半球型，下部为全开放，便于气体顺利扩散，上部为封闭状态，由瓦斯抽放泵在上部抽取。

集气包的直径应根据扩散器出口风速设计，风速如下：

根据风速找出扩散器出口风流喷射距离S。根据S确定集气包的直径D，一般直径D不小于S的3～5倍。集气包的高度H约为直径D减去扩散器的高度h，S的距离与扩散器扩散角、温度等有关，计算很复杂，因此S可现场实测，也可粗略计算：

2 结束语

本文是笔者经过长期思考所作的探讨性研究，尚未进行实地试验，起一个抛砖引玉的作用，意在引导有志者做进一步的研试，得出更准确的数值，以变废为宝，取得宝贵的燃气资源作出一点贡献。