一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统及方法

1.本发明涉及极低浓度瓦斯氧化利用、煤矿节能减排技术领域，特别是涉及一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统及方法。


背景技术：

2.因二氧化碳排放量大而导致的全球变暖现象日益严重，对世界经济和社会的可持续发展产生了巨大影响。随着化石燃料储量减少和严峻的生态环境问题，清洁能源的高效利用已成低碳经济发展的必然趋势。
3.甲烷作为煤炭开采过程中伴生的清洁能源，因其排放量大、热值高、燃烧尾气中二氧化碳和氮氧化合物含量低而备受关注。同时，甲烷被认为是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。全球每年因煤矿开采而排放的ch4约2500万吨，其中70％甲烷来自浓度低于1％的矿井回风流中(也称为“乏风瓦斯”)。乏风瓦斯因甲烷含量低且流量变化大，难以被常规的燃烧技术所利用，大部分未被利用的乏风瓦斯直接排放到大气中，不仅造成清洁能源的巨大浪费，还不断加剧温室效应的演化，对生态环境造成严重的破坏。显然甲烷排放量大的根本原因在于乏风瓦斯的利用率低，因此，提高乏风瓦斯的利用率从而改善环境具有重要影响。
4.乏风瓦斯的主要成分为甲烷，其在标准状态下的低位热值为35.88mj/m3，当反应达到一定温度时，ch4与o2发生氧化反应生成二氧化碳和水，并放出大量热量，是一种清洁高效的绿色能源。假设矿井乏风瓦斯中甲烷平均浓度为0.5％，平均流量为8万m3/h，若此部分甲烷被充分利用，则年处理矿井乏风瓦斯可达70080万m3，年回收热量125820gj，可产生电量为34950mw，温室气体减排可达52000t co2当量。因此，煤矿乏风利用技术的研究对于发展高效洁净能源、保障煤矿安全生产、减少温室气体排放、实现能源的可持续发展具有重大的现实意义。
5.目前，乏风瓦斯的转化和利用主要分为辅助燃料利用技术和主要燃料利用技术。辅助燃料利用技术是利用乏风瓦斯取代空气来进行混合燃烧，主要用于燃气轮机、内燃机、燃煤锅炉、流化床炉等。辅助燃料利用技术虽然看似是最简单最经济的利用方式，但因其处理的乏风瓦斯量有限且需要建立在距离通风井口较近的地方，实施难度较大，较难达到理想的减排效果。主要燃料利用技术是以煤矿乏风中的甲烷作为主要燃料，分为蓄热氧化技术和催化氧化技术，两者的唯一区别为是否使用催化剂；虽然两种技术均能提高瓦斯的利用率，从而实现温室气体减排；但是催化氧化中的高温可能会导致催化剂中毒而失活，且贵催化剂成本较高，因此蓄热氧化技术以较好的经济适用性在工业中广泛应用，但由于甲烷浓度过低，其火焰的辐射传热较小且燃烧系统存在散热损失，故不能长期维持氧化装置的稳定运行。通常是采取将抽采的高浓度瓦斯(ch4％》30％)与乏风瓦斯进行掺混后进行氧化反应，并将其产生的热量进行综合利用，但利用高浓度瓦斯的成本相对较高，且氧化后的利用方式一般为低品位的热能利用为主，利用效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统及方法，低成本地提高乏风瓦斯的利用率，以达到减缓乏风瓦斯排放造成的能源浪费及环境污染问题，实现节能减排可持续发展的目的。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统，包括乏风瓦斯气体输送装置、煤粉输送装置、蓄热氧化装置以及能量利用装置；
9.所述乏风瓦斯气体输送装置依次通过气体输送管道、第一连接管与所述蓄热氧化装置的上输入端连通；所述蓄热氧化装置的上输出端依次通过第二连接管、导热管与所述能量利用装置连通；所述乏风瓦斯气体输送装置依次通过所述气体输送管道、第三连接管与所述蓄热氧化装置的下输入端连通；所述蓄热氧化装置的下输出端依次通过第四连接管、所述导热管与所述能量利用装置连通；所述煤粉输送装置通过第五连接管与所述蓄热氧化装置的上输入端连通；其中，所述第一连接管上安装有第一电磁阀；所述第二连接管上安装有第二电磁阀；所述第三连接管上安装有第三电磁阀；所述第四连接管上安装有第四电磁阀；
10.所述乏风瓦斯气体输送装置用于输送乏风瓦斯气体；所述煤粉输送装置用于输送目标煤粉；其中，单位时间内所述目标煤粉的质量是根据单位时间内所述乏风瓦斯气体所产生的热量的占比确定；
11.所述蓄热氧化装置用于根据所述乏风瓦斯气体和所述目标煤粉反应产生烟气；所述烟气的热能包括第一部分热能、第二部分热能以及第三部分热能；所述第一部分热能用于维持所述蓄热氧化装置运行；所述能量利用装置用于将所述第二部分热能转成电能，将所述第三部分热能进行热交换操作；
12.在工作过程中，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀开启，控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀关闭，以使所述乏风瓦斯气体和所述目标煤粉通过所述上输入端进入所述蓄热氧化装置，所述蓄热氧化装置产生的烟气通过所述下输出端进入所述能量利用装置；控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀关闭，控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀开启，以使所述乏风瓦斯气体通过所述下输入端进入所述蓄热氧化装置，所述目标煤粉通过所述上输入端进入所述蓄热氧化装置，所述蓄热氧化装置产生的烟气通过所述上输出端进入所述能量利用装置，循环操作，使得所述乏风瓦斯气体掺混所述目标煤粉在所述蓄热氧化装置内燃烧，从而进行热量回收利用。
13.可选地，所述乏风瓦斯气体输送装置包括甲烷气体罐、空气压缩机和气体预混室；
14.所述甲烷气体罐通过第六连接管与所述气体预混室连通；所述空气压缩机通过第七连接管与所述气体预混室连通；所述气体预混室的输出端为所述乏风瓦斯气体输送装置的输出端；
15.按照气体输送方向，所述第六连接管上依次安装有第二减压阀、第二阀门、质量流量计和第四阀门，所述第七连接管上依次安装有第一减压阀、第一阀门、玻璃转子流量计、第三阀门。
16.可选地，所述煤粉输送装置包括煤粉仓、连续供粉组件和鼓风机；
17.所述连续供粉组件设置在所述煤粉仓的输出端上；所述连续供粉组件用于控制所
述煤粉仓内煤粉的输出量；所述煤粉仓的输出端与所述第五连接管的第一输入端连通，所述鼓风机与所述第五连接管的第二输入端连通，所述第五连接管的输出端与所述蓄热氧化装置的上输入端连通。
18.可选地，所述蓄热氧化装置包括燃烧室、用于包裹所述燃烧室的绝缘保温层、安装在所述燃烧室内腔中部区域的蓄热陶瓷以及设置在所述燃烧室内腔顶部区域的煤粉燃烧喷嘴；所述煤粉燃烧喷嘴与所述上输入端连接。
19.可选地，还包括温度监控装置；所述温度监控装置包括热电偶、与所述热电偶的一端连接的温度数据采集模块以及用于获取所述温度数据采集模块采集的温度信息的计算机；
20.所述热电偶的个数为多个，且多个所述热电偶的另一端按照垂直距离平均分布在所述蓄热陶瓷上。
21.可选地，所述能量利用装置包括换热模块、汽轮机和换热器；
22.所述换热模块的输入端与所述导热管的第一输出端连通，所述换热模块用于获取所述导热管传输的烟气的热量，以得到过热蒸汽和低温蒸汽；
23.所述换热模块的第一输出端与所述汽轮机连接，所述换热模块用于将所述过热蒸汽传输至所述汽轮机；所述汽轮机用于根据所述过热蒸汽进行发电；
24.所述换热模块的第二输出端与所述换热器连接；所述换热模块用于将所述低温蒸汽传输至所述换热器；所述换热器用于根据所述低温蒸汽进行热交换，以产生热水。
25.可选地，还包括气相色谱分析仪；
26.所述气相色谱分析仪的第一输入端通过第八连接管与所述导热管的第二输出端连通；所述气相色谱分析仪的第二输入端通过第九连接管与所述气体输送管道连通；
27.所述气相色谱分析仪用于对所述烟气的浓度和成分进行分析，以及对所述乏风瓦斯气体的浓度和成分进行分析。
28.一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用方法，包括：
29.步骤100：当所述蓄热氧化装置处于第一条件时，控制第一电磁阀和第四电磁阀开启，控制控制第二电磁阀和第三电磁阀关闭，以使乏风瓦斯气体和目标煤粉通过上输入端进入蓄热氧化装置，进而使蓄热氧化装置产生的烟气通过下输出端进入能量利用装置；其中，单位时间内所述目标煤粉的质量是根据单位时间内所述乏风瓦斯气体所产生的热量的占比确定；
30.步骤200：当所述蓄热氧化装置处于第二条件时，控制第一电磁阀和第四电磁阀关闭，控制控制第二电磁阀和第三电磁阀开启，以使乏风瓦斯气体通过下输入端进入蓄热氧化装置，使目标煤粉通过上输入端进入蓄热氧化装置，进而使蓄热氧化装置产生的烟气通过上输出端进入能量利用装置；
31.步骤300：重复步骤100和步骤200，使得所述乏风瓦斯气体掺混所述目标煤粉在所述蓄热氧化装置内燃烧，从而进行热量回收利用。
32.可选地，在执行步骤100之前，包括：
33.通过电加热方式对所述蓄热氧化装置进行预热。
34.可选地，所述目标煤粉的质量的确定过程：
35.根据公式计算在单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度
时产生的氧化热；
36.根据公式计算在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热；所述第一浓度小于所述基准浓度，且在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热能够维持所述蓄热氧化装置的运行；
37.计算氧化热差值；所述氧化热差值为在单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热与在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热的差值；
38.将所述氧化热差值作为单位质量煤粉产生的热量，并结合公式q2＝q
coal-lhv
·mcoal
计算出所需补充的目标煤粉的质量；
39.其中，q1表示单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热，mj/h；
40.q3表示单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热，mj/h；
41.l表示蓄热氧化装置处理的乏风瓦斯气体的流量，m3/h；
42.表示乏风瓦斯中甲烷的浓度，vol.％；
43.表示甲烷的低位热值，mj/m3；
44.η表示甲烷的氧化率，％；
45.q2表示单位质量煤粉产生的热量，mj；
46.q
coal-lhv
表示煤粉的低位热值，mj/kg；
47.m
coal
表示目标煤粉的质量，kg。
48.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
49.本发明提出了乏风瓦斯利用的新思路和新技术；通过添加优质煤粉使蓄热氧化稳定运行，降低了可自维持运行的最低甲烷浓度和氧化温度，大大提高乏风瓦斯的利用效率；同时本发明破解了煤矿乏风及低浓度瓦斯无法直接利用的难题，将乏风瓦斯转化为热能并用于发电和供热，可大大提高乏风瓦斯的利用效率，有效解决矿区电力供给紧张的矛盾及碳达峰碳中和的环保压力，可以有效降低供热和能源消耗成本。
附图说明
50.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
51.图1为本发明煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统的结构图；
52.图2为本发明煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用方法的流程图。
53.符号说明：
54.1-甲烷气体罐；2-空气压缩机；3-玻璃转子流量计；4-质量流量计；5-气体预混室；6-气体输送管道；7-煤粉仓；8-连续供粉组件；9-鼓风机；10-煤粉输送管道；11-煤粉燃烧喷嘴；12-绝热保温层；13-蓄热陶瓷；14-燃烧室；15-热电偶；16-温度数据采集模块；17-计算机；18-导热管；19-换热模块；20-汽轮机；21-换热器；22-出气口；23-气体输送管道的第二输入端；24-导热管的第二输出端；25-气相色谱分析仪；26-第一减压阀；27-第二减压阀；28-第一电磁阀；29-第二电磁阀；30-第三电磁阀；31-第四电磁阀；32-第一阀门；33-第二阀
门；34-第三阀门；35-第四阀门。
具体实施方式
55.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.甲烷作为一种高热值清洁能源，常被用来和氢气、二甲醚等可燃物掺混，来研究燃烧爆炸特性。根据相关文献可知，在燃烧中添加煤粉颗粒对增强甲烷燃烧的热辐射具有优势，且煤粉的加入会显著降低甲烷着火温度。因此，针对乏风瓦斯风量大、浓度低、流量波动大等难以利用的特点及蓄热氧化热逆流技术对甲烷浓度等运行参数的要求，提出了一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统及方法，并将产生的热量通过余热锅炉进行回收，用于蒸汽轮机发电，供热制冷等。本发明不仅可以提高乏风瓦斯的利用率，缓解其对温室效应的影响，还有助于形成清洁高效、经济可行的乏风瓦斯资源化利用技术，具有广泛的应用前景。
57.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
58.实施例一
59.本实施例提供的煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统，是以乏风瓦斯中甲烷浓度为1.2％时产生的能量为基准，充分利用煤矿甲烷浓度小于0.75％的乏风瓦斯，根据不同浓度乏风瓦斯产生热量的占比进行额外添加煤粉，使“乏风瓦斯+煤粉”双重燃料产生的能量达到基准，从而实现蓄热氧化装置的自维持运行并回收可利用的热能。一般情况下，当煤矿乏风中的甲烷浓度稳定为1.2％时，可维持蓄热氧化装置的自维持运行；但当乏风瓦斯浓度过低时，甲烷转换率较低，消耗成本相对较大，且蓄热氧化装置自维持的时间较短，热量回收效率较低。乏风瓦斯与煤粉同时燃烧，高热值煤粉的加入会使甲烷氧化过程中碳烟含量升高，有助于提高燃烧区温度并扩大燃烧区范围，增加系统的热效应从而延长蓄热氧化装置自热平衡的时间、降低甲烷氧化的起燃温度及可用于发电的最小甲烷浓度，从而大大提高甲烷的处理量及转化效率。
60.如图1所示，本实施例提供的一种煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统，包括乏风瓦斯气体输送装置、煤粉输送装置、蓄热氧化装置以及能量利用装置。
61.所述乏风瓦斯气体输送装置依次通过气体输送管道6、第一连接管与所述蓄热氧化装置的上输入端连通；所述蓄热氧化装置的上输出端依次通过第二连接管、导热管18与所述能量利用装置连通；所述乏风瓦斯气体输送装置依次通过所述气体输送管道6、第三连接管与所述蓄热氧化装置的下输入端连通；所述蓄热氧化装置的下输出端依次通过第四连接管、所述导热管18与所述能量利用装置连通；所述煤粉输送装置通过第五连接管与所述蓄热氧化装置的上输入端连通；其中，所述第一连接管上安装有第一电磁阀28；所述第二连接管上安装有第二电磁阀29；所述第三连接管上安装有第三电磁阀30；所述第四连接管上安装有第四电磁阀31。
62.所述乏风瓦斯气体输送装置用于输送乏风瓦斯气体；所述煤粉输送装置用于输送
目标煤粉；其中，单位时间内所述目标煤粉的质量是根据单位时间内所述乏风瓦斯气体所产生的热量的占比确定。
63.所述蓄热氧化装置用于根据所述乏风瓦斯气体和所述目标煤粉反应产生烟气；所述烟气的热能包括第一部分热能、第二部分热能以及第三部分热能；所述第一部分热能用于维持所述蓄热氧化装置运行；所述能量利用装置用于将所述第二部分热能转成电能，将所述第三部分热能进行热交换操作；
64.在工作过程中，在第一时间间隔下，控制所述第一电磁阀28和所述第四电磁阀31开启，控制所述第二电磁阀29和所述第三电磁阀30关闭，以使所述乏风瓦斯气体和所述目标煤粉通过所述上输入端进入所述蓄热氧化装置，所述蓄热氧化装置产生的烟气通过所述下输出端进入所述能量利用装置；在第二时间间隔下，控制所述第一电磁阀28和所述第四电磁阀31关闭，控制所述第二电磁阀29和所述第三电磁阀30开启，以使所述乏风瓦斯气体通过所述下输入端进入所述蓄热氧化装置，所述目标煤粉通过所述上输入端进入所述蓄热氧化装置，所述蓄热氧化装置产生的烟气通过所述上输出端进入所述能量利用装置，循环操作，使得所述乏风瓦斯气体掺混所述目标煤粉在所述蓄热氧化装置内燃烧，从而进行热量回收利用。其中，所述第一时间间隔和所述第二时间间隔相同。
65.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的乏风瓦斯气体输送装置包括甲烷气体罐1、空气压缩机2和气体预混室5。
66.所述甲烷气体罐1的输出端通过第六连接管与所述气体预混室5的第一输入端连通；所述空气压缩机2的输出端通过第七连接管与所述气体预混室5的第二输入端连通；所述气体预混室5的输出端为所述乏风瓦斯气体输送装置的输出端，即所述气体预混室5的输出端与所述气体输送管道6的第一输入端。
67.进一步地，按照气体输送方向，所述第六连接管上依次安装有第二减压阀27、第二阀门33、质量流量计4和第四阀门35，所述第七连接管上依次安装有第一减压阀26、第一阀门32、玻璃转子流量计3、第三阀门34。
68.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的煤粉输送装置包括煤粉仓7、连续供粉组件8和鼓风机9。
69.所述连续供粉组件8设置在所述煤粉仓7的输出端上；所述连续供粉组件8用于控制所述煤粉仓内煤粉的输出量，即控制所述煤粉仓的开度；所述煤粉仓7的输出端与所述第五连接管的第一输入端连通，所述鼓风机9与所述第五连接管的第二输入端连通，所述第五连接管的输出端与所述蓄热氧化装置的上输入端连通；其中，此处的第五连接管即为图1中的煤粉输送管道10。
70.工作时，通过所述连续供粉组件8和所述鼓风机9配合工作，将目标煤粉输送至所述蓄热氧化装置内。
71.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的包括燃烧室14、用于包裹所述燃烧室14的绝缘保温层12、安装在所述燃烧室14内腔中部区域的蓄热陶瓷13以及设置在所述燃烧室14内腔顶部区域的煤粉燃烧喷嘴11；所述煤粉燃烧喷嘴11与所述上输入端连接。
72.进一步地，本实施例提供的还包括温度监控装置；所述温度监控装置包括热电偶15、与所述热电偶15的一端连接的温度数据采集模块16以及用于获取所述温度数据采集模块采集的温度信息的计算机17。
73.其中，所述热电偶15的个数为多个，且多个所述热电偶15的另一端按照垂直距离平均分布在所述蓄热陶瓷13上。
74.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的能量利用装置包括换热模块19、汽轮机20和换热器21。
75.所述换热模块19的输入端与所述导热管18的第一输出端连通，所述换热模块19用于获取所述导热管18传输的烟气的热量，以得到过热蒸汽和低温蒸汽。
76.所述换热模块19的第一输出端与所述汽轮机20连接，所述换热模块19用于将所述过热蒸汽传输至所述汽轮机20；所述汽轮机用于根据所述过热蒸汽进行发电，以实现热能转换成电能。
77.所述换热模块19的第二输出端与所述换热器21连接；所述换热模块10用于将所述低温蒸汽传输至所述换热器21；所述换热器21用于根据所述低温蒸汽进行热交换，以产生热水，并将被冷却的水蒸气通过出气口22排放到大气中。
78.进一步地，本实施例提供的还包括气相色谱分析仪25。
79.所述气相色谱分析仪25的第一输入端通过第八连接管与所述导热管28的第二输出端24连通，即进行出气口气体检测；所述气相色谱分析仪的第二输入端通过第九连接管与所述气体输送管道的第二输入端连通，即进行进气口气体检测。
80.所述气相色谱分析仪25用于对所述烟气的浓度和成分进行分析，以及对所述乏风瓦斯气体的浓度和成分进行分析。
81.本实施例提供的煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统的具体过程为：
82.甲烷气体罐1和空气压缩机2分别通过玻璃转子流量计3和质量流量计4控制进入气体预混室5的气体流量，并在气体预混室5内混配所需浓度的乏风瓦斯气体；将所需浓度的乏风瓦斯气体通过气体输送管道6进入蓄热氧化装置；理论计算蓄热氧化装置自维持运行时所需补充的煤粉量，即得到目标煤粉，然后通过煤粉仓7和连续供粉组件8准确添加所需煤粉量，并经鼓风机9由煤粉输送管道10将所需煤粉量输送到燃烧室14，燃烧室14入口设置煤粉燃烧喷嘴11以保证煤粉连续稳定的输送到燃烧室，为后续氧化反应提供保障；其中，该煤粉燃烧喷嘴11通过法兰与燃烧室14进行连接。
83.蓄热氧化装置中设置燃烧室14从而使煤粉与乏风瓦斯气体充分反应，该燃烧室14中间部分内置有蓄热陶瓷13，蓄热陶瓷13的外壁被绝缘保温层12包裹以减少蓄热氧化装置的散热损失；热电偶15按照垂直距离平均分布在蓄热陶瓷13的氧化床中，热电偶15的一端插入到燃烧室14内以用于监测燃烧室14内的温度场变化，热电偶15的另一端连接于温度数据采集模块16，温度数据采集模块16还与计算机17相连接进行数据读取，从而实现对蓄热氧化过程中温度的监测监控；蓄热氧化装置产生的高温烟气通过导热管18进入换热模块19中以进行回收利用，换热模块19将产生的过热蒸汽通过汽轮机20进行发电，换热模块19将产生的低温蒸汽通过换热器21产生热水以用于供暖及供热等，换热器21将产生的被冷却的水蒸气通过出气口22排放到大气中，并利用气相色谱分析仪25对进出口气体的成分和浓度进行分析。
84.本实施例提供的煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统的控制过程：
85.在运行时，首先通过电加热的方式对蓄热氧化装置进行预热，从而达到乏风瓦斯氧化时所需的起燃温度。然后关闭相应的加热装置，通入乏风瓦斯气体，同时开启第一电磁
阀28和第四电磁阀31，反应物燃烧并通过蓄热陶瓷13进行热量交换；随着反应的进行，燃烧室14上方的温度逐渐降低，即经过了第一时间间隔，此时切换阀门，第一电磁阀28和第四电磁阀31关闭，开启第二电磁阀29和第三电磁阀30，乏风瓦斯气体由下输入端进入到下方的高温区以进行氧化燃烧；再次经过第二时间间隔后，再次开启第一电磁阀28和第四电磁阀31。随着电磁阀的切换不断改变乏风瓦斯气体进入蓄热氧化装置的方向，周而复始，使得乏风瓦斯掺混煤粉可以在蓄热氧化装置内稳定的燃烧，从而进行热量回收利用。
86.理论计算蓄热氧化装置自维持运行时所需补充的煤粉量的过程：
87.单位时间内甲烷可产生的氧化热：
[0088][0089][0090]
式中，q1—单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热，mj/h，mj/h；
[0091]
q3—单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热，mj/h；
[0092]
l—蓄热氧化装置处理的乏风瓦斯流量，m3/h；
[0093]
—乏风瓦斯中甲烷的浓度，vol.％；
[0094]
—甲烷的低位热值，mj/m3，一般取35.88mj/m3；
[0095]
η—甲烷的氧化率，％。
[0096]
单位质量煤粉可产生的热量：
[0097]
q2＝q
coal-lhv
·mcoal
；
[0098]
式中，q2—单位质量煤粉产生的热量，mj；
[0099]qcoal-lhv
—煤粉的低位热值，mj/kg；
[0100]mcoal
—煤粉的质量，kg。
[0101]
一般情况下，当乏风瓦斯中的甲烷浓度为1.2％时，可以维持蓄热氧化装置的稳定运行，产生的热量也可以通过换热模块进行供暖发电等；但实际中乏风瓦斯中的甲烷浓度一般低于0.75％，不能被有效利用，而是直接排空。
[0102]
假设乏风瓦斯中的甲烷浓度为0.5％，首先根据公式计算甲烷浓度为0.5％时单位时间内产生的氧化热，即第一氧化热，根据公式计算甲烷浓度为1.2％时单位时间内产生的氧化热，即第二氧化热，并计算第一氧化热和第二氧化热的差值；此差值时通过添加煤粉的方式来补充热量；其次，将该差值作为单位质量煤粉产生的热量，并结合公式q2＝q
coal-lhv
·mcoal
计算出所需补充的煤粉量，即目标煤粉的质量。
[0103]
在此基础上，显然本实施例以煤矿乏风为主要燃料，优选低硫、低灰、高发热量的优质煤粉作为辅助燃料，进行掺混以提高反应物的氧化热，以载气送粉的方式将乏风瓦斯和煤粉通入预先加热的蓄热氧化装置进行高温氧化，释放的热量一部分用于维持蓄热氧化装置的自维持运行，另一部分以高温烟气的形式通过余热锅炉回收等产生饱和或过热蒸汽，即可用于蒸汽轮机高效发电，也可用于矿区加热井筒、井下制冷、采暖和洗浴等，从而减少化石燃料的利用。本实施例不仅有助于提高能源的综合利用效率，还能有效减少乏风瓦斯直接排放至大气中造成大量清洁能源浪费及对生态环境造成的破坏，具有经济可行的特
点。
[0104]
实施例二
[0105]
为了实现上述目的，本实施例提供的基于实施例一所述的煤矿乏风掺混煤粉蓄热氧化利用系统的方法，如图2所示，包括：
[0106]
步骤100：当所述蓄热氧化装置处于第一条件时，控制第一电磁阀和第四电磁阀开启，控制控制第二电磁阀和第三电磁阀关闭，以使乏风瓦斯气体和目标煤粉通过上输入端进入蓄热氧化装置，进而使蓄热氧化装置产生的烟气通过下输出端进入能量利用装置；其中，单位时间内所述目标煤粉的质量是根据单位时间内所述乏风瓦斯气体所产生的热量的占比确定。
[0107]
步骤200：当所述蓄热氧化装置处于第二条件时，控制第一电磁阀和第四电磁阀关闭，控制控制第二电磁阀和第三电磁阀开启，以使乏风瓦斯气体通过下输入端进入蓄热氧化装置，使目标煤粉通过上输入端进入蓄热氧化装置，进而使蓄热氧化装置产生的烟气通过上输出端进入能量利用装置。所述第一条件为第一时间间隔，所述第二条件为第二时间间隔，且第一时间间隔和第二时间间隔相同。
[0108]
步骤300：重复步骤100和步骤200，使得所述乏风瓦斯气体掺混所述目标煤粉在所述蓄热氧化装置内燃烧，从而进行热量回收利用。
[0109]
作为一种优选的实施方式，本实施例在执行步骤100之前，包括：
[0110]
步骤000：通过电加热方式对所述蓄热氧化装置进行预热。
[0111]
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的目标煤粉的质量的确定过程：
[0112]
步骤a：根据公式计算在单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热。
[0113]
步骤b：根据公式计算在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热；所述第一浓度小于所述基准浓度，且在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热能够维持所述蓄热氧化装置的运行。
[0114]
步骤c：计算氧化热差值；所述氧化热差值为在单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热与在单位时间内甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热的差值。
[0115]
步骤d：将所述氧化热差值作为单位质量煤粉产生的热量，并结合公式q2＝q
coal-lhv
·mcoal
计算出所需补充的目标煤粉的质量。
[0116]
其中，q1表示单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为第一浓度时产生的氧化热，mj/h；
[0117]
q3表示单位时间内乏风瓦斯中甲烷浓度为基准浓度时产生的氧化热，mj/h；
[0118]
l表示蓄热氧化装置处理的乏风瓦斯气体的流量，m3/h；
[0119]
表示乏风瓦斯中甲烷的浓度，vol.％；
[0120]
表示甲烷的低位热值，mj/m3；
[0121]
η表示甲烷的氧化率，％；
[0122]
q2表示单位质量煤粉产生的热量，mj；
[0123]qcoal-lhv
表示煤粉的低位热值，mj/kg；
[0124]mcoal
表示目标煤粉的质量，kg。
[0125]
与现有技术相比，本发明具体以下技术效果：
[0126]
(1)本发明提出了乏风瓦斯利用的新思路和新技术；通过添加优质煤粉使蓄热氧化稳定运行，降低了可自维持运行的最低甲烷浓度和氧化温度，大大提高乏风瓦斯的利用效率，而且掺混技术可以推广到浓度低于7％的低浓度抽采瓦斯中，从而实现煤矿瓦斯高效利用及零排放。
[0127]
(2)本发明乏风瓦斯氧化温度控制在1000℃以下，低于氮氧化物生成的温度区间为1200℃，从而减少氮氧化物对环境的污染；乏风瓦斯中携带煤粉细微粒，经氧化后可实现近零排放。
[0128]
(3)本发明破解了煤矿乏风及低浓度瓦斯无法直接利用的难题，将乏风瓦斯转化为热能并用于发电和供热，可大大提高乏风瓦斯的利用效率，有效解决矿区电力供给紧张的矛盾及碳达峰碳中和的环保压力，可以有效降低供热和能源消耗成本。
[0129]
(4)本发明在有效处理乏风瓦斯的同时，可以实现大规模节能减排，保护环境，并获得碳减排收益，改变目前煤矿乏风直接排空没有效益的局面，必将有力促进资源综合利用并推进煤矿安全生产。
[0130]
(5)本发明能够实现稳定的热电联供，从而替代原有对环境污染较大的锅炉设备，节约运行成本，输出热能产生经济收益。
[0131]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0132]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。