一种煤层气和含碳固废的联合处理装置以及联合处理方法与流程

本发明涉及煤矿能源和固废处理领域，具体涉及一种煤层气和含碳固废的联合处理装置以及联合处理方法。

背景技术：

1、煤层气(又称瓦斯)是煤矿开采过程中产生的伴生矿产资源，其中含有大量甲烷(ch4)，是一种重要的洁净资源。由于煤燃烧带来的一系列问题，发展和利用煤层气资源显得尤为重要。煤层气在开采过程中，为了保障煤矿的开采安全，《煤矿安全规程》要求开采工作面和回风巷道中甲烷浓度小于0.75％，矿上多采用鼓风措施稀释，这部分含极低甲烷浓度的煤层气目前主要以直接排空为主，据报道这部分煤层气全国排放量在200亿方(甲烷折纯)以上，排放量巨大。其次是井下抽采煤层气，这部分煤层气因矿而异，甲烷浓度多在3-60％之间，中高浓度较易利用，低浓度煤层气利用技术欠缺，利用率不足50％。甲烷不仅是高效的天然气清洁能源，还是强温室效应气体，温室效应是等质量co2的21倍，所以直接排放对环境危害极大且造成了能源浪费。

2、现有煤层气利用技术多针对中高浓度煤层气(ch4含量高于30％)，这部分煤层气可直接作为工业/民用燃料、富集提纯制天然气、燃气轮机或内燃机发电，利用率较高。ch4含量为7-30％的煤层气主要以内燃机发电为主。为了保障开采工作面的安全，矿井采用鼓风的方式产生0.75％以下的乏风瓦斯排放量最大，但利用最为困难。

3、对于极低浓度的煤层气，特别是乏风瓦斯，实现燃烧或氧化难度大，这主要是因为燃烧或氧化过程中所放出的热量不足以维持其所需的温度，在这个过程中主要的热量损失为高温烟气所携带离开燃烧或氧化设备的热量以及设备本身的环境热损失。

4、目前的主要解决方法是通过气体循环切换的蓄热式氧化来实现氧化和燃烧过程中的自热平衡。具体地，采用的装置包括至少一个燃烧室和两个蜂窝状蓄热体a和b，煤层气必须反复切换依次从两个蓄热体流入燃烧室，在此过程中煤层气所经过的蓄热体被冷却，同时煤层气被预热至燃点以上从而使得燃烧或氧化发生，而另一个蓄热体则吸收燃烧所产生的高温烟气热量并升温，两个蓄热体一个用于预热煤层气，另一个用于吸收高温烟气中的热量，反复切换运行。该方法的主要缺点包括：1)蓄热系统自热平衡对煤层气ch4浓度的最低要求是0.3％以上，否则极易熄火，装置停运；2)气体频繁反复切换需要高温切换阀，对阀门的要求极高，切换阀门成本昂贵；3)该方法是一个需要反复切换的循环过程，系统压力波动较大，对控制系统要求较高，并且是非稳态的操作，因此操作中波动较大，不利于下游系统的运行。

5、煤炭在开采过程中产生大量的煤矸石固废，在生产现场堆积如山，占用大量国土资源，目前还没得寻找到有效的利用手段，其含碳量为20-30％，发热量为800-2000大卡/公斤，有一定的利用价值。同样的，煤炭领域锅炉燃烧残渣及气化炉残渣等固废均具有一定的残碳量，也未得到有效利用，造成了能源的浪费。现有固废资源利用率低，报道的多为酸碱提取等高值化利用技术，但由于其中的硅铝金属含量过低，因此提取成本过高，并带来了大量酸碱水处理难题，使得固废的经济、合理化推广利用遇到较大阻力。

6、综上所述，急需开发一种结构简单、连续性强、同时又可消纳周边固废的低浓度煤层气处理方法，对于低浓度煤层气、尤其是ch4含量在0.3％以下浓度极低乏风瓦斯的利用以及煤炭领域大量固废资源的高效利用具有十分重要的经济和社会意义。

技术实现思路

1、为弥补现有技术中存在的不足，本发明的一个目的是提供一种煤层气和含碳固废的联合处理装置，该装置能够有效处理煤层气、特别是甲烷浓度极低的乏风瓦斯，同时还能联合处理含碳固废，装置结构简单，处理效率高，而且能够连续、稳定地运行。

2、本发明的另一目的是提供一种煤层气和含碳固废的联合处理方法。

3、本发明提供的种煤层气和含碳固废的联合处理装置包括：

4、燃烧反应装置，其底部设置有煤层气入口和物料出口，顶部设置有烟气出口和物料入口，内部空间由下至上依次分为气体缓冲区、第一接触区、燃烧区和第二接触区，所述燃烧区的上部呈漏斗形；

5、热载体，用于蓄热并携带所述含碳固废在所述燃烧反应装置中流动；以及

6、循环装置，分别与所述物料出口和物料入口相连，用于将所述燃烧反应装置排出的所述热载体返回至所述燃烧反应装置中循环使用。

7、本发明提供的联合处理装置中，所述循环装置与所述物料出口之间还设置有筛分装置。

8、本发明提供的联合处理装置中，所述循环装置与所述物料入口之间还设置有含碳固废加料装置。

9、本发明提供的联合处理装置中，所述热载体为氧化铝、石英砂、陶瓷颗粒、莫来石、堇青石、钛酸铝中的一种或多种，形状为平均直径为20～50mm的球形。

10、本发明提供的联合处理装置中，所述燃烧反应装置为移动床反应器。

11、本发明提供的联合处理装置中，所述气体缓冲区和所述第一接触区之间设置有布风板，所述布风板上设置有供所述热载体通过的间隙。

12、本发明提供的联合处理装置中，所述燃烧反应装置内部于所述燃烧区上部设置有缩颈结构，从而使所述燃烧区的上部呈漏斗形。

13、本发明还提供了一种煤层气和含碳固废的联合处理方法，其使用上述技术方案任一项所述的联合处理装置，待处理的煤层气由所述燃烧反应装置底部进料，待处理的含碳固废和所述热载体混合后形成混合物料由所述燃烧反应装置顶部进料，所述煤层气和所述含碳固废逆向流动并在所述燃烧区燃烧，燃烧后的烟气由所述燃烧反应装置顶部排出，所述混合物料由所述燃烧反应装置底部出料，所述热载体经过所述循环装置后返回所述燃烧反应装置循环使用。

14、本发明提供的联合处理方法中，所述燃烧区的温度为900～1200℃。

15、本发明提供的联合处理方法中，所述燃烧后的烟气在所述第二接触区冷却为20～200℃。

16、本发明提供的联合处理方法中，所述含碳固废为煤矸石、锅炉残渣、气化炉渣中的一种或多种，处理前粉碎成平均直径为5～20mm的颗粒。

17、本发明提供的联合处理方法中，所述热载体与所述含碳固废的重量比为1～10:1。

18、本发明提供的联合处理方法中，所述煤层气中的甲烷浓度按体积计为0.75％以下，优选为0.05～0.3％。

19、本发明提供的联合处理方法中，所述待处理的煤层气和所述混合物料的进料量按重量计为1:0.5～1.5，优选为1:0.8～1.2。

20、本发明提供的技术方案具有以下优点：

21、(1)本发明提供的联合处理装置主体仅需要一个移动床反应器，结构简单，无需气体切换，操作简便，造价低廉，占地面积少，因而可以连续、稳定地运行，处理效率得到了大幅提高。

22、(2)本发明提供的联合处理装置使用了能够循环利用的热载体，其既可以起到“蓄热-放热”的作用，还可以携带并分散含碳固废进出反应装置，从而能够有效利用含碳固废的燃烧热量并且不会影响装置的稳定运行，二者的比例也可以根据需要方便调节。

23、(3)本发明提供的联合处理方法在处理低浓度煤层气的同时还可以利用含碳固废弥补系统的热量损失，避免因煤层气甲烷含量过低、产生反应热过少、排烟及炉体散热过多等因素而导致的系统难以自维持稳定运行，因此可处理传统技术难以处理的0.3％以下的超低浓度煤层气，弥补了超低浓度煤层气处理方面的不足，同时还能够助力煤炭能源领域大量煤矸石、锅炉残渣等固废的清洁化利用，无需额外能耗。

24、综上所述，本发明提供的联合处理装置和联合处理方法所需设备简单，能够有效处理超低浓度煤层气并联合处理含碳固废，有利于减少温室气体的排放，具有重要的经济和社会价值，因而非常具有应用前景。