Reusing Low-Concentration Methane Gas

Reusing Low-Concentration Methane & Vam

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低濃度甲烷利用現狀

低濃度甲烷的排放量很大

  • In 2018, the global coal mine methane leakage was 40 million tons, equivalent to the emission of 1 billion tons of CO2 equivalent greenhouse gases. China’s emissions account for over half of the total global methane emissions from coal mining.
  • 2018年，中國開採天然氣130億立方米，其中濃度大於9%的天然氣53億立方米被利用，利用率為40.7%。
  • 在煤炭開採過程中，約有60%至70%的低濃度瓦斯低於9%，利用率僅2%。大部分未利用，直接排放洩漏到大氣中，造成環境污染。
  • China’s coal mines emit a total of 24 billion cubic meters of methane into the atmosphere every year, accounting for one-third of the total industrial methane exhaust volume and generating 200 million tons of carbon emissions.
  • 氣體易燃易爆（5%~15%）（安全問題）。

甲烷氣體特性：燃料+非二氧化碳溫室氣體

  • 甲烷氣體是一種清潔燃料資源。
  • Gas (methane) is a greenhouse gas. The greenhouse effect of methane has a “100 year time frame warming potential GWP” that is 28 times that of carbon dioxide.
  • 大幅減少甲烷排放是實現全球暖化控制的必要條件。 低於1.5℃.
  • 2021年1月，生態環保部指出，需要加強溫室氣體監測，並逐步納入生態環境監測體系的整體實施。在重點排放源層面，將進行試點項目，監測石油天然氣、煤礦等重點產業的甲烷排放。
  • 國家核證自願減排計畫（CCER）即將重啟。 （以每噸50元計算，相當於每立方公尺氣體價值約0.75元）。
  • 未來，廢氣的氧化和破壞將成為減少甲烷排放的方向之一。

低濃度甲烷的再利用模式

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淨化和供應模式

    加熱（冷卻）模式

      發電模式

        熱存儲氧化熱電聯產模式

          煤礦甲烷濃度級聯與管理
          （以2020年的中國為例）

          The coalbed methane associated with coal mining is commonly known as “gas”, and its main component is methane (CH4).
          目前，濃度低於 8% 的所有氣體都排放到大氣中，造成大量污染。
          充分利用這些資源進行供暖和發電，可以帶來顯著的經濟效益和減碳效益。

          熱能儲存與氧化能量級聯利用技術

          製程流程圖

          低濃度甲烷和Vam的安全運輸和混合

          • 功能：
            安全地將低濃度氣體從排氣端輸送到氣體消耗端，並確保輸送氣體的品質；所涉及的排氣端是氣體抽取站，所涉及的氣體消耗端是混合系統。
          • 安裝：
            與天然氣開採站排氣口直接連接的三通管不需要對管道進行改造。

          Main Equipment ① — Electric release valve

          • 原理與功能：
            電動釋放裝置主要用於實現系統壓力的緊急釋放，安裝在輸送管道的起始端和末端，更著重於煤礦瓦斯抽排站和混合系統的保護。
          • 安裝要求：
            安裝在輸送管道的末端排放管和煤礦瓦斯抽排站的出口排氣管上。在洩壓閥的後端應安裝乾式阻火器，以確保釋放的氣體不會影響管路；

          Main Equipment ② — Powder automatic powder spraying and explosion suppression device

          • 原理與功能：
            電動釋放裝置主要用於實現系統壓力的緊急釋放，安裝在輸送管道的起始端和末端，更著重於煤礦瓦斯抽排站和混合系統的保護。
          • 安裝要求：
            安裝在輸送管道的末端排放管和煤礦瓦斯抽排站的出口排氣管上。在洩壓閥的後端應安裝乾式阻火器，以確保釋放的氣體不會影響管路；

          1. 防爆裝置噴嘴

          2. 防爆裝置粉末儲存罐

          3. 滅火劑緩衝劑

          4. 燃氣發電機

          5. 終端

          6. 電纜

          7. 控制器

          8. 紫外線火焰感測器

          Main Equipment ③ —粉末自動噴灑及防爆裝置

          • 原理與功能：
            電動釋放裝置主要用於實現系統壓力的緊急釋放，安裝在輸送管道的起始端和末端，更著重於煤礦瓦斯抽排站和混合系統的保護。
          • 安裝要求：
            安裝在輸送管道的末端排放管和煤礦瓦斯抽排站的出口排氣管上。在洩壓閥的後端應安裝乾式阻火器，以確保釋放的氣體不會影響管路；

          Main Equipment ④ —Explosion prevention and venting device

          • 採用光電火焰感應器、壓力控制感應器和機電連動裝置結合的方式來控制自動防爆裝置的動作。
          • 注意安裝方向

          Main Equipment ⑤ —Dry flame arrester

          • 原理與功能：
            乾式阻火器利用火焰在狹窄縫隙中熄滅的原理，透過彎曲和重疊不銹鋼板形成縫隙極小的滅火層。當管道內產生火焰時，乾式阻火器會阻擋火焰，使其熄滅或降低火勢強度，進而起到阻礙火焰蔓延的作用。
            底部有一個排水閥，需要定期打開，以防止阻燃芯中積聚過多的水，從而影響其使用。
            頂部阻燃芯兩側設有壓力表，用於監測阻燃芯是否阻塞。

          Main Equipment ⑥ —乾式阻火器

          • 原理與功能：
            高效複合氣液分離器具有脫水、除塵、穩定壓力等多種功能，是一種氣體淨化處理設備。
            採用旋風分離技術，利用離心力進行氣液分離。分離出的水沿著缸壁向下流動，而氣體則沿著缸壁螺旋上升，並透過頂部分離層的二次淨化作用進入氣端，從而實現氣體的淨化，滿足燃氣發動機所需的各項氣體指標。

          混合系統

          複雜的工作條件

          1. 低濃度甲烷濃度的波動
          2. 低濃度甲烷流量波動
          3. 低濃度甲烷的溫度波動
          4. 低濃度甲烷壓力波動
          5. 低濃度甲烷濕度波動
          6. Vam 和甲烷濃度的波動

          研究方法

          1. 基於神經網路的自適應快速反應演算法在輸入參數監測與調整的應用研究
          2. 基於彈性阻尼原理的攪拌機設計研究
          3. 混合器結構的CFD流體計算優化

          響應輸出

          1. 混合後氣體濃度的波動範圍為 1.2% ± 0.1%
          2. 10% 內濃度的瞬時波動
          3. 1秒內即可做出即時回應

          Blender – Simulation Analysis

          從上圖可以看出，出口濃度隨時間逐漸增加，並在3秒時穩定在1.2%。右側的雲圖顯示了出口濃度隨時間的變化。