Bezwingen Sie den „Teufel“ und vollbringen Sie Wunder: Lassen Sie Gas mit extrem niedriger Konzentration „das Böse wieder in Gutes verwandeln“

Grubengas entsteht als Nebenprodukt des Kohlebergbaus während des gesamten Kohleabbauprozesses und stellt eine Bedrohung für die sichere Produktion in Kohlebergwerken dar. Darüber hinaus verschmutzt es die Luft und verursacht einen Treibhauseffekt. Seit Hunderten von Jahren versucht der Mensch mit verschiedenen Methoden, Grubengas unter Kontrolle zu bringen. Wir verfügen über geeignete Entwicklungs- und Nutzungsverfahren für hochkonzentriertes Gas mit einem Methangehalt von über 30 % sowie für niedrigkonzentriertes Gas mit einem Methangehalt von über 7 % und unter 30 %. Allerdings ist die Entwicklung und Nutzung von Gas mit extrem niedriger Konzentration für die Kohlebergbauindustrie schon seit langem ein schwieriges Problem und auch Branchenkenner haben Mühe, eine Lösung für dieses Problem zu finden.

Methangasverarbeitung (Copyright-Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

01 Was ist Gas mit ultraniedriger Konzentration?

Gemäß dem „Design Code for Coal Mine Gas Power Generation Project“ (GB51134-2015) bezieht sich Gas mit ultraniedriger Konzentration auf Kohlegrubengas mit einer Methankonzentration von weniger als 7 % . Dieser Teil des Gases kann nicht direkt zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Gesamtmenge ist enorm und macht mehr als 80 % des chinesischen Grubengases aus.

Das durch vergrabene Rohre in Abbaustätten geförderte Gas mit extrem niedriger Konzentration weist im Allgemeinen eine Methankonzentration von über 1 % auf und macht insgesamt einen kleinen Anteil aus. der andere Typ ist Windabgas , auch als Luftmangelgas bekannt. Dabei handelt es sich um das Windabgas (auch als Luftmangelgas bekannt), das bei der Belüftung von Kohlebergwerkstunneln entsteht und dessen Methankonzentration unter 0,75 % liegt.

Einem Bericht der China Energy News vom November 2023 zufolge entspricht die Menge an Methan, die in China jedes Jahr durch die Belüftung von Kohlebergwerken in die Atmosphäre freigesetzt wird, dem jährlichen Gastransportvolumen der West-Ost-Gaspipeline , und der dadurch verursachte Treibhauseffekt entspricht 200 Millionen Tonnen Kohlendioxidäquivalent . Daher ist es von großer Bedeutung, den Mangel an Windgas voll auszunutzen.

West-Ost-Gaspipeline (Copyright-Bild aus der Galerie; Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

02 Die Schwierigkeit, Dämonen zu unterwerfen

Für Gas mit ultraniedriger Konzentration und einem Methangehalt von mehr als 1 % und weniger als 7 % ist die Magerverbrennung das wichtigste Nutzungsverfahren, zu dem insbesondere Technologien wie die Porenbrandverbrennung, die pulsierende Verbrennung und die katalytische Verbrennung gehören.

Das Abgas mit einer Methankonzentration von weniger als 0,75 % kann als Brennstoff und Hilfsbrennstoff verwendet werden. Die wichtigste Nutzungsmethode besteht darin, das Methan mit extrem niedriger Konzentration auf über 1 % durch Brennstoff anzureichern und dann die thermische Energie durch heiße Gegenstrom-Wärmespeicheroxidation und katalytische Magergemisch-Gasturbinentechnologie zu nutzen.

Obwohl die thermische Gegenstromoxidationstechnologie und die katalytische Magerverbrennungs-Gasturbinentechnologie bereits industriell eingesetzt werden, gibt es bei der Nutzung von Windabgasen als Brennstoff noch immer zwei große Probleme:

Anreicherungsproblem : Wie kann die Methankonzentration in Gas mit extrem niedriger Konzentration erhöht und eine Anreicherung von Methan mit extrem niedriger Konzentration erreicht werden?

Sicherheitsaspekte : Ultraniedrigkonzentriertes Gas enthält neben Methan auch bestimmte Konzentrationen von Sauerstoff und Stickstoff. Wenn die Methankonzentration in Gas mit extrem niedriger Konzentration auf 5 bis 15 % ansteigt, kann es bei Kontakt mit offener Flamme leicht zu einer Explosion kommen. Um sicherzustellen, dass es während des Gasanreicherungsprozesses zu keinen Sicherheitsunfällen kommt, muss bei der Verwendung von Gasen mit ultraniedriger und niedriger Konzentration auch die Frage der Sauerstoffentzugswirkung aus der Luft berücksichtigt werden.

Grubengasexplosion (Copyright-Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

03 Der Dämonenbezwinger-Stößel – Gängige Techniken, um Abfall in Schätze zu verwandeln

Zu den wichtigsten Technologien zur Anreicherung von Methan aus Gas mit extrem niedriger Konzentration und einer Methankonzentration unter 0,75 % zählen derzeit die Niedertemperaturverflüssigung, die Adsorption, die Absorption, die Membrantrennung und das Hydratverfahren .

Gegenwärtig werden in der Industrie häufig Druckwechseladsorptions- und Niedertemperaturverflüssigungs-Trenntechnologien eingesetzt. Ersteres verfügt über eine ausgereiftere Trenntechnologie, eine höhere Methanrückgewinnungsrate und mehr Vorteile hinsichtlich Energieverbrauch und -kosten. Es handelt sich derzeit um die Technologie mit dem größten Potenzial und Anwendungswert.

Bei der Druckwechseladsorptionstrennung werden die unterschiedlichen Methanadsorptionsmengen von Adsorbentien bei unterschiedlichen Temperaturen genutzt, um eine Gastrennung zu erreichen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Auswahl der Adsorbentien . Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Adsorbentien zählen kohlenstoffbasierte Adsorbentien, Zeolith-Molekularsiebe, Metall-organische Gerüste usw. Unter diesen werden kohlenstoffbasierte Adsorbentien in Aktivkohle, Kohlenstoff-Molekularsiebe, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren unterteilt. Unter diesen ist Aktivkohle aufgrund ihrer Vorteile wie einer breiten Palette an Rohstoffen, einem einfachen Herstellungsprozess, einer entwickelten Porenstruktur, einer großen spezifischen Oberfläche sowie guten mechanischen und Regenerationseigenschaften das am häufigsten verwendete Adsorptionsmittel im Druckwechseladsorptionstrennverfahren geworden.

04 Ausblick

Insgesamt wurden bei der Technologie zur Nutzung von Gasen mit ultraniedriger Konzentration einige Durchbrüche erzielt, sie befindet sich jedoch noch im Stadium der Laborforschung und kann die Produktionspraxis nicht effektiv beeinflussen. Der Grund:

Erstens erhöht der Adsorptionsprozess mit hohem Adsorptionsdruck und hohem Vakuum das Explosionsrisiko und die Betriebskosten.

Zweitens müssen Wirtschaftlichkeit, Anpassungsfähigkeit und Sicherheit des Anreicherungsprozesses noch verbessert werden.

In den letzten Jahren wurden mit der Entwicklung der Membrantrenntechnologie zunehmend neue Membrantrenntechnologien in der Gasentsäuerungstechnologie mit ultraniedriger Konzentration eingesetzt.

Zukünftige Nutzung von Gasen mit extrem niedriger Konzentration:

Einerseits sollten wir weiterhin an der Forschung und Entwicklung von Adsorptionsmaterialien mit hoher Selektivität, hoher Kapazität und hoher Toleranz arbeiten;

Andererseits müssen wir auch weiterhin hart daran arbeiten, den Gesamtprozess zu optimieren und Durchbrüche zu erzielen.

In der Abenddämmerung schlängelt sich der leere Teich und der giftige Drache kann in der Meditation gezähmt werden (Wang Wei, Tang-Dynastie). Der „Giftdrache“ der Gase mit ultraniedriger Konzentration wird in Zukunft schließlich von uns besiegt werden!

Quellen:

[1] Gao Pengfei. Aktueller Stand und Perspektiven der Nutzungstechnologie von luftarmem gasgesättigtem Konzentrat[J]. Bergbausicherheit und Umweltschutz, 2017(003):044.

[2] Zhu Yan. Überblick und Perspektiven der Technologie zur Nutzung niedrig konzentrierter Gase[J]. Energietechnologie und -management, 2022(004):047.

[3] Sang Shuxun, Yuan Liang, Liu Shiqi et al. Aussichten einer kohlenstoffneutralen geologischen Technologie und ihre Anwendung bei der Niedrigkarbonisierung von Kohle[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(4): 1430-1451.

[4] Li Shuohao, Gong Yuqing, Fu Shenguang et al. Forschungsfortschritte bei der Reinigung von Methan aus Grubengas durch Druckwechseladsorption[J]. Chinesische Wissenschaft: Chemie, 2023, 53(6):992-1007.

[5] Qu Peiran. Die neue Richtlinie zur Kontrolle der Methanemission zwingt zur Beschleunigung der Nutzung niedrig konzentrierter Gase[N]. Energienachrichten aus China. 20.11.2023.

Autor: Liu Hanbin, leitender Ingenieur, Shanxi Coal Geology Bureau

Gutachter: Li Yong, Professor, Fakultät für Geowissenschaften und Vermessungstechnik, China University of Mining and Technology (Peking)

Produziert von: Science Popularization China

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