我國低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)研究

韓甲業(yè) 應中寶

(1．國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局信息研究院，北京 100029;2．河南省新鄭煤電有限責任公司，河南 451184)

煤礦瓦斯是煤炭開采過程中，從煤層及圍巖涌入礦井巷道和工作面的以甲烷為主的氣體，它既是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅，還是一種重要的熱值高、無污染的清潔能源。大力開發(fā)利用煤礦瓦斯，對于推進煤礦安全發(fā)展、清潔發(fā)展、有效緩解我國能源日趨緊張狀況有著極其重要的深遠意義。由于30%以下的低濃度煤礦瓦斯存在爆炸危險，我國以及世界上其它國家以前主要利用濃度為30%以上的高濃度煤礦瓦斯。2005年以來，隨著科技發(fā)展，低濃度瓦斯安全輸送及安全利用技術(shù)逐漸成熟，2010年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局對《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)條款進行修改，取消了對煤礦瓦斯利用濃度的限制，給低濃度瓦斯發(fā)電提供了法規(guī)保障。

1 我國煤礦瓦斯利用現(xiàn)狀及存在的問題

“十一五”以來，隨著黨中央和國務院對煤礦安全生產(chǎn)的日益重視以及煤礦瓦斯抽采利用優(yōu)惠政策的陸續(xù)出臺，我國煤礦瓦斯抽采利用出現(xiàn)跨越式發(fā)展。2006年，煤礦瓦斯抽采量為32億m3，2011年煤礦瓦斯抽采量達到92億m3，增長了近3倍;煤礦瓦斯利用量也由2006年的11.5億m3，增長到2011年的35.0億m3。

但是，分析近幾年瓦斯利用情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著我國煤礦瓦斯抽采量的增加，煤礦瓦斯利用措施還需進一步加強。2006年煤礦瓦斯利用率約為35.9%，隨后幾年瓦斯利用率逐年降低，2009年的煤礦瓦斯利用率下降到29.9%，2011年雖然煤礦瓦斯利用率返回到38.0%，但是還有57億m3的煤礦瓦斯被直接排放到大氣中。出現(xiàn)這種情況，最主要的原因之一我國煤層賦存條件較為復雜，煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17mD，由于賦存條件和抽采技術(shù)水平的限制，中國各礦區(qū)普遍存在煤礦瓦斯抽采難度大、抽采出的瓦斯?jié)舛容^低(小于30%)的問題。由于當前低濃度瓦斯利用方式大多尚處于工業(yè)示范階段，沒有大范圍推廣，導致每年抽采出的大量低濃度瓦斯直接排放到大氣中。

2 低濃度煤礦瓦斯安全輸送技術(shù)分析

安全輸送技術(shù)是低濃瓦煤礦斯加工利用的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，它的配置是否合理，運行是否安全、可靠，即關(guān)系到發(fā)電機組的正常運行，又影響到瓦斯抽采系統(tǒng)的安全，對瓦斯綜合利用起著關(guān)鍵性作用。目前，比較成熟的低濃度瓦斯輸送技術(shù)有兩種，一種是由勝動集團研發(fā)的“細水霧低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)”，另一種是由煤礦瓦斯治理國家工程研究中心研發(fā)的“氣水二相流低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)”。這兩種輸送方式均是以水作為安全介質(zhì)。

2.1 細水霧低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)

該技術(shù)原理是在低濃度煤礦瓦斯輸送過程中，細水霧輸送管道中出現(xiàn)由于濕式、干式阻火器失效而過來的火焰時，通過細水霧對火焰的冷卻和稀釋實現(xiàn)低濃度煤礦瓦斯的安全輸送。即細水霧在汽化的過程中，從燃燒物表面吸收大量的熱量，從而使燃燒周圍溫度迅速降低，當溫度降至燃燒臨界值以下時，熱分解中斷，燃燒隨即終止;火焰進入細水霧后，細水霧迅速蒸發(fā)形成蒸氣，由液相變?yōu)闅庀?，氣體急劇膨脹，最大限度地使燃燒反應分子在空間上距離拉大，抑制火焰。另外，該技術(shù)還可同時消除輸送管道的靜電。

細水霧低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)于2005年12月通過國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局組織的院士專家組的鑒定，2009年被國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布為行業(yè)標準，目前全國細水霧低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)應用已超過1000套。

2.2 氣水二相流安全輸送技術(shù)

該技術(shù)采用氣水二相流技術(shù)輸送煤礦低濃度瓦斯，使水流在瓦斯輸送管道內(nèi)附壁連續(xù)流動，形成環(huán)形水流，低濃度瓦斯氣體在環(huán)形水流腔中流動，完全處于環(huán)形水流所形成的環(huán)形水封之中，沿輸送方向上每隔30～50m，以柱狀水團隔斷氣流，并形成端面水封，低濃度瓦斯在所述環(huán)形及端面水封中形成間歇性柱塞氣流，從而實現(xiàn)煤礦低濃度瓦斯的安全輸送。

氣水二相流安全輸送技術(shù)于2008年4月在淮南礦業(yè)集團謝橋煤礦進行了工業(yè)性運行試驗，至今已建立實驗、試驗裝置7套，目前正在申請國家行業(yè)標準和國際標準。

3 當前主要低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)分析

目前比較成熟或處于工業(yè)示范階段的低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)主要包括內(nèi)燃機直接發(fā)電技術(shù)、濃縮提純技術(shù)和催化氧化氣輪機發(fā)電技術(shù)等，其中低濃度煤礦瓦斯?jié)饪s提純技術(shù)和低濃度煤礦瓦斯催化氧化發(fā)電技術(shù)尚處于技術(shù)可行性驗證的工業(yè)示范階段。

3.1 內(nèi)燃機直接發(fā)電技術(shù)

煤礦瓦斯?jié)舛仍?%～16%之間易于爆炸，當甲烷濃度在9%左右時爆炸威力最強，其速度可達2000～3000m/s，同時產(chǎn)生巨大的能量，低濃度煤礦瓦斯內(nèi)燃機直接發(fā)電技術(shù)是利用這一特性推動引擎做功，實現(xiàn)化學能像電能的轉(zhuǎn)換。

在低濃度煤礦瓦斯內(nèi)燃機直接發(fā)電方面，中國率先取得突破。勝動集團是世界上第一家成功研制低濃度瓦斯發(fā)電機組的公司，可將濃度高于6%的低濃度瓦斯轉(zhuǎn)換成電能。國內(nèi)研制低濃度瓦斯發(fā)電機組的廠家還有濟南柴油機廠、南通寶駒氣體發(fā)動機廠、河南柴油機重工等。另外，由于看好“十二五”期間中國低濃度煤礦瓦斯發(fā)電的巨大市場，美國卡特彼勒公司也開始涉足低濃度瓦斯發(fā)電領(lǐng)域，研發(fā)了適用于10%以上濃度范圍的低濃度瓦斯發(fā)電機組。

3.2 濃縮提純技術(shù)

低濃度煤礦瓦斯?jié)饪s提純技術(shù)主要有深冷分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、變壓吸附 (PSA)技術(shù)和真空變壓吸附 (VPSA)技術(shù)四種，其中真空變壓吸附(VPSA)技術(shù)是對變壓吸附 (PSA)法進一步優(yōu)化的氣體分離濃縮技術(shù)，目前已在制富氧、制CO2等工業(yè)裝置上廣泛應用。

當前，真空變壓吸附 (VPSA)技術(shù)提純低濃度煤礦瓦斯已在淮南礦業(yè)集團實現(xiàn)了工業(yè)性試運行，是一種比較成熟的技術(shù)。該項目于2011年4月試運行，可把甲烷濃度為12%的低濃度煤礦瓦斯提純到30%用于民用，項目產(chǎn)能為1800Nm3/h。其主要技術(shù)原理為低濃瓦斯在常壓下被吸附后，采用抽真空方式提高瓦斯純度，即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓，使被吸附的組分 (CH4)在負壓下解吸出來。

另外，四川天一科技股份有限公司正與通用電氣公司合作研發(fā)低濃度煤礦瓦斯變壓吸附提純發(fā)電技術(shù)，日本大阪燃氣株式會社與遼寧阜新煤業(yè)集團在2009年進行了低濃度煤礦瓦斯變壓吸附提純試驗，把濃度范圍在20%～30%的低濃度瓦斯提純到45% ～55%。

3.3 催化氧化氣輪機發(fā)電技術(shù)

低濃度煤礦瓦斯 (2%)催化氧化氣輪機發(fā)電技術(shù)是由日本川崎重工業(yè)株式會社研發(fā)的，主要工作原理是低濃度瓦斯裝置采用催化燃燒技術(shù)，將甲烷和空氣中的氧氣吸附在催化劑表面，利用催化劑的強氧化功能，使燃料低溫氧化，不產(chǎn)生NOx，也沒有火焰。主要工藝流程為燃氣輪機自行吸入2%以上的低濃度瓦斯 (若瓦斯?jié)舛雀哂?%，裝置自動配入定量空氣稀釋)，通過催化燃燒燃氣輪機發(fā)電。

4 低濃度煤礦瓦斯利用展望

根據(jù)我國《煤層氣 (煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》，煤礦瓦斯2015年抽采量要達到140億m3，利用率達到60%以上。從目前煤礦瓦斯利用情況來看，如果不對低濃度煤礦瓦斯進行充分利用，僅靠利用技術(shù)相對成熟的30%以上的高濃度瓦斯，不管是民用、發(fā)電、提純還是化工等利用方式，都不可能實現(xiàn)利用率60%這個目標?！笆濉逼陂g，國家將會重點發(fā)展推廣低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)，對低濃度煤礦瓦斯利用的政策扶持力度也肯定會加大。

5 結(jié)論與建議

低濃度煤礦瓦斯開發(fā)利用，不僅可解決煤礦開采安全和環(huán)境污染問題，而且能較大程度緩解我國天然氣供需矛盾，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟，具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略影響。

(1)在低濃度煤礦瓦斯幾種主要利用方式中，內(nèi)燃機直接發(fā)電技術(shù)最為成熟，成本相對較低，應用范圍靈活廣泛，是最有發(fā)展?jié)摿Φ牡蜐舛让旱V瓦斯利用技術(shù)。隨著技術(shù)先進的卡特彼勒公司等國際大公司涉足低濃度瓦斯發(fā)電領(lǐng)域，將會進一步推動低濃度瓦斯發(fā)電機組向大功率、高參數(shù)化邁進。

(2)隨著生活水平提高，居民對天然氣等清潔燃料的需求日益增加，為緩解“氣荒”、解決民生問題，低濃度煤礦瓦斯提純民用技術(shù)“十二五”期間前景廣闊。

(3)當前，濃度范圍為2%～6%低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)還是市場空白，國家還需進一步加大科研攻關(guān)的力度。

［1］龍伍見.我國煤礦低濃度瓦斯利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及前景展望［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，8.

［2］蘭治淮，劉清源，余蘭金.變壓吸附法提濃煤礦低濃度瓦斯過程中的脫氧及抑爆技術(shù)研究與應用［J］.中國煤炭，2011，3.

［3］黃盛初，劉文革，韓甲業(yè).中國煤層氣 (煤礦瓦斯)開發(fā)利用現(xiàn)狀及潛力研究［J］.2009第九屆國際煤層氣論壇論文集，2009.

［4］劉君.煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障技術(shù)［J］.山西煤炭，2011，5.