有關(guān)低濃度煤礦瓦斯的利用對策研究

溫有權(quán)　裴雁飛

【摘要】由于煤層條件和抽采技術(shù)水平的限制，我國抽采出的煤礦瓦斯中低濃度煤礦瓦斯占較大比例，要提高煤礦瓦斯利用率、增加清潔能源供應(yīng)，必須進(jìn)一步加大低濃度煤礦瓦斯的推廣和扶持力度。本文對低濃度煤礦瓦斯安全輸送技術(shù)、低濃度煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)、濃縮提純技術(shù)和催化氧化汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)等利用技術(shù)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】低濃度煤礦瓦斯；輸送；加工分離；轉(zhuǎn)化利用

目前，隨著我國煤礦業(yè)的快速發(fā)展，對低濃度瓦斯氣體的利用也開始重視起來。雖然收集、利用技術(shù)已非常成熟，已形成各種濃度煤礦瓦斯的利用技術(shù)體系，但如何高效利用煤礦瓦斯是亟待解決的問題。不過也有相關(guān)技術(shù)可以支持煤礦瓦斯的高效利用，尤其是抽采濃度小于30%的瓦斯利用技術(shù)，濃度低于1%的通風(fēng)回收技術(shù)，濃度在爆炸范圍內(nèi)的安全輸送技術(shù)等。這些技術(shù)都有助于高效利用瓦斯。

一、安全輸送技術(shù)

瓦斯爆炸范圍在理論上是5%-16%，但實(shí)際情況會受到很多外在因素的影響，導(dǎo)致爆炸范圍不僅在該范圍內(nèi)，要大很多，例如，工程上不允許濃度小于30%的瓦斯氣體直接輸送，要配備安全防爆技術(shù)設(shè)備，解決該問題的技術(shù)手段不是很多，目前應(yīng)用較成熟的兩項(xiàng)技術(shù)是瓦斯細(xì)水霧輸送技術(shù)和氣水二相流輸送技術(shù)。

1.瓦斯細(xì)水霧輸送技術(shù)

細(xì)水霧的組成成分是平均直徑低于400nm且霧滴體積大于50%的霧滴，由于其組成成分的直徑較小，使細(xì)水霧霧滴的表面積及密度都很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，會迅速汽化，吸收大量熱量，體積迅速膨脹到1700倍以上，導(dǎo)致該空間里的空氣密度大大降低，從而起到了隔絕熱輻射、降溫冷卻及隔氧窒息的作用，這樣有利于減少管道輸送過程中引起的靜電，避免由自然或者人為因素引起的安全隱患，增強(qiáng)安全性。該技術(shù)是低濃度瓦斯通過水霧發(fā)生器等裝置，在管道中與細(xì)水霧混合均勻后再進(jìn)行輸送。其優(yōu)點(diǎn)包括：該技術(shù)能有效迅速避免管道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)且有效阻止火焰的外部擴(kuò)散。瓦斯細(xì)水霧輸送技術(shù)已有了大范圍的應(yīng)用。

2.氣水二相流輸送技術(shù)

氣水二相流輸送技術(shù)主要應(yīng)用是輸送正壓管網(wǎng)，目前只應(yīng)用在貴州部分煤礦及安徽淮南礦區(qū)。該技術(shù)分兩個(gè)方向應(yīng)用，首先水平方向，該技術(shù)的使用是通過環(huán)流設(shè)備確保水流沿著管道的內(nèi)壁流動，進(jìn)而形成環(huán)面水封，瓦斯氣體流動于管道腔體內(nèi)，確保瓦斯氣體在環(huán)形水流的包裹下順延管道內(nèi)壁向前流動；其次垂直方向上，該技術(shù)應(yīng)用柱流設(shè)備順著氣體流動方向每間隔30-50m會不間斷形成水團(tuán)，造成端面水封，進(jìn)而有效分割管道內(nèi)快速流動的瓦斯氣體。該技術(shù)使低濃度氣流與端面之間產(chǎn)生不連續(xù)的柱塞氣流，在輸送過程中產(chǎn)生穩(wěn)固的氣水兩相流，這樣有利于消除安全隱患，避免爆炸及燃燒，可以保證低濃度瓦斯氣體的安全運(yùn)輸。

二、加工分離技術(shù)

有效利用低濃度瓦斯氣體的方法還有就是利用濃縮提純的方法來加大煤礦瓦斯中的天然氣濃度，即甲烷的濃度，可以節(jié)能環(huán)保?，F(xiàn)今，提純濃縮瓦斯氣體的方法主要有三種，即低溫分離法、滲透分離法、吸附與解析法。低溫分離是一種物理方法，低溫使氣體混合物冷凝液化為液體，然后根據(jù)不同組分的沸點(diǎn)進(jìn)行蒸餾，從而達(dá)到分離的目的。滲透分離法是含有特殊滲透膜的裝置，滲透膜只允許某種分子通過，分子小的能通過，分子大的不能通過，分別收集兩側(cè)氣體，進(jìn)而將他們分離。吸附與解析法是根據(jù)氣體分子的不同直徑，不同分子的表面吸附性能不同，用同一種吸附劑吸附該混合氣體，將易吸附的物質(zhì)吸附到吸附劑表面，等表面單分子層吸附飽和后便解析下來，進(jìn)而分離混合氣體。

三、轉(zhuǎn)化利用技術(shù)

煤礦瓦斯的應(yīng)用領(lǐng)域很多，主要用于發(fā)電、民用，也可作為汽車燃料、工業(yè)燃料及化工原料等。

1.燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)的開發(fā)主要應(yīng)對瓦斯氣體的濃度不均勻及壓力不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，采用電子控制系統(tǒng)給燃料供給環(huán)節(jié)輸送控制信號，加強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)對氣體及空氣流量的調(diào)節(jié)，可以保證氧氣的體積是甲烷的兩倍，實(shí)現(xiàn)精確控制。機(jī)組工作時(shí)，可以精確控制甲烷濃度處在爆炸極限之內(nèi)，確保安全施工，電子點(diǎn)過后，內(nèi)燃機(jī)可以連續(xù)活塞運(yùn)動，進(jìn)而引起曲軸旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子通過切割磁力線產(chǎn)生電能。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)雖然體積小，但是熱效率高，且適應(yīng)氣體濃度多變性較強(qiáng)，主要用于小型電廠。如今，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，特別是我國煤炭行業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2013年初，我們國家低濃度瓦斯氣體發(fā)動機(jī)容量已超過880MW，勝動集團(tuán)占了較大比例。可用于煤礦瓦斯發(fā)電的技術(shù)不僅是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)，也包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、大中型燃?xì)廨啓C(jī)及熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)，只是不同的技術(shù)其熱效率、裝機(jī)容量都有所不同而已。

2.濃縮提純技術(shù)

如何提純濃度很低的瓦斯氣體是關(guān)鍵，現(xiàn)今主要有膜分離技術(shù)、深冷分離技術(shù)、變壓吸附法及真空變壓吸附法這四種，真空變壓吸附法是對變壓吸附法的一個(gè)補(bǔ)充，是進(jìn)一步的深化，如今已大幅度應(yīng)用于制CO2及制富氧等工業(yè)中。

現(xiàn)在，用于濃縮瓦斯氣體的VPSA技術(shù)已應(yīng)用到工業(yè)中，在淮南礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行，非常順利，該技術(shù)已經(jīng)很成熟。該技術(shù)的濃縮效果很好，可將濃度僅為12%的甲烷提純濃縮為30%，可用于民用，已在三年前運(yùn)行成功，其項(xiàng)目產(chǎn)能可達(dá)1800Nm3/ho，該技術(shù)的原理是采用低壓使?jié)舛忍岣?，即在一個(gè)大氣壓下吸附劑吸附低濃度的氣體，用抽壓機(jī)抽真空減小壓力，促使被吸附的成分所占的分壓減小，被吸附的組分就會在負(fù)壓下被解吸下來。

此外，在2009年，日本某燃?xì)夤就ㄟ^與遼寧阜新煤業(yè)公司合作，多次嘗試瓦斯變壓吸附濃縮實(shí)驗(yàn)，最終可以把濃度在20-30%的氣體濃縮使?jié)舛忍岣咭槐蹲笥?。西南地區(qū)某科技公司正在與通用電氣集團(tuán)合作，正努力創(chuàng)造瓦斯氣體的變壓吸附提純濃縮技術(shù)。

3.催化氧化汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù).

該發(fā)電技術(shù)的發(fā)電原理是在低濃度煤礦氣體設(shè)備中使吸附劑吸附空氣中的氧氣及甲烷于催化劑表面，催化劑的強(qiáng)氧化性在低溫下氧化燃料，不會有明火也不會有污染性氣體，這就是催化燃燒法。其工藝流程是催化氧化汽輪機(jī)主動吸附低濃度的瓦斯氣體，若不是低濃度該裝置會自行輸入空氣減小濃度，然后利用催化燃燒技術(shù)發(fā)電。

小結(jié)

我國煤礦資源豐富，礦產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生的低濃度瓦斯氣體的量也龐大，因?yàn)槠浯嬖诎踩[患，熱效率低且難以利用，該行業(yè)的主要難題是如何有效利用煤礦瓦斯氣體。如今，低濃度瓦斯管道輸送技術(shù)逐漸成熟，也使得其他技術(shù)均有所發(fā)展，例如瓦斯?jié)饪s技術(shù)、熱逆流反應(yīng)器技術(shù)及燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)等，現(xiàn)在提純低濃度氣體的技術(shù)已經(jīng)很成熟，為大幅度利用煤礦瓦斯鋪平了道路，逐漸解決了該難題。

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