煤礦瓦斯創(chuàng)新利用與實(shí)踐

范文利，楊偉峰

(山西福山資源集團(tuán)有限公司，山西 柳林 033000)

根據(jù)全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國(guó)煤層氣資源十分豐富，占世界排名前12位國(guó)家資源總量的13%，埋深1 500 m以淺的適于開發(fā)的約占總資源量的60%，達(dá)到31.46 萬(wàn)億m3，相當(dāng)于450 億t標(biāo)煤，350 億t標(biāo)油[1]。瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)，是很好的清潔燃料，對(duì)瓦斯進(jìn)行充分利用更具有重要意義。近幾年，我國(guó)煤礦瓦斯市場(chǎng)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)之勢(shì)，根據(jù)國(guó)家能源局相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)地面煤層氣產(chǎn)量77.7 億m3，利用率91.9%；煤礦瓦斯抽采量128 億m3，利用率僅為44.8%，2020年全國(guó)煤礦抽采瓦斯利用率同比提高2.3個(gè)百分點(diǎn)，增幅較小[2]。受到多種因素的影響，瓦斯利用率有待進(jìn)一步提升，現(xiàn)階段煤礦瓦斯主要應(yīng)用于民用、工業(yè)燃?xì)?、發(fā)電、汽車燃料、壓縮與液化、化工原料等。

1 煤礦瓦斯開發(fā)利用問題

2020年9月，習(xí)總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提到了“中國(guó)二氧化碳的排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[2]。在我國(guó)的能源性產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之中，煤炭、石油及天然氣等化石能源產(chǎn)生的碳排放占據(jù)了能源消耗總量的84%，且煤炭作為我國(guó)的主導(dǎo)性能源，想要達(dá)到碳中和目標(biāo)，在大力發(fā)展可再生資源的基礎(chǔ)上，還要極力推動(dòng)化石能源煤炭等高效、清潔利用。煤礦瓦斯的開發(fā)與高效利用在增加清潔能源、降低溫室氣體排放、提升煤礦安全等諸多方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有較大的推動(dòng)作用，但是受各種因素的影響，其開發(fā)利用過程中依舊存在一些問題。

1.1 低濃度瓦斯利用存在短板

受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的制約，我國(guó)在低濃度煤礦瓦斯的利用上依舊存在較大的短板，尤其是低濃度瓦斯的直燃技術(shù)，依舊處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，盡管有關(guān)科技部門在低濃度瓦斯直燃技術(shù)上，通過安全燃燒裝置實(shí)現(xiàn)了爆燃低濃度瓦斯的安全燃燒處理，并在晉城一些煤礦試驗(yàn)中獲的成功，但是受到試驗(yàn)規(guī)模的限制，還未開展大規(guī)模推廣。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，濃度3%～8%的低濃度瓦斯占煤礦瓦斯資源總量的36%左右，目前沒有成熟的直接利用技術(shù)，通常采用2種間接利用方法：一是與高濃度瓦斯摻混至濃度大于9%后通過瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電；二是利用煤礦乏風(fēng)或空氣稀釋至1.2%左右進(jìn)行乏風(fēng)氧化。前者受制于高濃度瓦斯源，后者綜合熱效率低(≤60%)，經(jīng)濟(jì)效益差，沒有得到大面積推廣。濃度3%～8%的低濃度瓦斯被大量排放，浪費(fèi)了大量寶貴綠色能源，污染了大氣，加劇了溫室氣體效應(yīng)。

1.2 煤礦瓦斯排空問題突出

現(xiàn)階段，很多以煤氣層抽采作為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)都存在煤礦瓦斯排空現(xiàn)象突出的問題，山西、貴州及新疆等一些煤炭主要產(chǎn)區(qū)，從井下抽取的煤礦瓦斯中甲烷的濃度相對(duì)較低，很多煤礦抽采出的瓦斯因缺乏利用空間、沒有集輸管道等被直接燃燒或者排空。加上國(guó)家近些年一直鼓勵(lì)瓦斯抽采，抽采強(qiáng)度加大，空氣進(jìn)入概率提升，提高了低濃度瓦斯的占比，提升了利用難度，增加了排空量。但是主因或是其經(jīng)濟(jì)性不足，對(duì)于10%～30%的煤礦瓦斯多被應(yīng)用于發(fā)電，但是發(fā)電效率卻較低，經(jīng)濟(jì)性不高，而低于10%的瓦斯更是受利用技術(shù)成本的限制，很多企業(yè)不會(huì)選擇在相關(guān)裝備上投入巨大資金而獲得不對(duì)等的產(chǎn)出。另外，一些地理位置相對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的煤礦受規(guī)模小、抽采瓦斯運(yùn)輸成本高、引入低濃度瓦斯利用裝備成本大等影響，會(huì)直接進(jìn)行排空。以山西福山資源集團(tuán)有限公司為例，其在對(duì)高濃度和低濃度瓦斯充分利用并取得較好效益的同時(shí)，對(duì)于濃度介于3%～8%之間的瓦斯一直沒有好的利用解決辦法，多數(shù)進(jìn)行排空處理，少量與乏風(fēng)混合稀釋進(jìn)行氧化冬季采暖，每年排空的瓦斯量達(dá)到2 313 萬(wàn)m3，相當(dāng)于11.57 萬(wàn)t標(biāo)煤。

2 提升低濃度煤礦瓦斯利用率的途徑

針對(duì)上述問題，在對(duì)現(xiàn)階段比較成熟的煤礦瓦斯利用技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析的基礎(chǔ)上，就解決低濃度瓦斯的利用問題提出一些有效的利用途徑。

2.1 煤礦瓦斯利用技術(shù)

現(xiàn)階段，主要受經(jīng)濟(jì)因素的影響，國(guó)內(nèi)煤礦瓦斯利用率較低，很多瓦斯利用技術(shù)還不成熟，下面就現(xiàn)階段煤礦瓦斯利用相對(duì)成熟的技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1.1 高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)

現(xiàn)階段，煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)主要有內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等技術(shù)，因發(fā)電不用高濃度或壓縮甲烷，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)需要焓達(dá)到205.2 MJ/m3。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組投資較少，靈活性高。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對(duì)能源的利用率高。瓦斯發(fā)電是現(xiàn)階段瓦斯利用的主要方式，瓦斯發(fā)電技術(shù)利用的瓦斯?jié)舛刃柙?0%以上，針對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)依舊不成熟。以山西福山資源集團(tuán)有限責(zé)任公司為例，公司所屬山西柳林金家莊煤礦，位于柳林縣城東南約10 km處的莊上鎮(zhèn)梨樹凹村境內(nèi)，生產(chǎn)能力175 萬(wàn)t/a，礦井批準(zhǔn)開采3～10煤層，開采標(biāo)高為+880～+510 m，屬于高瓦斯礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為90.34 m3/min，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為22.87 m3/t，采用2BE3-720-2BY4水環(huán)式真空泵分源抽放瓦斯，配備9臺(tái)JGS620GS-SL燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，對(duì)瓦斯?jié)舛却笥?5%的進(jìn)行發(fā)電，裝機(jī)功率32.18 MW，年綜合利用標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯5 260 萬(wàn)m3，可發(fā)電2.4 億kW·h。在高濃度瓦斯發(fā)電利用方面，公司積累了相當(dāng)?shù)某晒?jīng)驗(yàn)，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 高濃度瓦斯作為工業(yè)原料

在工業(yè)應(yīng)用上，也主要是把高濃度的瓦斯進(jìn)行凈化處理與富集后作為原料氣體生產(chǎn)甲醇、甲醛、炭黑等工業(yè)產(chǎn)品。

2.1.3 體積濃度30%以上瓦斯直燃技術(shù)

直燃技術(shù)具有成本低、效率高的特點(diǎn)，是煤礦瓦斯其它利用技術(shù)不可行時(shí)的備選，煤礦瓦斯抽采時(shí)一部分甲烷會(huì)通過排氣機(jī)、井口鼓風(fēng)機(jī)等直接排空，為減少排空對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)此也可以通過控制火炬系統(tǒng)對(duì)這些瓦斯進(jìn)行燃燒，但也需要瓦斯?jié)舛?0%以上，且尤其注意安全問題。

2.2 低濃度煤礦瓦斯有效利用的途徑

2020年，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、能源局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理的通知》(環(huán)環(huán)評(píng)〔2020〕63號(hào))，明確提出應(yīng)綜合利用甲烷體積濃度≥8%的煤礦抽采瓦斯，鼓勵(lì)綜合利用體積濃度2%～8%的抽采與乏風(fēng)瓦斯，通過參考國(guó)內(nèi)外一些低濃度瓦斯利用技術(shù)，就低濃度煤礦瓦斯有效利用途徑展開分析。

2.2.1 低濃度煤礦瓦斯發(fā)電

發(fā)電是煤礦低濃度瓦斯利用的最佳路徑，現(xiàn)階段主要有大功率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電和往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電3種模式，前2種模式需要較高的一次性資金投入，建站周期較長(zhǎng)，對(duì)于燃?xì)饬髁坑休^高的要求，適合抽采量較大、氣體成分相對(duì)穩(wěn)定的大型煤礦。第3種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電模式則具備一次性投入成本小、建站周期較短，內(nèi)燃機(jī)的組臺(tái)數(shù)、功率范圍等都可依據(jù)瓦斯氣量大小進(jìn)行調(diào)整，電站移動(dòng)也比較便捷，適合任何類型的煤礦，所以，第3種是現(xiàn)階段煤礦瓦斯利用的最佳路徑。但是由于低濃度瓦斯甲烷含量低，氣體成本的隨機(jī)性較大，常規(guī)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)是難以進(jìn)行發(fā)電的。因此，山東勝利動(dòng)力機(jī)械廠以煤礦抽采的低濃度瓦斯特點(diǎn)為依據(jù)，研發(fā)了一種低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，可以依據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓M(jìn)行混合氣的空燃比的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，同時(shí)也有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、爆燃、進(jìn)氣管回火等安全性問題。

2.2.2 煤礦低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)

國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)、高等院校在開展煤礦低濃度瓦斯提純技術(shù)和裝備的研發(fā)，主要技術(shù)有變壓吸附濃縮技術(shù)和低溫液化分離技術(shù)。

變壓吸附濃縮技術(shù)是利用吸附劑的平衡吸附量隨組分分壓升高而增加的特性，進(jìn)行加壓吸附、減壓脫附。但是受低濃度煤礦瓦斯提純工序較復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高等限制，在低濃度瓦斯提純領(lǐng)域應(yīng)用不足。

對(duì)于低溫液化分離技術(shù)，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)根據(jù)煤礦瓦斯特點(diǎn)，研發(fā)了小型液化分離系統(tǒng)，對(duì)煤礦低濃度瓦斯開展綜合性開發(fā)利用，但是國(guó)內(nèi)的該項(xiàng)技術(shù)依舊處于試驗(yàn)性階段。

2.2.3 低濃度瓦斯摻混燃燒

針對(duì)低濃度的煤礦瓦斯，因其大部分甲烷濃度處于爆炸的界限，對(duì)其直接燃燒存在技術(shù)性障礙，因此，為降低瓦斯直接排空量，低濃度瓦斯一般用來(lái)作工業(yè)鍋爐的輔助性燃料或者與煤炭進(jìn)行摻混燃燒。

2.2.4 氧化利用

可以采用熱氧化法及催化氧化法利用低濃度瓦斯中的甲烷，原理是利用瓦斯通過高溫時(shí)燃燒降解或催化分解成CO2和水回收熱，減少瓦斯危害。公司所屬山西柳林金家莊煤礦和興無(wú)煤礦，同步建設(shè)了超低濃度瓦斯氧化熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，對(duì)濃度介于1.2%～1.5%的瓦斯進(jìn)行氧化利用，消耗純瓦斯290萬(wàn)m3/a，替代38 t燃煤鍋爐，滿足礦井冬季采暖，實(shí)現(xiàn)了煤礦產(chǎn)煤不燒煤。但是，低濃度瓦斯氧化處理的初始資金投入較大，定期需要進(jìn)行維護(hù)[4]。

3 煤礦低濃度瓦斯利用實(shí)踐

現(xiàn)階段，山西福山資源集團(tuán)對(duì)于低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)主要有相對(duì)成熟的蓄熱氧化技術(shù)和低濃度瓦斯安全穩(wěn)定燃燒技術(shù)，下面就這2種低濃度瓦斯利用技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 蓄熱氧化技術(shù)

蓄熱氧化技術(shù)是一種相對(duì)成熟的廢氣處理技術(shù)，在其他行業(yè)也有較多應(yīng)用。在乏風(fēng)氧化方面，如果是單純的氧化乏風(fēng)，由于實(shí)際乏風(fēng)濃度極低，大部分煤礦都將乏風(fēng)濃度控制在0.2%以下(標(biāo)準(zhǔn)不超過0.75%)，單純的氧化乏風(fēng)是無(wú)法維持氧化溫度的，需要向乏風(fēng)氧化裝置補(bǔ)充能量。目前，幾乎所有的乏風(fēng)氧化裝置氧化的都是抽采瓦斯，當(dāng)乏風(fēng)摻入抽采瓦斯時(shí)，需要將瓦斯?jié)舛葒?yán)格控制在1.2%以下。在煤礦乏風(fēng)氧化處理瓦斯的應(yīng)用過程中，國(guó)內(nèi)發(fā)生過多起相關(guān)的爆炸事故，主要是由于摻混后的瓦斯?jié)舛瘸匏斐傻摹?/p>

低濃度瓦斯進(jìn)行蓄熱氧化時(shí)，濃度必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)控制在1.2%以下，為此需要摻入大量空氣或乏風(fēng)，因此增大了尾氣排放量，將大量熱量排入大氣中，造成很大的熱量浪費(fèi)，綜合熱效率低。按照寨崖底煤礦混合流量2.17 萬(wàn)m3/h，折純總量25 m3/min，平均混合濃度6.9%的瓦斯氣源，按照蓄熱氧化運(yùn)行控制濃度1.2%，需要摻入的空氣量超過10萬(wàn)m3/h，混合總量為12.50 萬(wàn)m3/h，進(jìn)出口溫差40～60 ℃，能量損失相當(dāng)于4～5 t/h蒸汽。超過12.5 萬(wàn)m3/h的混合流量，主風(fēng)機(jī)運(yùn)行率超過400 kW。用該方法氧化低濃度瓦斯，熱損失大，發(fā)電量少，用電量大，綜合效率低。

3.2 低濃度瓦斯安全穩(wěn)定燃燒技術(shù)

針對(duì)以往直接排空的煤礦低濃度瓦斯，山西福山資源集團(tuán)與北京君發(fā)可燃?xì)怏w技術(shù)開發(fā)有限公司科研團(tuán)隊(duì)合作，自主研發(fā)了低濃度瓦斯安全穩(wěn)定燃燒的系列專利，將低濃度瓦斯安全點(diǎn)燃，穩(wěn)定燃燒，安全穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)上取得了重大突破，實(shí)踐應(yīng)用取得了重大進(jìn)展，為低濃度瓦斯利用提供一種直接有效的技術(shù)途徑。低濃度瓦斯安全燃燒技術(shù)核心是：科學(xué)地解決了點(diǎn)火困難、點(diǎn)火爆炸、回火爆炸、熄火以及點(diǎn)火延遲等技術(shù)難題，增加了點(diǎn)火保護(hù)、熄火保護(hù)、回火保護(hù)、尾氣可燃物含量超限保護(hù)、閥門泄露保護(hù)、停電保護(hù)，快速切斷氣源等多種保護(hù)功能，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠，顛覆了“低濃度瓦斯遇到明火就會(huì)發(fā)生爆炸”的傳統(tǒng)理念。

3.2.1 安全點(diǎn)火

首先點(diǎn)火器點(diǎn)燃液化氣，低濃度瓦斯經(jīng)預(yù)處理器處理達(dá)到點(diǎn)燃條件后，進(jìn)入輔助燃燒器，被液化氣火焰點(diǎn)燃，液化氣關(guān)閉，低濃度瓦斯燃燒將燃燒室溫度加熱至900 ℃，再通過主燃燒器輸入低濃度瓦斯至燃燒室點(diǎn)燃燃燒。

3.2.2 穩(wěn)定燃燒

燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)燃燒的火焰溫度和爐膛溫度，燃燒的火焰和整個(gè)爐膛溫度達(dá)到900 ℃以上，正?？刂? 000±50 ℃，確保足夠的反應(yīng)溫度。為杜絕回火爆炸和燃燒過程的熄火爆炸，系統(tǒng)增設(shè)了回火保護(hù)和熄火保護(hù)兩大自動(dòng)控制功能以及防回火和穩(wěn)定燃燒的硬件設(shè)施。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不易熄火，運(yùn)行過程不會(huì)因瓦斯抽采泵站的氣量、濃度以及壓力設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的波動(dòng)造成停運(yùn)，只會(huì)因瓦斯氣量、濃度、壓力的波動(dòng)而產(chǎn)生燃燒負(fù)荷的線性變化。

3.2.3 充分燃燒

爐膛設(shè)計(jì)的煙氣迂回?cái)_動(dòng)迷宮式溫度場(chǎng)極大地延長(zhǎng)了瓦斯氣及可燃成分在爐膛內(nèi)的氧化反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了瓦斯的完全燃燒，氧化率達(dá)到99.9%。

3.2.4 熱能利用

由于設(shè)備體積小，相應(yīng)的系統(tǒng)散熱損失也少，從燃燒室出來(lái)的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐再經(jīng)過省煤器，大部分能量被水蒸汽帶走做功，尾部低溫?zé)煔鉄崮茌d移裝置將低溫?zé)煔鉄崮軅鬟f給低濃度瓦斯氣，提高進(jìn)入熱能島的瓦斯氣的初始溫度，系統(tǒng)排煙溫度80 ℃，提高了熱效率，系統(tǒng)綜合熱效率≥90%。與蓄熱氧化技術(shù)相比，表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，具體見表1。

通過表1對(duì)比分析，根據(jù)寨崖底目前的瓦斯純量25 m3/min計(jì)算，選擇低濃度瓦斯安全穩(wěn)定燃燒技術(shù)，可以產(chǎn)生中溫中壓蒸汽15.8 t/h，發(fā)電功率可達(dá)3 000 kW，自用電小于250 kW，供電功率為2 750 kW。而如果采用蓄熱氧化工藝，則只能產(chǎn)生中溫中壓蒸汽10.5 t/h，發(fā)電功率2 000 kW，自用電大于500 kW，供電功率小于1 500 kW。

在煤礦瓦斯燃燒范圍、對(duì)瓦斯?jié)舛群蛪毫ψ兓m應(yīng)性、瓦斯綜合利用率、設(shè)備體積及運(yùn)行功率、瓦斯氧化率、熱電聯(lián)供、系統(tǒng)安全性等各個(gè)方面，低濃度瓦斯熱能島都表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。采用低濃度瓦斯熱能島產(chǎn)生蒸汽，將抽采的瓦斯全部燃燒并充分利用燃燒釋放的熱能，具有明顯的二氧化碳減排效果。瓦斯熱能島3.0 MW發(fā)電項(xiàng)目2021年9月在公司所屬寨崖底煤礦建成投入運(yùn)行，每年可減排二氧化碳量21.2 萬(wàn)t，全年汽輪機(jī)發(fā)電量為2.374×107kW·h，按照自用價(jià)格0.35元/(kW·h)計(jì)算，產(chǎn)生效益830.9萬(wàn)元/a。山西福山資源集團(tuán)有限公司瓦斯綜合創(chuàng)新利用是瓦斯利用的新探索新實(shí)踐，尤其是對(duì)濃度介于3%～8%的瓦斯高效利用，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

表1 低濃度瓦斯熱能島與蓄熱氧化裝置對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

從低濃度瓦斯發(fā)展熱能島應(yīng)用的實(shí)踐分析可以看出，針對(duì)不同煤礦瓦斯?jié)舛葼顩r，應(yīng)用適宜匹配的煤礦瓦斯資源化技術(shù)，一方面，可以解決煤礦瓦斯直接對(duì)空排放造成的溫室氣體排放規(guī)模大、企業(yè)未來(lái)碳減排壓力大的問題；另一方面，還可以有效回收煤礦瓦斯中蘊(yùn)含的能量，部分替代燃煤或是電力等其他能源消費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。煤炭生產(chǎn)企業(yè)要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，進(jìn)一步提升煤礦瓦斯綜合利用率，尤其是低濃度瓦斯的利用規(guī)模，削減煤礦瓦斯直接對(duì)空排放量，是其中重要的溫室氣體和碳減排手段之一。我國(guó)煤礦分布范圍廣，不同礦井的煤礦瓦斯抽采排放情況差異顯著，面對(duì)煤礦低濃度瓦斯利用過程中存在的各類問題，建議國(guó)家相關(guān)主管部門進(jìn)一步完善瓦斯抽采利用的政策支持力度，加大科技創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用激勵(lì)和保障長(zhǎng)效機(jī)制，進(jìn)一步促進(jìn)低濃度和超低濃度煤礦瓦斯利用技術(shù)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用，有效提升煤礦瓦斯利用率。