高突礦井抽排瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用的應用研究

田靖安 孫建新 唐志媛 陳國瑞

（1.窯街煤電集團有限公司，甘肅省蘭州市，730084；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區，100083；3.煤炭工業出版社，北京市朝陽區，100029）

高突礦井抽排瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用的應用研究

田靖安1孫建新1唐志媛2陳國瑞3

（1.窯街煤電集團有限公司，甘肅省蘭州市，730084；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區，100083；3.煤炭工業出版社，北京市朝陽區，100029）

通過對低濃度瓦斯發電技術和油頁巖煉化尾氣發電技術的研究，發現兩種氣體經過燃氣內燃機發電，各自存在的主要技術問題。通過對兩種氣體發電工藝技術原理的分析研究，以及兩種氣體摻混后氣體成分的分析研究，發現將兩種氣體摻混利用，即利用了濃度較低的瓦斯，又將油頁巖煉化尾氣在氣缸燃燒時的氫氣含量降低，更有利于燃氣內燃機控制運行。

煤礦低濃度瓦斯 油頁巖煉化尾氣 摻混 發電 資源綜合利用

瓦斯是賦存于煤層中的非常規天然氣。全世界瓦斯資源十分豐富，據有關資料表明，總資源量達260萬億m3。中國瓦斯資源量為30～35萬億m3，居世界第三位。近十幾年來，許多國家瓦斯勘探開發活動十分活躍。特別是在美國，瓦斯開發獲得重大突破，已發展成為一個新的產業。在美國和其他一些國家瓦斯工業發展中，瓦斯經濟鼓勵政策起了極大的推動作用，其他配套法規也在逐步建立和完善。這些國家的瓦斯政策法規和經驗可供我國研究和借鑒。進入21世紀，中國瓦斯資源抽采利用技術也取得重要突破。在高濃度瓦斯發電成熟技術的基礎上，低濃度瓦斯發電通過技術攻關取得突破，并產生了可觀的安全效益、經濟效益、社會效益和環境效益。

由于多種原因，現實中仍存在很大一部分井下抽采和煉化產生的可燃氣被空排或空燒，大量可燃氣資源被白白浪費。據中國工程院的項目報告統計：目前我國還有總量20%以上的冶煉尾氣被直接空排或空燒，約折合標準煤880萬t。此外，可燃氣空排和空燒還會造成嚴重的環境污染問題。油頁巖煉化尾氣屬于二次能源，富含CO、H2及CH 4等可燃氣體成分。在節能減排和低碳經濟已成為全球經濟發展主流的新形勢下，急需探索一條有效的綜合利用低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣安全穩定發電的途徑。

1 問題提出

窯街煤電集團公司礦井地質構造十分復雜，礦井瓦斯、二氧化碳突出災害異常嚴重，是國家45戶安全重點監控礦井之一。為保障礦井安全生產，集團公司確定了“先保后采，先抽后采，保抽并舉，綜合治理”的瓦斯治理方針，目前海石灣煤礦瓦斯抽排量為5990 m3/h，濃度約為6.31%，此部分瓦斯均直接排空，未加以利用；而開采的油頁巖在煉油過程中采用干餾技術，產生了大量的伴生氣——油頁巖煉化尾氣，一部分在煉油過程中進行回收利用，但還剩余約48000 m3/h煉化尾氣直接進行火炬燃燒或排放，不僅造成了環境污染，而且浪費了寶貴資源。為響應國家新能源及節能減排、環境保護方面的政策要求，窯街煤電集團公司遵循循環經濟發展的指導方針，特對礦井抽排瓦斯和油頁巖煉化尾氣進行綜合利用發電，既減少環境污染，降低大氣溫室效應，又產生良好的經濟效益。

2 低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用現狀

2.1 低濃度瓦斯利用現狀

煤礦瓦斯發電是瓦斯利用的最好辦法。但是，國外煤層氣（煤礦瓦斯）發電主要側重于濃度30%以上的瓦斯發電技術，對于濃度在6%～25%之間的低濃度瓦斯，由于跨越5%～16%的瓦斯爆炸范圍，目前還沒有有效的利用方式。我國在低濃度瓦斯發電方面已取得突破。低濃度瓦斯輸送系統是低濃度瓦斯發電的重要工藝環節，關系到發電機組的正常運行，并影響到瓦斯抽采系統的安全。目前，比較成熟的低濃度瓦斯輸送技術有兩種：一種是由山東勝動集團研發的細水霧低濃度瓦斯輸送系統，另一種是由設在淮南礦業集團的煤礦瓦斯治理國家工程研究中心研發的氣水二相流低濃度瓦斯輸送系統。其中，山東勝動集團研發的煤礦瓦斯細水霧輸送系統及瓦斯發電機組解決了低濃度瓦斯長距離地面安全輸送問題，可將濃度高于6%的低濃度瓦斯轉換成電能。今后，低濃度瓦斯發電利用將成為瓦斯綜合利用的重點。

2.2 油頁巖煉化尾氣利用現狀

油頁巖煉化尾氣作為油頁巖煉油過程中的伴生氣體，為高含氫氣體，燃燒控制難度很大，通常采取的利用方式就是作為燃料直接燃燒，目前尚無理想的應用方法。

3 低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣摻混綜合利用發電可行性和創新點

3.1 技術可行性分析和創新點

3.1.1 氣體摻混熱值及燃燒控制分析

該技術主要是采用低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣作為燃料進行發電。根據瓦斯抽排情況和油頁巖煉化尾氣相關參數，將抽排低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣在燃氣內燃機發電機組內摻混后進行發電，建立燃氣發電站。以抽排的低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣摻混后混合氣體熱值不小于4.0 MJ/Nm3為原則，將低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣進行摻混綜合利用發電。

以完全利用窯街煤電集團公司海石灣煤礦抽排的低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣情況為原則，低濃度瓦斯氣體與油頁巖煉化尾氣氣體按照5990∶48000≈1∶8比例進行摻混試驗，摻混后的氣體成分及其主要參數如下：

低濃度瓦斯氣體體積比：0.1

油頁巖氣體體積比：0.8

摻混比：11∶8

摻混氣體含量：

CH4：3.5%

H2：11%

CO：9.4%

N2：58.3%

CO2：16%

烷烯：1%

其他：0.8%

理論空燃體積比：1.0

低濃度瓦斯、油頁巖煉化尾氣按照理論空燃比與空氣進行混合，混合氣及其機組預計功率如下：

摻混比例：空氣∶低濃度瓦斯∶油母頁巖≈9∶1∶8

摻混氣與空氣混合后氣體理論含量：

CH4：1.75%

H2：5.5%

CO：4.7%

N2：68.3%

CO2：7.8%

烷烯：0.5%

其他：0.95%

O2：10.5%

熱耗率：12 MJ/k Wh

預計機組功率：320 k W

低濃度瓦斯在低于8%濃度的情況下，無法使用燃氣內燃機發電運行，目前尚無理想的應用方法。同時，油頁巖煉化尾氣為高含氫氣體，燃燒控制難度加大。而二者摻混利用，既利用了濃度較大的瓦斯，又將油頁巖煉化尾氣在氣缸燃燒時的氫氣含量降低，更有利于燃氣內燃機控制運行，因此，摻混后的氣體無論在熱值還是在燃燒控制方面都是理想的發電氣體。

3.1.2 燃氣輸送安全技術工藝

具體摻混進氣工藝為：低濃度瓦斯經過細水霧輸送系統，送入機組前經DN50電磁閥、DN50阻火器、DN50手動蝶閥、DN50調壓閥，低濃度瓦斯再分為兩路，各自以DN25管路進入機組左右摻混器，然后與空氣一同進入雙管混合器，低濃度瓦斯的進氣量可由手動蝶閥以及調壓閥進行控制，低濃度瓦斯氣和油頁巖煉化尾氣及空氣一同經雙管混合器混合進入進氣管及缸內燃燒，進行發電。具體摻混進氣工藝見圖1。

低濃度瓦斯經過細水霧輸送工藝流程如下：

抽放站放散口→閘閥→水位自控式水封阻火器→絲網過濾器→瓦斯管道專用阻火器→低溫濕式放散閥→防爆電動蝶閥→水霧輸送系統→溢流水封阻火器→自動放散閥→進氣支管→電磁閥→阻火器→手柄蝶閥→調壓器→發電機組。

低濃度瓦斯經過細水霧輸送安全機理：

（1）主動阻火。

冷卻：細水霧顆粒直徑越小，相對表面積越大，受熱后更容易汽化，在汽化的過程中，從燃燒物表面或火災區域吸收大量的熱量，從而使燃燒物表面溫度迅速降低，當溫度降至燃燒臨界值以下時，熱分解中斷，燃燒隨即終止。

稀釋：火焰進入細水霧后，細水霧迅速蒸發形成蒸汽，由液相變為氣相，氣體急劇膨脹，最大限度地使燃燒反應分子在空間距離上拉大，抑制火焰。

圖1 摻混進氣工藝

（2）被動阻火。

水位自控式水封阻火器。水位自控式水封阻火器的基本原理主要是當火焰通過水氣混合層時，火焰與水接觸，能量被水蒸發吸收，化學反應的自由基減少并消除，同時，水的瞬間汽化也降低了瓦斯中的甲烷濃度，使火焰熄滅。自控式水封阻火器采用雷達水位監測（雷達液位計是德國E＋H公司生產）和計算機自動控制，當水位低于設定下限水位時自動補水，當水位高于設定上限水位時自動放水，從而維持水位的恒定，保證阻火器可靠工作。此套系統同時帶有計算機網絡遠傳和無限傳輸系統，可實現遠程監控。

瓦斯管道專用阻火器。瓦斯管道專用阻火器的原理主要是基于火焰通過狹窄通道時的熄滅現象研究。火焰在狹縫中淬熄主要是由于火焰表面的化學反應放熱與散熱條件不匹配引起的。火焰以一定速度進入狹縫時，火焰面內靠近狹縫冷壁處，作為化學反應活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞放出其能量，這相當于反應區的熱量流向冷壁邊界，從而當火焰面達到一定距離時，開始形成熄火層，隨著火焰面的運動，熄火層厚度不斷增大，以至由于自由基進入熄火層內就復合成分子并放出能量，自由基越來越少，直到沒有，火焰熄滅。

3.1.3 燃氣發電冷卻工藝

為保證燃氣發電機組的安全穩定運行，必須給其配備相應的冷卻系統。冷卻系統分高溫冷卻系統和低溫冷卻系統，根據機組參數，單臺發電機組高溫外循環水進水水溫45℃，冷卻水量30 m3/h，通過換熱器后溫度升高10℃左右；單臺發電機組低溫外循環水進水水溫35℃，冷卻水量25 m3/h，通過換熱器后溫度升高10℃左右。

通過如下冷卻工藝，可保證燃氣發電機組安全穩定運行：

冷卻水池→Y形過濾器→閘閥→循環水泵→止回閥→閘閥→循環水進水匯總管→循環水進水總管→智能除垢型電子水處理儀→進水支管→換熱器→回水支管→回水總管→回水匯總管→冷卻塔→冷卻水池。

3.2 經濟效益

通過對該類項目中各類成本進行分析，發電成本約為0.27元/k Wh，目前根據國家的相關政策，新能源節能環保項目上網電價不低于市電的價格（0.5元/k Wh左右）；國家對該類項目還有一定的補貼；燃氣中CH4經發電機組燃燒后以二氧化碳的形式排放到大氣中，從而降低溫室氣體排放量，可以向國際組織出售CERS（CO2減排指標），因此，該類項目具有良好的經濟效益。

4 結論

經過煤礦抽排低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣摻混進行發電技術的研究，認為該研究在技術上是可行的，在經濟上是合理的。項目建成后，使煤礦抽排瓦斯和排空的油頁巖煉化尾氣變害為利、變廢為寶，減少了對大氣的污染，降低了地球表面的溫室效應，保護了地球的生態環境，提高了煤礦生產的安全性，具有良好的安全效益、經濟效益、社會效益和環境效益。

Research and application of comprehensive utilization of exhausted gas from high gas outburst coal mine and exhausted emission from oil shale refining

Tian Jing＇an1，Sun Jianxin1，Tang Zhiyuan2，Chen Guorui3
（1.Yaojie Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu 730084，China；2.Energy and Safety Science and Technology Co.，Ltd.，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；3.Cina Coal Industry Publishing House，Chaoyang，Beijing 100029，China）

By comparison of two techniques for power generation from low-content gas and exhausted emission of oil shale refining，it was found that there exist respective technical problems during two gases passing internal-combustion engine.The analysis of two power generation technical principles and the composition of two gases after mixing showed that the mixture of two gases，not only utilizing the low-content gas but also decreasing the amount of hydrogen when the exhausted emission from oil shale refining burned in the cylinder，is beneficial to the control of internal-combustion engine running，achieving an aim of energy reduction，circular economy，comprehensive utilization，safe and stable power generation，and the increase of enterprise benefit.

low-content gas from coal mine，exhausted emission of oil shale refining，mixing，power generation，comprehensive utilization of resources

TD712.67 TQ54

A

田靖安（1956－），男，研究生學歷，教授級高級工程師，研究方向循環經濟綜合利用，現任甘肅窯街煤電集團有限公司副董事長。

（責任編輯 張艷華）