我國低濃度煤礦瓦斯利用技術研究

韓甲業 應中寶

(1．國家安全生產監管總局信息研究院，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。大力開發利用煤礦瓦斯，對于推進煤礦安全發展、清潔發展、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，隨著科技發展，低濃度瓦斯安全輸送及安全利用技術逐漸成熟，2010年國家安全生產監督管理總局對《煤礦安全規程》相關條款進行修改，取消了對煤礦瓦斯利用濃度的限制，給低濃度瓦斯發電提供了法規保障。

1 我國煤礦瓦斯利用現狀及存在的問題

“十一五”以來，隨著黨中央和國務院對煤礦安全生產的日益重視以及煤礦瓦斯抽采利用優惠政策的陸續出臺，我國煤礦瓦斯抽采利用出現跨越式發展。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現，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水平的限制，中國各礦區普遍存在煤礦瓦斯抽采難度大、抽采出的瓦斯濃度較低(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分析

安全輸送技術是低濃瓦煤礦斯加工利用的關鍵工藝環節，它的配置是否合理，運行是否安全、可靠，即關系到發電機組的正常運行，又影響到瓦斯抽采系統的安全，對瓦斯綜合利用起著關鍵性作用。目前，比較成熟的低濃度瓦斯輸送技術有兩種，一種是由勝動集團研發的“細水霧低濃度瓦斯安全輸送技術”，另一種是由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安全輸送技術”。這兩種輸送方式均是以水作為安全介質。

2.1 細水霧低濃度瓦斯安全輸送技術

該技術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，細水霧迅速蒸發形成蒸氣，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上距離拉大，抑制火焰。另外，該技術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于2005年12月通過國家安全生產監督管理總局組織的院士專家組的鑒定，2009年被國家安全生產監督管理總局發布為行業標準，目前全國細水霧低濃度瓦斯安全輸送系統應用已超過1000套。

2.2 氣水二相流安全輸送技術

該技術采用氣水二相流技術輸送煤礦低濃度瓦斯，使水流在瓦斯輸送管道內附壁連續流動，形成環形水流，低濃度瓦斯氣體在環形水流腔中流動，完全處于環形水流所形成的環形水封之中，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形及端面水封中形成間歇性柱塞氣流，從而實現煤礦低濃度瓦斯的安全輸送。

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

3 當前主要低濃度煤礦瓦斯利用技術分析

目前比較成熟或處于工業示范階段的低濃度煤礦瓦斯利用技術主要包括內燃機直接發電技術、濃縮提純技術和催化氧化氣輪機發電技術等，其中低濃度煤礦瓦斯濃縮提純技術和低濃度煤礦瓦斯催化氧化發電技術尚處于技術可行性驗證的工業示范階段。

3.1 內燃機直接發電技術

煤礦瓦斯濃度在5%～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，同時產生巨大的能量，低濃度煤礦瓦斯內燃機直接發電技術是利用這一特性推動引擎做功，實現化學能像電能的轉換。

在低濃度煤礦瓦斯內燃機直接發電方面，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電機組的公司，可將濃度高于6%的低濃度瓦斯轉換成電能。國內研制低濃度瓦斯發電機組的廠家還有濟南柴油機廠、南通寶駒氣體發動機廠、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電領域，研發了適用于10%以上濃度范圍的低濃度瓦斯發電機組。

3.2 濃縮提純技術

低濃度煤礦瓦斯濃縮提純技術主要有深冷分離技術、膜分離技術、變壓吸附 (PSA)技術和真空變壓吸附 (VPSA)技術四種，其中真空變壓吸附(VPSA)技術是對變壓吸附 (PSA)法進一步優化的氣體分離濃縮技術，目前已在制富氧、制CO2等工業裝置上廣泛應用。

當前，真空變壓吸附 (VPSA)技術提純低濃度煤礦瓦斯已在淮南礦業集團實現了工業性試運行，是一種比較成熟的技術。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，項目產能為1800Nm3/h。其主要技術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低濃度煤礦瓦斯變壓吸附提純發電技術，日本大阪燃氣株式會社與遼寧阜新煤業集團在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 催化氧化氣輪機發電技術

低濃度煤礦瓦斯 (2%)催化氧化氣輪機發電技術是由日本川崎重工業株式會社研發的，主要工作原理是低濃度瓦斯裝置采用催化燃燒技術，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 (若瓦斯濃度高于2%，裝置自動配入定量空氣稀釋)，通過催化燃燒燃氣輪機發電。

4 低濃度煤礦瓦斯利用展望

根據我國《煤層氣 (煤礦瓦斯)開發利用“十二五”規劃》，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，僅靠利用技術相對成熟的30%以上的高濃度瓦斯，不管是民用、發電、提純還是化工等利用方式，都不可能實現利用率60%這個目標。“十二五”期間，國家將會重點發展推廣低濃度煤礦瓦斯利用技術，對低濃度煤礦瓦斯利用的政策扶持力度也肯定會加大。

5 結論與建議

低濃度煤礦瓦斯開發利用，不僅可解決煤礦開采安全和環境污染問題，而且能較大程度緩解我國天然氣供需矛盾，優化能源結構，帶動相關產業經濟，具有重要的現實意義和深遠的戰略影響。

(1)在低濃度煤礦瓦斯幾種主要利用方式中，內燃機直接發電技術最為成熟，成本相對較低，應用范圍靈活廣泛，是最有發展潛力的低濃度煤礦瓦斯利用技術。隨著技術先進的卡特彼勒公司等國際大公司涉足低濃度瓦斯發電領域，將會進一步推動低濃度瓦斯發電機組向大功率、高參數化邁進。

(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“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還是市場空白，國家還需進一步加大科研攻關的力度。

［1］龍伍見.我國煤礦低濃度瓦斯利用技術研究現狀及前景展望［J］.礦業安全與環保，2010，8.

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［3］黃盛初，劉文革，韓甲業.中國煤層氣 (煤礦瓦斯)開發利用現狀及潛力研究［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［J］.山西煤炭，2011，5.