煤層氣綜合利用現狀及趨勢研究

黃 宇

（新疆維吾爾自治區煤田地質局一六一煤田地質勘探隊，新疆 烏魯木齊 830001）

煤層氣是一種潔凈且優質的能源，具備廣闊的應用前景。然而，從其現狀來看，國內煤層氣的利用效率不高，主要是因為國內煤層透氣性不理想，且抽采率和抽采濃度偏低，這對煤層氣的高效利用不利。此外，國內煤層氣利用技術及途徑單一化也影響了煤層氣的利用率[1]。從煤層氣綜合利用效率提升的角度考慮，文章主要圍繞煤層氣綜合利用現狀及趨勢進行分析與研究，具備一定的價值意義。

1 煤層氣綜合利用現狀

煤層氣主要成分為甲烷，屬于潔凈且優質的能源，作為一類非常規天然氣，其具備廣闊的應用前景。國務院辦公廳于2013年頒布的《關于進一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見》明確指出：需通過提高煤層氣利用補貼、稅費政策支持以及科學技術創新等方式，使煤層氣的利用率提高。目前，我國煤層氣綜合利用效率仍然較低。下面主要從煤層氣的抽采、利用兩方面對其現狀進行分析。

1.1 抽采現狀

從早期《煤礦安全規程》中相關規范標準可知：煤層氣的使用，需保證其濃度≥30%，不達標則采取直接排空處理。因國內煤層透氣性不理想，大多數抽采煤層氣濃度＜30%，從而導致煤層抽采率偏低。相關數據調查顯示，我國2005年大多數礦井抽采率＜50%，大約50%的礦井抽采率＜30%。《煤礦安全規程》（2010年）中取消了針對濃度在30%以下的煤層氣，明確在內燃機發電中需通過低濃度煤層濃縮處理后才可以投入應用這一條規范；進一步對煤層氣抽采與利用范圍給予適當放寬，甲烷濃度處于6%～30%的煤層氣得到了廣泛的推廣與利用[2]。然而，對于濃度＜5%的煤層氣，稱之為超低濃度煤層氣，因缺乏成熟的技術作為有效支持，導致利用難度顯著增加，針對超低濃度煤層氣則通過直接排空的方式處置。目前，國內煤層氣抽采率還有待進一步提升。此外，從我國煤層氣抽采率來看，2019年年底全國煤層氣抽采規模超過了200億m2，未來仍有上升的趨勢，采取有效措施及創新技術，對顯著提升煤層氣的綜合利用效率尤為重要[3]。

1.2 利用現狀

結合相關數據調查可知，我國的抽采煤層氣利用量雖呈現持續增長的趨勢，然而在利用率方面則仍舊呈現＜50%的局面。相關數據調查顯示，在2011—2013年，抽采煤層氣利用率分別為46.1%、41.1%、42.30%，不升反降趨勢明顯；其中，井下抽采煤層氣利用率不足40%，其浪費狀況明顯；而地面抽采煤層氣，因甲烷的濃度比較高，所以具備較高的利用率，大概可達到80%。然而，國內大多數煤層透氣性不夠好，導致地面抽采成本偏高，且效率偏低，推廣性不強。從現狀來看，國內抽采煤層氣中，地面抽采率在總抽采量中所占比重大約只有20%。研究表明，要想提升地面抽采煤層氣量，就需增加煤層的透氣性[4]。為此，有必要掌握先進的科學技術，以促進煤層透氣性的增加，從而提高國內抽采煤層氣的利用率。

2 煤層氣綜合利用趨勢

煤層氣綜合利用，即針對不同濃度的煤層氣綜合利用，使其資源價值得到最大程度的展現，使浪費率明顯降低。就煤層氣綜合利用趨勢層面而言，在諸多領域都具備廣闊的應用前景，具體如下。

2.1 煤層氣民用

雖然煤層氣民用是一種傳統的煤氣層利用方式，但是其利用量高，僅排在煤層氣發電之后，可見其利用前景廣闊。煤層氣民用主要對甲烷濃度在35%～40%的煤層氣加以應用。由于煤層氣含氧，不可進行高壓輸送，因此需以就近利用為原則，保證當地的居民及煤礦員工日常用氣需求得到有效滿足[5]。與此同時，由于煤層氣燃燒不會產生污染空氣的雜質，且煤層氣價格相較于天然氣更具優勢，因此可以起到節省成本的作用，可在有條件的居民及企業中推廣應用。此外，煤層氣民用也存在一定的局限性：其一，煤層氣民用要求濃度偏高；其二，因為煤礦開采區域大多數偏僻，區域內居民不多，且居民分布呈現分散狀態，煤層氣民用的推廣存在很大的困難性，進而導致利用量偏低，所以必須采取技術方法、現代化運輸手段，提升煤層氣民用效率。

2.2 煤層氣發電利用

從國內現狀來看，煤層氣發電為煤層氣利用的主要途徑。早在19世紀80年代，煤層氣發電利用燃氣輪機設備，所采取的是甲烷體積分數＞40%的高濃度煤層氣。國內煤層氣中＞70%的甲烷體積分數在30%以下，由于受到氣源的限制，使得高濃度煤層氣發電很難得到進一步的發展，因此煤層氣發電的主流趨勢傾向于低濃度的煤層氣。低濃度煤層氣主要借助內燃機設備實現有效發電，通常對甲烷體積分數在5%～25%的低濃度煤層氣加以利用。在自動調節設備裝置的基礎上，使甲烷體積分數控制在6%，然后送入內燃機中帶動發電。當然，低濃度煤層氣發電也存在一些技術難題，具體表現為：（1）需有針對性地研發相關技術，并在煤層氣輸送管道加設阻火裝置，從而有效避免煤層氣回火的發生。另外，金屬阻火網阻火技術、細水霧輸送技術以及水封阻火技術等，均能夠解決此類問題。（2）對于發電設備，有必要使其與煤層氣的濃度及壓力變化相適應。在發電設備前端位置安裝自動控制混合裝置及增壓器等設備，在保證煤層氣送入發電系統后，煤層氣能夠保持穩定性，使發電設備與煤層氣的濃度及壓力變化充分適宜，避免煤層氣利用不充分的情況出現。

2.3 煤層氣濃縮利用

煤層氣濃縮利用是煤層氣綜合利用未來發展趨勢之一，指利用變壓吸附濃縮、深冷液化分離以及溶液吸收法等技術方法，脫除煤層氣中的氧和氮，將煤層氣制作成壓縮天然氣（CNG）或者LNG（液化天然氣）產品，進而提升煤層氣的運輸便利及利用效率。具體技術方法如下：

（1）變壓吸附濃縮技術。該技術方法的優勢突出，操作靈活，且分離能耗低。在煤層氣分離過程中，變壓吸附分離技術的應用主要對可選擇吸附甲烷、氮氣及氧氣的吸附劑進行制備。例如，國內有學者利用高效吸附專用煤基碳分子篩對煤層氣進行濃縮處理；還有研究者通過使用專用吸附劑，使其在煤層氣甲烷富集及脫氧中發揮作用。此外，因為受到含氧煤層氣只能實行低壓操作的限制，設備體積龐大，且設備成本偏高，所以在大規模應用方面的推廣力度不足。對此，有必要進一步改進變壓吸附濃縮技術，使其在煤層氣濃縮的推廣價值得到有效提高。

（2）深冷液化分離技術。該項技術主要基于低溫條件下對低濃度煤層氣進行液化處理，進一步將煤層氣的甲烷分離出來，使其生成LNG，此類產品的附加值很高，具備廣闊的發展空間。在相同的情況下，LNG體積與甲烷氣體體積的比值為0.0016∶1，其運輸成本更低，且運輸更加便利、靈活[6]。因此，可以利用深冷液化分離技術，液化處理濃度煤層氣，然后投入應用，提升煤層氣綜合利用效率。

（3）溶液吸收技術。通過此項技術的應用，可以實現對含氮天然氣的提純處理。例如，美國AET公司研發了一種基于低溫條件下采取溶液吸收法對含氮天然氣進行分離的技術，該技術以相似相溶原理為依據，采用烴類溶積吸收混合氣體中的甲烷，然后通過閃蒸的處理方法獲取高純度的甲烷。

2.4 通風煤層氣利用

通風煤層氣有很廣闊的利用前景，有必要重視通風煤層氣的利用。而從煤礦通風煤層氣的利用方式來看，主要體現在兩方面：（1）作為主燃料。由于通過逆流熱氧化法或催化氧化法，其不需要其他燃料輔助，能夠作為主燃料，因此可帶動設備持續正常穩定作業。值得注意的是，通風煤層氣甲烷含量比較低，不能用于燃燒，對此可應用熱力雙向流化反應器或者催化媒雙向流化反應器，對低濃度甲烷氣體進行利用。（2）作為輔助燃料。比如將通風煤層氣通過技術處理后，用于電廠輔助燃燒空氣。例如，在煤礦坑口電站、煤礦煤層氣發電站等與煤礦較近的場合中，可以將通風煤層氣當作空氣源，從而使煤礦通風煤層氣得到有效利用。總之，通風煤層氣利用也具備一定的前景，不過從現狀來看其推廣局限性較大，需重視技術的提升，使通風煤層氣的利用效率得到有效提高。

3 結束語

綜上所述，從現狀來看我國煤層氣利用效率還有待提升。而從煤層氣綜合利用趨勢來看，其在煤層氣民用、煤層氣發電利用、煤層氣濃縮利用以及通風煤層氣利用等領域價值作用顯著，需重視現代化科學技術的應用，通過應用先進的科學技術，來提升煤層氣綜合利用效率及質量，進一步為促進我國煤層氣產業可持續發展奠定堅實的基礎。