煤礦瓦斯利用技術現狀與展望

唐 韓 英

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039;2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引 言

近年來，我國煤礦瓦斯抽采量逐年增加，2015年全國煤礦井下瓦斯抽采量達136億m3,但瓦斯利用率僅為34%左右[1-2]。煤礦瓦斯是優質資源，但瓦斯利用率較低，主要受瓦斯利用技術及瓦斯抽采規模影響[3-4],因而對國內煤礦利用瓦斯的技術現狀進行匯總分析具有重要的現實意義。

諸多學者針對瓦斯利用技術進行了大量研究，如趙旭生等[1]通過研究提出低濃度瓦斯安全直接燃燒系統，該系統可以安全燃燒5%以上甲烷濃度的瓦斯氣體，但受《煤礦安全規程》的制約，該技術還未進行商業推廣;姚成林[4]通過研究提出含氧煤層氣液化系統，由于該系統對氣源的規模有要求，很多礦區無法滿足氣源要求，限制了其推廣和應用;韓甲業[2]、蘇鵬等[3]通過對低濃度煤礦瓦斯內燃機發電、濃縮提純和催化氧化氣輪機發電等利用技術進行分析，給出不同技術的適用范圍。

筆者通過調研與分析，從不同角度厘清現有抽采瓦斯利用技術及其適用范圍，以期為瓦斯的合理利用提供技術參考。

1 煤礦瓦斯利用技術現狀

我國煤礦瓦斯利用的技術主要包括高濃度瓦斯凈化直接利用技術、低濃度瓦斯發電技術、低濃度瓦斯濃縮技術、低濃度瓦斯燃(焚)燒技術、乏風瓦斯利用技術等。煤礦瓦斯濃度范圍不同，相應的瓦斯利用方式也不同，詳見表1。

表1 煤礦瓦斯利用方式Table 1 The utilization mode of coal mine gas

1.1 高濃度瓦斯利用技術

高濃度瓦斯(甲烷濃度>90%)相當于天然氣，凈化后直接通入天然氣管網后即可直接利用。通常采用高壓輸送，可用作工業燃料、化工原料;為方便遠距離輸送也可直接液化送往使用地[3,5]。

高濃度瓦斯對其品質要求較高，例如固體顆粒物質量濃度應≤1 mg/m3。

1.2 較高濃度瓦斯利用技術

較高濃度瓦斯的甲烷濃度為60%～90%，其利用技術如下:

(1)凈化提純后通入天然氣管網的直接利用技術。城鎮燃氣幾乎不需要氣體凈化可直接利用，有利于當地發展，但分布式系統的維護成本較高;

(2)電點火式燃氣內燃機發電利用技術;

(3)熱電聯產利用技術;

(4)作為化工原料用于生產甲醇、甲醛、炭黑等產品利用技術。煤礦瓦斯的工業應用技術主要是將其凈化富集或直接用于生產甲醇、甲醛、炭黑等產品[6];

(5)車用燃料利用技術。制作成液化天然氣(LNG)或壓縮天然氣(CNG)用于車用燃料，瓦斯的熱值比汽油熱值高但其混合氣體熱值低于汽油混合氣熱值，使得發動機功率下降。還需要進一步研究發動機抗爆性、空燃比等。

1.3 中等濃度瓦斯利用技術

中等濃度瓦斯的甲烷濃度為30%～60%，其利用技術如下:

(1)民用燃氣直接利用技術。通常采用中壓輸送，通入煤層氣民用管網后直接利用;

(2)工業燃氣鍋爐利用技術;

(3)內燃式發電機組發電或作為工業燃料與煤炭混合燃燒發電等利用技術。不需要高濃度或壓縮的瓦斯氣體[5]，發電機所需瓦斯的焓達到205.2 MJ/m3;

(4)直接燃燒利用技術;

(5)熱電聯產利用技術。

1.4 低濃度瓦斯利用技術

低濃度瓦斯的甲烷濃度為1%～30%，其利用技術包括燃氣輪機技術、燃氣內燃機技術、燃氣鍋爐-蒸汽輪機技術、聯合循環多聯供技術、制氫技術、制合成氨技術與直接燃燒技術。

1.4.1燃氣輪機發電技術

燃氣輪機受粉塵及硫化物的影響小，對環境的適應性較強[7]。設備的穩定性和可靠性較高，故障率較低;設備對瓦斯流量的波動適應性較好。

燃氣輪機的初期投資和維護成本較高;燃氣輪機必須配備燃氣壓縮機增加其進氣壓力，但壓縮機會額外消耗燃氣輪機15%～20%的輸出功率。

1.4.2燃氣內燃機發電技術

燃氣在發電機缸體內部被點燃引爆，氣體膨脹并推動活塞運動，活塞運動過程中將機械能轉化為電能[2,7]。內燃機發電是低濃度瓦斯最主要的利用方式。燃氣內燃機的排煙溫度很高，排煙熱能可以利用，使得低濃度瓦斯的利用率被進一步提高。

燃氣內燃機的發電效率高(30%～40%)，初期投資小，設備模塊化程度高，安裝方便，對氣體中粉塵要求較低;瓦斯濃度降低時，燃氣內燃機組輸出動力會下降，有時必須啟動備用發電機組以提高系統的可靠性;H2S氣體會對內燃機缸體造成腐蝕;需經常更換火花塞和機油，會增加系統的維護成本。

燃氣內燃機組的主要生產廠家包括卡特彼勒、通用顏巴赫、道依茨、三菱重工等國外公司以及勝動集團、濟南柴油機廠、南通寶駒氣體發動機廠、河南柴油機重工等國內企業[7]。

1.4.3燃氣鍋爐-蒸汽輪機發電技術

將低濃度瓦斯與煤或高濃度瓦斯摻混，送入燃氣鍋爐的燃燒室燃燒生成過熱蒸汽，通過蒸汽輪機帶動發電機發電。

系統受粉塵的影響小，其運行維護簡單;系統會消耗部分高濃度瓦斯，對瓦斯的濃度、流量有一定要求;鍋爐燃燒室的受熱面易被腐蝕。

1.4.4聯合循環多聯供技術

低濃度瓦斯在燃氣輪機中燃燒，排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐，在余熱鍋爐中產生過熱蒸汽，再通過蒸汽輪機推動發電機發電，系統發電效率可超過45%。

系統熱效率高，初期投資小、建設周期短，機組啟停速度快、調峰靈活性好，機組可靠性(85%～95%)和環保性較高。但此技術僅適用于發電功率較大的情況，系統的運行和維護成本較高，需要有穩定的氣源。

1.4.5制氫技術

基于CH4自熱氧化反應，利用低濃度瓦斯中的O2與CH4、H2、CO燃燒，使CH4、CO與水蒸氣發生化學反應制備H2[7]，反應方程式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

當CH4濃度為30%左右時，CH4按照化學式(1)和(3)反應后H2濃度可大于45%;當CH4濃度小于2%時，再按照化學式(4)反應后，H2濃度可再增加3%～5%;當CH4濃度為40%左右時，需要提供部分外部熱量，CH4按照化學式(1)和(3)反應后H2濃度可大于50%。再按照化學式(4)反應后，H2濃度還可再增加3%～5%。

1.4.6制合成氨技術

低濃度瓦斯氣體中含有O2，將低濃度瓦斯氣體通入蓄熱爐內，在常壓下CH4與O2發生間歇-自熱化學反應，蓄熱爐排出煙氣通入余熱鍋爐回收熱量后，煙氣再經脫氮、甲烷化等工序制備合成氨。該工藝無脫氧或低溫分離工序，降低了合成氨制備成本，提高了CH4的利用率。

1.4.7直接燃燒技術

(1)脈動燃燒器直接燃燒技術。① 脈動燃燒是介于正常燃燒與爆燃之間的1種特殊燃燒方式。在某種激勵條件下，燃燒器內產生的聲學脈動與燃燒釋放熱能形成穩定的聲熱耦合時，燃燒呈周期性脈動[8-10]。脈動燃燒主要被應用于鍋爐、取暖及干燥等。② 脈動燃燒器包括自激勵、強迫式脈動燃燒器。用于可燃氣體直接燃燒的脈動燃燒器分為Schmidt型、Helmholtz型。Schmidt型脈動燃燒器又稱1/4波型脈動燃燒器，形式為直管。其一端開口、另一端封閉。Helmholtz型脈動燃燒器具有大的共振腔，尾管的出口安裝去耦消聲器，以減小噪音及振動，并確保燃燒器尾管出口的聲學邊界條件，實現燃燒的聲學特性。③ Esnault-Peltrie利用脈動燃燒器推動燃氣渦輪機，并在法國取得專利;Holzwarth開發出第1臺實用的脈動燃燒燃氣渦輪機;美國Lennox、Hydrothermal及日本東芝等公司制造了脈動燃燒器熱水器;北京航空航天大學研究了燃煤脈動燃燒器;浙江大學提出了將脈動燃燒和流化床技術相結合的脈動流化床燃燒技術;中國礦業大學研究了低濃度瓦斯自激勵振蕩脈動燃燒器。

(2)低濃度瓦斯直接燃燒技術。中煤科工集團重慶研究院有限公司通過對金屬纖維燃燒器阻火、阻爆機理的研究并經過試驗，證明在合理的設計參數下，金屬纖維燃燒器能夠有效阻火、隔熱，可將瓦斯爆炸轉變為安全燃燒[1]。在石壕礦完成了規模2 000 m3/h爆燃濃度瓦斯的低濃度瓦斯安全燃燒工業性試驗，低濃度瓦斯安全燃燒系統主要由地面火炬、金屬纖維燃燒器、監測控制系統等組成。

1.4.8瓦斯濃縮提純技術

提純后甲烷濃度可達98%以上。瓦斯濃縮提純技術如下:

(1)吸附法技術。吸附法的原理是通過多孔介質將多組分氣體中的1種或多種物質吸附濃縮集聚于固體表面，實現與其他組分的分離。常用的吸附法有變溫吸附法和變壓吸附法[11-12]。

變溫吸附法(Temperature Swing Adsorption，TSA)的工作原理:利用不同氣體組分在吸附劑上的平衡吸附量隨溫度升高而降低的特性，實現混合氣體中不同組分的分離。吸附劑的壽命受溫度大幅度周期性變化影響，制約了變溫吸附技術在低濃度瓦斯富集分離領域的工業化應用。

變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption，PSA)的工作原理:利用不同氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異以及平衡吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變化實現不同組分氣體的分離。

變壓吸附分為高壓條件下的變壓吸附(稱為變壓吸附)和真空條件下的變壓吸附，其中后者被稱為真空變壓吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption，VPSA)[12]。VPSA是對PSA的優化，VPSA法是利用抽真空的辦法降低被吸附氣體組分的負壓，使被吸附的氣體組分在負壓下解吸。VPSA法無需對原料氣加壓，吸附劑的再生效果好，CH4被分離回收率高;但需要增加真空泵抽負壓，使得系統復雜并增加了系統的運行、維護成本[8]。

西南化工研究設計院在1983年提出變壓吸附法分離、富集煤礦瓦斯氣體中CH4的工藝，該工藝要求煤礦的CH4濃度≥20%。焦作礦務局利用該技術建成了我國第1套處理量為1.2萬m3/d的PSA工業化應用裝置吸附煤礦瓦斯，CH4濃度由30.4%提純至99.4%;煤炭科學研究總院在陽煤五礦完成了PSA中試試驗，實現了CH4的分離、提純。但吸附系統復雜、能耗高，吸附、分離、濃縮低濃度瓦斯氣體時存在安全隱患;盤江煤電有限責任公司的VPSA示范項目將CH4濃度由16%脫氧提純至95%以上。

(2)低溫分離法(cryorgenic,CRY)。低溫分離法也稱低溫精餾法，其本質是氣體液體化技術，將氣體液化后再利用N2和CH4的沸點差異進行精餾，精餾可以得到高濃度的CH4氣體,使不同氣體得到分離[13-14]。中國科學院理化技術研究所在陽煤集團完成了CH4濃度30%以上的煤層氣低溫分離制取純CH4的中試試驗;陽煤集團采用低溫分離方法，將含氧煤層氣液化和分離，CH4純度達98%以上;山西沁水順泰能源煤層氣液化項目，生產能力達50萬m3/d，非常規天然氣液化工廠在國內的規模較大;重慶研究院在逢春煤礦進行了含氧煤層氣深冷液化工業性試驗，處理濃度29%～31%的低濃度煤層氣達4 800 m3/d，生產液化CH41.1 t/d[15]。

(3)膜分離(membrance,MEM)技術。在壓力驅動下，氣體中不同組分在膜表面的吸附能力及其在膜內溶解和擴散的速率存在差異，通過滲透速率差(氣體組分通過膜的速率不同)進行動力學分離，實現膜對混合氣體的篩分[9,14]。膜兩側的壓差為膜間傳質提供推動力。分離CH4和N2的技術還未能實現工業化應用，主要受限于沒有分離效果特別好的膜。

(4)水合物分離法技術。不同氣體組分在溶液中形成水合物的臨界溫度、臨界壓力不同，在不同溫度、壓力下實現不同的水合物分離，實現CH4提濃[14]。該技術污染小、耗能低，但分離的效率是制約該技術的瓶頸。該技術未工業化應用。

(5)溶劑吸收法技術。利用氣體混合物中各組分在溶劑中溶解度不同，實現不同氣體組分分離;或與吸收劑中組分發生選擇性化學反應而實現不同氣體組分分離。溶劑吸收法分為物理吸收法和化學吸收法[9]。溶劑吸收法仍處于實驗室階段，不適合煤礦瓦斯提濃的工業化應用[14]。

1.5 超低濃度瓦斯利用技術

超低濃度瓦斯的甲烷濃度<1%。超低濃度瓦斯利用技術有兩類:作為輔助燃料用于燃燒的利用技術或作為主要燃料利用的技術。

1.5.1作為輔助燃料的應用

超低濃度瓦斯主要以煤礦乏風的形態存在，乏風中含有氧氣和一定量甲烷氣體，可代替新鮮空氣作為助燃劑[8,16]。能將煤礦乏風作輔助燃料的設備或系統包括燃氣輪機、內燃機、混合低質煤/甲烷燃燒系統、燃燒粉煤發電廠等，詳見表2。

表2 輔助燃料利用的設備或系統Table 2 Equipment or system for auxiliary fuel utilization

由表2可知，內燃機和燃氣輪機由于燃燒溫度較高，可能會比其他技術排出更多的氮氧化物氣體;燃燒粉煤發電廠可實現全部乏風或部分乏風取代周圍空氣作輔助燃料。由于乏風甲烷濃度和流量不穩定，會影響到電廠鍋爐的穩定性。鍋爐中甲烷濃度快速增大時會導致燃燒不穩定發生爆炸或因燃燒溫度過高等原因產生煤渣和污垢破壞鍋爐;旋轉式干燥爐可以實現低質煤與抽放瓦斯、乏風瓦斯的燃燒，干燥爐內燃燒的穩定性受抽放瓦斯燃燒火焰的影響較大。旋轉式干燥爐不適合燃燒低品質的低質煤，其燃燒效率較低，適合大塊低質煤的燃燒。

1.5.2作為主要燃料的應用

超低濃度瓦斯可用于熱逆流反應器(TFRR)、催化逆流反應器(CFRR)、整體式催化燃燒反應器(CMR)、貧燒催化燃燒燃氣輪機、間壁回熱式貧燒燃氣輪機、集中器等設備作為主要燃料加以利用[8,16]。

甲烷濃度<5%、環境溫度<1 000 ℃時，不易被點燃或自維持燃燒。通過維持反應器內較高的環境溫度，易使超低濃度CH4在反應器內氧化，生成CO2和H2O并釋放出熱量。多余的熱量可通過水或空氣媒介進行回收利用;反應器通過外部能量預熱，達到甲烷氧化反應所需溫度，通入乏風后，氧化后自身放熱可維持需要的溫度而不需外部能量加熱。

煤礦超低濃度瓦斯主要利用技術及主要利用設備分別見表3、表4。由表3和表4可知:

(1)往復式熱氧化技術(Thermal flow reversal reactor,TFRR)。Corttell于20世紀30年代發明了固定床流向變換反應器;Boreksov和Martos等學者通過研究將固定床反應器應用于稀薄燃料燃燒領域;Weinberg提出了超晗燃燒思想，將燃燒熱能回收再利用，并用于預熱燃料氣體。

表3 煤礦超低濃度瓦斯主要利用技術Table 3 The main utilization technology of ultra-low concentration gas in coal mine

表4 煤礦超低濃度瓦斯主要利用設備[18]Table 4 The main utilization equipment of ultra-low concentration gas in coal mine

經過不斷地研究，TFRR被開發出來并應用于煤礦乏風瓦斯的利用[17]。裝置的工作原理如下:

① 先對蓄熱體預熱達到乏風的氧化溫度;

② 通入常溫乏風氣體至蓄熱式氧化爐(Regenerative Thermal Oxidizer，RTO)，甲烷被加熱氧化后釋放出熱量;

③ 通過換熱器將釋放熱量用于生成蒸汽和熱水;

④ 蒸汽可以用于發電，熱水和余熱可用于取暖或制冷等;

⑤ 需要不斷變換進、排氣方向，確保能夠自維持乏風不斷吸熱、升溫、氧化的過程。

(2)往復式催化氧化(Catalytic flow reversal reactor,CFRR)技術是催化燃燒與TFRR的結合。1994年，chaouki等利用流向變換催化反應器對礦井乏風瓦斯進行了甲烷催化燃燒試驗研究;2006年王盈完成了低濃度甲烷流向變化催化燃燒制熱技術的基礎研究。CFRR與TFRR的結構和運行方式基本相似，主要差異在于CFRR在熱交換器和介質之間加入了催化劑層，能有效地降低CH4自燃溫度，從而提高乏風中CH4的轉化率。

(3)貧燒(稀薄)燃氣輪機利用催化燃燒技術與燃氣輪機發電技術，將乏風通入帶催化燃燒室的稀薄燃氣輪機中可以實現直接燃燒。主要可分為間壁回熱式燃氣輪機(EDL)、貧燒催化燃燒燃氣輪機(CSIRO)和稀薄燃料催化微型燃氣輪機(Ingersol-Rand，IR)。

(4)集中器的應用可補充通風空氣中的瓦斯,同時可以提高稀燃渦輪機中瓦斯的濃度。集中器用于吸收收集乏風中的甲烷并使其達到貧燒的要求，可配合催化燃燒和回流燃燒燃氣輪機使用。集中器能將乏風CH4濃度由0.1%～0.9%濃縮至20%。

2 新技術探索

2.1 蓄熱式外燃機發電技術

蓄熱式外燃機發電系統由配氣及回熱系統、冷卻系統、斯特林發動機及發電系統、燃燒及蓄熱系統、煙氣控制與調溫系統構成[19]。回熱系統可對預混氣體進行預熱，能拓展瓦斯的貧燃極限;冷卻系統能確保斯特林發動機冷端維持在恒定溫度;發電系統可穩定輸出電能;燃燒及蓄熱系統可實現低濃度瓦斯在多孔介質燃燒器中穩定燃燒，發動機熱端被高溫煙氣均勻加熱至恒定溫度;煙氣控制與調溫系統可控制高溫煙氣向發動機熱端傳遞的熱量，避免熱端因超溫被損壞。

2.2 瓦斯燃料電池發電技術

瓦斯燃料電池又稱甲烷燃料電池[20-21]，該種電池中CH4不需要經過燃燒而直接以電化學反應方式將其化學能轉化為電能。將煤礦抽采瓦斯(CH4)作為燃料，與氧化劑(O2)分別從不同電極充入甲烷燃料電池。電池內發生得失電子的化學反應，繼而產生電能[22]。

3 展望及結語

對國內煤礦抽采利用瓦斯氣體的技術現狀進行匯總分析具有重要的現實意義,通過調研與分析，厘清現有抽采瓦斯利用技術及其適用范圍，從高濃度瓦斯凈化直接利用技術、低濃度瓦斯發電技術、低濃度瓦斯濃縮技術、低濃度瓦斯燃(焚)燒技術、乏風瓦斯利用技術等方面分析其成熟度， 重點闡述低濃度瓦斯利用技術中的燃氣輪機技術、燃氣內燃機技術、燃氣鍋爐-蒸汽輪機技術、聯合循環多聯供技術、制氫技術、制合成氨技術與直接燃燒技術，并結合作為輔助燃料、主要燃料應用的超低濃度瓦斯利用技術，探索蓄熱式外燃機、瓦斯燃料電池發電等新技術的應用，并對抽采瓦斯利用方向進行技術展望，以期為抽采瓦斯的高效利用提供合理的利用方式。

中等濃度至高濃度瓦斯的利用技術較為成熟，但針對超低濃度至低濃度瓦斯的利用依然存在技術難點，還需攻克的難點涵括CH4濃度為5%～6%的低濃度瓦斯安全利用、CH4濃度約1.2%的超低濃度瓦斯蓄熱氧化安全利用、含氧煤層氣安全的低溫液化和分離、低濃度瓦斯發電機組連續穩定高效運行等。同時新技術離工業化應用還有很大的距離，仍需加大研究力度。國家安全生產監管總局令(第29號)《關于修改〈煤礦安全規程〉部分條款的決定》要求“抽采的瓦斯濃度低于30%時，不得作為燃氣直接燃燒”，建議對該條款進行相應修改，其理論依據為現有的脈動燃燒技術和金屬纖維燃燒系統已能安全、高效地直接燃燒CH4濃度為5%～16%的低濃度瓦斯氣體，并能回收反應熱。