煤層氣綜合利用現(xiàn)狀與實(shí)踐

＊周營振 張小寧 王李平 楊飛 劉樂

（陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司 陜西 713500）

煤層氣綜合利用是一個(gè)包含社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和安全效益的綜合項(xiàng)目，是煤礦多元化發(fā)展的重要途徑。通過總結(jié)分析煤層氣相關(guān)文獻(xiàn)可知，羅申國[1]分析我國煤層氣利用現(xiàn)狀，探討不同濃度瓦斯的利用方法和存在問題，并提出整改意見。徐云飛[2]研究了李陽煤業(yè)瓦斯抽采以及綜合開發(fā)利用途徑，分析利用瓦斯帶來的各方面效益并提出有效意見。閆亮[3]研究了馬蘭煤礦瓦斯涌出情況，分析抽采方式以及礦井發(fā)電利用情況。崔中桐[4]以新田煤礦為背景，以節(jié)能減排為目標(biāo)開發(fā)智能礦山、瓦斯高效綜合利用發(fā)電以及回收利用燃?xì)馔ㄟ^余熱鍋爐供暖。張麗民[5]研究與余吾煤業(yè)瓦斯綜合利用現(xiàn)狀，通過乏風(fēng)氧化、瓦斯發(fā)電、瓦斯抽采等利用方式每年創(chuàng)造巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。曹帥[6]研究了彬長礦區(qū)文家坡煤礦的瓦斯綜合利用現(xiàn)狀，分析了工作面邊抽邊采、鄰近層、定向鉆孔和采空區(qū)瓦斯抽采結(jié)合，瓦斯綜合利用包括地面預(yù)抽、低濃度瓦斯發(fā)電和乏風(fēng)發(fā)電的方法，多種利用方式在彬長成功實(shí)行。煤層氣利用現(xiàn)狀是體積分?jǐn)?shù)30%以上的高瓦斯用于提純供應(yīng)民用和工業(yè)用氣，體積分?jǐn)?shù)8%～30%用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，且技術(shù)比較成熟，8%以下瓦斯與空氣混合至1%～1.2%通過乏風(fēng)氧化蓄熱。

目前煤層氣利用存在問題有瓦斯抽采效率不高，商業(yè)化利用率低，僅應(yīng)用于供應(yīng)燃?xì)狻⑼咚拱l(fā)電、汽車燃料等，化工主要用于合成氨、合成油等。開發(fā)期望過高，一次性投資成本大，煤礦瓦斯量持續(xù)減少，且低濃度瓦斯利用率較低。本文通過研究彬長大佛寺礦瓦斯抽采和綜合利用方式，分析現(xiàn)狀總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步擴(kuò)大瓦斯綜合利用事業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)分析

(1)地質(zhì)分析

彬長煤田瓦斯賦存量高，根據(jù)鉆孔瓦斯含量統(tǒng)計(jì)及實(shí)際揭露情況：地下水活動滯怠，延安組裂隙承壓含水巖組賦水性弱，所以地下水活動對該處煤層瓦斯的影響較小；煤層頂板多為泥巖，炭質(zhì)泥巖，底板多為鋁土泥巖，厚度較大且整體性好，對瓦斯保存有利；煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)呈黑色，塊狀，半暗型，玻璃光澤，階梯狀斷口，視密度為1.39t/m3，局部含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3m；整個(gè)煤田所在區(qū)域斷層、褶曲等構(gòu)造相對較少，整體地質(zhì)環(huán)境對煤層瓦斯的保存有利；煤層瓦斯含量與煤層厚度、埋深具有一定的正相關(guān)性，即隨著煤層厚度、埋深的增大，煤層瓦斯含量緩慢增大，彬長煤田埋深在600～900m左右，屬埋深較深煤層。經(jīng)煤質(zhì)化驗(yàn)，煤層瓦斯賦存量較高，具備開采價(jià)值。

(2)煤質(zhì)分析

大佛寺主采煤層4#煤層都是低熱變質(zhì)煙煤層，為不粘煤層31號，煤質(zhì)分析見表1。

表1 煤質(zhì)分析

(3)瓦斯吸附解吸

①瓦斯吸附

圖1 4#煤等溫吸附曲線

結(jié)合表1可知煤中水分越高，可能占據(jù)的有效吸附點(diǎn)位就越多，相對留給甲烷分子有效點(diǎn)位就會減少，煤的飽和吸附量就會降低。因而隨著煤基質(zhì)水分的增加，蘭氏體積呈減小趨勢，而灰分對甲烷氣體沒有吸附效應(yīng)，因此灰分含量的增加，必然會導(dǎo)致蘭氏體積的減少。

②瓦斯解吸

由圖2可知?dú)堄鄽夂繛榱慊蛘叻浅５停淄闅怏w幾乎得到解吸，損失氣體含量較大，用直接法計(jì)算的損失氣含量明顯偏低。根據(jù)排采數(shù)據(jù)分析，實(shí)際損失氣量最高可達(dá)30%以上。

圖2 4#煤樣解吸速率

(4)煤層滲透性

①裂隙特征

表2 裂隙特征

表3 滲透率特征

4#煤層裂隙寬度較大，平均10～38μm，密度一般3～5條/10cm，滲透性較好。

②滲透率

可知4#煤層滲透率為3.06～5.73mD，主煤層滲透率較大，滲透性較好。

2.煤層氣抽采

(1)我國煤層氣抽采

由圖3可知我國煤層氣抽采量波動范圍較小，整體利用率有小幅度上升，但是相比于發(fā)達(dá)國家利用率較低，抽采量較高但是利用量和利用率有待提高。

圖3 2010—2018年煤層氣抽采、利用統(tǒng)計(jì)

(2)大佛寺煤層氣抽采

表4 煤層氣抽采

大佛寺煤礦含煤層氣資源面積75.42km2，總資源量25.23×108m3，可采資源量為18.92×108m3，資源豐富度為0.33×108m3/km2。2022年23口井目前以直井為主，輔以多分支水平井和U型分支水平井，其中多分支水平井產(chǎn)量最高，結(jié)合采前預(yù)抽、區(qū)域預(yù)抽、掘前預(yù)抽、高位定向鉆孔、和頂板釋放孔，2022年煤層氣抽采大約為4563萬m3，通過與天然氣公司和發(fā)電廠合作，滿足民用燃料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.煤層氣瓦斯發(fā)電

(1)瓦斯利用途徑

由圖4可知高濃度瓦斯≥80%占比最少，其可直接應(yīng)用于汽車、工業(yè)、民用燃料；中高濃度瓦斯（30%≤CH4體積分?jǐn)?shù)＜80%）應(yīng)用范圍廣，可以發(fā)電或者提純后壓縮作為汽車燃料；低濃度瓦斯（8%≤CH4體積分?jǐn)?shù)＜30%）可應(yīng)用于發(fā)電利用；超低濃度瓦斯（CH4體積分?jǐn)?shù)＜8%）通過乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)、瓦斯直燃技術(shù)進(jìn)行利用。

圖4 瓦斯體積分?jǐn)?shù)占比

(2)低濃度瓦斯發(fā)電

①大佛寺煤礦一期、二期瓦斯發(fā)電

瓦斯發(fā)電至今累計(jì)發(fā)電7.5億度，銷毀利用瓦斯純量3.6億Nm3，累計(jì)減排CO2當(dāng)量360萬噸，節(jié)約標(biāo)煤20萬噸，有效減少了環(huán)境污染，降低溫室氣體排放。在2022年低濃度一期發(fā)電總量為3400萬度，低濃度二期年發(fā)電總量1587萬度，低濃度黃陵發(fā)電廠全年累計(jì)發(fā)電量為3900萬度。

②大佛寺煤礦通風(fēng)瓦斯（乏風(fēng)）氧化發(fā)電

發(fā)電公司將1#、2#風(fēng)井0.2%～0.75%和抽采體積分?jǐn)?shù)低于8%的瓦斯混合氣體輸送到氧化裝置摻混點(diǎn)，自動混合為0.9%～1.0%，供氧化裝置氧化反應(yīng)，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯回收利用，項(xiàng)目年發(fā)電3200萬度，年減排CO2當(dāng)量約56萬噸。

③大佛寺煤礦低濃度瓦斯直燃技術(shù)發(fā)電

計(jì)劃將瓦斯直燃項(xiàng)目7%～8%瓦斯直接輸送至直燃裝置進(jìn)行燃燒，燃燒均勻且強(qiáng)度高達(dá)2500kW/m2。該技術(shù)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的點(diǎn)火和燃燒器，迷宮式的溫度場，保障低濃度瓦斯安全點(diǎn)燃、穩(wěn)定燃燒，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為4MW，每年實(shí)際銷毀低濃度瓦斯73.6萬m3，減排CO2當(dāng)量約1.45萬噸，每天供應(yīng)熱水145t滿足員工洗浴。

(3)低濃度瓦斯發(fā)電煙氣余熱利用

煙氣開發(fā)項(xiàng)目通過24臺燃?xì)鈾C(jī)組產(chǎn)生的煙氣余熱 建設(shè)4×2.4t/h+3×2t/h余熱鍋爐，將產(chǎn)生2.45MPa、400°、15.6t/h過熱蒸汽，送至4.5MW汽輪發(fā)電機(jī)組用于發(fā)電，同時(shí)利用煙氣余熱可為大佛寺煤礦4000余職工提供生活和洗浴用水，每年節(jié)省標(biāo)煤5363t，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

4.煤層氣開采利用存在問題及建議措施

(1)存在問題

①煤層氣開發(fā)期望過高，注意力集中于工程實(shí)踐，資金投入與產(chǎn)出不成正比。

②低濃度瓦斯利用技術(shù)有待提高，特別是瓦斯直燃技術(shù)和乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)不成熟，目前發(fā)電和供熱成本較高。

③高濃度瓦斯打井開采和發(fā)電成本高，政府補(bǔ)貼不穩(wěn)定，且煤層氣提純主要用于民用和發(fā)電，工業(yè)利用途徑少。

④項(xiàng)目立項(xiàng)與審批手續(xù)復(fù)雜，周期較長，極大延誤了煤層氣開發(fā)與利用項(xiàng)目進(jìn)度。

(2)措施建議

①對煤層氣開采保持清醒認(rèn)識，注重實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐結(jié)合，避免無效投入。

②堅(jiān)持煤層氣開發(fā)“四個(gè)統(tǒng)一”原則，由國家企業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化開采建設(shè)，嚴(yán)格執(zhí)行“先抽后采”政策方針，將采煤采氣一體化、井下和地面抽采充分結(jié)合。

③針對煤層氣“三低現(xiàn)象”，堅(jiān)持理論與技術(shù)創(chuàng)新，將低濃度瓦斯應(yīng)用技術(shù)進(jìn)一步推進(jìn)，加大科研投入與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力度。

④加強(qiáng)政府的扶持力度，穩(wěn)定發(fā)電和抽采補(bǔ)貼，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展，擴(kuò)寬煤層氣利用渠道，簡化項(xiàng)目的行政審批手續(xù)，加快項(xiàng)目建設(shè)。

5.結(jié)論

彬長礦業(yè)煤層氣綜合利用應(yīng)因地適宜，地面開采就地利用、余氣外輸，實(shí)現(xiàn)高濃度煤層氣商業(yè)化。低濃度通過發(fā)電利用，鼓勵(lì)煤礦自產(chǎn)自用，余電并網(wǎng)銷售，自給自足的前途下創(chuàng)造效益，將超低濃度瓦斯進(jìn)行回收利用，選擇氧化后再供熱、瓦斯直燃技術(shù)等方式利用。煤層氣綜合利用不僅符合當(dāng)下清潔能源的政策，而且提高煤礦安全生產(chǎn)的同時(shí)為企業(yè)帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境和社會效益最大化。