1、文章編號：1674-9146（2014）09002503國內外礦井低濃度瓦斯利用技術的探討楊揚，楊養龍（太原煤炭氣化 （集團）有限責任公司，山西 太原 030024）低濃度瓦斯是指甲烷濃度低于 30%的煤層氣，分為風排瓦斯 （乏風） 和抽放瓦斯兩部分，其中“乏風”是指甲烷質量濃度低于 075%的煤礦瓦斯。 目前，質量濃度高于 30%的瓦斯在利用上已沒有技 術瓶頸；質量濃度在 9%30%范圍的瓦斯用于發電 也已經獲得廣泛應用；而質量濃度低于 9%以及乏 風的利用則已成為實現礦井瓦斯綜合利用的關鍵。提高乏風質量濃度，將風排瓦斯濃度由目前的0.22%提升至 0.35%以上甚至更高，將對礦井實現 熱量

2、的充分回收利用，實現節能減排，減少外部天 然氣的利用非常關鍵。若乏風濃度能提升至 0.5% 以上，將能實現礦井熱能的自身平衡而不需外供。1 國內外瓦斯利用技術該礦井在達產時瓦斯來源由以下 3 個部分組成：回采工作面 （包括圍巖及鄰近層）的瓦斯涌出、掘進 工作面的瓦斯涌出和采空區 （包括圍巖和鄰近層）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占礦井瓦斯的涌出比例與礦井的開采深度和礦井的生產接續布局、 采掘強度等有關。經對礦井各部分進行瓦斯涌出量 預測，可以得出各涌出源所占該礦井瓦斯涌出量的 百分比。在現有的通風條件下掘進面瓦斯經常超 限，所以掘進工作面的瓦斯治理非常必要。在整個 礦井瓦斯治理工作中，回采工作

3、面和采空區瓦斯治 理占重要地位。1.3抽放瓦斯的必要性 根據國家煤礦安全監察局部頒布的 煤礦安全規程和 煤礦瓦斯抽采達標暫行規定，有下列 情況之一者，礦井必須建立地面永久抽放瓦斯系統或井下臨時抽放瓦斯系統。第一，一個采煤工作面絕對瓦斯涌出量大于 5 m3/min 或一個掘進工作面絕對瓦斯涌出量大于 3 m3/ min，采用通風方法解決不合理的。第二，礦井絕對瓦斯涌出量達到以下條件的： 一是大于或等于 40 m3/min；二是年產量 1.61.5 Mt的礦井，大于 30 m3/min；三是年產量 0.61.0 Mt 的 礦井，大于 25 m3/min；四是年產量 0.40.6 Mt 的礦井，大于

4、 20 m3/min；五是年產量小于或等于 0.4 Mt煤層瓦斯主要參數煤層瓦斯賦存基礎參數是礦井瓦斯防治和瓦斯 抽放設計的依據，進行瓦斯抽放設計所需的煤層瓦 斯主要實測參數包括：煤層瓦斯壓力、含量、煤中 的殘存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤層透氣性系數以 及鉆孔瓦斯流量衰減系數等一些瓦斯的基礎參數。 對于基建礦井，如果沒有開拓系統揭露煤層，則無 法在采掘空間內各煤層瓦斯基礎參數進行實測，只 能借鑒地質勘探過程進行測定部分瓦斯基礎參數。1.1礦井瓦斯來源及涌出構成根據對龍泉煤礦瓦斯涌出量的預測，可以得出1.2收稿日期：20140520；修回日期：20140820作者簡介：楊 揚（1981-），男，山

5、西太原人，工程師，主要從事技術管理研究，E-mail：baifeng0208。科技創新與生產力2014年 9 月 總第 248 期- 025 -摘 要：分析了煤礦瓦斯賦存基礎參數和來源及涌出構成，提出了煤礦抽放瓦斯的必要性，總結了煤礦瓦斯基本分 類及利用方法，研究了國內外低濃度瓦斯發電技術、煤礦乏風氧化裝置及乏風瓦斯發電解決方案，指出礦井低濃度 瓦斯利用技術將在促進煤層氣利用的同時，推動煤礦瓦斯的全面綜合利用，必將產生良好的經濟效益和社會效益。 關鍵詞：瓦斯；乏風濃度；發電中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.09.025理

6、 論 探 索 Th eo ry Exp l o rat i o n 的礦井，大于 15 m3/min。風的有效利用問題。基于此，目前多數煤礦仍選擇直接排放，造成了巨大的能源浪費和環境污染。2 國內外乏風利用現狀在低濃度瓦斯利用方面，目前全球范圍研究較 多，而乏風直接工業化應用的僅有國內的勝動集團 乏風發電、澳大利亞的 BHP 公司的乏風發電、德 國杜爾集團的乏風發電技術。2.1乏風發電項目應用技術 乏風及低濃度瓦斯氧化發電的原理是把泵站的抽放瓦斯摻混到乏風里，導入蓄熱式高溫氧化裝 置，低濃度甲烷在高溫反應腔里瞬間氧化為水和二 氧化碳，并釋放出巨大氧化熱，熱能的一小部分用于維持反應溫度，大部分熱

7、能被導出到余熱鍋爐和 水進行熱交換，產出過熱高壓水蒸氣，驅動汽輪機發電。該技術的推廣，不僅能提高經濟效益，也有 助于增加煤炭生產過程中的安全系數。1） 勝動集團乏風發電項目介紹。目前勝動集 團 60 000 m3/h 乏風發電裝置已經運行超過 2 年時間（見表 1、第 27 頁圖 1）。勝動集團積累了多年低濃 度瓦斯發電經驗，但是由于超低濃度瓦斯利用火花塞點火困難，該公司開發了利用微量柴油 （柴油消耗量為 1020 g/kW·h）引燃來代替火花塞點火，促 進低熱值瓦斯在缸內快速燃燒帶動活塞做功輸出電 能的柴油點火的超低濃度瓦斯發電機組，目前已試 驗成功并投入市場。2） 澳大利亞的 B

8、HP 公司的乏風發電項目介煤礦瓦斯基本分類及利用方法1.4煤礦瓦斯按體積分數分 3 類（參照勝動集團分類方法）：第一類是質量濃度大于 30%的高濃度瓦斯；第二類是質量濃度在 930%的低濃度瓦斯； 第三類是質量濃度在 9%以下的低 （超） 濃度瓦斯（含煤礦通風乏風）。其瓦斯利用技術大致如下：第一類：質量濃度大于 30%的高濃度瓦斯，采用高濃 度瓦斯直接燃燒供發電機組發電；第二類：質量濃 度在 9%30%的低濃度瓦斯，采用低濃度瓦斯內燃 機組進行發電利用；第三類：質量濃度在 9%以下 的低濃度 （超） 瓦斯 （含煤礦通風乏風），甲烷質 量分數為 0.25%5%，采用煤礦乏風氧化裝置直接 或經過摻

9、混、稀釋后利用；超低濃度瓦斯 （甲烷體 積分數 6%9%）也可采用柴油引燃技術發電利用。乏風利用不高的原因分析煤炭開采中，瓦斯排出量的 70% 是通過乏風（風排瓦斯） 排出的。由于煤礦乏風的甲烷含量極 低，若進行提濃或提純，不論是變壓吸附，還是變溫吸附分離，面對含量巨大的空氣和稀少的甲烷， 必須提供相對于甲烷產量更多的加壓能耗或加溫能耗。所耗的能量，遠超過所獲取甲烷的能量。因而 無論從能源利用的角度，還是從經濟利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏風中的甲烷含量遠遠 超出了甲烷的空燃比范圍，用直接燃燒的辦法處理 技術上也是行不通的。兩種傳統辦法均不能解決乏1.5表 1勝動集團 6 萬 m3/h

10、 氧化裝置參數4.3 t/h 的過熱蒸汽；0.3%時為 1.5 t/h。SCI-TECH INNOVATION & PRODUCTIVITYNo9 Sep. 2014，Total No248- 026 -標定單臺氧化裝置處理通風瓦斯流量（m3/h）60 000通風瓦斯溫度（）1040通風瓦斯顆粒含量（mg/m3）可燃顆粒10不可燃顆粒1含硫總量10水滴和冷凝物10CH4 設計最高工作體積分數（%）1.0CH4 設計最低工作體積分數（%）0.25主體重量（t）75主體外形尺寸（m）8.750×7.586×7.543風機功率（kW）2×55電加熱功率（kW）4

11、00抽排瓦斯添加系統瓦斯壓力大于 3 kPa，最大添加量 300 m（3 100% CH4）噪聲（dB（A）80（距主體外表面 1 m 處）CH4氧化率（%）95CO（mg/m3）50NOX（mg/m3）10熱效率 / 發電效率（%）64.51/12.81單臺裝置配備機組功率（kW）約 750單臺氧化裝置蒸汽產量當 CH4 質量分數為 1.0%時，可產生 2.5 MPa，390 ， Th eo ry Exp l o rat i o n 理 論 探 索目前勝動集團與德國杜爾公司均采用了自熱氧化裝置，區別在取熱方式上：勝動集團采用了簡單 可靠的一體化連續移熱技術，德國杜爾公司則采取 了先進的分離式

12、移熱技術，因而杜爾公司所生產的65432104.303.102.803.802.351.701.971.50蒸汽壓力高（9.0 MPa），更適合大型化裝置。00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7 0.80.9 1.02.3低濃度瓦斯發電技術解決方案1）對于甲烷質量濃度在 16%30%的低濃度煤 礦瓦斯，可選用 500GF1-2RW。2） 對于甲烷質量濃度在 6%25%的低濃度煤礦瓦斯，可選用 500GF1-3RW。瓦斯體積分數 /%圖 1 6 m3/h 氧化裝置瓦斯濃度與蒸汽產量參數紹。澳大利亞 BHP 公司的 250 000 m3/h 乏風發電裝置在必和必拓的煤礦運行也已超過

13、 8 年。但是，詳 細的項目運行情況報道較少。3） 德國杜爾集團的乏風發電項目介紹。德國 杜爾 90 000 m3/h 乏風發電技術即將于 2014 年 6 月在潞安集團高河煤礦投產。該項目總投資 3.2 億元， 安 裝 12 臺 90 000 m3/h 的雙塔模塊單 元 （簡稱 RTO），可處理 108 萬 m3/h，向乏風 （0.3%） 中摻 入低抽放瓦斯 11%，進入 RTO 氧化裝置的乏風質量濃度維持在 1.2%以下，進行氧化，釋放出的氧 化熱用于驅動 30 MW 余熱汽輪發電機組，實現年 發電量 2 億 kW·h，年溫室氣體減排 140 萬 t。項目設計蒸汽壓力為 9.0

14、MPa，預計發電效率 2.78 kW·h/m3。具體效率數據有待投產驗證。低濃度瓦斯發電機組電站配套特殊要求第一，對于質量濃度 16以上瓦斯的瓦斯電站 配套設施，主要要求有 2 點：一是不能設儲氣柜； 二是瓦斯輸送管路采取安全阻火措施，在管線上設 置雷達水位自控式水封阻火器和干式瓦斯專用阻火 器。第二，對于質量濃度 16以下的瓦斯電站配 套，主要有 3 點要求：一是不能設儲氣柜；二是瓦 斯輸送管線要設置阻火器，雷達水位自控式水封阻 火器和干式瓦斯專用阻火器；三是瓦斯輸送采用水 霧輸送，管路上設置水霧阻火點。瓦斯氣流經水霧 阻火點后水分增加，瓦斯氣超出爆炸范圍，使瓦斯 輸送變得安全，即

15、使出現火焰，也會在經過水霧阻 火點被強水霧所猝熄。3 結束語低濃度瓦斯的利用對礦井實現熱量的充分回收 利用，實現節能減排，減少外部天然氣的利用非常 關鍵。該項工作的推進，將在促進煤層氣利用的同 時，推動煤礦瓦斯的全面綜合利用，必將產生良好 的經濟效益和社會效益。（責任編輯 高 騰）2.4煤礦乏風氧化裝置及技術介紹通風瓦斯氧化裝置由固定式逆流氧化床和控制 系統兩部分構成。排氣蓄熱，進氣預熱，進排氣交 換逆循環，實現通風瓦斯周期性自然氧化反應。氧化床先用外部能源 （如電能）加熱，創造一2.2個甲烷氧化反應的環境（1 000 ），通風瓦斯由引風機引入氧化床，氧化產熱，排氣側固體蓄熱，進氣測氣體預熱，

16、由換向閥實現通風瓦斯逆流換向。 通風瓦斯中的甲烷在氧化床氧化后，一部熱量維持 氧化反應的環境，多余部分的熱量排出氧化床。氧 化反應自動維持后，停掉外加熱。Discussion on Low Concentration Gas Mine Utilization Technology at Home andAbroadYang Yang，Yang Yang-long（Taiyuan Coal Gasification (Group) limited liability Company, Taiyuan 030024 China）Abstract：Analysis on the coal gas o

17、ccurrence and emission parameters and sources, puts forward the necessity of coal mine gas drainage, then analyzes the basic classification and utilization of coal mine gas method, focuses on the research of do- mestic and foreign low concentration gas power generation technology, coal mine ventilation air oxidation device and ventila-tion air methane power gene