1、低濃瓦斯綜合利用新技術研究王玉麟（煤炭工業合肥設計研究院，230041）摘要：針對兩淮礦區低濃瓦斯利用和乏風利用的關鍵技術難題，以提高低濃瓦斯以及乏風的利用率為目的，對低濃瓦斯增濃、低濃瓦斯輸送和礦井乏風甲烷氧化技術進行了研究，并調研了國內外相關技術的研究進展情況。關鍵詞：低濃瓦斯；乏風；增濃；輸送；甲烷氧化；綜合利用2008年3月，煤炭工業合肥設計研究院組織一批技術骨干，針對兩淮礦區低濃瓦斯利用和乏風利用的關鍵技術難題，從建立高產、高效礦井的要求出發，以提高低濃瓦斯以及乏風的利用率為目的，對低濃瓦斯增濃、低濃瓦斯輸送和礦井乏風甲烷氧化技術進行了研究。該項目獲得安徽省兩淮煤礦低濃瓦斯綜合利用研

2、究專項資金。1項目研發的背景、目的和意義1.1背景瓦斯的主要成份為甲烷（CH4），是煤的共伴生資源。它既是威脅煤礦安全生產的氣體，又是可直接應用的潔凈能源和優良的化工原料。煤礦低濃度瓦斯是相對于煤礦安全規程第一百四十八條 “瓦斯利用時, 瓦斯濃度不得低于30%”而言的,指甲烷濃度低于30%的煤礦抽采瓦斯。由于其中涵蓋了甲烷濃度處在5%16%區間范圍的爆炸危險性氣休,出于安全考慮，一般被禁止利用。2005年全國煤礦瓦斯抽采量達30多億m3，其中至少2/3為甲烷濃度低于30%的煤礦低濃度瓦斯,由于其不允許利用,導致煤礦瓦斯利用率低。然而, 真正能做功的瓦斯濃度就是5%-16%,不管是瓦斯燃燒,還是

3、在汽缸內爆燃盡皆如此。不能爆炸的瓦斯濃度，也就不能有效地燃燒。即使是高濃度瓦斯或是天然氣，也必須與空氣充分混合或接觸才能形成燃燒和爆燃。乏風就是甲烷濃度低于0.75%的煤礦通風瓦斯。我國每年通過乏風排入大氣的甲烷約為100-150億立方米，相當于1140-1700萬噸標準煤，而且基本沒有利用。隨著國家對能源的需求越來越大，不斷發展分布式能源成為節約能源、解決當前能源危機的主要途徑之一，而豐富廉價、現實存在的乏風資源就是可靠的氣源保證。然而由于煤礦乏風甲烷含量極低，如果進行分離提純，耗能要遠遠超過獲取甲烷的能量，很不經濟。另外這種濃度的甲烷不能直接燃燒，所以長期以來只能空排，造成了巨大的能源浪費

4、和環境污染。目前兩淮各個礦區瓦斯利用項目所利用的瓦斯基本都為高濃度瓦斯。低濃度瓦斯與乏風因受技術制約，目前利用十分有限，在瓦斯中占絕大多數的低濃度瓦斯全部放空排散。以淮南礦區為例，淮南煤礦瓦斯賦存量高達5928.25億m3。全煤田有謝李區、潘集深部區、謝橋張集深部區三個高瓦斯含量區。淮南礦業（集團）有限責任公司下屬各礦井2007年瓦斯抽采抽放情況見表1。由表可以看出，低濃瓦斯抽采量遠大于高濃瓦斯抽采量，而目前其下屬礦井共建成瓦斯發電站8座，合計總裝機規模為22432kW，其中高濃瓦斯發電機組裝機規模為19432kW，低濃瓦斯發電機組裝機規模僅為3000kW。由此可見，目前低濃瓦斯利用率極低。同

5、時，各個礦區乏風風量都很大，均未能利用，直接排放，造成嚴重的資源浪費和環境污染。表1 2007年淮南礦區瓦斯抽采抽放現狀表1.2目的進行低濃瓦斯增濃和輸送技術的研究目的在于更加安全方便地利用低濃度瓦斯，乏風甲烷氧化利用技術的研究目的在于充分利用乏風，拓展瓦斯綜合利用的方式，有效地利用煤礦乏風。提高礦井瓦斯利用率，增加瓦斯發電量，節約國家電力資源。減少低濃瓦斯及風排瓦斯排放量，降低礦區及周邊地區污染程度。1.3意義進行低濃瓦斯增濃和輸送技術以及乏風甲烷氧化利用技術的研究主要有以下意義：符合國家節能減排政策黨中央國務院高度重視節能減排工作，把節約資源和保護環境作為基本國策，實行節能減排是黨中央國務

6、院為貫徹落實科學發展觀，實現經濟增長方式根本性轉變而提出的一項重大戰略任務。依據國家發改委、環保總局聯合下達的發改環資20071456號關于印發煤炭工業節能減排工作意見的通知精神，為貫徹和落實科學發展觀，加快推進節能減排工作的開展，促進經濟增長方式轉變，按照國務院關于加強節能減排工作的決定（國發200628號文）、國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知（國發200715號文）要求,國家發展改革委員會同國家環保總局等有關部門和省級人民政府，在重點行業、重點領域組織開展節能減排工作。國際國內環境保護的要求眾所周知，溫室效應、臭氧層減薄、酸雨是當今世界影響大氣的三大問題。為此，1997 年12

7、月，149個國家和地區的代表在日本東京召開聯合國氣候變化框架公約締約方第三次會議，通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的京都議定書，京都議定書規定，到 2010 年，所有發達國家排放的二氧化碳等 6 種溫室氣體的數量，要比 1990 年減少 5.2%，發展中國家沒有減排義務。2005 年 2 月 16 日京都議定書正式生效。作為聯合國氣候變化框架公約的一個最主要的具體成果，京都議定書的生效在國際環保領域具有里程碑式的意義。礦區安全生產的要求 兩淮大部分煤礦富含低濃瓦斯，低濃瓦斯被白白排放到大氣中，既浪費了大量潔凈能源，又污染了大氣，十分可惜。本項目的研究與應用不但可以有效利用兩淮

8、地區各煤礦煤層的潔凈能源，而且為低濃度瓦斯利用開辟了一條新的途徑，經濟效益和環境效益是巨大的。 為了解決礦井排空瓦斯造成的浪費和對環境污染問題，在治理礦井瓦斯災害的同時，將原煤生產的“廢物”變為綜合利用的資源“寶”。利用低濃瓦斯發電可以使抽放瓦斯成為盈利工程，抽放的瓦斯越多，產生的經濟效益也就越好，可以形成良性循環。有了經濟杠桿的作用，就能進一步調動抽放瓦斯的主動性，促進煤礦安全生產，少發生或不發生因瓦斯爆炸事故。因此最大限度地利用資源，結合礦井擴能綜合改造工程，本項目的研發是十分必要的。2項目相關技術情況2.1國內相關技術概況國內對低濃度瓦斯利用技術除了用于輔助燃燒或直接作為主要燃料燃燒之外

9、，從技術成熟度、適用性、產品需求以及經濟性考慮，低濃度瓦斯發電技術將是未來的主流發展趨勢，但需要從政策激勵、制定標準等方面予以支持。要將低濃度瓦斯利用技術與CDM項目開發相結合，以提高低濃度瓦斯利用的經濟性。要盡快出臺低濃度瓦斯安全輸送技術標準，制定煤礦瓦斯排放控制標準。 為貫徹落實國家發展改革委、環保總局關于印發煤炭工業節能減排的工作意見的通知要求，促進煤礦瓦斯利用，減少煤礦瓦斯排放，2007年8月9日10日，國家發展改革委能源局、高技術產業司聯合在遼寧省阜新市召開了煤礦低濃度瓦斯利用技術研討會。會議強調，為合理高效利用瓦斯資源，減少瓦斯排放，實現煤礦瓦斯的節能減排，一要加強煤礦低濃度瓦斯（

10、特別是風排瓦斯）利用技術研究；二要加快煤礦低濃度瓦斯安全輸送和利用相關技術標準制定；三要加強煤礦瓦斯排放控制標準制定過程中的溝通與協調；四要加快低濃度瓦斯利用和礦井乏風回收利用的CDM方法學開發研究。在礦井低濃度瓦斯增濃技術的研究方面，太原理工大學已和陽泉礦務局簽定了“礦井低濃度瓦斯濃縮提純抽放技術及裝備研究項目合作意向書”,目前項目正在研究階段。在礦井低濃度瓦斯安全輸送技術的研究方面，2006年10月18日勝利油田勝利動力機械有限公司已經在此領域申請了一項實用新型專利。該專利是一種煤礦瓦斯用的細水霧輸送裝置。屬于低濃度煤礦瓦斯長距離安全輸送技術領域，針對低濃度煤礦瓦斯長距離安全輸送技術難題，

11、該技術目前尚未大規模推廣使用。 截至目前只有為數不多的幾家國外研制單位進行了煤礦瓦斯氧化技術的研究和裝置開發，由于種種原因還沒有任何一項技術被應用于工業現場，更沒有推廣使用。在中國只有山東勝動集團研究完成的煤礦乏風甲烷氧化技術是目前國內唯一通過現場工業性試驗的技術成果，在可利用乏風濃度、氧化控制、熱量利用等方面取得了突破性進展。2.2國外相關技術概況美國煤礦從70年代開始，通過采煤前預抽和采空區井抽放回收礦井瓦斯。到80年代初，煤礦開始將抽出的優質礦井瓦斯注入了天然氣管道系統。目前美國煤礦每年的礦井瓦斯回收、利用用或銷售量已達到14億m3。雖然美國煤礦抽放出來的礦井瓦斯大部分都得到了利用，但美

12、國的井工煤礦通過煤礦通風，每年仍然排放24億m3的甲烷。因此美國環保局目前將這些礦井乏風中的甲烷，作為進一步降低甲烷排放的另一個重要目標。美國的一些地方將煤礦甲烷作為發電的燃料來使用。與輸入管道的礦井瓦斯不同，用燃氣輪機、內燃機、燃氣輪機發電不需要優質的礦井瓦斯，甲烷含量為30%的甲烷-空氣混合氣體即可用于發電。因此，采空區井抽放回收的礦井瓦斯都可用來發電。礦井瓦斯可以與煤在鍋爐中混和燃燒用來采暖和發電，加入鍋爐的礦井瓦斯可占總燃料的10%100%，這種方法特別適用于那些位于電廠或工業鍋爐附近的煤礦。 煤礦采空區的一些礦井瓦斯可以加以利用，但在大多數情況下這種礦井瓦斯中甲烷含量和數量多變，是一

13、種很難或無經濟利用價值的氣體。出于環保、衛生和安全原因的考慮，燃燒礦井瓦斯是減少煤礦甲烷排放的一種最經濟且技術可行的方法，這在世界許多工業中是一種標準的做法。與將礦井瓦斯排放到大氣相比，通過燃燒處理釋放的溫室氣體比直接排放降低7.5倍。最近的示范實驗表明，煤礦業主可安全地實施在控制下的采空區礦井瓦斯燃燒，以便有益于煤炭的開采安全和全球的環境。 Capricorn煤炭開發合資公司在澳大利亞昆士蘭中央煤礦試驗采空區井礦井瓦斯燃燒裝置。該燃燒裝置是Capricorn公司施工制造的，并在1998年12月開始運轉。燃燒裝置每天可燃燒來自采空區井10.2萬m3的甲烷。 在抽出的礦井瓦斯無法得到有效利用的情

14、況下，放空點燃不失為一種低成本甲烷減排方法，美國環保局將繼續扶持以放空點燃的方式安全地減少甲烷排放量。 由于礦井乏風中的甲烷含量非常低（一般小于1%），煤炭經營者們尚無一種完善技術的來回收這種氣體的能源價值。不過，經過十年多年研究現在的技術已能以較低成本減排甲烷。美國環保局考慮對礦井乏風的甲烷進行催化和熱反向流反應處理。這些技術能使用通風井中全部的甲烷，甚至達到100%，其副產品熱能則可用于發電或滿足當地采暖的需要。熱反向流反應技術采用氣體和熱交換介質固體床之間的再生熱交換原理。礦井乏風以一個方向流入和通過反應器，氣體溫度不斷提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的熱產品隨著繼續向床的另一邊移動而逐漸

15、降熱，直至氣體流動自動發生反轉。 熱力反應器采用甲烷自動點火溫度（1000攝氏度）工作。催化反應器能大量地降低自動點火溫度。采用熱交換技術的這兩種反應器均產生熱量，可用來滿足當地的采暖需要或用于當地的蒸汽或氣體透平機的發電。根據實驗室和現場的經驗，反向流反應技術的幾次示范性實驗結果已使這種方法接近商業化。 礦井乏風甲烷作為煤礦甲烷的最大排放源，盡管已經開發出了能夠將低濃度甲烷轉化成熱能的技術，并已經進行了示范，但大部分礦井乏風甲烷依然是直接排入大氣中。隨著煤礦礦井瓦斯抽放效率的提高，從技術上來說，以較低的成本大量減少井下礦井瓦斯排放是有可能的。美國環保局正積極支持礦井乏風甲烷減排，并期望在未來

16、幾年中能夠在實現礦井乏風甲烷減排產業化方面取得突破。煤礦低濃度瓦斯實質上是可以直接利用的, 但卻給安全輸送帶來極大的困難, 這至今仍是世界上尚未徹底解決的一大難題。國外的發達國家幾十年如一日, 始終把內燃式瓦斯發電濃度規定在大于30%, 不肯越雷池一步, 也是有其一定道理的。如能將煤礦低濃度瓦斯輸送轉化為本質安全型的輸送, 無疑是瓦斯利用行業上的一大突破, 瓦斯利用將從此不再受濃度范圍的禁錮, 利用量和利用率必將會大幅度上升。3項目研發的主要內容3.1礦井低濃度瓦斯增濃技術的研究本項目主要利用粗孔碳分子篩常溫變壓吸附空氣分離技術作為瓦斯增濃技術，從而將煤礦井下抽放出的低濃瓦斯氣體中的氧氣和氮氣

17、分離出去, 將瓦斯濃度由低于25% 提高到50% 以上。這不僅使低濃度瓦斯抽放時瓦斯增濃和直接利用成為可能, 而且由于抽出混合氣量減少, 也可使老抽放系統的線路長度及孔口負壓得到大大提高。碳分子篩是一種以煤為主要原料經過特殊加工而成的, 黑色、表面充滿微孔晶體的顆粒,是一種半永久性吸附劑。碳分子篩是屬于速度分離型的吸附劑, 當吸附質的性質相差不大時, 直徑較小的氣體分子擴散速度較快, 較多地進入分子篩的固相, 而直徑較大的氣體分子擴散速度較慢, 較少地進入分子篩的固相。根據碳分子篩孔隙結構的不同, 碳分子篩可分為粗和細孔兩種類型。兩種碳分子篩具有不同的分離機制。粗孔碳分子篩的孔隙較粗,氣體分離

18、的選擇能力可以從等溫吸附線來推算。細孔碳分子篩具有一種狹小瓶頸式孔隙, 氣體分離的選擇能力根據分子直徑與狹窄孔徑之比的不同, 氣體分子不同的擴散速率導致了氣體分離, 直徑小的分子被吸附得比直徑大的分子快。根據相關研究表明粗孔碳分子篩能很好應用于低濃瓦斯氣體的分離。圖3-1顯示了氫氣、氮氣、氧氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳在30下的純凈氣體等溫吸附線。圖3-1 不同氣體在粗孔碳分子篩的純凈氣體等溫吸附線低濃瓦斯氣體包含甲烷、氮氣、氧氣、二氧化碳及少量的鏈烴。瓦斯增濃實質上是一個甲烷與氮氣及氧氣的分離問題。主要利用粗孔碳分子篩變壓吸附空分技術,以粗孔碳分子篩為吸附劑, 采用常溫變壓吸附(簡稱PSA

19、)方法,利用氮氧分子和甲烷分子對分子篩的氣體擴散速度不同將氮氧分子分離的技術。根據粗孔碳分子篩的微孔結構特點, 當低濃瓦斯氣體在壓力的作用下進入粗孔碳分子篩時, 分子直徑較氮氧氣體稍小的甲烷氣體分子, 以較快的速度擴散進入分子篩的通道, 并優先被選擇吸附, 在吸附初始的短時內, 甲烷氣體分子迅速富集于碳分子篩顆粒內部, 而氮氧氣體分子則因未來得及被吸附, 在碳分子篩粒外富集, 甲烷被吸附而將富集的氮氧排出; 然后在降壓過程中, 將甲烷從分子篩中解析。如此經過升壓甲烷吸附排氮氧、均壓提效及降壓甲烷解析三個步驟, 將低濃瓦斯氣體分離開來。本項目研究重點為該瓦斯增濃技術的工業化應用工藝，項目同時將結

20、合目前國內外的先進技術，研究解決該瓦斯增濃技術兩個重要技術難點：瓦斯增濃過程中的防爆和具備適合煤礦井下使用的瓦斯濃縮設備。選擇具有典型的礦井開展試驗研究，開發一套粗孔碳分子篩變壓吸附瓦斯增濃的實用技術，拓展低濃瓦斯利用的途徑。3.2礦井低濃度瓦斯安全輸送技術的研究煤礦瓦斯的治理、開采和利用都離不開瓦斯輸送, 瓦斯輸送的難點在于低濃度瓦斯的安全輸送。細水霧安全輸送2006年10月18日勝利油田勝利動力機械有限公司已經在此領域申請了一項實用新型專利。該發明是一種煤礦瓦斯用的細水霧輸送裝置。涉及到細水霧發生器。由水環真空泵、阻火器、瓦斯管道、排空閥、輸氣閥、細水霧發生器、脫水器、除水器和連接法蘭組成

21、。水環真空泵的進口連接煤礦井下瓦斯管道，其出口連接阻火器，再連接瓦斯管道。瓦斯管道分兩路，一路連接排空閥，另一路依次連接阻火器、輸氣閥、細水霧發生器、脫水器、阻火器、除水器、阻火器和瓦斯發電機組。細水霧發生器由混合管道、噴霧嘴、控制閥、水管道、水泵、蓄水箱和水過濾器組成，并依次連接。使煤礦瓦斯不再排空，用來發電，節約能源，利于環保，經濟效益和社會效益顯著。但此發明還未能推廣普及，尚未解決低濃度煤礦瓦斯長距離安全輸送技術難題。煤礦低濃度瓦斯細水霧安全輸送業已經過工業性試驗, 證明是切實可行的。2005年11月1日, 淮南謝一礦低濃度瓦斯發電站利用細水霧安全輸送正式運行發電, 是為世界上第一家利用

22、煤礦低濃度瓦斯進行內燃式發電的瓦斯發電站, 開創了煤礦低濃度瓦斯安全輸送及發電的先河。低濃度瓦斯細水霧輸送及發電運行參數瓦斯濃度為7%16%, 瓦斯壓力為0.01MPa, 細水霧的水源壓力為1MPa。實踐證明:（1）低濃度瓦斯發電不僅是切實可行的, 而且較高濃度瓦斯發電運行更加平穩。（2）正是由于瓦斯濃度低, 汽缸內不會出現甲烷富余, 從而避免了尾氣放炮現象, 增加了發電機組發電過程中的安全性。（3）由于低濃度瓦斯的濃度波動小, 減少了瓦斯氣源濃度不穩定對瓦斯發電的影響。（4）在采取了干式限火器限火、細水噴霧限火、雷達水位控制防爆防回火、套管水封安全放散、彈簧壓力安全放散等一系列安全措施后,

23、低濃度瓦斯輸送也為試驗證明是本質安全的。水蒸氣安全輸送理論研究已經證明在煤礦瓦斯中加人30%以上體積分數的水蒸氣,無論瓦斯濃度為何值, 瓦斯都將失去燃燒和爆炸的特性。利用瓦斯的這一特性, 我們可以實現煤礦低濃度瓦斯水蒸氣本質安全型翰送。技術路線利用瓦斯發電的余熱獲取水蒸氣, 添加到瓦斯輸送管道中去以達到本質安全型輸送的目的。再利用瓦斯發電余熱制冷獲取冷量, 對瓦斯和水蒸氣的混合氣體進行脫水, 恢復瓦斯的燃爆性質, 供給瓦斯發電機組發電。利弊分析，優點是可實現煤礦低濃度瓦斯本質安全型輸送。缺點是配套系統復雜, 需要裝備余熱制水蒸氣系統、余熱制冷系統, 而且瓦斯發電機組啟動運轉前還必須有充足的水蒸

24、氣和電制冷裝置。氣水二相混流安全輸送煤礦瓦斯不溶于水, 通過濕式加壓把瓦斯壓人到循環水流中進行翰送, 不僅可以實現本質安全型軸送, 而且便于脫水, 系統簡單, 易于實現。惰化激活安全輸送業內己經研究成功煤礦瓦斯的惰化激活裝置。在煤礦低濃度瓦斯輸送的起始端安裝惰化裝置, 使瓦斯惰化, 惰化后的瓦斯失去爆炸性能在進入瓦斯利用設備之前安裝激活裝置, 激活后的瓦斯恢復爆炸性能, 便可直接進行利用。惰化激活裝置結構簡單, 便于安裝使用。但該項技術尚無實際應用范例, 仍處于專利保密階段，很多方面有待于進一步加強研究。本項目將圍繞以上低濃瓦斯輸送方式展開調研，綜合各種低濃瓦斯輸送方式的優缺點，結合國內外最新

25、技術以及兩淮礦井低濃瓦斯抽采特點，開發一套適用于兩淮地區礦井低濃瓦斯輸送的經濟實用技術，為后期礦井低濃瓦斯大規模的開發利用打下基礎。3.3礦井乏風甲烷氧化利用技術的研究煤礦通風瓦斯氧化裝置是利用放熱化學反應產生熱能進行工作的。設備主要結構由氧化床和控制系統兩部分構成。氧化床部分由外殼體、儲熱體、起動加熱器、內置換熱器、保溫層以及進、排氣管和進、出水管組成。控制系統由控制單元、溫度傳感器、甲烷濃度傳感器和控制閥門等組成。所有傳感器和控制閥門都有信號導線與控制單元連接。煤礦通風瓦斯進人氧化裝置的氧化床, 先用少量外部能量加熱啟動, 達到甲烷氧化反應溫度（1000左右）后停止電加熱, 通風瓦斯中的甲

26、烷繼續氧化反應, 生成二氧化碳, 產生的熱能被取出加以利用, 由廢變寶, 減少大氣污染。本項目根據具體礦井乏風中甲烷含量情況、現場冷、熱、電需求及其他實際條件，研究乏風甲烷氧化技術利用方式。重點在氧化熱生產熱能的利用方式，根據礦井對熱能的幾種不同需求，綜合考慮施工運行方便和投資回報最大化等因素，研究合理的熱能應用組合方式，為乏風甲烷氧化技術大規模工業化利用研究出一套切實可行的方案。圖3-2 煤礦乏風甲烷氧化制熱工藝流程圖4預期達到的技術水平和目標項目研究完成后，對兩淮礦區生產礦井的低濃瓦斯利用以及礦井乏風利用將起到很好的指導作用，極大提高兩淮礦區瓦斯利用率。項目實施后，兩淮礦區的煤礦瓦斯利用技術將達到國內先進水平。項目總體目標是：圍繞兩淮礦區建設，結合兩淮煤礦低濃