我国低浓度煤矿瓦斯利用技术研究

韩甲业 应中宝

(1．国家安全生产监管总局信息研究院，北京 100029;2．河南省新郑煤电有限责任公司，河南 451184)

煤矿瓦斯是煤炭开采过程中，从煤层及围岩涌入矿井巷道和工作面的以甲烷为主的气体，它既是煤矿安全生产的主要威胁，还是一种重要的热值高、无污染的清洁能源。大力开发利用煤矿瓦斯，对于推进煤矿安全发展、清洁发展、有效缓解我国能源日趋紧张状况有着极其重要的深远意义。由于30%以下的低浓度煤矿瓦斯存在爆炸危险，我国以及世界上其它国家以前主要利用浓度为30%以上的高浓度煤矿瓦斯。2005年以来，随着科技发展，低浓度瓦斯安全输送及安全利用技术逐渐成熟，2010年国家安全生产监督管理总局对《煤矿安全规程》相关条款进行修改，取消了对煤矿瓦斯利用浓度的限制，给低浓度瓦斯发电提供了法规保障。

1 我国煤矿瓦斯利用现状及存在的问题

“十一五”以来，随着党中央和国务院对煤矿安全生产的日益重视以及煤矿瓦斯抽采利用优惠政策的陆续出台，我国煤矿瓦斯抽采利用出现跨越式发展。2006年，煤矿瓦斯抽采量为32亿m3，2011年煤矿瓦斯抽采量达到92亿m3，增长了近3倍;煤矿瓦斯利用量也由2006年的11.5亿m3，增长到2011年的35.0亿m3。

但是，分析近几年瓦斯利用情况可以发现，随着我国煤矿瓦斯抽采量的增加，煤矿瓦斯利用措施还需进一步加强。2006年煤矿瓦斯利用率约为35.9%，随后几年瓦斯利用率逐年降低，2009年的煤矿瓦斯利用率下降到29.9%，2011年虽然煤矿瓦斯利用率返回到38.0%，但是还有57亿m3的煤矿瓦斯被直接排放到大气中。出现这种情况，最主要的原因之一我国煤层赋存条件较为复杂，煤层渗透率较低，平均在0.002～16.17mD，由于赋存条件和抽采技术水平的限制，中国各矿区普遍存在煤矿瓦斯抽采难度大、抽采出的瓦斯浓度较低(小于30%)的问题。由于当前低浓度瓦斯利用方式大多尚处于工业示范阶段，没有大范围推广，导致每年抽采出的大量低浓度瓦斯直接排放到大气中。

2 低浓度煤矿瓦斯安全输送技术分析

安全输送技术是低浓瓦煤矿斯加工利用的关键工艺环节，它的配置是否合理，运行是否安全、可靠，即关系到发电机组的正常运行，又影响到瓦斯抽采系统的安全，对瓦斯综合利用起着关键性作用。目前，比较成熟的低浓度瓦斯输送技术有两种，一种是由胜动集团研发的“细水雾低浓度瓦斯安全输送技术”，另一种是由煤矿瓦斯治理国家工程研究中心研发的“气水二相流低浓度瓦斯安全输送技术”。这两种输送方式均是以水作为安全介质。

2.1 细水雾低浓度瓦斯安全输送技术

该技术原理是在低浓度煤矿瓦斯输送过程中，细水雾输送管道中出现由于湿式、干式阻火器失效而过来的火焰时，通过细水雾对火焰的冷却和稀释实现低浓度煤矿瓦斯的安全输送。即细水雾在汽化的过程中，从燃烧物表面吸收大量的热量，从而使燃烧周围温度迅速降低，当温度降至燃烧临界值以下时，热分解中断，燃烧随即终止;火焰进入细水雾后，细水雾迅速蒸发形成蒸气，由液相变为气相，气体急剧膨胀，最大限度地使燃烧反应分子在空间上距离拉大，抑制火焰。另外，该技术还可同时消除输送管道的静电。

细水雾低浓度瓦斯安全输送技术于2005年12月通过国家安全生产监督管理总局组织的院士专家组的鉴定，2009年被国家安全生产监督管理总局发布为行业标准，目前全国细水雾低浓度瓦斯安全输送系统应用已超过1000套。

2.2 气水二相流安全输送技术

该技术采用气水二相流技术输送煤矿低浓度瓦斯，使水流在瓦斯输送管道内附壁连续流动，形成环形水流，低浓度瓦斯气体在环形水流腔中流动，完全处于环形水流所形成的环形水封之中，沿输送方向上每隔30～50m，以柱状水团隔断气流，并形成端面水封，低浓度瓦斯在所述环形及端面水封中形成间歇性柱塞气流，从而实现煤矿低浓度瓦斯的安全输送。

气水二相流安全输送技术于2008年4月在淮南矿业集团谢桥煤矿进行了工业性运行试验，至今已建立实验、试验装置7套，目前正在申请国家行业标准和国际标准。

3 当前主要低浓度煤矿瓦斯利用技术分析

目前比较成熟或处于工业示范阶段的低浓度煤矿瓦斯利用技术主要包括内燃机直接发电技术、浓缩提纯技术和催化氧化气轮机发电技术等，其中低浓度煤矿瓦斯浓缩提纯技术和低浓度煤矿瓦斯催化氧化发电技术尚处于技术可行性验证的工业示范阶段。

3.1 内燃机直接发电技术

煤矿瓦斯浓度在5%～16%之间易于爆炸，当甲烷浓度在9%左右时爆炸威力最强，其速度可达2000～3000m/s，同时产生巨大的能量，低浓度煤矿瓦斯内燃机直接发电技术是利用这一特性推动引擎做功，实现化学能像电能的转换。

在低浓度煤矿瓦斯内燃机直接发电方面，中国率先取得突破。胜动集团是世界上第一家成功研制低浓度瓦斯发电机组的公司，可将浓度高于6%的低浓度瓦斯转换成电能。国内研制低浓度瓦斯发电机组的厂家还有济南柴油机厂、南通宝驹气体发动机厂、河南柴油机重工等。另外，由于看好“十二五”期间中国低浓度煤矿瓦斯发电的巨大市场，美国卡特彼勒公司也开始涉足低浓度瓦斯发电领域，研发了适用于10%以上浓度范围的低浓度瓦斯发电机组。

3.2 浓缩提纯技术

低浓度煤矿瓦斯浓缩提纯技术主要有深冷分离技术、膜分离技术、变压吸附 (PSA)技术和真空变压吸附 (VPSA)技术四种，其中真空变压吸附(VPSA)技术是对变压吸附 (PSA)法进一步优化的气体分离浓缩技术，目前已在制富氧、制CO2等工业装置上广泛应用。

当前，真空变压吸附 (VPSA)技术提纯低浓度煤矿瓦斯已在淮南矿业集团实现了工业性试运行，是一种比较成熟的技术。该项目于2011年4月试运行，可把甲烷浓度为12%的低浓度煤矿瓦斯提纯到30%用于民用，项目产能为1800Nm3/h。其主要技术原理为低浓瓦斯在常压下被吸附后，采用抽真空方式提高瓦斯纯度，即利用抽真空的办法降低被吸附组分的分压，使被吸附的组分 (CH4)在负压下解吸出来。

另外，四川天一科技股份有限公司正与通用电气公司合作研发低浓度煤矿瓦斯变压吸附提纯发电技术，日本大阪燃气株式会社与辽宁阜新煤业集团在2009年进行了低浓度煤矿瓦斯变压吸附提纯试验，把浓度范围在20%～30%的低浓度瓦斯提纯到45% ～55%。

3.3 催化氧化气轮机发电技术

低浓度煤矿瓦斯 (2%)催化氧化气轮机发电技术是由日本川崎重工业株式会社研发的，主要工作原理是低浓度瓦斯装置采用催化燃烧技术，将甲烷和空气中的氧气吸附在催化剂表面，利用催化剂的强氧化功能，使燃料低温氧化，不产生NOx，也没有火焰。主要工艺流程为燃气轮机自行吸入2%以上的低浓度瓦斯 (若瓦斯浓度高于2%，装置自动配入定量空气稀释)，通过催化燃烧燃气轮机发电。

4 低浓度煤矿瓦斯利用展望

根据我国《煤层气 (煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划》，煤矿瓦斯2015年抽采量要达到140亿m3，利用率达到60%以上。从目前煤矿瓦斯利用情况来看，如果不对低浓度煤矿瓦斯进行充分利用，仅靠利用技术相对成熟的30%以上的高浓度瓦斯，不管是民用、发电、提纯还是化工等利用方式，都不可能实现利用率60%这个目标。“十二五”期间，国家将会重点发展推广低浓度煤矿瓦斯利用技术，对低浓度煤矿瓦斯利用的政策扶持力度也肯定会加大。

5 结论与建议

低浓度煤矿瓦斯开发利用，不仅可解决煤矿开采安全和环境污染问题，而且能较大程度缓解我国天然气供需矛盾，优化能源结构，带动相关产业经济，具有重要的现实意义和深远的战略影响。

(1)在低浓度煤矿瓦斯几种主要利用方式中，内燃机直接发电技术最为成熟，成本相对较低，应用范围灵活广泛，是最有发展潜力的低浓度煤矿瓦斯利用技术。随着技术先进的卡特彼勒公司等国际大公司涉足低浓度瓦斯发电领域，将会进一步推动低浓度瓦斯发电机组向大功率、高参数化迈进。

(2)随着生活水平提高，居民对天然气等清洁燃料的需求日益增加，为缓解“气荒”、解决民生问题，低浓度煤矿瓦斯提纯民用技术“十二五”期间前景广阔。

(3)当前，浓度范围为2%～6%低浓度煤矿瓦斯利用技术还是市场空白，国家还需进一步加大科研攻关的力度。

［1］龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望［J］.矿业安全与环保，2010，8.

［2］兰治淮，刘清源，余兰金.变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用［J］.中国煤炭，2011，3.

［3］黄盛初，刘文革，韩甲业.中国煤层气 (煤矿瓦斯)开发利用现状及潜力研究［J］.2009第九届国际煤层气论坛论文集，2009.

［4］刘君.煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障技术［J］.山西煤炭，2011，5.