有关低浓度煤矿瓦斯的利用对策研究

【摘要】由于煤层条件和抽采技术水平的限制，我国抽采出的煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯占较大比例，要提高煤矿瓦斯利用率、增加清洁能源供应，必须进一步加大低浓度煤矿瓦斯的推广和扶持力度。本文对低浓度煤矿瓦斯安全输送技术、低浓度煤矿瓦斯发电技术、浓缩提纯技术和催化氧化汽轮机发电技术等利用技术进行了分析。

【关键词】低浓度煤矿瓦斯；输送；加工分离；转化利用

目前，随着我国煤矿业的快速发展，对低浓度瓦斯气体的利用也开始重视起来。虽然收集、利用技术已非常成熟，已形成各种浓度煤矿瓦斯的利用技术体系，但如何高效利用煤矿瓦斯是亟待解决的问题。不过也有相关技术可以支持煤矿瓦斯的高效利用，尤其是抽采浓度小于30%的瓦斯利用技术，浓度低于1%的通风回收技术，浓度在爆炸范围内的安全输送技术等。这些技术都有助于高效利用瓦斯。

一、安全输送技术

瓦斯爆炸范围在理论上是5%-16%，但实际情况会受到很多外在因素的影响，导致爆炸范围不仅在该范围内，要大很多，例如，工程上不允许浓度小于30%的瓦斯气体直接输送，要配备安全防爆技术设备，解决该问题的技术手段不是很多，目前应用较成熟的两项技术是瓦斯细水雾输送技术和气水二相流输送技术。

1.瓦斯细水雾输送技术

细水雾的组成成分是平均直径低于400nm且雾滴体积大于50%的雾滴，由于其组成成分的直径较小，使细水雾雾滴的表面积及密度都很大，当温度上升时，会迅速汽化，吸收大量热量，体积迅速膨胀到1700倍以上，导致该空间里的空气密度大大降低，从而起到了隔绝热辐射、降温冷却及隔氧窒息的作用，这样有利于减少管道输送过程中引起的静电，避免由自然或者人为因素引起的安全隐患，增强安全性。该技术是低浓度瓦斯通过水雾发生器等装置，在管道中与细水雾混合均匀后再进行输送。其优点包括：该技术能有效迅速避免管道内发生火灾且有效阻止火焰的外部扩散。瓦斯细水雾输送技术已有了大范围的应用。

2.气水二相流输送技术

气水二相流输送技术主要应用是输送正压管网，目前只应用在贵州部分煤矿及安徽淮南矿区。该技术分两个方向应用，首先水平方向，该技术的使用是通过环流设备确保水流沿着管道的内壁流动，进而形成环面水封，瓦斯气体流动于管道腔体内，确保瓦斯气体在环形水流的包裹下顺延管道内壁向前流动；其次垂直方向上，该技术应用柱流设备顺着气体流动方向每间隔30-50m会不间断形成水团，造成端面水封，进而有效分割管道内快速流动的瓦斯气体。该技术使低浓度气流与端面之间产生不连续的柱塞气流，在输送过程中产生稳固的气水两相流，这样有利于消除安全隐患，避免爆炸及燃烧，可以保证低浓度瓦斯气体的安全运输。

二、加工分离技术

有效利用低浓度瓦斯气体的方法还有就是利用浓缩提纯的方法来加大煤矿瓦斯中的天然气浓度，即甲烷的浓度，可以节能环保。现今，提纯浓缩瓦斯气体的方法主要有三种，即低温分离法、渗透分离法、吸附与解析法。低温分离是一种物理方法，低温使气体混合物冷凝液化为液体，然后根据不同组分的沸点进行蒸馏，从而达到分离的目的。渗透分离法是含有特殊渗透膜的装置，渗透膜只允许某种分子通过，分子小的能通过，分子大的不能通过，分别收集两侧气体，进而将他们分离。吸附与解析法是根据气体分子的不同直径，不同分子的表面吸附性能不同，用同一种吸附剂吸附该混合气体，将易吸附的物质吸附到吸附剂表面，等表面单分子层吸附饱和后便解析下来，进而分离混合气体。

三、转化利用技术

煤矿瓦斯的应用领域很多，主要用于发电、民用，也可作为汽车燃料、工业燃料及化工原料等。

1.燃气发动机技术

燃气发动机技术的开发主要应对瓦斯气体的浓度不均匀及压力不稳定等缺点，采用电子控制系统给燃料供给环节输送控制信号，加强步进电机对气体及空气流量的调节，可以保证氧气的体积是甲烷的两倍，实现精确控制。机组工作时，可以精确控制甲烷浓度处在爆炸极限之内，确保安全施工，电子点过后，内燃机可以连续活塞运动，进而引起曲轴旋转，使转子通过切割磁力线产生电能。燃气发动机虽然体积小，但是热效率高，且适应气体浓度多变性较强，主要用于小型电厂。如今，该技术的应用领域很广，特别是我国煤炭行业，据不完全统计，到2013年初，我们国家低浓度瓦斯气体发动机容量已超过880MW，胜动集团占了较大比例。可用于煤矿瓦斯发电的技术不仅是燃气发动机技术，也包括微型燃气轮机、大中型燃气轮机及热电联产等技术，只是不同的技术其热效率、装机容量都有所不同而已。

2.浓缩提纯技术

如何提纯浓度很低的瓦斯气体是关键，现今主要有膜分离技术、深冷分离技术、变压吸附法及真空变压吸附法这四种，真空变压吸附法是对变压吸附法的一个补充，是进一步的深化，如今已大幅度应用于制CO2及制富氧等工业中。

现在，用于浓缩瓦斯气体的VPSA技术已应用到工业中，在淮南矿业集团进行了工业运行，非常顺利，该技术已经很成熟。该技术的浓缩效果很好，可将浓度仅为12%的甲烷提纯浓缩为30%，可用于民用，已在三年前运行成功，其项目产能可达1800Nm3/ho，该技术的原理是采用低压使浓度提高，即在一个大气压下吸附剂吸附低浓度的气体，用抽压机抽真空减小压力，促使被吸附的成分所占的分压减小，被吸附的组分就会在负压下被解吸下来。

此外，在2009年，日本某燃气公司通过与辽宁阜新煤业公司合作，多次尝试瓦斯变压吸附浓缩实验，最终可以把浓度在20-30%的气体浓缩使浓度提高一倍左右。西南地区某科技公司正在与通用电气集团合作，正努力创造瓦斯气体的变压吸附提纯浓缩技术。

3.催化氧化汽轮机发电技术.

该发电技术的发电原理是在低浓度煤矿气体设备中使吸附剂吸附空气中的氧气及甲烷于催化剂表面，催化剂的强氧化性在低温下氧化燃料，不会有明火也不会有污染性气体，这就是催化燃烧法。其工艺流程是催化氧化汽轮机主动吸附低浓度的瓦斯气体，若不是低浓度该装置会自行输入空气减小浓度，然后利用催化燃烧技术发电。

小结

我国煤矿资源丰富，矿产行业产生的低浓度瓦斯气体的量也庞大，因为其存在安全隐患，热效率低且难以利用，该行业的主要难题是如何有效利用煤矿瓦斯气体。如今，低浓度瓦斯管道输送技术逐渐成熟，也使得其他技术均有所发展，例如瓦斯浓缩技术、热逆流反应器技术及燃气发动机技术等，现在提纯低浓度气体的技术已经很成熟，为大幅度利用煤矿瓦斯铺平了道路，逐渐解决了该难题。

参考文献

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