国内低浓度煤矿瓦斯利用技术和前景探析

摘 要：有关专家指出，曾身背煤矿“第一杀手”罪名的瓦斯，摇身一变成为清洁能源，不仅使煤矿提高了安全生产系数，也为全国煤炭行业的节能减排开辟了广阔空间。

关键词：

低浓度瓦斯；煤矿瓦斯；利用

中图分类号：P5

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2011）11-0264-01

1 煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状

1.1 煤矿低浓度瓦斯发电技术

瓦斯发电是煤矿低浓度瓦斯利用的最佳途径，目前瓦斯发电主要有3种方式：大功率燃气轮机发电、蒸汽轮机发电和往复活塞式内燃机组发电。利用燃气轮机和蒸汽轮机发电一次性投入大，建站周期长，要求燃气流量充足，只适合瓦斯抽采量大且气体成分较稳定的大型矿井。燃气轮机的热效率不超过30%，蒸汽轮机的热效率更低，仅为10%左右。

利用内燃机组发电，一次性投入低，建站周期短，内燃机组台数和功率范围可根据瓦斯气量的大小进行确定，电站移动方便，非常适合大、中、小型煤矿。因此，内燃机组发电是目前解决瓦斯利用最佳途径。

1.2 煤矿低浓度瓦斯浓缩技术

我国有多家科研单位和大专院校一直在进行矿井低浓度瓦斯浓缩提纯技术及装备的研究，主要采用两方面的技术途径:①变压吸附浓缩技术;②低温液化分离技术。

1.2.1 变压吸附浓缩技术

变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术，在天然气领域有系列的装置可供选择。将该技术用在瓦斯提纯领域里，主要取决于其经济合理性和安全可靠性。低浓度瓦斯气体的提纯工序复杂，经济性成本较高。根据煤炭科学研究总院抚顺分院的实验，制取体积分数80%的瓦斯，原始气体积分数为30%时，回流比为0.43;原始气体积分数为20%时，则回流比为0.72，效率降低2/3。此外，低浓度瓦斯中含有O2，在变压吸附过程存在一定安全隐患。

1.2.2 低温液化分离技术

低浓度煤层气含氧液化工艺是先将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组分蒸发温度的不同，在精馏塔内将它们分离。其工艺与目前采用的先除氧再液化或者先采用变压吸附浓缩再液化的工艺相比，具有液化甲烷纯度高、回收率高、成本低、占地面积小的突出优点，与目前已有的分子筛脱碳脱水以及膨胀机制冷的含氧液化工艺相比，具有工艺流程更合理、能耗低、运行成本低的优点。

1.3 低浓度瓦斯燃（焚）烧技术

煤矿抽出的低浓度瓦斯由于不能利用而直接排空，对煤矿排空瓦斯进行焚烧有利于实现减排目标，改善大气环境。据相关研究成果表明，CH4的温室效应是CO2的21倍，1亿m3CH4相当于150万tCO2。由此可见，当瓦斯无法利用、瓦斯利用装置停止运行、瓦斯需求量减小或瓦斯品质过低，而使大量煤矿抽放瓦斯排入大气时，利用瓦斯燃烧设备将排空瓦斯进行焚烧，最大限度地减排CH4，减少温室效应，将取得较好的环境效益。

目前的火炬焚烧技术，从燃烧安全的角度考虑，都要求可燃气体的浓度必须高于其爆炸上限。对于煤矿排放的低浓度瓦斯，大部分瓦斯的CH4浓度处于爆炸界限内，低浓度瓦斯焚烧还存在技术障碍。

所以，瓦斯排放标准暂未对低浓度瓦斯排放进行限制。多孔介质预混燃烧是近10几年来发展起来的新型燃烧技术，采用了新的燃烧理论，是一种新颖独特的燃烧方式，可以提高燃烧效率，降低污染，扩展贫燃极限，甚至可以燃烧极低浓度可燃性气体。目前在国内外引起了燃烧和工程热物理界的高度重视，该项技术将为低浓度瓦斯焚烧提供可行的技术途径。

1.4 矿井乏风瓦斯利用技术

矿井乏风瓦斯，是指在煤矿生产过程中随矿井通风排入大气中的瓦斯，简称VAM。煤矿VAM排放量巨大，既是未被利用的能源资源，也是严重危害环境的温室气体，利用VAM、减少排空对全世界都具有重大意义。煤矿乏风瓦斯氧化技术的研究对象为煤矿回风井排出的浓度低于1%的乏风瓦斯，主要采用热逆流氧化反应器和催化热逆流氧化反应器，将氧化反应产生的热量通过高性能的蓄热材料蓄积，用于预热乏风瓦斯，形成交替循环自热氧化（初期需要预热），多余的热量通过在反应器内植入换热管或在尾气排放管安设热交换器等方式取出，用于供热或发电等。

2 煤矿低浓度瓦斯利用技术研究前景展望

（1）瓦斯发电将是低浓度瓦斯利用的主要技术途径，随着煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统相关标准的颁布实施，将极大地促进低浓度瓦斯利用的发展。今后需要对低浓度瓦斯发电机组进行改进完善，提高发电效率和安全可靠性。

（2）今后低浓度瓦斯利用将向综合利用方向发展，研制小型一体化利用装置，集瓦斯净化、浓缩、液化、发电于一体，实现瓦斯的综合利用和梯级利用，提高瓦斯利用的经济效益。即先利用低浓度瓦斯发电，利用发出的电将低浓度瓦斯浓缩成高浓度瓦斯，再将高浓度瓦斯进行液化分离，分离出来的N2还可以用于煤矿井下防止煤层自然发火。

（3）低浓度瓦斯燃（焚）烧技术的研究目前还处于起步阶段，随着今后研究工作的不断深入，必将取得重大技术突破。一旦技术上取得突破，今后可以将低浓度瓦斯用于工业燃烧领域，为低浓度瓦斯利用开辟一条新的利用途径。

（4）矿井乏风瓦斯利用技术具有较好的发展前景，将成为今后较长一段时间的研究重点。国家已投入大量人力和财力进行协同攻关，将促进这一技术尽快实现工业化应用。

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