低浓度瓦斯利用技术在我国的应用及现状王延廷.doc

低浓度瓦斯利用技术在我国的应用及现状安全072 王延廷摘 要:介绍了我国煤矿抽采瓦斯利用存在的问题和煤矿低浓度瓦斯利用的主要技术途径,详细分析了煤矿低浓度瓦斯利用技术的研究现状,并对今后的利用前景进行了客观展望。关键词:低浓度瓦斯利用;现状;前景 1、煤矿瓦斯利用现状我国是一个产煤大国, 矿井瓦斯是煤矿安全生产的最大隐患。国家对煤矿瓦斯抽采工作非常重视,将其作为治理瓦斯的根本措施,提出了“先抽后采、 能抽尽抽、 以用促抽”的12字方针,并制订了煤矿瓦斯抽采基本指标等一系列标准和法规, 加大了瓦斯抽采工作的力度, 煤矿瓦斯抽采量逐年大幅度增加。2006年全国煤矿瓦斯抽采量为32.4亿/m3;2007年全国瓦斯抽采量为47.35亿/m3,其中井下瓦斯抽采量为44亿/m3; 2008年全国瓦斯抽采量达到55亿/m3,其中淮南、阳泉、松藻、水城和宁煤 10家重点煤矿瓦斯抽采量超过1亿/m3。我国煤矿瓦斯利用起步较早,从20世纪 50年代就开始利用, 但瓦斯利用率非常低,目前只占瓦斯抽采量的1/3左右。2006年瓦斯利用量为11.5亿/m3,利用率为35.49%;2007年瓦斯利用量为14.46亿/m3,占30.54% (其中井下抽出瓦斯利用量为13亿/m3,占30.2 % ); 2008年瓦斯利用量为16亿/m3,占29.09 % ,瓦斯利用率还略有下降。另据统计资料分析,2006年全国重点煤矿抽出的瓦斯累计利用量为6.15亿/m3, 利用率为23.53% ,其中民用瓦斯4.74亿/m3, 占77.07 %; 发电用瓦斯1.41亿 m3,占22.93 %。我国瓦斯利用仍以民用为主。造成我国煤矿瓦斯利用率低的主要原因: 一是大部分煤矿远离城镇,民用瓦斯规模难以扩大;二是煤矿抽采瓦斯浓度普遍较低 ( CH4 ) 30 % ,称为低浓度瓦斯),且浓度不稳定,难以满足工业利用和化工产品的要求。我国煤矿瓦斯排放量居世界首位, 大量的低浓度瓦斯排放不仅浪费了宝贵的清洁能源, 同时也加重了全球温室效应的影响。因此, 结合我国煤矿低浓度瓦斯的排放特点, 从技术及经济角度研究适宜的瓦斯利用技术, 对加强我国煤矿抽放瓦斯和风排瓦斯的资源化利用,具有十分的重要意义。2、煤矿低浓度瓦斯利用的技术途径1)瓦斯发电。采用煤矿低浓度瓦斯发电机组和输送安全保障技术,实现低浓度瓦斯发电,目前在技术是可行的,以后将成为低浓度瓦斯利用的主要技术途径。2)瓦斯浓缩。采用变压吸附技术和低温液化分离技术, 将煤矿低浓度瓦斯浓缩成高浓度瓦斯,作为民用燃料和化工原料等。3)掺混燃烧。将煤矿低浓度瓦斯作为工业锅炉的辅助燃料, 与煤炭掺混燃烧,进行发电或其他热能利用。4)瓦斯氧化利用。将抽排的低浓度瓦斯, 与煤矿乏风瓦斯混合后,进行氧化反应,利用氧化反应产生的热能,进行发电、 制冷和制热, 进行热量的阶梯利用。3、煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状目前,我国在煤矿低浓度瓦斯利用技术的研究主要有: 一、 煤矿低浓度瓦斯发电技术; 二、煤矿低浓度瓦斯浓缩技术; 三、煤矿低浓度瓦斯燃 (焚 )烧技术; 四、矿井乏风瓦斯利用技术。3.1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。由于低浓度瓦斯中的主要可燃成分 CH4 含量低,成分随机性变化较大,难以采用常规的燃气发动机进行发电。山东胜利动力机械厂根据煤矿抽出的低浓度瓦斯的特点,专门研制了一种低浓度瓦斯发电机组,功率为 500 kW。该发电机组在进气方式上采用了具有自主知识产权的微电子控制技术,能根据瓦斯浓度的变化自动调节混合气的空燃比,较好地解决了传统燃气机因可燃气体浓度变化而造成发动机熄火、爆燃、排气管放炮、 进气管回火等安全问题。但是, 由于我国现行煤矿安全规程第 148条规定:利用瓦斯时, 瓦斯浓度不得低于 30 %。因此,煤矿低浓度瓦斯发电技术在我国推广应用还存在一定的政策限制。胜利动力机械集团有限公司采取多级阻火装置,较好地解决了低浓度瓦斯发电机组本身的安全问题, 但主要安全隐患存在于低浓度瓦斯输送管道系统。低浓度瓦斯利用时, 利用端可能产生的火源会使整个输送管路系统中的低浓度瓦斯处于非常危险的状态, 一旦发生爆炸, 将造成重大损失。因此,低浓度瓦斯利用必须具有能够确保瓦斯输送安全的技术和设备设施。为此, 煤炭科学研究总院重庆研究院与山东胜利动力机械集团共同承担了国家发改委的重点科研项目- 低浓度瓦斯安全输送成套技术与装备研制。煤炭科学研究总院重庆研究院建立了低浓度瓦斯输送管道爆炸试验系统,管道直径分别为 500 mm和 700mm。通过研究输送管道低浓度瓦斯燃烧爆炸和传播特性及阻爆机理, 开发了瓦斯输送管道安全保障系统监测监控技术及装备、 管道泄爆阻爆技术及装备、 管道瓦斯自动快速切断技术及装备和管道瓦斯爆炸传播喷粉抑制技术及装备。采用 多级防护、 可靠性优先!的原则,对相应的安全装备进行优化组合,形成绝对可靠的安全保障系统。并在此基础上制订了以下相关标准:1) 煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范;2) 瓦斯管道输送水封阻火泄爆装置技术条件;3) 瓦斯管道输送自动阻爆装置技术条件;4) 瓦斯管道输送自动喷粉自动阻爆装置通用技术条件;5) 煤矿低浓度瓦斯与细水雾混合安全输送装置技术规范;6) 煤矿瓦斯输送管道干式阻火器通用技术条件;7) 瓦斯输送管道安全监控系统通用技术要求。“低浓度瓦斯安全输送成套技术开发与装备研制”项目已于 2009年 7月进行了鉴定, 相关标准的报批稿也已上报国家安全生产监督管理总局等待审批。一旦这些标准获得国家安全生产监督管理总局的批准并发布执行, 下一步将对现行煤矿安全规程中关于瓦斯利用的相关条款进行修改, 消除煤矿低浓度瓦斯发电技术的政策限制, 从而将大力促进低浓度瓦斯发电技术在我国的推广应用。3.2 、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: 一、变压吸附浓缩技术;二、 低温液化分离技术。3.2.1、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。我国最先从事煤矿低浓度瓦斯变压吸附浓缩技术研究的是西南化工设计研究院。早在20世纪 80年代, 西南化工设计研究院就已开发成功变压吸附法( PSA)浓缩煤层气中 CH4的技术,并为河南焦作矿务局提供了瓦斯处理量为500m3/h(标准状态)的第1套瓦斯浓缩装置, 于 1987年试车成功。该装置可以将瓦斯气中CH4体积分数从 20%提高到50%-95% ,浓缩后的富 CH4 气热值相当于城市煤气的热值水平。近年来西南化工设计研究院又在开展低浓度煤层气脱氧技术的研究,通过消耗部分瓦斯与O2发生氧化反应而脱出O2, 从而保证变压吸附过程中的安全问题。此外,太原理工大学、 北京科技大学也在开展变压吸附浓缩技术的研究。太原理工大学拟将变压吸附浓缩技术用于煤矿井下, 采用井下移动制氮技术进行抽出瓦斯的浓缩分离。北京科技大学拟采用真空变压吸附技术对煤矿乏风瓦斯进行浓缩分离。3.2.2、低温液化分离技术2000年以来, 随着低温深冷技术的成熟和发展,美国等西方发达国家针对煤层气的特点, 相继开发了小型液化分离系统, 综合开发和利用煤矿低浓度瓦斯。中科院理化技术研究所是我国从事低温技术研究与大型低温系统开发的主要单位,最早在国内建成两套小型天然气液化装置。针对我国煤层气资源的特点,中科院理化技术研究所的科技人员开展了含氧煤层气液化分离试验研究。2002年中科院理化技术研究所开始研发含氧煤层气液化分离技术, 在计算机上仿真实际液化分离过程,积累了大量的与实际相吻合的数据。采用氮气膨胀制冷循环和低温精馏的方法完成了含氧煤层气的分离与液化工业试验装置的设计工作。2005年,中科院理化技术研究所与山西晋城煤业集团合作,开展含氧煤层气液化分离试验,计划在寺河矿建设日处理量为50000m3的工业试验装置(后于2006年在寺河矿建成日处理量4300 m3的工业试验装置)。同年又与北京赞成国际投资有限公司合作,采用不同于晋城煤业集团的流程方案,在阳煤五矿建成了日处理量为4300m3的工业试验装置。哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所于2007年8月新建一个天然气液化技术试验中心-哈工大-大庆肇州液化天然气试验中心。该中心拥有1套日产20m3LNG油田伴生气液化装置和日产5m3的煤层气液化装置。其中日产5m3LNG液化装置是针对低浓度煤层气设计的, 包括煤层气净化液化、精馏和贮存4个部分,全部采用可移动的橇装模块式结构,可在不同气源地重复安装使用。此外,煤炭科学研究总院重庆研究院正与中科院理化技术研究所合作, 拟在原来研究的基础上, 针对存在的问题,开展进一步的技术攻关,争取在技术上取得新的突破。3.3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m3CH4 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。为了控制煤层气(煤矿瓦斯)排放, 促进煤层气利用,国家环境保护部、 国家质量监督检验检疫总局于 2008年 4月颁布了煤层气 (煤矿瓦斯)排放标准(暂行 ) , 对高浓度瓦斯 ( ( CH4 ) )30 % )禁止排放。因此, 对无法利用的高浓度瓦斯只有采用焚烧技术进行销毁处理。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。煤炭科学研究总院重庆研究院目前正在从事低浓度瓦斯焚烧技术的研究, 拟采用多孔介质预混燃烧技术,并研制阻火型燃烧器和与之配套的输送安全保障技术,保证煤矿排放的低浓度瓦斯能够安全焚烧。3.4、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。由于 CH4 浓度低( ( CH4 ) 0. 75 % ) ,采用传统技术无法利用。我国煤矿乏风瓦斯排放量巨大, 目前每年排放量大约在100亿-150亿/m3。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。世界上许多国家都在开展矿井乏风瓦斯利用技术的研究。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。我国在 VAM 转化领域的研究还处于起步阶段,山东理工大学和胜利动力机械集团有限公司等单位最早开展这方面的研究,于 2007年 8月开发出相关产品, 并在阜新矿业集团公司王营矿进行了现场工业性试验。该氧化装置连续运行处理能力为12 500 m3/h , ( CH4 ) =0.25 %-0.6%。2009年初胜动集团又研制出处理能力为 60 000 m3/h氧化装置,并计划在陕西彬长矿区大佛寺煤矿安装 10台氧化装置。目前第 1套氧化装置正在大佛寺煤矿安装调试。煤炭科学研究总院重庆研究院、 中科院大连化学物理研究所、 工程热物理研究所、 中国科技大学和西南化工设计研究院等单位也在开展乏风瓦斯利用技术的研究工作,目前大都还处于实验室研究阶段。4 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