低浓度瓦斯利用技术在我国地应用及现状

1、word低浓度瓦斯利用技术在我国的应用与现状安全07 2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展了客观展望。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,;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,其中某某、某某、松藻、

2、水城和宁煤 10 家重点煤矿瓦斯抽采量超过1亿/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：一是大局部煤矿远离城镇，民用瓦斯规模难以扩大；二是煤矿抽

3、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，从技术与经济角度研究适宜 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

4、低温液化别离技术，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，进展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 进展氧化反响，利用氧化反响产生的热能，进展发电、 制冷和制热， 进展热量的阶梯利用。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。瓦斯发电是煤矿低浓度瓦斯利用的最优途径 ，目前瓦斯发电主要有3种方式：大功率燃

5、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X围可根据瓦斯气量的大小进展确定，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 用最优途径。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展发电。某某胜利动力机械厂 根据煤矿抽出的低浓度瓦斯的特点，专门研

6、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。低浓胜利动力机械集团某某采取多级阻火装置，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

7、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，煤炭科学研究总院某某研究院与某某 胜利动力机械集团共同承当了国家发改委的重点科研项目度瓦斯安全输送成套技术与装备研制。煤炭科学研究总院某某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 mr和700mm通过研究输送管道低浓 度瓦斯燃烧爆炸和传播特性与阻爆机理，开发了瓦斯输送管道安全 保障系统监测监控技术与装备、管道泄爆阻爆技术与装备、管道瓦 斯自动快速切断技术与装备和管道瓦斯爆炸传播喷粉抑制技术与装 备。采用 多级防护、可靠性优先

8、！的原如此,对相应的安全装备进展 优化组合,形成绝对可靠的安全保障系统。并在此根底上制订了以下 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 X;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X;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月进展了鉴定，相关标准的报批稿也已上报国家安全生产 监视管理总局等待审批。一旦这些标准获得国家安全生产监视管理总

9、 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 利用的相关条款进展修改，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展矿井低浓度瓦斯浓 缩提纯技术与装备的研究，主要采用两方面的技术途径：一、变压吸 附浓缩技术；二、低温液化别离技术。321、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，进展加压吸附、减压脱附。变压吸附技术目前被认为是比 拟成熟的技术，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

10、安全可靠性。低浓度瓦 斯气体的提纯工序复杂，经济性本钱较高。根据煤炭科学研究总院某 某分院的实验，制取体积分数80%的瓦斯，原始气体积分数为30%寸,回 流比为0.43;原始气体积分数为20 %寸,如此回流比为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,并为某某某某矿 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

11、斯气中CH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，通过消耗局部瓦斯与02发生氧化反响而脱出02,从而保证变压吸 附过程中的安全问题。此外,某某理工大学、科技大学也在开展变压吸附浓缩技术的研 究。某某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 动制氮技术进展抽出瓦斯的浓缩别离。科技大学拟采用真空变压吸附 技术对煤矿乏风瓦斯进展浓缩别离。3.2.2、低温液化别离技术2000年以来，随着低温深冷技术的成熟和开展，美国等西方兴旺 国家针对煤层气的特点，相继开发了小型液化别离系统，综合

12、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别离试验研究。2002年中科院理化技术研究所开始研发含氧煤层气液化别离技 术，在计算机上仿真实际液化别离过程，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 的别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某某某某煤业集团合作，开展含氧煤层气液化别离试验，计划 在寺河矿建设日处理量为 50000m3勺工业试验装置（后

13、于2006年在寺 河矿建成日处理量4300 m；的工业试验装置）。同年又与赞成国际投资 某某合作，采用不同于某某煤业集团的流程方案，在阳煤五矿建成了 日处理量为4300m3勺工业试验装置。某某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-某某肇州液化天然气试验中心。该 中心拥有1套日产20m3LN油田伴生气液化装置和日产5m3勺煤层气液 化装置。其中日产5m3LN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个局部,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,煤炭科学研究总院某某研究院正与中科院理化技术研究

14、所 合作，拟在原来研究的根底上，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 斯进展燃烧有利于实现减排目标，改善大气环境。据相关研究成果明 确,CH4的温室效应是 CO2的21倍,1亿m3CH4相当于150万tC02.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 备将排空瓦斯进展燃烧，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

15、部、 国家质量监视检验检疫总局于 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 用燃烧技术进展销毁处理。目前的火炬燃烧技术，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，大局部瓦 斯的CH4浓度处于爆炸界限内，低浓度瓦斯燃烧还存在技术障碍。 所以,瓦斯排放标准暂未对低浓度瓦斯排放进展限制。多孔介质预混燃烧是近10几年来开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

16、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 度瓦斯燃烧提供可行的技术途径。煤炭科学研究总院某某研究院目前正在从事低浓度瓦斯燃烧技 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燃 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

17、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响器和催化热逆流氧化反 响器,将氧化反响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 过在反响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，某某理工大学和 胜利动力机械集团某某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，并在某某矿

18、业集团公司王营矿进展了现场工业 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，并计划在某某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。煤炭科学研究总院某某研究院、中科院某某化学物理研究所、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开展。今后需要对低浓度瓦斯发电机组进展改良完 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开展，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 ，再将高浓度瓦斯进展 液化别离，别离出来的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