低浓瓦斯综合利用新技术研究

1、低浓瓦斯综合利用新技术研究王玉麟（煤炭工业合肥设计研究院，230041）摘要：针对两淮矿区低浓瓦斯利用和乏风利用的关键技术难题，以提高低浓瓦斯以及乏风的利用率为目的，对低浓瓦斯增浓、低浓瓦斯输送和矿井乏风甲烷氧化技术进行了研究，并调研了国内外相关技术的研究进展情况。关键词：低浓瓦斯；乏风；增浓；输送；甲烷氧化；综合利用2008年3月，煤炭工业合肥设计研究院组织一批技术骨干，针对两淮矿区低浓瓦斯利用和乏风利用的关键技术难题，从建立高产、高效矿井的要求出发，以提高低浓瓦斯以及乏风的利用率为目的，对低浓瓦斯增浓、低浓瓦斯输送和矿井乏风甲烷氧化技术进行了研究。该项目获得安徽省两淮煤矿低浓瓦斯综合利用研

2、究专项资金。1项目研发的背景、目的和意义1.1背景瓦斯的主要成份为甲烷（CH4），是煤的共伴生资源。它既是威胁煤矿安全生产的气体，又是可直接应用的洁净能源和优良的化工原料。煤矿低浓度瓦斯是相对于煤矿安全规程第一百四十八条 “瓦斯利用时, 瓦斯浓度不得低于30%”而言的,指甲烷浓度低于30%的煤矿抽采瓦斯。由于其中涵盖了甲烷浓度处在5%16%区间范围的爆炸危险性气休,出于安全考虑，一般被禁止利用。2005年全国煤矿瓦斯抽采量达30多亿m3，其中至少2/3为甲烷浓度低于30%的煤矿低浓度瓦斯,由于其不允许利用,导致煤矿瓦斯利用率低。然而, 真正能做功的瓦斯浓度就是5%-16%,不管是瓦斯燃烧,还是

3、在汽缸内爆燃尽皆如此。不能爆炸的瓦斯浓度，也就不能有效地燃烧。即使是高浓度瓦斯或是天然气，也必须与空气充分混合或接触才能形成燃烧和爆燃。乏风就是甲烷浓度低于0.75%的煤矿通风瓦斯。我国每年通过乏风排入大气的甲烷约为100-150亿立方米，相当于1140-1700万吨标准煤，而且基本没有利用。随着国家对能源的需求越来越大，不断发展分布式能源成为节约能源、解决当前能源危机的主要途径之一，而丰富廉价、现实存在的乏风资源就是可靠的气源保证。然而由于煤矿乏风甲烷含量极低，如果进行分离提纯，耗能要远远超过获取甲烷的能量，很不经济。另外这种浓度的甲烷不能直接燃烧，所以长期以来只能空排，造成了巨大的能源浪费

4、和环境污染。目前两淮各个矿区瓦斯利用项目所利用的瓦斯基本都为高浓度瓦斯。低浓度瓦斯与乏风因受技术制约，目前利用十分有限，在瓦斯中占绝大多数的低浓度瓦斯全部放空排散。以淮南矿区为例，淮南煤矿瓦斯赋存量高达5928.25亿m3。全煤田有谢李区、潘集深部区、谢桥张集深部区三个高瓦斯含量区。淮南矿业（集团）有限责任公司下属各矿井2007年瓦斯抽采抽放情况见表1。由表可以看出，低浓瓦斯抽采量远大于高浓瓦斯抽采量，而目前其下属矿井共建成瓦斯发电站8座，合计总装机规模为22432kW，其中高浓瓦斯发电机组装机规模为19432kW，低浓瓦斯发电机组装机规模仅为3000kW。由此可见，目前低浓瓦斯利用率极低。同

5、时，各个矿区乏风风量都很大，均未能利用，直接排放，造成严重的资源浪费和环境污染。表1 2007年淮南矿区瓦斯抽采抽放现状表1.2目的进行低浓瓦斯增浓和输送技术的研究目的在于更加安全方便地利用低浓度瓦斯，乏风甲烷氧化利用技术的研究目的在于充分利用乏风，拓展瓦斯综合利用的方式，有效地利用煤矿乏风。提高矿井瓦斯利用率，增加瓦斯发电量，节约国家电力资源。减少低浓瓦斯及风排瓦斯排放量，降低矿区及周边地区污染程度。1.3意义进行低浓瓦斯增浓和输送技术以及乏风甲烷氧化利用技术的研究主要有以下意义：符合国家节能减排政策党中央国务院高度重视节能减排工作，把节约资源和保护环境作为基本国策，实行节能减排是党中央国务

6、院为贯彻落实科学发展观，实现经济增长方式根本性转变而提出的一项重大战略任务。依据国家发改委、环保总局联合下达的发改环资20071456号关于印发煤炭工业节能减排工作意见的通知精神，为贯彻和落实科学发展观，加快推进节能减排工作的开展，促进经济增长方式转变，按照国务院关于加强节能减排工作的决定（国发200628号文）、国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知（国发200715号文）要求,国家发展改革委员会同国家环保总局等有关部门和省级人民政府，在重点行业、重点领域组织开展节能减排工作。国际国内环境保护的要求众所周知，温室效应、臭氧层减薄、酸雨是当今世界影响大气的三大问题。为此，1997 年12

7、月，149个国家和地区的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议，通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书，京都议定书规定，到 2010 年，所有发达国家排放的二氧化碳等 6 种温室气体的数量，要比 1990 年减少 5.2%，发展中国家没有减排义务。2005 年 2 月 16 日京都议定书正式生效。作为联合国气候变化框架公约的一个最主要的具体成果，京都议定书的生效在国际环保领域具有里程碑式的意义。矿区安全生产的要求 两淮大部分煤矿富含低浓瓦斯，低浓瓦斯被白白排放到大气中，既浪费了大量洁净能源，又污染了大气，十分可惜。本项目的研究与应用不但可以有效利用两淮

8、地区各煤矿煤层的洁净能源，而且为低浓度瓦斯利用开辟了一条新的途径，经济效益和环境效益是巨大的。 为了解决矿井排空瓦斯造成的浪费和对环境污染问题，在治理矿井瓦斯灾害的同时，将原煤生产的“废物”变为综合利用的资源“宝”。利用低浓瓦斯发电可以使抽放瓦斯成为盈利工程，抽放的瓦斯越多，产生的经济效益也就越好，可以形成良性循环。有了经济杠杆的作用，就能进一步调动抽放瓦斯的主动性，促进煤矿安全生产，少发生或不发生因瓦斯爆炸事故。因此最大限度地利用资源，结合矿井扩能综合改造工程，本项目的研发是十分必要的。2项目相关技术情况2.1国内相关技术概况国内对低浓度瓦斯利用技术除了用于辅助燃烧或直接作为主要燃料燃烧之外

9、，从技术成熟度、适用性、产品需求以及经济性考虑，低浓度瓦斯发电技术将是未来的主流发展趋势，但需要从政策激励、制定标准等方面予以支持。要将低浓度瓦斯利用技术与CDM项目开发相结合，以提高低浓度瓦斯利用的经济性。要尽快出台低浓度瓦斯安全输送技术标准，制定煤矿瓦斯排放控制标准。 为贯彻落实国家发展改革委、环保总局关于印发煤炭工业节能减排的工作意见的通知要求，促进煤矿瓦斯利用，减少煤矿瓦斯排放，2007年8月9日10日，国家发展改革委能源局、高技术产业司联合在辽宁省阜新市召开了煤矿低浓度瓦斯利用技术研讨会。会议强调，为合理高效利用瓦斯资源，减少瓦斯排放，实现煤矿瓦斯的节能减排，一要加强煤矿低浓度瓦斯（

10、特别是风排瓦斯）利用技术研究；二要加快煤矿低浓度瓦斯安全输送和利用相关技术标准制定；三要加强煤矿瓦斯排放控制标准制定过程中的沟通与协调；四要加快低浓度瓦斯利用和矿井乏风回收利用的CDM方法学开发研究。在矿井低浓度瓦斯增浓技术的研究方面，太原理工大学已和阳泉矿务局签定了“矿井低浓度瓦斯浓缩提纯抽放技术及装备研究项目合作意向书”,目前项目正在研究阶段。在矿井低浓度瓦斯安全输送技术的研究方面，2006年10月18日胜利油田胜利动力机械有限公司已经在此领域申请了一项实用新型专利。该专利是一种煤矿瓦斯用的细水雾输送装置。属于低浓度煤矿瓦斯长距离安全输送技术领域，针对低浓度煤矿瓦斯长距离安全输送技术难题，

11、该技术目前尚未大规模推广使用。 截至目前只有为数不多的几家国外研制单位进行了煤矿瓦斯氧化技术的研究和装置开发，由于种种原因还没有任何一项技术被应用于工业现场，更没有推广使用。在中国只有山东胜动集团研究完成的煤矿乏风甲烷氧化技术是目前国内唯一通过现场工业性试验的技术成果，在可利用乏风浓度、氧化控制、热量利用等方面取得了突破性进展。2.2国外相关技术概况美国煤矿从70年代开始，通过采煤前预抽和采空区井抽放回收矿井瓦斯。到80年代初，煤矿开始将抽出的优质矿井瓦斯注入了天然气管道系统。目前美国煤矿每年的矿井瓦斯回收、利用用或销售量已达到14亿m3。虽然美国煤矿抽放出来的矿井瓦斯大部分都得到了利用，但美

12、国的井工煤矿通过煤矿通风，每年仍然排放24亿m3的甲烷。因此美国环保局目前将这些矿井乏风中的甲烷，作为进一步降低甲烷排放的另一个重要目标。美国的一些地方将煤矿甲烷作为发电的燃料来使用。与输入管道的矿井瓦斯不同，用燃气轮机、内燃机、燃气轮机发电不需要优质的矿井瓦斯，甲烷含量为30%的甲烷-空气混合气体即可用于发电。因此，采空区井抽放回收的矿井瓦斯都可用来发电。矿井瓦斯可以与煤在锅炉中混和燃烧用来采暖和发电，加入锅炉的矿井瓦斯可占总燃料的10%100%，这种方法特别适用于那些位于电厂或工业锅炉附近的煤矿。 煤矿采空区的一些矿井瓦斯可以加以利用，但在大多数情况下这种矿井瓦斯中甲烷含量和数量多变，是一

13、种很难或无经济利用价值的气体。出于环保、卫生和安全原因的考虑，燃烧矿井瓦斯是减少煤矿甲烷排放的一种最经济且技术可行的方法，这在世界许多工业中是一种标准的做法。与将矿井瓦斯排放到大气相比，通过燃烧处理释放的温室气体比直接排放降低7.5倍。最近的示范实验表明，煤矿业主可安全地实施在控制下的采空区矿井瓦斯燃烧，以便有益于煤炭的开采安全和全球的环境。 Capricorn煤炭开发合资公司在澳大利亚昆士兰中央煤矿试验采空区井矿井瓦斯燃烧装置。该燃烧装置是Capricorn公司施工制造的，并在1998年12月开始运转。燃烧装置每天可燃烧来自采空区井10.2万m3的甲烷。 在抽出的矿井瓦斯无法得到有效利用的情

14、况下，放空点燃不失为一种低成本甲烷减排方法，美国环保局将继续扶持以放空点燃的方式安全地减少甲烷排放量。 由于矿井乏风中的甲烷含量非常低（一般小于1%），煤炭经营者们尚无一种完善技术的来回收这种气体的能源价值。不过，经过十年多年研究现在的技术已能以较低成本减排甲烷。美国环保局考虑对矿井乏风的甲烷进行催化和热反向流反应处理。这些技术能使用通风井中全部的甲烷，甚至达到100%，其副产品热能则可用于发电或满足当地采暖的需要。热反向流反应技术采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理。矿井乏风以一个方向流入和通过反应器，气体温度不断提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的热产品随着继续向床的另一边移动而逐渐

15、降热，直至气体流动自动发生反转。 热力反应器采用甲烷自动点火温度（1000摄氏度）工作。催化反应器能大量地降低自动点火温度。采用热交换技术的这两种反应器均产生热量，可用来满足当地的采暖需要或用于当地的蒸汽或气体透平机的发电。根据实验室和现场的经验，反向流反应技术的几次示范性实验结果已使这种方法接近商业化。 矿井乏风甲烷作为煤矿甲烷的最大排放源，尽管已经开发出了能够将低浓度甲烷转化成热能的技术，并已经进行了示范，但大部分矿井乏风甲烷依然是直接排入大气中。随着煤矿矿井瓦斯抽放效率的提高，从技术上来说，以较低的成本大量减少井下矿井瓦斯排放是有可能的。美国环保局正积极支持矿井乏风甲烷减排，并期望在未来

16、几年中能够在实现矿井乏风甲烷减排产业化方面取得突破。煤矿低浓度瓦斯实质上是可以直接利用的, 但却给安全输送带来极大的困难, 这至今仍是世界上尚未彻底解决的一大难题。国外的发达国家几十年如一日, 始终把内燃式瓦斯发电浓度规定在大于30%, 不肯越雷池一步, 也是有其一定道理的。如能将煤矿低浓度瓦斯输送转化为本质安全型的输送, 无疑是瓦斯利用行业上的一大突破, 瓦斯利用将从此不再受浓度范围的禁锢, 利用量和利用率必将会大幅度上升。3项目研发的主要内容3.1矿井低浓度瓦斯增浓技术的研究本项目主要利用粗孔碳分子筛常温变压吸附空气分离技术作为瓦斯增浓技术，从而将煤矿井下抽放出的低浓瓦斯气体中的氧气和氮气

17、分离出去, 将瓦斯浓度由低于25% 提高到50% 以上。这不仅使低浓度瓦斯抽放时瓦斯增浓和直接利用成为可能, 而且由于抽出混合气量减少, 也可使老抽放系统的线路长度及孔口负压得到大大提高。碳分子筛是一种以煤为主要原料经过特殊加工而成的, 黑色、表面充满微孔晶体的颗粒,是一种半永久性吸附剂。碳分子筛是属于速度分离型的吸附剂, 当吸附质的性质相差不大时, 直径较小的气体分子扩散速度较快, 较多地进入分子筛的固相, 而直径较大的气体分子扩散速度较慢, 较少地进入分子筛的固相。根据碳分子筛孔隙结构的不同, 碳分子筛可分为粗和细孔两种类型。两种碳分子筛具有不同的分离机制。粗孔碳分子筛的孔隙较粗,气体分离

18、的选择能力可以从等温吸附线来推算。细孔碳分子筛具有一种狭小瓶颈式孔隙, 气体分离的选择能力根据分子直径与狭窄孔径之比的不同, 气体分子不同的扩散速率导致了气体分离, 直径小的分子被吸附得比直径大的分子快。根据相关研究表明粗孔碳分子筛能很好应用于低浓瓦斯气体的分离。图3-1显示了氢气、氮气、氧气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳在30下的纯净气体等温吸附线。图3-1 不同气体在粗孔碳分子筛的纯净气体等温吸附线低浓瓦斯气体包含甲烷、氮气、氧气、二氧化碳及少量的链烃。瓦斯增浓实质上是一个甲烷与氮气及氧气的分离问题。主要利用粗孔碳分子筛变压吸附空分技术,以粗孔碳分子筛为吸附剂, 采用常温变压吸附(简称PSA

19、)方法,利用氮氧分子和甲烷分子对分子筛的气体扩散速度不同将氮氧分子分离的技术。根据粗孔碳分子筛的微孔结构特点, 当低浓瓦斯气体在压力的作用下进入粗孔碳分子筛时, 分子直径较氮氧气体稍小的甲烷气体分子, 以较快的速度扩散进入分子筛的通道, 并优先被选择吸附, 在吸附初始的短时内, 甲烷气体分子迅速富集于碳分子筛颗粒内部, 而氮氧气体分子则因未来得及被吸附, 在碳分子筛粒外富集, 甲烷被吸附而将富集的氮氧排出; 然后在降压过程中, 将甲烷从分子筛中解析。如此经过升压甲烷吸附排氮氧、均压提效及降压甲烷解析三个步骤, 将低浓瓦斯气体分离开来。本项目研究重点为该瓦斯增浓技术的工业化应用工艺，项目同时将结

20、合目前国内外的先进技术，研究解决该瓦斯增浓技术两个重要技术难点：瓦斯增浓过程中的防爆和具备适合煤矿井下使用的瓦斯浓缩设备。选择具有典型的矿井开展试验研究，开发一套粗孔碳分子筛变压吸附瓦斯增浓的实用技术，拓展低浓瓦斯利用的途径。3.2矿井低浓度瓦斯安全输送技术的研究煤矿瓦斯的治理、开采和利用都离不开瓦斯输送, 瓦斯输送的难点在于低浓度瓦斯的安全输送。细水雾安全输送2006年10月18日胜利油田胜利动力机械有限公司已经在此领域申请了一项实用新型专利。该发明是一种煤矿瓦斯用的细水雾输送装置。涉及到细水雾发生器。由水环真空泵、阻火器、瓦斯管道、排空阀、输气阀、细水雾发生器、脱水器、除水器和连接法兰组成

21、。水环真空泵的进口连接煤矿井下瓦斯管道，其出口连接阻火器，再连接瓦斯管道。瓦斯管道分两路，一路连接排空阀，另一路依次连接阻火器、输气阀、细水雾发生器、脱水器、阻火器、除水器、阻火器和瓦斯发电机组。细水雾发生器由混合管道、喷雾嘴、控制阀、水管道、水泵、蓄水箱和水过滤器组成，并依次连接。使煤矿瓦斯不再排空，用来发电，节约能源，利于环保，经济效益和社会效益显著。但此发明还未能推广普及，尚未解决低浓度煤矿瓦斯长距离安全输送技术难题。煤矿低浓度瓦斯细水雾安全输送业已经过工业性试验, 证明是切实可行的。2005年11月1日, 淮南谢一矿低浓度瓦斯发电站利用细水雾安全输送正式运行发电, 是为世界上第一家利用

22、煤矿低浓度瓦斯进行内燃式发电的瓦斯发电站, 开创了煤矿低浓度瓦斯安全输送及发电的先河。低浓度瓦斯细水雾输送及发电运行参数瓦斯浓度为7%16%, 瓦斯压力为0.01MPa, 细水雾的水源压力为1MPa。实践证明:（1）低浓度瓦斯发电不仅是切实可行的, 而且较高浓度瓦斯发电运行更加平稳。（2）正是由于瓦斯浓度低, 汽缸内不会出现甲烷富余, 从而避免了尾气放炮现象, 增加了发电机组发电过程中的安全性。（3）由于低浓度瓦斯的浓度波动小, 减少了瓦斯气源浓度不稳定对瓦斯发电的影响。（4）在采取了干式限火器限火、细水喷雾限火、雷达水位控制防爆防回火、套管水封安全放散、弹簧压力安全放散等一系列安全措施后,

23、低浓度瓦斯输送也为试验证明是本质安全的。水蒸气安全输送理论研究已经证明在煤矿瓦斯中加人30%以上体积分数的水蒸气,无论瓦斯浓度为何值, 瓦斯都将失去燃烧和爆炸的特性。利用瓦斯的这一特性, 我们可以实现煤矿低浓度瓦斯水蒸气本质安全型翰送。技术路线利用瓦斯发电的余热获取水蒸气, 添加到瓦斯输送管道中去以达到本质安全型输送的目的。再利用瓦斯发电余热制冷获取冷量, 对瓦斯和水蒸气的混合气体进行脱水, 恢复瓦斯的燃爆性质, 供给瓦斯发电机组发电。利弊分析，优点是可实现煤矿低浓度瓦斯本质安全型输送。缺点是配套系统复杂, 需要装备余热制水蒸气系统、余热制冷系统, 而且瓦斯发电机组启动运转前还必须有充足的水蒸

24、气和电制冷装置。气水二相混流安全输送煤矿瓦斯不溶于水, 通过湿式加压把瓦斯压人到循环水流中进行翰送, 不仅可以实现本质安全型轴送, 而且便于脱水, 系统简单, 易于实现。惰化激活安全输送业内己经研究成功煤矿瓦斯的惰化激活装置。在煤矿低浓度瓦斯输送的起始端安装惰化装置, 使瓦斯惰化, 惰化后的瓦斯失去爆炸性能在进入瓦斯利用设备之前安装激活装置, 激活后的瓦斯恢复爆炸性能, 便可直接进行利用。惰化激活装置结构简单, 便于安装使用。但该项技术尚无实际应用范例, 仍处于专利保密阶段，很多方面有待于进一步加强研究。本项目将围绕以上低浓瓦斯输送方式展开调研，综合各种低浓瓦斯输送方式的优缺点，结合国内外最新

25、技术以及两淮矿井低浓瓦斯抽采特点，开发一套适用于两淮地区矿井低浓瓦斯输送的经济实用技术，为后期矿井低浓瓦斯大规模的开发利用打下基础。3.3矿井乏风甲烷氧化利用技术的研究煤矿通风瓦斯氧化装置是利用放热化学反应产生热能进行工作的。设备主要结构由氧化床和控制系统两部分构成。氧化床部分由外壳体、储热体、起动加热器、内置换热器、保温层以及进、排气管和进、出水管组成。控制系统由控制单元、温度传感器、甲烷浓度传感器和控制阀门等组成。所有传感器和控制阀门都有信号导线与控制单元连接。煤矿通风瓦斯进人氧化装置的氧化床, 先用少量外部能量加热启动, 达到甲烷氧化反应温度（1000左右）后停止电加热, 通风瓦斯中的甲

26、烷继续氧化反应, 生成二氧化碳, 产生的热能被取出加以利用, 由废变宝, 减少大气污染。本项目根据具体矿井乏风中甲烷含量情况、现场冷、热、电需求及其他实际条件，研究乏风甲烷氧化技术利用方式。重点在氧化热生产热能的利用方式，根据矿井对热能的几种不同需求，综合考虑施工运行方便和投资回报最大化等因素，研究合理的热能应用组合方式，为乏风甲烷氧化技术大规模工业化利用研究出一套切实可行的方案。图3-2 煤矿乏风甲烷氧化制热工艺流程图4预期达到的技术水平和目标项目研究完成后，对两淮矿区生产矿井的低浓瓦斯利用以及矿井乏风利用将起到很好的指导作用，极大提高两淮矿区瓦斯利用率。项目实施后，两淮矿区的煤矿瓦斯利用技术将达到国内先进水平。项目总体目标是：围绕两淮矿区建设，结合两淮煤矿低浓