山西煤层气资源综合开发利用研究

PAGE24PAGE26山西煤层气综合开发利用研究目录一、煤层气的成因及逸散规律 11、煤层气的成因 12、煤层气藏的条件 43、煤层气逸散规律 4二、山西省煤层气资源情况 81、山西煤层气资源量概况 82、煤层气资源的分布特征 8三、煤层气（煤矿瓦斯）是一把双刃剑 101、温室效应的罪魁祸首 102、煤矿安全的最大隐患 103、清洁能源的重要组成 114、市场前景的巨大潜力 12四、山西省主要矿区乏风排放煤层气情况 131、晋煤集团 142、阳煤集团 163、焦煤集团 18五.国际国内乏风气利用情况 191、国外乏风利用情况 192、国内乏风利用情况 212.1胜动集团通风瓦斯氧化技术 212.2告成煤矿通风瓦斯发电项目 22六、矿井乏风（VAM）技术开发 221、VAM的物理化学性能 222、反向流反应器原理 243、研究进展 25七、山西省煤层气开发利用 30山西煤层气资源综合开发利用研究一、煤层气的成因及逸散规律1、煤层气的成因煤层气是赋存在煤层中以甲烷（CH4）为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤层本身自生自储式非常规天然气。它是由植物体埋藏后，在成煤过程中，经过高温、高压、缺氧条件下，部分有机物质发生化学分解而产生的。经过微生物的生物化学作用转化为泥炭（泥炭化作用阶段），泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化（煤化作用阶段），在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。广义地讲煤层气包括甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢（H2）、二氧化硫（SO2）以及其他碳氢化合物和稀有气体。其成因据化学分析，植物的有机物主要有纤维、淀粉、单糖类。其中纤维、淀粉的化学分子式相同，均为（C6H10O5）X，在高温高压缺氧的条件下发生下列反应：4C6H10O57CH4+8CO2+3H2O+C9H6O(烟煤类)2C6H10O55CH4+5CO2+2C(无烟煤类)隔绝空气隔绝空气细菌C6H10O5+H2O3CH4+3CO2(有机物在沼泽地区)细菌因植物组成中还有S、N等杂原子，因而在成煤过程中也会有硫化氢、氮和氨溢出。植物变成煤，经历很长的地质年代。随着变质程度的不同，煤的牌号也不同，煤层气的含量也不一样。煤的变质程度越高，煤层气的含量也越大。而变质程度越低的煤，因煤本身含有大量的官能团，如羟基、羧基、羰基、甲氧基等，因而煤层气含量就少。俄学者克帕捷斯基根据煤的变质过程中有机质氧化转变成二氧化碳和水、氢气以及甲烷，计算确定了瓦斯形成过程。根据他的计算，每生成1吨无烟煤，将放出278m3甲烷和123m3二氧化碳。表1-1为计算结果。表1-1：CO2/CH4原煤（t）变质作用产物煤（t）水（kg）CO2（m3）CH4（m3）2/1褐煤（1.135）亮褐煤（1）4083（86）12（21）亮褐煤（1.145）气焰煤（1）4366（36）36（55）长焰煤（1.2）贫煤（1）8.269（38）69（105）5/10长焰煤（1.3）贫煤（1）1.0170（94）120（181）贫煤（1.08）无烟煤（1）8.162（34）67（97）俄学者波.莫脱根据3000多个试样的分析资料，编制了在成煤过程中发生的煤质结构变化和化学反应（表1-2），并查明了化学反应可能产生的产物和煤化作用过程中的重量损失。他用实验方法证明了在成煤过程中，1吨木质转化成无烟煤阶段能产生324m3甲烷。在未计木质转化成褐煤的过程中放出甲烷的情况下，形成1吨无烟煤将产生272m3的甲烷。此结果正与克.帕捷斯基的数据吻合。表1-2：变质阶段含碳量%反应产物以木质初始数量为100%的剩余量含碳量增加1%时损失的重量%形成瓦斯的数量（m3/t）CH4CO2木质-泥煤-褐煤50-6564H2O+8CH4+CO73.51.7738.24.2褐煤-弱煤化作用65.79CO253.41.93-46.7弱煤化作用的烟煤——中等程度煤化作用的烟煤79.851.42H2O+0.43CH4+CO247.41.5913.534.5中等煤化作用的煤85.885H2O+3CH4+CO245.11.6314.42.9半无烟煤88.921.45H2O+5.8CH4+CO241.31.9373.512.2半无烟煤-无烟煤92.6536CH4+H2O37.23.66145.50原苏克.依.巴托里采夫等三人计算了各种煤成煤过程中所生的甲烷量（表1-3）。表1-3：煤的牌号形成煤（百亿吨）时所生成的CH4量（百亿m3）褐煤38长焰煤、气煤80肥煤、焦煤、瘦煤140贫煤、无烟煤200原苏符.依.叶尔马柯夫根据苏联煤田1800米深处煤的储量来计算，就有15万亿m3甲烷（表1-4）。表1-4：煤变质程度煤的储量（百亿m3）形成煤（百亿吨）时所放出的CH4量（百亿m3）生成的CH4总量（百亿m3）无烟煤0.54480226瘦煤0.54333180粘结性瘦煤0.65287186焦煤0.65270170肥煤0.65230150气煤0.82212175长焰煤1.80150270褐煤3.0682052、煤层气藏的条件煤层气藏是在压力封闭作用下,吸附煤层气达到相当数量的煤岩体或煤层,是煤层气聚集和煤层气勘探开发的基本地质单元。煤层气藏的成藏要素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。煤层条件是煤层气藏形成的物质基础,压力封闭是煤层气藏的必要条件，保存条件是煤层气藏从形成到现今能够存在的前提。煤层气与煤是同体共生、共存的伴生矿藏，仅是赋存状态不同。含煤盆地不一定是煤层气盆地,现今保存的含煤盆地不一定都赋存有可供开采的煤层气,只有能够形成煤层气藏的含煤盆地才能称其为煤层气盆地,才含有煤层气。煤层需要具有较高的含气量、较好的渗滤性能和完善的封盖条件,才能形成煤层气藏。煤层含气量及煤层气可采性是决定煤层气能否成藏的重要条件。控制煤层气含量的主要地质因素有：煤变质程度,埋藏深度,煤层顶、底板岩性,以及断裂构造情况等,其中煤变质程度起着根本性作用。煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。煤岩变质分为3种类型,一是深成变质,二是岩浆热变质,三是构造应力变质。只有变质适度的煤岩层才能形成煤层气藏。从泥炭到褐煤，每吨煤产生68m3煤层气；从泥炭到肥煤，每吨煤产生130m3煤层气；从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3煤层气。控制煤层气可采性的主要地质因素有：煤层渗透率、相对渗透率、煤等温吸附特征、地层压力及煤的含气饱和程度,其中煤层渗透率是最主要的影响因素。90%的煤层气资源储藏在早中侏罗纪、石炭纪和二叠纪的煤层中。其中中侏罗纪煤层厚度大，并分布稳定，煤质、煤阶和渗透率最适合于煤层气的生成、储存和开发，地质条件较为有利。3、煤层气逸散规律由于甲烷的迁移和散发过程，导致许多煤不含甲烷。煤层气作为一种天然气形成后，在地质历史条件中由于扩散作用，使其中的甲烷逸出而到达地表。据有关计算，在1亿年内，甲烷分子穿过地层的扩散距离为8-1500m。这种作用虽然缓慢，但却一直在自发的进行着。在漫长的地质年代中，煤层中甲烷不断向大气中逸散，造成煤层甲烷垂向分带性。瓦斯的主要成因随煤层气沉降深度而变化，形成了四个瓦斯带。氮——二氧化碳瓦斯带、氮气瓦斯带、氮——甲烷瓦斯带和甲烷瓦斯带。上层瓦斯带内有两种主要成分：二氧化碳气和氮气，它们的含量为20—80%。除了上述两种成分外，还有轻质和重质稀有气体。重质气体的总含量不超过1.5%，轻质气体的总含量小于0.001%。在少数气体试样内发现甲烷含量一般不超过10%。在氮——二氧化碳瓦斯带范围内，其成分随深度的变化是二氧化碳气体绝对含量或均匀减少，或开始增长而后减少。氮气的百分含量，同重质稀有气体一样，随着深度加深而增加。几乎每个煤矿床内均确定有氮—二氧化碳瓦斯带，它与地质结构、煤的变质阶段和区域的瓦斯含量无关。煤层内二氧化碳煤层内二氧化碳气体的绝对含量随着深度的增加而逐渐减少，而导致氮气成为主要成分，其浓度接近或超过80%，于是氮—二氧化碳瓦斯带就转变成氮气瓦斯带。氮气瓦斯带的瓦斯内含有下列成分：氮气为76-99%。二氧化碳（以及甲烷）为0-20%，重质稀有气体为0.6-1.88%。由于二氧化碳的减少并没有得到增长的氮气的补充，所以这个瓦斯带的瓦斯总绝对数量少。在大多数的区域内都发现了氮气瓦斯带，在它的下限煤田区域内不稳定。例如：在顿巴斯西部地区氮气瓦斯带位于60-150m深处。氮气瓦斯带的瓦斯成分变化如下：上部由于减少了二氧化碳气体的绝对含量，氮气的相对含量随深度加深而增加。下部氮气的绝对含量减少。但出现了甲烷，它的含量随深度的增加，由此形成了氮——甲烷瓦斯带。氮——甲烷瓦斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在20-80%之间，二氧化碳气体含量变化为0-20%，重质稀有气体含量的变化为0.3-0.8%。在有些地区内。只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮—甲烷瓦斯带。在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间24-30m。氮气瓦斯带的瓦斯成分变化如下：上部由于减少了二氧化碳气体的绝对含量，氮气的相对含量随深度加深而增加。下部氮气的绝对含量减少，但出现了甲烷，它的含量随深度加深而增加，由此形成了氮—甲烷瓦斯带。氮—甲烷瓦斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在20—80%之间，二氧化碳气体含量的变化为0—20%，重质稀有气体含量的变化为0.3—0.8%。在所有地区内，只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮一甲烷瓦斯带。在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间24—30m。在氮一甲烷瓦斯带的范围内，瓦斯成分的变化特点如下：氮气的绝对和相对数量随深度加深而减少，甲烷随深度加深而增加，以最终形成甲烷瓦斯带而告终，其中甲烷的含量超过80%，在很深处的所有气体实际上全是甲烷，附带混入为数不多的二氧化碳、氮和稀有气体。在大多数的矿区内，找不到混合组成的瓦斯，即二氧化碳、氮气、甲烷三种主要成分浓度超过20~30%，也未发现二氧化碳瓦斯带转向甲烷瓦斯带时组成的瓦斯，发生的所有相互转移过程都是在甲烷含量很少的情况下从二氧化碳气体向氮气瓦斯带，在二氧化碳气体含量很少的情况下从氮气瓦斯带转向甲烷瓦斯带，即不可能同时存在大量的二氧化碳和甲烷（大于15—20%）有学者将前三个瓦斯带合并成一个瓦斯风化带。准确地确定这个瓦斯风化带有极重要的意义，因在这个带内，煤矿巷道的甲烷涌出量实际上不超过2m³/t,所以通风也就没有多大困难。在这个瓦斯带内也没有记录过煤的突出、煤岩突出和瓦斯突出的情况。只有开采进入沼气带后，巷道瓦斯涌出量才随开采深度增加而增加。瓦斯风化带的下部边界可按下列指标确定：（1）沼气浓度为CH4=80%；（2）沼气压力为P=1.0-1.5大气压；（3）沼气含量为W=1.0-1.5%m³/t(长焰煤)、W=2-3m³/t(气煤)、W=3-4m³/t（肥、焦煤）、W=4-6m³/t（瘦煤和无烟煤）。现代的瓦斯风化带深度是煤田长期形成发展的结果，它和以下一系列地质因素有关：取决于含煤地层排放瓦斯时间长短。排放时间越长、瓦斯风化带宽度就越大；取决于含煤地层错动程度。错动程度越高，煤层排放瓦斯的不均匀性和排放深度就越大；取决于含煤地层遭受风化剥蚀的程度。风化剥蚀可使含煤地层沼气范围扩大或局部消失；取决于覆盖层的厚度和致密程度。对不同矿区，煤层的瓦斯风化带深度变动很大。（表1-5、表1-6）表1-5：煤田和矿区矿井煤的牌号平均倾角（度）瓦斯风化带深度（m）抚顺龙风气煤、长焰煤90205抚顺胜利气煤、长焰煤30188抚顺老虎台气煤、长焰煤30180北票台吉气煤60125涟邵立新贫煤30130焦作焦西无烟煤30180南桐鱼西堡瘦煤3090表1-6：煤的牌号瓦斯风化带深度（米）瓦斯涌出量梯度（米/米³/吨）气煤、长焰煤50030~40半肥煤450~50020~25焦煤150~20015~20瘦煤100~15010~15贫煤、无烟煤50~1005~10在地质勘探工作中，测定和预测煤岩瓦斯含量的工作细则所采用的瓦斯带分类列于（表1-7）。表1-7：TY——重质烃类带煤层气内主要气体的化学组成巷道中相对甲烷逸出量（m3/t）地下水的化学组成N2%CH4+TYCO2%m3/t%m3/t氮—二氧化碳瓦斯带0-500050-1002.0无碳酸氢钙（钙—镁）二氧化碳—氮瓦斯带50-100000-501.0无碳酸氢盐（钙）和硫酸盐—碳酸氢盐（钠、钙）甲烷—氮瓦斯带50-1000-5010-200.51碳酸氢盐—硫酸盐（钠）和碳酸氢盐（钠、钙）氮—家瓦斯带0-5050-8050-200.52-3碳酸氢盐（钠—钙）和碳酸氢盐（钠）甲烷瓦斯带0-2080-1002-50-50.5超过2-3碳酸氢盐（钠）—碳酸氢盐—氯化物（钠）二、山西省煤层气资源情况1、山西煤层气资源量概况山西煤炭资源丰富，开发条件优越，查明煤炭资源储量占全国总量的1/4以上。山西含煤地层以石炭二叠系为主，为多煤层组成，主要可采煤层（煤层气为主力煤层）厚度大，分布稳定。据估算，山西省煤层气资源量占全国总量的1/3左右。经计算山西省煤层气资源总量为9.96万亿m3，其中沁水聚气盆地6.14万亿m3，河东聚气盆地2.80万亿m3，宁武聚气盆地0.64万亿m3，大同聚气盆地0.48万亿m3。总体而论，山西煤层气品质具体优点如下：埋藏浅（<1500m）,可采性好（≥60%），CH4含量高（>95%），CO2<1%，N2<3%，不含硫及C-2以上重烃，热值>8000大卡/m3，含气量5.0-38.7m3/t，平均15.5m3/t，渗透率一般在1.0毫达西以上；资源丰度1.7-2.8亿m3/km2。2、煤层气资源的分布特征⑴山西煤层气的分布受地质构造控制，山西石炭二叠系成煤前的构造背景为统一煤盆地，煤层厚度总体北厚南薄、西厚东薄。晚三叠纪后，即燕山运动前，煤层埋深总体北浅南深，西部较浅，东部较深。燕山运动吕梁-五台隆起，将山西地域分为4个聚气盆地（含6大煤田），即大同聚气盆地（大同煤田）、宁武聚气盆地（宁武煤田）、河东聚气盆地（河东煤田）、沁水聚气盆地（西山煤田、霍西煤田和沁水煤田），每个聚气盆地均为独立的煤层气成藏系统。煤层的含气性总体南部优于北部、东部和西部优于中部。且在各个聚气盆地中均表现为由浅向深，煤层含气量增大。由于煤层厚度和含气性的综合因素，煤层气资源丰度以大同聚气盆地最高，为4.82×108m3/km2，其次为宁武聚气盆地，为3.62×108m3/km2。（见图2-1）⑵山西煤层气分布与煤级的展布具有明显的一致性随着煤变质程度的增高，煤层的生气量和吸附量也相应的增大（至Romax＞6%）。山西煤变质存在2条岩浆热变质带，即北纬38°带和35°～36°带，位于这2条带上的煤层变质程度较高，为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤，煤层含气量较大，煤层气丰度也相应较高。如山西中部三交-柳林、邢家社、寿平、和顺等含气区，煤层气丰度为3.03～3.46×108m3/km2。南部大宁-吉县、沁南虽煤层含气量较高，但因煤层厚度较小，煤层气丰度为2.27～2.31×108m3/km2。在每一个聚气盆地中，煤变质程度由周边向腹地逐渐增大，而煤层含气量也相应增大。沁水盆地面积沁水盆地面积32000K㎡，煤种主要为无烟煤与贫煤，埋深为300—600m煤厚10-15m，含气量5—38m3/t，气资源丰度1.7-2.8亿m3/K㎡,为有利的煤层气远景区煤层气资源总量6.85万亿m3河东煤田面积17000K㎡，煤种为气煤－无烟煤，以肥煤、焦煤、瘦煤为主，为最有利煤层气远景区资源埋深400-1500m，煤厚8-25m，含气量4.15–23.0m3/t气资源丰度1.05-3.04亿m3/K㎡河东煤田煤层气资源总量2.84万亿m3图2-1山西煤层气资源分布三、煤层气（煤矿瓦斯）是一把双刃剑1、温室效应的罪魁祸首甲烷是6种温室气体之一，它的温室效应是二氧化碳的21倍，对地球大气臭氧层的破坏是二氧化碳的7倍。煤矿开采时向大气排放的甲烷是造成全球气候变暖的重要因素之一。我国约75%的甲烷排放来源于煤矿开采时瓦斯的排放。目前，煤矿开采每年向大气中排放的甲烷量高达244亿m3，占世界煤炭开采排放甲烷总量的43%。随着我国经济的快速发展和人口的继续增长，我国煤炭消费总量将继续增加，2020年我国煤炭产量将达到35亿吨，届时煤矿瓦斯排放将超过350亿立方米，这相当于每年增加3.5亿吨以上的二氧化碳排放，使得全球温室效应更加严重。显然，大量的低浓度煤矿瓦斯向大气排放，不仅对我国自然气候以及粮食产量等与人民生活息息相关的方方面面产生直接影响，也将间接对全球气候产生不利的影响，另外对于在不久的将来我国开始履行温室气体减排的承诺也是一个重大压力。2、煤矿安全的最大隐患在我国现有煤矿中，除山东大部分矿井为低瓦斯矿井外，其他地区的矿井瓦斯含量均较高，造成死亡事故在煤矿各类事故中居首位。仅以我国“十五”期间煤矿发生的特别重大事故7起为例，每次死亡人数都超过150人，其中瓦斯事故6起，死亡931人。煤矿生产中发生的各类事故中，瓦斯事故死亡人数在总事故死亡人数中所占比例最大，远高于其它事故的死亡人数，是煤矿生产最大的安全隐患。表3-1列出了2004-2008年山西省大型煤矿事故的情况。瓦斯事故占总事故比例的25.0%～40.0%，平均32.6%。瓦斯事故的死亡人数占总事故死亡人数的39.3%～67.5%，平均61.1%。由表可见随着国家对煤矿安全生产监督检查力度的不断加大，2006年以来煤矿瓦斯事故也呈下降趋势，死亡人数也随着下降。但是从列表中可以看出，煤矿瓦斯（甲烷）仍然是煤矿安全的第一杀手，它对煤矿工人的生命安全构成最大的威胁。表3-1：2004-2008年山西煤矿大型事故瓦斯事故统计表年份事故总起数其中：瓦斯事故起数所占比例死亡总人数其中：瓦斯事故死亡人数所占比例2004361233.3%29619565.9%2005401125.0%30522774.4%2006311032.3%29011439.3%2007251040.0%34823567.5%200815533.3%1125448.2%合计1474832.6%135182561.1%3、清洁能源的重要组成现在世界能源结构中所利用的化石能源主要是煤炭，其次是石油和天然气。根据国际上通行的能源预测，石油将在40年时间内枯竭，天然气将在60年内用光，煤炭也只能用220年。人类必须节约使用有限的能源资源。对于我国，虽然地大物博、资源丰富，能源资源总量居世界第三位，但由于人口众多，人均能源资源相对匮乏，目前已成为世界上第二大能源消费国（见表3-2）。因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。表3-2：世界主要国家能源消费情况单位：百万吨油当量美国中国俄罗斯日本德国法国印度世界一次能源消费量2361.41683.4692.0517.5311.0255.1404.411099.3所占比例21.3%16.8%6.2%4.7%2.8%2.3%3.6%100.0%资料来源：BP世界能源统计2008从资源利用的角度来说煤层气（煤矿瓦斯）是非常优质的清洁能源。纯甲烷的发热量为8600kcal/Nm3。一立方米甲烷的燃烧值相当于1.33公斤标准煤。我国每年有将近250亿立方米煤矿瓦斯放空，相当于白白燃烧掉1250万吨的标准煤。随着我国煤炭消费量的增加，到2020年我国煤矿瓦斯排放将超过350亿立方米，相当于每年向空气中排放1750万吨的标准煤，不仅污染了空气，也浪费了大量的宝贵资源.煤层气(煤矿瓦斯)不仅热值高，而且不含硫、氮等杂质，既可与常规天然气混输混用，也可用于生产合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、甲醛、二甲醚等化工产品，也可经压缩作为汽车燃料或生产液化煤层气。因此煤层气（煤矿瓦斯）综合开发利用可起到一举两得的作用，既可保证煤矿安全生产，又可减少温室气体的排放，保护我们的家园地球，还能改善能源结构，减少大气污染，节约能源。4、市场前景的巨大潜力瓦斯气的综合治理从节能的角度考虑具有重要的战略意义，同时可以产生直接的经济效益。2005年2月16日正式生效的《京都议定书》使得CO2排放量(AAU)和减排单位(ERU)不仅可以用来抵减，同时也可以进入流通市场进行金融交易。现在，国际上已经形成了一个以减排废气为商品新兴的国际碳交易市场，减排额成了投资界的热门商品。根据中国CDM信息中心提供的最新数据，碳交易的指导价格现在为每吨51.21元。近期，英国能源效用中心能源协会完成了一笔为数100万吨的减排额交易，成为二级市场最大的买方行为。2008年1月1日正式启动的欧盟排放交易，前6个月交易的排放量和减排单位已达到2400万吨，交易价格从1月份的每吨7.8美元上升到二月份的11.4美元，随着世界碳交易量的增加，主要交易国家将陆续建立排放贸易体系，加拿大、新加坡等国已提出了近期开设碳交易市场的计划。据世界银行估计，2008-2012年全球碳交易需求量为7-13亿吨，交易值可为每年140-650亿美元。四、山西省主要矿区乏风排放煤层气情况通风瓦斯俗称“乏风”，是指甲烷浓度低于1％的煤矿瓦斯。由于其甲烷含量极低，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。这种浓度的甲烷也不能直接燃烧，所以长期以来只能空排。据调查，2007年我国煤矿瓦斯共产生244亿m3纯甲烷，其中通风瓦斯形式排放200亿m3，抽取44亿m3，仅利用约13亿m3。.其通风瓦斯排放居世界第一位，大约是全球瓦斯排放总量的三分之一。山西省煤层气储量至少有1000亿立方米。从煤矿的安全生产考虑，过去一直将煤层气作为矿井的危险气体随煤炭开采排空，既浪费资源又污染环境，因此，完全有必要对瓦斯气进行综合利用。山西省每年采煤向大气排放甲烷量为48.4亿m3,从乏风气排入大气中的甲烷量估算达34亿m3，利用量仅为4.79亿m3，占总排放量的9.9%。据调查统计，2005年山西省各个地区的煤炭产量及其相应的瓦斯相对涌出量如表（4-1）所示。2005年山西省煤炭产量为52642万吨，伴随着煤炭生产排（抽）放瓦斯48.4313×108m3。共抽放瓦斯10.56亿m3，仅占瓦斯排放量48.43亿m3的21.8%。其中阳泉地区排（抽）放瓦斯量为12.6125×108m3，占总排（抽）放量的26.04%，晋城地区排（抽）放瓦斯量为14.7414×108m3，占总排（抽）放量的30.44%。可以看出阳泉和晋城地区占据了山西煤矿瓦斯抽放总量的50%以上，是山西省主要的高瓦斯煤矿排放地区，下面重点分别对山西晋煤集团、阳煤集团和焦煤集团矿区的瓦斯及乏风气情况作具体分析。表4-1山西省2005年排（抽）放瓦斯情况表地区煤炭生产量（万吨）瓦斯相对涌出量（m3/t）瓦斯排（抽）放情况排（抽）放瓦斯量（108m3）占总量的比例（%）大同78951.000.78951.63朔州66432.101.3952.88忻州26782.000.53561.11太原512811.505.897212.18晋中45356.803.08386.37临汾58623.642.13964.42阳泉536723.5012.612526.04长治43014.702.02154.17晋城658122.4014.741430.44吕梁333114.504.839.97运城32112.000.38520.79合计5264248.43131001、晋煤集团晋城煤业集团是由山西省国资委控股、股权结构多元化的有限责任公司，属“中国500家最大企业集团”、“中国企业500强”和“全国煤炭工业企业100强”企业。现有6对生产矿井和1对在建矿井。晋城矿区位于沁水煤田南部，面积6206km2（含远景区和后备区），是国家规划的13个大型煤炭基地中晋东煤炭基地的重要组成部分，是首批国家规划矿区之一，是中国优质无烟煤重要的生产基地。晋城矿区吨煤含气量12.0～28.7m3/t,平均18.0m3/t,瓦斯压力一般在0.2～1.5Mpa，局部可达1.9Mpa，瓦斯绝对涌出量15～456.6m3/min,抽放率35～40%，属可以抽放-易抽放煤层。随着煤炭开采程度的加深，新建矿井中的大量瓦斯对煤矿安全带来了很大的隐患，为保障安全生产，晋煤集团在煤矿瓦斯抽放中投入了大量资金。在井下瓦斯抽放方面，安装瓦斯抽放泵站11台（寺河矿与成庄矿），主要采取随井下巷道掘进和工作面推进布置钻场进行瓦斯抽采，将边采边抽与预先通过掘进圈出一整块煤进行模块式预抽相结合，将本煤层与采空区、本煤层与邻近层抽采技术相结合的高效抽采方式。寺河矿2000年5月建成投运了矿井永久瓦斯抽放系统，地面瓦斯抽放泵站现安装2台CBF-710型水环式真空泵和2台2BE1-705型真空泵，井下抽放泵站安装3台2BE1-705型真空泵，年抽放能力达到2亿m3。成庄矿瓦斯抽放泵站安装4台CBF-710型水环式真空泵，年抽放能力达到1亿m3。2008年成庄矿抽采瓦斯17259.77万m3，抽采率达到59.6%，寺河矿抽采瓦斯1480.7万m3，抽采率达到55.69%，两矿共抽采瓦斯18740.47万m3（表4-3）。寺河矿建成6个进风井、3个回风井，矿井实际进风量达到78600m3/min。成庄矿综采放顶煤工作面采用三巷布置的一进一回加瓦斯尾巷的通风方式，通过调节回风巷和尾巷的风压，提高尾巷风排瓦斯能力。晋城地区煤层气地面抽采情况（井数，抽放量）2007年2008年2009年1-6月井数339713794抽放量2.08亿m33.76亿m32.77亿m3表4-22007-2009上半年晋城地区煤层气地面抽采情况表4-3晋煤集团煤矿瓦斯抽放情况（2008年）矿名核定能力（万t/年）瓦斯相对量（m3/t）瓦斯绝对量（m3/min）瓦斯抽放量（万m3）抽放浓度（%）瓦斯抽放率（%）瓦斯利用量（万m3）瓦斯利用率（%）寺河矿83017.03272.879048.94555.691480.716.4成庄矿108036.221006.1118699.655059.617259.7792.3合计191027.88687.4727748.5548.3758.3218740.4767.56表4-4山西晋煤集团煤矿矿井2008年通风及矿井总回风瓦斯浓度情况煤矿名称风井名称主扇实际风量（m3/min）矿井总回风瓦斯浓度%成庄风井1#风井130300.322#风井105000.453#风井155000.18寺河风井西风井74300.34东风井118900.36上庄风井211290.5胡家长风井104790.42小东山风井144550.6三水沟风井132340.1端化煤矿回风立井72130.22永红煤矿牛角岭风井42320.26立风井47400.222、阳煤集团阳泉煤业集团是中国最大的无烟煤生产基地之一。阳泉矿区位于沁水煤田北部，总面积2668km2（含远景区和后备区），现年生产能力为3200万吨，是国家确定的特大型工业企业。阳泉矿区12对矿井中，4对为瓦斯突出矿井外，6对为高瓦斯矿井，是井下煤层气重点抽采矿区。现有的生产矿井中，煤层最大含气量为21.7m3/t，平均17.2m3/t。在煤炭生产过程中，涌出大量瓦斯，每分钟涌出量平均达1157m3。每年瓦斯抽排放量（换算成纯甲烷）达到6.01亿m3，是中国矿井瓦斯抽排放量最大的矿区。阳煤集团是山西省最早进行煤矿瓦斯抽放的矿区。在生产矿井中主要采用井下穿层钻孔、顶板岩石巷道专用抽瓦斯和采空区抽放的方法。现在各矿共建有8个完善的矿井瓦斯抽放系统，安装各类抽放设备40余台，总装机容量5232kw，单机运行最大抽放能力达1606.4m3/min，井下瓦斯抽放管路120km。从1957年到2005年累计抽放瓦斯29.5亿m3。阳煤集团2005年瓦斯抽放情况见表4-5、4-6。表4-5阳煤集团煤矿瓦斯抽放情况（2005年）名称核定能力井田面积瓦斯相对量瓦斯绝对量抽放方式瓦斯抽放量抽放浓度抽放率万t/akm2m3/tm3/min万m3/a%%一矿65083.6013.22163.24邻近层34003027.37二矿72062.4226.02341.56邻近层53003046.53三矿47024.9820.7162.43邻近层66003035.35五矿47079.9038.04359.68邻近层131003073.97新景矿58059.3019.52168.18邻近层36003046.82合计2890310.20320003050.05表4-6山西阳煤集团煤矿矿井2005年通风及矿井总回风瓦斯浓度情况局名矿名风井名称主扇实际风量（m3/min）矿井总回风瓦斯浓度（%）阳煤集团一矿北头咀高家沟105880.27北丈八张华沟100610.44吴家掌99750.26北翼90340.21阳坡堰94940.18二矿菜洼23090.73南山132630.31桑掌176800.59前南沟59360.38龙门76210.2北茹96820.09三矿2号井芦北32750.55竖井马家坡218480.1东西畛124930.2新村33580.2裕公井东西畛82990.32马家坡47790.6四矿二坑34610.3开天公司四坑84260.08五矿大井桑沟89750.5中央风井68110.25南翼43880.2五林井唐家掌64620.32新景矿芦南188190.3芦北211510.2从表中数据看出，不少回风巷中瓦斯浓度都在0.2%以上，有的高达0.5-0.7%，若按每分钟4万m3、浓度按0.3%来估算，则一个矿一小时排出的纯甲烷达7200m3，一天排出纯甲烷17.28万m3，如果这些优质的能源加以利用会产生多大的效益。阳煤集团矿井实际风量202634m3/min，一天排出的乏风甲烷达87.5万m3，足够70万个家庭一天的用气量。3、焦煤集团焦煤集团所属煤矿瓦斯含量虽然不像晋煤和阳煤那么高，但焦煤集团西山煤电的杜儿坪矿、屯兰矿、汾西贺西矿。华晋焦煤公司的瓦斯含量还是比较高的，如汾西的贺西矿，2008年矿井绝对瓦斯涌出量137.85m3/min，相对瓦斯涌出量38.41m3/t，西山屯兰矿2008年绝对瓦斯涌出量256.14m3/min，相对瓦斯涌出量为26.9938.41m3/t。采煤工作面瓦斯涌出量达到40-60m3/min。焦煤集团2008年完成瓦斯抽出量3亿m3，瓦斯抽采率达33.2%。瓦斯利用率非常低。屯兰矿在焦煤集团各矿中瓦斯利用中较好的单位，2005年仅一台10吨锅炉使用瓦斯燃料，2007年又投入煤泥干燥项目，目前瓦斯利用量仅为25m3/min，利用率为27%，正在建设瓦斯发电项目，然而乏风瓦斯还根本没有考虑利用。例如12403工作面，日产煤6000-8000吨，配风量3600m3/min，日风流平均瓦斯浓度0.42%，平均风排瓦斯量15.12m3/min；12211工作面，日产煤6000-8000吨，乏风量4200m3/min，日风流平均瓦斯浓度0.7%，平均风排瓦斯量29.4m3/min。西山杜儿坪矿北三盘区8#煤层2008年1-10月矿井瓦斯抽采量达2560万m3，瓦斯绝对涌出量216.94m3/min，相对瓦斯涌出量23.47m3/t；矿井通风10个进风井，4个出风井，总进风量31000m3/min左右，总排放量32000m3/min左右，若总排放风中瓦斯浓度按0.3%计算，则风排瓦斯两96m3/min，一天排放瓦斯13.82万m3。。表4-7西山屯兰矿历年的风徘瓦斯量年份200020012002200320042005200620072008（1-10月）m3/min70.2695.4112.5126.21113.67131.10139.06164.06160.39万m3/d10.11713.73816.218.17416.36818.87820.02523.62523.096这部分风排瓦斯得不到利用是一个极大的能源浪费，同时也加大温室气体的排放量。五.国际国内乏风气利用情况煤层气中CBM（CoalBedMethane）和CMM(CoalMineMethane)中甲烷的浓度在30%-90v/v%，而VAM(VentilationAirMethane)中甲烷的含量<1.0%。前者约占整个煤层气含量的30%，后者占70%。对于甲烷浓度在12-90v/v%范围内的煤层气，目前已具备了成熟的提纯和回收转化利用技术。当浓度低于12%时，可以采用催化燃烧产生的过热蒸汽来带动蒸汽透平来发电。而对于VAM来说，由于低的甲烷浓度，目前还没有实现工业化，仅在澳大利亚建立了几套示范装置。目前，在国内对于甲烷浓度低于1%的VAM的治理距工业示范还需要很长一段时间。1、国外乏风利用情况基于煤层气开发利用在环境保护和经济效益以及潜在的市场前景的考虑，美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等开展了大量的研究工作。开发出了CH4MIN技术以及MEGTEC公司的VOCSIDIZER系统。⑴作为辅助燃料。因矿井回风流中氧气仍占有一定比例，同时含有一定量的可燃成分甲烷，因此可取代周围的空气用于内燃机、燃气轮机、燃气、燃煤锅炉作为助燃剂，这样可以节约部分燃料，减少甲烷排放量。⑵作为主要燃料。回风流中低浓度瓦斯作为主要燃料，目前使用的燃烧设备主要有两类。一类是美国Sequa公司和瑞典ADTEC研制开发的热流转反应器(ThermalFlow-ReversalReactor即TFRR)，另一类是加拿大能源多样化实验室和NRcan研制的催化流转反应器(CatalyticFlow-ReversalReactor即CFRR)。基本情况如表5-1所示：表5-1TFRR与CFRR的比较TFRRCFRR技术供应商美国，MEGTEC公司加拿大，CANMET公司商标VOCSIDIZERVAMOX技术机理逆流反应逆流反应是否使用催化剂否是自然温度1000℃350-800℃技术应用案例3000多套装置，主要用于处理VOC（使人致死，成瘾的苯类、醛类等挥发性的有机化合物VOC）。已进行商业化示范，主要针对煤矿风徘瓦斯（纯甲烷稀释）。目前最大处理量8，000m3/h(纯甲烷)1，800m3/h（拟运行装置规模）甲烷热值回收率90%75%最小甲烷浓度0.1%0.1%发电的可能性保持稳定来源增加甲烷浓度，保持来流稳定NOX和CO2排放低低附加成本无催化剂购买、更滑、保养费用从各种数据的对比可以看出，TFRR的性能优于CFRR，所以一般都选择TFRR作为利用煤矿风排瓦斯发电的技术。下图是TFRR设备全貌，及其工作原理图。图5-1VOCSmIZER蒸汽循环发电示意图目前VOCSIDIZER系统在全世界已经安装了700多套。1994年英国一家煤炭公司安装了一套试验装置，其矿井乏风的瓦斯含量在0.3-0.6%，流量为8000m3/h。该项目证实VOCSIDIZER可以用作处理矿井乏风中非常低的能量。2001年，第二套试验装置安装在澳大利亚必和必拓公司的Appin煤矿。在该矿乏风中甲烷的浓度高达1%，VOCSIDIZER工作了近一年，将矿井乏风中90%的能量回收用于生产热水。澳大利亚必和必拓公司的WestVAMP项目安装了四台VOCSIDIZER装置，通过内植蒸汽管可以产生过热蒸汽，并推动蒸汽涡轮发电机组发电。该项目将Westqiff煤矿大约20%的矿井乏风转化为有用的能源，每小时处理矿井乏风的能力为250000m3，发电能力为5MW，这是世界上首次利用矿井乏风作为主要燃料发电的大型项目。2、国内乏风利用情况据统计，在我国煤矿排放的甲烷中，矿井乏风占80％左右，每年通过乏风排入大气的甲烷足可冲抵1000～1500万吨原油或2000～3000多万吨煤炭，其数量差不多是一个350～500万千瓦的超大型火力发电厂一年的用煤总量。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，丰富廉价、现实存在的乏风资源显然是可靠的气源保证。目前，国内已经有了两处利用通风瓦斯发电项目，即胜利油田胜利动力机械集团公司开发的通风瓦斯氧化技术和郑煤集团下属的告成煤矿建成年处理甲烷6万m3/年的CDM项目。2.1胜动集团通风瓦斯氧化技术胜利油田胜利动力机械集团公司开发的通风瓦斯氧化技术，被业界称为“节能减排的‘核武器’”胜动集团公司自主研发的乏风甲烷氧化装置主要是利用煤矿瓦斯中的甲烷进行氧化反应产生热能，并将热实施阶梯利用，实现热、电、冷联供。同时通过氧化装置制取过热高压蒸汽驱动蒸汽轮机发电，蒸汽余热则可供煤矿职工洗澡、矿区冬季采暖、北方煤矿进风口空气预热、矿井采掘面制冷等。此外，该装置也可处理垃圾填埋场排出的甲烷废气以及其它挥发性有机化合物。以一个年产煤炭100万吨、乏风流量10000立方米/分钟、甲烷浓度为0.5%的高瓦斯煤矿为例，可以安装10台处理能力为6万立方米/小时的氧化装置。每年产生热能折合400万吨标煤，减排二氧化碳30万吨，相当于一个15万kW装机容量的燃煤电厂或20万辆小汽车的二氧化碳排放量。仅每年CDM（清洁发展机制）收益就达3000万元。2.2告成煤矿通风瓦斯发电项目告成矿井田位于河南登封煤田东部，主采的山西组二-煤层属典型豫西“三软”煤层。2007年矿井综合生产能力为120万t。矿井通风方式为中央并列式抽出通风，主副井筒进风，中央风井回风。矿井总进风量5600m3／min，总回风量为5800m3／min，主扇负压1844Pa。告成煤矿属高瓦斯矿井，实测煤层瓦斯含量为l7．35m3／t。矿井绝对瓦斯涌出量为24．3m3／min，相对瓦斯涌出量为26.06m3／t通风瓦斯出口浓度为0.03%。本项目利用美国MEGTEC公司开发的VOCSIDIZER系统将0.03%的井下通风瓦斯与抽采浓度为48%的煤层气混合成浓度为0.3-0.4%，预计年处理CH46万m3/年，通过CDM收益60万美元/年。六、矿井乏风（VAM）技术开发VAM的转化利用主要通过两种方式：直接燃烧（>1000℃）和催化燃烧（400-600℃）。目前在国外主要由MEGTECH公司开发出的主要用于挥发性有机物脱除的VOCSIDIZER系统实现了工业示范，它基于原理是高温直接燃烧。而催化燃烧技术具有燃烧温度低，无NOx排放等优点。因此，受到广泛关注。1、VAM的物理化学性能甲烷氧化的化学反应：CH4+2O2=CO2+2H2O当甲烷的浓度为0.5%时，绝热温升为130℃。不同甲烷浓度的煤层气催化燃烧能够获得的能量效率见下图。当甲烷浓度为0.4%时，能量回收效率可达到60%左右。汾渭能源与国内某研究机构利用成熟的燃烧催化剂制备技术及其复杂系统的开发能力，正在开发处理能力为40m3/h低浓度瓦斯气的催化转化利用技术。40m3/h低浓度瓦斯气催化转化体系的开发能够对不同工艺条件对甲烷转化率的影响，以及在不同气体空速、不同流向变换周期下甲烷的催化燃烧特性有较为清楚的认识。对蜂窝蓄热体的蓄热特性、流向变换反应器内流场分布以及可回收利用的热量进行系统的研究，从而为低浓度瓦斯气催化转化体系的进一步放大奠定了理论和实验基础。计算结果表明当甲烷的浓度为0.4%时，其能量利用效率为60％；当甲烷浓度达到0.6%时，其能量利用效率可达到80％以上。当浓度达到1%时，能量利用效率可达到100%。通过在实验室条件下得到40m3/h催化燃烧反应器(CFRR)数据为甲烷转化率：>95%；热效率(LHV)；大约60%(按照0.5vol.%的甲烷浓度计)；甲烷浓度要求：>0.2vol.%；温度:400-650℃。在实验条件下各项指标合格,可进行工业中试。实验中将40m3/h催化燃烧反应器(CFRR)接入10t、额定热功率为2.1MW烟道式余热锅炉，进水为温度70℃，出水温度大于90℃，出水压力1.0MPa，各项指标达到设计目标。实验证明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，或用来发电。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。图5-9：10t烟道式余热锅炉实物图通过经济效益分析，建立一座每小时处理100000m3，浓度为0.2%-0.8%CH4的矿井乏风气的催化燃烧反应器，总投入为1000万元（包括催化剂），每年可减排CH42057吨，折合成CO2为41143吨。每年可通过产生的热效益创收49万元，通过CDM碳交易创收378万元，可在三年内收回成本。因此，低浓度甲烷完全可以用来转化为其他能源加以利用，如电能、民用取暖制冷等。这样既能缓解目前能源紧缺，又能保障安全采煤过程，同时还保护采煤区生态环境。七、山西省煤层气开发利用山西具有得天独厚的煤层气资源条件，煤层气这一洁净能源的开发将大力改善山西的能源结构，促进山西产业结构的调整，同时，可减少煤矿瓦斯事故的发生，减少环境污染及大气温室效应。煤层气产业在山西有很大的发展前景和机遇，为山西省煤层气利用市场的拓展提供了有利条件。目前，山西省井下瓦斯与地面煤层气利用的减排CO2虽然达828.1万吨，但经申报批准的CDM项目却不多。在山西省“十一五”规划中，每年井下瓦斯利用可减排CO27273万吨，地面煤层气利用减排的CO22254.5万吨，二者总的CO2减排量可达9527.5万吨，具有广阔的减排市场潜力。清洁发展机制(CDM)，为山西省煤层气的发展带来了新的机遇。在提高资源和能源利用效率中，CDM项目的成功申报可以将国外先进的生产技术和资金引进山西，降低煤层气开发的风险，提高煤层气利用的效益；同时促进山西省转变经济增长方式，实现新型工业化的目标，保证山西能源的可持续发展。综上所述，山西省煤层气在资源、市场等方面都有很大优势。山西省应将煤层气作为产业来培育和发展，形成大的规模化开采的煤层气企业，加快其开发和利用。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用HYPERLINK"/detail.htm?3571