高突矿井抽排瓦斯与油页岩炼化尾气综合利用的应用研究

田靖安 孙建新 唐志媛 陈国瑞

（1.窑街煤电集团有限公司，甘肃省兰州市，730084；2.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083；3.煤炭工业出版社，北京市朝阳区，100029）

高突矿井抽排瓦斯与油页岩炼化尾气综合利用的应用研究

田靖安1孙建新1唐志媛2陈国瑞3

（1.窑街煤电集团有限公司，甘肃省兰州市，730084；2.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083；3.煤炭工业出版社，北京市朝阳区，100029）

通过对低浓度瓦斯发电技术和油页岩炼化尾气发电技术的研究，发现两种气体经过燃气内燃机发电，各自存在的主要技术问题。通过对两种气体发电工艺技术原理的分析研究，以及两种气体掺混后气体成分的分析研究，发现将两种气体掺混利用，即利用了浓度较低的瓦斯，又将油页岩炼化尾气在气缸燃烧时的氢气含量降低，更有利于燃气内燃机控制运行。

煤矿低浓度瓦斯 油页岩炼化尾气 掺混 发电 资源综合利用

瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。全世界瓦斯资源十分丰富，据有关资料表明，总资源量达260万亿m3。中国瓦斯资源量为30～35万亿m3，居世界第三位。近十几年来，许多国家瓦斯勘探开发活动十分活跃。特别是在美国，瓦斯开发获得重大突破，已发展成为一个新的产业。在美国和其他一些国家瓦斯工业发展中，瓦斯经济鼓励政策起了极大的推动作用，其他配套法规也在逐步建立和完善。这些国家的瓦斯政策法规和经验可供我国研究和借鉴。进入21世纪，中国瓦斯资源抽采利用技术也取得重要突破。在高浓度瓦斯发电成熟技术的基础上，低浓度瓦斯发电通过技术攻关取得突破，并产生了可观的安全效益、经济效益、社会效益和环境效益。

由于多种原因，现实中仍存在很大一部分井下抽采和炼化产生的可燃气被空排或空烧，大量可燃气资源被白白浪费。据中国工程院的项目报告统计：目前我国还有总量20%以上的冶炼尾气被直接空排或空烧，约折合标准煤880万t。此外，可燃气空排和空烧还会造成严重的环境污染问题。油页岩炼化尾气属于二次能源，富含CO、H2及CH 4等可燃气体成分。在节能减排和低碳经济已成为全球经济发展主流的新形势下，急需探索一条有效的综合利用低浓度瓦斯和油页岩炼化尾气安全稳定发电的途径。

1 问题提出

窑街煤电集团公司矿井地质构造十分复杂，矿井瓦斯、二氧化碳突出灾害异常严重，是国家45户安全重点监控矿井之一。为保障矿井安全生产，集团公司确定了“先保后采，先抽后采，保抽并举，综合治理”的瓦斯治理方针，目前海石湾煤矿瓦斯抽排量为5990 m3/h，浓度约为6.31%，此部分瓦斯均直接排空，未加以利用；而开采的油页岩在炼油过程中采用干馏技术，产生了大量的伴生气——油页岩炼化尾气，一部分在炼油过程中进行回收利用，但还剩余约48000 m3/h炼化尾气直接进行火炬燃烧或排放，不仅造成了环境污染，而且浪费了宝贵资源。为响应国家新能源及节能减排、环境保护方面的政策要求，窑街煤电集团公司遵循循环经济发展的指导方针，特对矿井抽排瓦斯和油页岩炼化尾气进行综合利用发电，既减少环境污染，降低大气温室效应，又产生良好的经济效益。

2 低浓度瓦斯与油页岩炼化尾气综合利用现状

2.1 低浓度瓦斯利用现状

煤矿瓦斯发电是瓦斯利用的最好办法。但是，国外煤层气（煤矿瓦斯）发电主要侧重于浓度30%以上的瓦斯发电技术，对于浓度在6%～25%之间的低浓度瓦斯，由于跨越5%～16%的瓦斯爆炸范围，目前还没有有效的利用方式。我国在低浓度瓦斯发电方面已取得突破。低浓度瓦斯输送系统是低浓度瓦斯发电的重要工艺环节，关系到发电机组的正常运行，并影响到瓦斯抽采系统的安全。目前，比较成熟的低浓度瓦斯输送技术有两种：一种是由山东胜动集团研发的细水雾低浓度瓦斯输送系统，另一种是由设在淮南矿业集团的煤矿瓦斯治理国家工程研究中心研发的气水二相流低浓度瓦斯输送系统。其中，山东胜动集团研发的煤矿瓦斯细水雾输送系统及瓦斯发电机组解决了低浓度瓦斯长距离地面安全输送问题，可将浓度高于6%的低浓度瓦斯转换成电能。今后，低浓度瓦斯发电利用将成为瓦斯综合利用的重点。

2.2 油页岩炼化尾气利用现状

油页岩炼化尾气作为油页岩炼油过程中的伴生气体，为高含氢气体，燃烧控制难度很大，通常采取的利用方式就是作为燃料直接燃烧，目前尚无理想的应用方法。

3 低浓度瓦斯与油页岩炼化尾气掺混综合利用发电可行性和创新点

3.1 技术可行性分析和创新点

3.1.1 气体掺混热值及燃烧控制分析

该技术主要是采用低浓度瓦斯与油页岩炼化尾气作为燃料进行发电。根据瓦斯抽排情况和油页岩炼化尾气相关参数，将抽排低浓度瓦斯和油页岩炼化尾气在燃气内燃机发电机组内掺混后进行发电，建立燃气发电站。以抽排的低浓度瓦斯和油页岩炼化尾气掺混后混合气体热值不小于4.0 MJ/Nm3为原则，将低浓度瓦斯与油页岩炼化尾气进行掺混综合利用发电。

以完全利用窑街煤电集团公司海石湾煤矿抽排的低浓度瓦斯和油页岩炼化尾气情况为原则，低浓度瓦斯气体与油页岩炼化尾气气体按照5990∶48000≈1∶8比例进行掺混试验，掺混后的气体成分及其主要参数如下：

低浓度瓦斯气体体积比：0.1

油页岩气体体积比：0.8

掺混比：11∶8

掺混气体含量：

CH4：3.5%

H2：11%

CO：9.4%

N2：58.3%

CO2：16%

烷烯：1%

其他：0.8%

理论空燃体积比：1.0

低浓度瓦斯、油页岩炼化尾气按照理论空燃比与空气进行混合，混合气及其机组预计功率如下：

掺混比例：空气∶低浓度瓦斯∶油母页岩≈9∶1∶8

掺混气与空气混合后气体理论含量：

CH4：1.75%

H2：5.5%

CO：4.7%

N2：68.3%

CO2：7.8%

烷烯：0.5%

其他：0.95%

O2：10.5%

热耗率：12 MJ/k Wh

预计机组功率：320 k W

低浓度瓦斯在低于8%浓度的情况下，无法使用燃气内燃机发电运行，目前尚无理想的应用方法。同时，油页岩炼化尾气为高含氢气体，燃烧控制难度加大。而二者掺混利用，既利用了浓度较大的瓦斯，又将油页岩炼化尾气在气缸燃烧时的氢气含量降低，更有利于燃气内燃机控制运行，因此，掺混后的气体无论在热值还是在燃烧控制方面都是理想的发电气体。

3.1.2 燃气输送安全技术工艺

具体掺混进气工艺为：低浓度瓦斯经过细水雾输送系统，送入机组前经DN50电磁阀、DN50阻火器、DN50手动蝶阀、DN50调压阀，低浓度瓦斯再分为两路，各自以DN25管路进入机组左右掺混器，然后与空气一同进入双管混合器，低浓度瓦斯的进气量可由手动蝶阀以及调压阀进行控制，低浓度瓦斯气和油页岩炼化尾气及空气一同经双管混合器混合进入进气管及缸内燃烧，进行发电。具体掺混进气工艺见图1。

低浓度瓦斯经过细水雾输送工艺流程如下：

抽放站放散口→闸阀→水位自控式水封阻火器→丝网过滤器→瓦斯管道专用阻火器→低温湿式放散阀→防爆电动蝶阀→水雾输送系统→溢流水封阻火器→自动放散阀→进气支管→电磁阀→阻火器→手柄蝶阀→调压器→发电机组。

低浓度瓦斯经过细水雾输送安全机理：

（1）主动阻火。

冷却：细水雾颗粒直径越小，相对表面积越大，受热后更容易汽化，在汽化的过程中，从燃烧物表面或火灾区域吸收大量的热量，从而使燃烧物表面温度迅速降低，当温度降至燃烧临界值以下时，热分解中断，燃烧随即终止。

稀释：火焰进入细水雾后，细水雾迅速蒸发形成蒸汽，由液相变为气相，气体急剧膨胀，最大限度地使燃烧反应分子在空间距离上拉大，抑制火焰。

图1 掺混进气工艺

（2）被动阻火。

水位自控式水封阻火器。水位自控式水封阻火器的基本原理主要是当火焰通过水气混合层时，火焰与水接触，能量被水蒸发吸收，化学反应的自由基减少并消除，同时，水的瞬间汽化也降低了瓦斯中的甲烷浓度，使火焰熄灭。自控式水封阻火器采用雷达水位监测（雷达液位计是德国E＋H公司生产）和计算机自动控制，当水位低于设定下限水位时自动补水，当水位高于设定上限水位时自动放水，从而维持水位的恒定，保证阻火器可靠工作。此套系统同时带有计算机网络远传和无限传输系统，可实现远程监控。

瓦斯管道专用阻火器。瓦斯管道专用阻火器的原理主要是基于火焰通过狭窄通道时的熄灭现象研究。火焰在狭缝中淬熄主要是由于火焰表面的化学反应放热与散热条件不匹配引起的。火焰以一定速度进入狭缝时，火焰面内靠近狭缝冷壁处，作为化学反应活化中心的自由基和自由原子与冷壁相碰撞放出其能量，这相当于反应区的热量流向冷壁边界，从而当火焰面达到一定距离时，开始形成熄火层，随着火焰面的运动，熄火层厚度不断增大，以至由于自由基进入熄火层内就复合成分子并放出能量，自由基越来越少，直到没有，火焰熄灭。

3.1.3 燃气发电冷却工艺

为保证燃气发电机组的安全稳定运行，必须给其配备相应的冷却系统。冷却系统分高温冷却系统和低温冷却系统，根据机组参数，单台发电机组高温外循环水进水水温45℃，冷却水量30 m3/h，通过换热器后温度升高10℃左右；单台发电机组低温外循环水进水水温35℃，冷却水量25 m3/h，通过换热器后温度升高10℃左右。

通过如下冷却工艺，可保证燃气发电机组安全稳定运行：

冷却水池→Y形过滤器→闸阀→循环水泵→止回阀→闸阀→循环水进水汇总管→循环水进水总管→智能除垢型电子水处理仪→进水支管→换热器→回水支管→回水总管→回水汇总管→冷却塔→冷却水池。

3.2 经济效益

通过对该类项目中各类成本进行分析，发电成本约为0.27元/k Wh，目前根据国家的相关政策，新能源节能环保项目上网电价不低于市电的价格（0.5元/k Wh左右）；国家对该类项目还有一定的补贴；燃气中CH4经发电机组燃烧后以二氧化碳的形式排放到大气中，从而降低温室气体排放量，可以向国际组织出售CERS（CO2减排指标），因此，该类项目具有良好的经济效益。

4 结论

经过煤矿抽排低浓度瓦斯和油页岩炼化尾气掺混进行发电技术的研究，认为该研究在技术上是可行的，在经济上是合理的。项目建成后，使煤矿抽排瓦斯和排空的油页岩炼化尾气变害为利、变废为宝，减少了对大气的污染，降低了地球表面的温室效应，保护了地球的生态环境，提高了煤矿生产的安全性，具有良好的安全效益、经济效益、社会效益和环境效益。

Research and application of comprehensive utilization of exhausted gas from high gas outburst coal mine and exhausted emission from oil shale refining

Tian Jing＇an1，Sun Jianxin1，Tang Zhiyuan2，Chen Guorui3
（1.Yaojie Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu 730084，China；2.Energy and Safety Science and Technology Co.，Ltd.，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；3.Cina Coal Industry Publishing House，Chaoyang，Beijing 100029，China）

By comparison of two techniques for power generation from low-content gas and exhausted emission of oil shale refining，it was found that there exist respective technical problems during two gases passing internal-combustion engine.The analysis of two power generation technical principles and the composition of two gases after mixing showed that the mixture of two gases，not only utilizing the low-content gas but also decreasing the amount of hydrogen when the exhausted emission from oil shale refining burned in the cylinder，is beneficial to the control of internal-combustion engine running，achieving an aim of energy reduction，circular economy，comprehensive utilization，safe and stable power generation，and the increase of enterprise benefit.

low-content gas from coal mine，exhausted emission of oil shale refining，mixing，power generation，comprehensive utilization of resources

TD712.67 TQ54

A

田靖安（1956－），男，研究生学历，教授级高级工程师，研究方向循环经济综合利用，现任甘肃窑街煤电集团有限公司副董事长。

（责任编辑 张艳华）