煤矿瓦斯“零排放”工程示范及标准研究

熊鹏辉 索根喜 孙晨光 康效武

(1.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 710119；2.陕西省煤层气工程技术研究中心，陕西 710119)

1 前言

为了加快推动陕西省瓦斯综合利用产业化发展，“十二五”期间，陕西煤业化工集团以国家、地方相关文件为指导，在彬长矿区大佛寺煤矿实施了瓦斯“零排放”示范矿井建设，实现了对煤矿瓦斯分梯度利用，取得了较好的效果。文章结合彬长大佛寺瓦斯“零排放”示范矿井建设经验，制定了煤层气(煤矿瓦斯)“零排放”标准，规定了煤层气(煤矿瓦斯)排放限值和利用要求，为瓦斯“零排放”的推广奠定了基础。

2 瓦斯“零排放”工程示范

2.1 瓦斯“零排放”含义

煤层气(煤矿瓦斯)“零排放”指的是在矿区范围内，对地面预抽煤层气、井下抽采瓦斯和通风瓦斯(乏风)在目前技术条件下，最大限度进行有效利用或销毁，使其不排放到大气中。在具体实践中，煤矿瓦斯“零排放”就是在现有的技术水平和装备条件下，在符合煤矿企业可持续发展的前提下，对地面抽采煤层气(煤矿瓦斯)加工后用于居民用气、汽车燃料和工业燃料等，富裕气体处理加工后外输利用。对井下直接抽采瓦斯浓度8%以上的直接用于低浓度发电，对井下抽采瓦斯浓度8%以下的与通风瓦斯(乏风)进行掺混，在保证煤矿安全生产的前提下，通过氧化制热(冷)或发电，实现瓦斯利用的最大化。

2.2 工程示范

陕西煤业化工集团按照瓦斯“零排放”技术路线，积极推进大佛寺瓦斯“零排放”示范矿井建设，地面抽采煤层气实现了全部利用，煤矿井下抽采低浓度瓦斯和通风瓦斯(乏风)总利用率达到75%以上，率先实现大佛寺煤矿瓦斯“零排放”目标。

2.2.1 地面煤层气开发利用工程示范

2009年至2015年，大佛寺井田先后实施了38口(组)煤层气井，产能达到5万m3/d，累计产气约4800万m3。2015年完成了5万m3/d的煤层气压缩提纯项目建设，将地面抽采煤层气作为工业燃料实现了全部利用。

2.2.2 低浓度瓦斯发电工程示范

2008年，陕西煤业化工集团在大佛寺煤矿建成全国规模最大的低浓度瓦斯发电厂，安装24台500KW装机容量12000KW的瓦斯发电机组，项目投运以来累计发电2.2亿kWh。为了进一步提高瓦斯利用效率，2014年新增装机容量8400KW，低浓度瓦斯发电项目总装机容量达到20400KW，总发电能力1.2亿kWh/年，大佛寺煤矿抽采浓度8%以上的瓦斯全部利用。

2.2.3 通风瓦斯(乏风)利用工程示范

2011年，陕西煤业化工集团在大佛寺煤矿投资建成全国首个“煤矿通风瓦斯利用示范工程”，安装5台通风瓦斯(乏风)处理能力6万Nm3/h的氧化装置和一台4500KW蒸汽轮发电机组，将煤矿抽采浓度小于8%的瓦斯与通风瓦斯(乏风)掺混，使浓度达到1%，采用热氧化技术制热发电。2015年，新增处理能力10万Nm3/h的氧化装置1台，通风瓦斯(乏风)总处理能力达到40万Nm3/h,可利用大佛寺矿1号风井约三分之二的通风瓦斯量。

3 煤层气 (煤矿瓦斯)“零排放” 标准研究

3.1 标准确定方法

为了更好的推进瓦斯“零排放”示范矿区建设，获得最佳的环境效益、经济效益和社会效益。陕西煤业化工集团在大佛寺煤矿瓦斯“零排放”示范成功的基础上，以《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ 1026)、《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂定)》(GB 21522—2008)、《煤矿瓦斯抽放规范》(AQ 1027)、《煤矿安全监控系统通用技术要求》(AQ 6201)以及《瓦斯抽放用热导式高浓度甲烷传感器》(AQ 6204)等相关规范标准为基础，结合大佛寺低浓度瓦斯发电机组及通风瓦斯利用设备运行能力，对煤层气(煤矿瓦斯)“零排放”标准体系进行系统研究，并提出了强制性要求。煤层气(煤矿瓦斯)排放限值参见表1，煤层气(煤矿瓦斯)利用要求参见表2。

表1 煤层气(煤矿瓦斯)排放限值

表2 煤层气(煤矿瓦斯)利用要求

3.2 煤层气(煤矿瓦斯)排放及利用评定指标

3.2.1 地面抽采煤层气(煤矿瓦斯)排放及利用评定指标

按照相关规定，煤层气禁止直接排放，必须进行销毁或者利用。地面抽采煤层气(煤矿瓦斯)浓度一般较高，可以通过管道集中输送到压缩站，再通过净化压缩加工处理后作为优质的民用燃料、汽车燃料或工业原料等进行有效利用。目前，煤层气抽采利用技术较为成熟，设备完善，经济效益好，必须实现100%有效利用。

3.2.2 井下抽采煤矿瓦斯排放及利用评定指标

井下抽采瓦斯浓度一般低于30%，属于低浓度瓦斯。《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂定)》(GB 21522—2008)规定大于30%的高浓度瓦斯禁止直接排放，必须加以利用或者销毁。但对于大于8%小于30%的低浓度瓦斯排放及利用没有进行规范。目前，现有设备和技术已经可以将浓度大于8%的井下抽采瓦斯通过低浓度发电装置实现100%利用，因此本标准要求浓度大于8%瓦斯禁止排放并建议通过发电等方式全部利用。

浓度低于8%大于1%的井下抽采瓦斯，按照稳定抽采量分为稳定抽采量≥10m3/min和稳定抽采量<10m3/min。对于8%>甲烷体积分数≥1%，稳定抽采量≥10m3/min的低浓度瓦斯，禁止排放并要求通过提纯或与通风瓦斯掺混等方式全部利用。

陕西煤业化工集团在大佛寺煤矿装备的通风瓦斯(乏风)氧化装置设计能力为60000Nm3/h，即每小时能够处理折纯瓦斯600m3。对于稳定抽采量<10m3/min，8%>甲烷体积分数≥1%的煤矿瓦斯，因未能达到1台60000Nm3/h通风瓦斯(乏风)氧化装置最小处理能力，因此本标准对该浓度瓦斯排放和利用未做要求，但建议有条件企业可以将其与通风瓦斯配比掺混，通过通风瓦斯(乏风)氧化装置实现利用或销毁，企业可根据具体情况来确定排放和利用方式。

3.2.3 风排瓦斯排放及利用评定指标

矿井风排瓦斯总量极大、浓度超低(≤0.75%)，在现有技术水平和设备条件下难以实现通风瓦斯的100%利用或销毁，但是通过与井下抽采的超低浓度瓦斯(浓度小于8%)掺混，可使一定量的通风瓦斯掺混后浓度达到0.9%～1%，通过通风瓦斯(乏风)氧化装置实现100%利用和销毁，从而实现通风瓦斯最大程度的有效利用。目前，通风瓦斯的利用尚处于试运行阶段，通风瓦斯氧化发电没有得到大规模的应用和推广，经济效益较差，运行效果和安全保障亟待提高。因此，标准对风排瓦斯的排放和利用没有进行要求。随着技术进步和装备水平的逐步提升，通风瓦斯的利用率和经济性将逐年提高，企业可将风排瓦斯完全利用。

[1] 政府间气候专门变化委员会第三份评估报告[R].纽约剑桥大学出版社，2001.

[2] 中国煤炭科工集团西安研究院.陕西彬长矿区瓦斯“零排放”规划[R].西安, 2013.

[3] 刘文义,郭俊生.高瓦斯矿井实现瓦斯“零排放”途径的探讨[J].煤炭工程,2013(8):63-64.

[4] 田振林.彬长矿区煤层气“零”排放技术研究与实践[J].中国煤层气,2013(4):38-39.

[5] 马晓钟.煤矿乏风氧化装置的研制[J].矿业安全与环保,2011(1):17-20.

[6] 李厚志,原德胜,田振林,等.大佛寺煤矿通风瓦斯氧化利用技术[J].煤矿安全,2014(5):70-72.

[7] GB 21522—2008. 煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂定)[S].