废弃煤矿低浓度瓦斯资源化利用方式探究

赵 彦 于志军 陈广生 汪 伟

(1.中节能宁夏新能源股份有限公司，宁夏 750002；2.中节能工业节能有限公司，北京 100044)

1 前言

自2015年以来国家实施的煤炭去产能政策，促进了能源供给侧结构的改革，因此资源枯竭和淘汰过剩产能关闭的煤矿数量也相应大幅增加。煤矿关闭后，其残存煤中赋存很大瓦斯资源，总量约在1132.7～2187.2亿m3之间，专家学者普遍认为，目前废弃煤矿瓦斯资源量极具开发价值，前景广阔。

我国煤矿瓦斯的排放位于世界第一，但因瓦斯浓度低，产量不稳定等因素难以满足工业和民用的要求，但从保护生态环境、新能源开发及废弃煤矿安全隐患治理等方面考量，废弃煤矿低浓度瓦斯资源的开发已受到各方面高度的重视。早在多年前，国家已开展了废弃煤矿低浓度瓦斯资源方面的开发利用，也取得了显著得成效，在开发废弃煤矿低浓度瓦斯资源一举三得(安全、环保、经济)的效应下带动了开发和利用技术的不断完善和发展。

2 废弃煤矿低浓度瓦斯资源利用的三种方式

2.1 低浓度瓦斯乏风氧化利用

“乏风”是矿井通过排风系统将瓦斯排出，通常瓦斯中的甲烷浓度低于0.75%，乏风甲烷是国内煤矿瓦斯主要利用方式，据相关统计，中国的乏风排放量超过150亿m3/年，等同于西气东输的一年输气总量，温室气体效应相当于排放2亿t CO2。解决废弃煤矿乏风排放造成的资源浪费以及生态环境污染的问题，对增加经济效益和社会效益等各方面来讲，低浓度瓦斯乏风氧化技术处理显得尤为必要。

热逆流再生氧化技术、气体废气催化氧化技术是乏风氧化的两种主要方式。废弃矿井乏风氧化利用原理是将废弃矿井的低浓度瓦斯与矿井乏风混合，进行氧化反应，利用氧化反应产生的热能，可用于热交换、发电、制冷、采暖等资源。

热逆流蓄热氧化技术：通过外部高温热源将组合式陶瓷蓄热体氧化床中心区域温度加热到甲烷发生氧化反应所需温度，然后通入掺混后的将低温(10℃～30℃)的矿井乏风，乏风发生氧化反应并放热。通过不断改变氧化床内的气流方向，使氧化床中心区域始终保持高温。通过内部换热器将自身反应多余的热量除去，并加以利用。该技术主要通过双向流动反应器实现，该反应器允许气体(乏风)和固体(高效地存储在传热换热装置)之间的再生热交换。热逆流蓄热氧化技术在乏风氧化技术中的应用已经十分成熟，可靠性高，缺点就是初期投资较大，对氧化床内的温度进行实时监测，整个系统监控点多，需控制设备多，控制系统复杂，对用户水平要求较高，用户很难在短时间内掌握。

乏风催化氧化技术采用电加热启动法。加热开始后，利用催化反应室中的乏风瓦斯氧化产生的高温烟气将预热器内的空气预热到可反应的温度。然后进入催化氧化反应室进行催化氧化。从而达到降低C-H化合物、CO、NOx等污染物的排放，甚至实现零排放，同时，提取瓦斯催化氧化产生的部分热量，促成能源的有效利用。乏风催化氧化技术是通过改变反应流向来实现，该方式结构简单、启动快、投资小，缺点是催化剂的持续时间有限，需要定期更换氧化剂和维护工作。

2.2 低浓度瓦斯发电

我国废弃煤矿排采的瓦斯浓度大部分比较低且不均匀，而地面卸压钻孔瓦斯浓度相对较高(CH4>30%)，需要保证低浓度瓦斯发电机组在气体远距离安全输送的重要保障前提下，采用废弃煤矿瓦斯负压抽采技术，通过低浓度瓦斯气体内燃机进行发电，这也是废弃煤矿低浓度瓦斯资源利用的最广泛的方式。

低浓度瓦斯中CH4含量低，成分不稳定，根据执行器控制燃料供给系统进行瓦斯气体和空气的空燃比的精准控制(CH4浓度控制在9%左右最佳)，通过控气配比系统和空燃比配比系统自动调节混合器控制阀开度使废弃煤矿的低浓度瓦斯(CH4<30%)或超低浓度瓦斯(CH4≈1%)和地面卸压钻孔较高浓度瓦斯(CH4>30%)进行负压自动配比，充分混合后达到低浓度瓦斯内燃机爆炸做功条件(甲烷浓度5%～16%)和流量稳定的组分，经过配比后的瓦斯在气缸内充分爆炸做功，并形成能量转化，带动联轴器使发电机发电。通过燃料混合配比，同时解决了低浓度和超低浓度瓦斯CH4含量低、流量大得不到充分利用和地面卸压钻孔浓度瓦斯的问题，这样既降低了低浓度瓦斯机组热负荷和回火率，保障了机组安全平稳运行，又提高了废弃煤矿低浓度瓦斯资源利用率。燃气发电机组具有燃料气体适用性强、安装便捷、维护简单、热效率高(36%～40%)等优点。使用低浓度瓦斯气体内燃机组发电，具有建设周期短、投入少、电站移动方便(集装箱式机组)，对燃料浓度变化适应性强等优势。

2.3 低浓度瓦斯提纯

低浓度瓦斯提纯目前的方法主要有三种：变压吸附浓缩法、低温液化分离法、渗透分离法。

变压吸附浓缩法(PSA)是通过常压吸附和真空脱附的原理，利用吸附剂的平衡吸附，随着组分特性的压力增大，用这种方法从低浓度的甲烷气体中分离出来，主要通过增压风机引入低浓度气体吸附塔，吸附剂选择性吸附低浓度甲烷气体，但它们都不是吸附低浓度气体的吸附塔，而是通过真空泵将甲烷吸附在吸附剂上汽提，以获得丰富的甲烷气富集。该方法可使低浓度气体中CH4含量由15%提高到95%以上，达到CNG/LNG的热值水平。

低温液化分离法是按照每一种组分各自蒸发温度的差别，将低浓度瓦斯进行冷凝为液体，从而达到分离目的。随着低温深冷技术的不断发展，许多国家相继开发了低温液化分离瓦斯气体的技术并应用，采取低温精馏法、氮膨胀制冷循环法等，实现含氧低浓度瓦斯的分离合液化，主要工艺是将低浓度瓦斯通过压缩后提高气压，进入分子筛的同时将二氧化碳和水脱离，然后干燥并进入冷却系统降温，再经过分馏塔蒸馏、冷凝处理，将塔内的气体和液体馏分，进行充分的质热交换，在分馏塔顶部得到氮气，塔底部得到的液态甲烷。

渗透分离法是将低浓度瓦斯气体通过装有隔膜的渗透装置，达到筛离效果，同时收集隔膜两侧气体，实现低浓度瓦斯的提纯。

采用上述几种提纯低浓度瓦斯技术，经过一级或多单元处理，可加工成常规天然气的标准的产品或其他工业级的产品，不但可以减少大量的碳排放，还可以调节我国能源结构，减轻天然气紧缺的压力。

3 效益前景分析

由于我国煤矿地质情况复杂，矿井在关闭废弃后没有得到妥善规划，而废弃煤矿低浓度瓦斯资源有效的再利用，不仅可以有效防止环境污染，还缓解了国内气体能源紧缺的问题，解决了煤矿关闭报废后遗留的重大安全隐患和生态环境污染问题。

本文对废弃煤矿低浓度瓦斯资源化利用的三种应用方式进行了探索和研究，并对这三种应用方式总结如下：

(1)低浓度乏风氧化方式的应用。在我国正处于起步阶段，现有乏风氧化技术水平和关键技术还存在一定问题，同时煤矿乏风氧化利用项目的经济效益差也是影响其规模化发展的重要因素之一。如果国家碳排放交易市场制度完善，启动CCER机制后，预计会有效地提高乏风瓦斯利用项目经济性，在符合经济性条件的废弃煤矿可进行推广应用。

(2)低浓度瓦斯发电方式的应用。在瓦斯抽采过程中，气量、浓度、压力不断变化，而通过废弃煤矿地面卸压钻孔和抽放泵站负压抽采的瓦斯，经与空气配比成低浓度瓦斯发电机组所需的燃料进行发电的方式，极大的促进了资源化再利用的发展，并且瓦斯通过内燃机的充分燃烧，解决了废弃煤矿重大安全隐患，实现了温室气体的减排，增加清洁能源电力供应。由于该技术成熟、安全辅助系统完善可靠、相关政策支持，在国内应用较为普遍，是目前解决废弃煤矿低浓度瓦斯资源利用最好的方式。

(3)低浓度瓦斯提纯方式的应用。将低浓度瓦斯利用由单一发电的方式拓展了更多的用途，丰富了我国清洁能源产业结构还减少了环境污染。通过便捷提纯或分离装置将低浓度瓦斯浓缩、提纯、液化后应用在工业或民用领域，目前低浓度瓦斯提纯技术正从初级研究阶段走向产业化，通过提纯脱氧后制成CNG和LNG会有广阔的市场，虽然现在许多科研机构和院所进行了大量的研究，但是在提纯工艺和装置上仍存在很多问题，相关材料制作过程复杂且成本过高，所以目前来讲，低浓度瓦斯提纯的效果不佳，维护和辅材成本较大，整体经济效益不佳。